隧道掏槽爆破动力响应的深度分析

行业背景

本文以长安街石景山隧道爆破施工为背景，采用动力有限元方法模拟了三种不同爆破方式下人工防护道的振动响应。直孔延时起爆与试验进行对比，验证仿真的有效性，并对三种不同爆破方法引起的人工防护道两点的振动速度和加速度进行研究分析，探寻引起人工防护道振动响应最小的最优爆破方式，为工程爆破提供参考

工程背景

长安街西延引起丰沙铁路改建工程暗挖隧道，全长4350.353m，其中明挖段长3871.353m，暗挖段长479m。暗挖段全长479m，双线隧道，线间距4～4.26m，位于8‰的上坡。人防通道底标高94.58m，结构尺寸约2m（宽）×2.4m（高）。通道底板为垫层20cm，调平层7cm，下有垫层，厚度20cm。此范围石景山隧道覆土约31m左右，隧道与人防通道垂直相交，人工防护道位于隧道正上方位置，净距约2.044m。

设计中的关键问题

随着我国交通网络的大规模铺展，爆破在隧道开挖过程起到非常重要的作用，爆破开挖引起的振动响应也越来越引起人们的重视，通过试验和仿真的研究，评价爆破施工方案和爆破参数的合理性，为控制和优化爆破施工参数提供依据，同时对开挖爆破作业对文物，既有铁路线，铁路边坡振动的影响程度，以确保爆破安全，隧道爆破的振动研究也越来越重要。

仿真需求分析

按照测振预警机制的原则，每炮测振，并根据测振数据，调整单次爆破的进尺、药量，控制爆破过程中的振动是该次爆破过程中需要控制的首要因素，为了最大限度降低隧道爆破对人工防护道的爆破振动，采用直孔爆破同时起爆，直孔爆破延时起爆，斜孔爆破延时起爆等三种不同爆破方式进行研究，对比三种不同爆破方式下人工防护道同位置处的振动大小来选择最优掏槽爆破方式.

模型或数据

将六个炮孔布置于与人工防护道相交的正下方位置，高度方向上距离中台阶顶部距离分别0.4m，0.8m，1.2m，炮眼眼口间距1.5m，采用正向不耦合装药，起爆点为从外到内，炮孔直径42mm，炸药直径为30mm，炮孔深度为0.8m，单个炮孔炸药量为0.56kg，总装药量为3.36kg。

参数与条件

下表分别为围岩和炸药材料参数，定义三种不同爆破方式：（1）直炮孔同时起爆。（2）直炮孔延时起爆，六个炮孔起爆时间分别为0ms，5ms，10ms，15ms，20ms，25ms。（3）斜炮孔延时起爆，该爆破方式掏槽为斜孔，六个炮孔起爆时间分别为0ms，5ms，10ms，15ms，20ms，25ms；斜炮孔眼口间距1.5m，眼底间距0.3m。围岩四周采用无反射边界条件。

仿真设计过程简述

利用hypermesh导入几何文件——定义相关部件材料属性以及单元算法——对各个部件进行网格划分——定义流体和固体之间的耦合作用——定义六个炸药的起爆时间以及位置——定义控制控制输出等——调试模型——提交计算——获取每个爆破作用下人工防护道的振动数据文件——获得振动最小的爆破方式

仿真设计过程详解

1.在hypermpesh14.0中导入几何模型

2. 对模型进行切分，模型中三种材料均采用Soild164单元划分，其中围岩采用Lagrange单元算法，空气和炸药采用ale单元算法。单元总数为1129660，围岩单元数为953660，空气单元数为175712个，炸药单元数为288个，节点总数为1158187个，单元基本尺寸为0.2m，炸药处的单元尺寸为0.005m。

3. 定义材料属性和单元算法，其中围岩采用Lagrange单元算法，空气和炸药采用ale单元算法

4. 通过*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP定义多物质ale单元，使得ale单元之间能够相互作用

5. lag和ale单元采用共节点的形式，使得两者之间能够相互作用

5. 对围岩四周采用无反射边界条件，用来避免反射波对结果的影响。

6. 通过*CONTROL_ALE来控制流固耦合时的相关设置，通过*CONTROL_TERNIMITION设定求解时间为0.03s

7. 通过*control_timestep的默认参数来设定时间步长

仿真设计结果

•研究人工防护到P1,P2两点的振动响应

结论：

竖直方向直孔同时爆破峰值最大，直孔延时爆破和斜孔延时起爆峰值相差不大，但是斜孔引起的振动时间大于直孔；直孔延时起爆振动速度和加速度最大，直孔同时起爆振动速度和加速度最小，由于炮孔沿着正上方轴线对称布置，同时起爆沿水平方向有相互抵消的作用；直孔同时起爆振动速度和加速度最大，直孔延时起爆振动速度和加速度大于斜孔延时起爆，此时直孔同时起爆沿着隧道方向起到叠加增加的作用；直孔同时起爆引起的振动速度和加速度最大，直孔延时起爆和斜孔延时起爆振动速度和加速度峰值相差不大，但是斜孔延时起爆引起的振动时间要长。

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