深埋地下硐室爆破振動安全間距分析

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深埋地下硐室爆破振動安全間距分析

王金昌李俊彥彭振華海工英派爾工程有限公司

作為水封油庫的地下硐室通常按照硐室群的結構形式來布置，一般具有鄰近硐室數量繁多、結構布置復雜密集的特點。如果爆破工藝設計不當，則爆炸釋放出的巨大能量會引起一系列危及工程安全的問題，影響地下水封油庫的正常使用，嚴重時還會造成人員傷亡和重大的經濟損失。應用ANSYS/LS-DYNA動力有限元分析軟件來模擬爆破開挖對某地下水封石油硐庫圍巖動力響應的影響，研究內容主要包括爆破開挖引起的相鄰已開挖硐室圍巖質點振動速度分布情況，以及沿硐室軸向的傳播規律，從而確定合理的地下硐室安全距離。

爆破振動；地下硐室；峰值振速；安全距離；數值模擬

本文借助于ANSYS/LS-DYNA動力有限元分析軟件，通過數值模擬的方法研究主硐室爆破開挖對鄰近硐室圍巖質點動力響應的影響、硐室凈間距對鄰近硐室圍巖質點動力響應的影響，以及硐室的最小凈間距。

1　有限元模型

地下水封硐庫擬建規模為500×104m3，分為10個硐室。單個硐室容積約為50×104m3，硐室斷面形狀為直墻圓拱形，硐室跨度為20m，高度為30m，長約800m。每兩個硐室構成一個硐罐，同一硐罐的兩個硐室凈間距為69m，兩個硐罐之間的凈距離為40m。本文將凈距離為40m的兩個硐室作為分析對象，模擬在左側硐室矩形截面中部單段集中裝藥為64.8kg爆破開挖時，鄰近硐室圍巖的峰值振速分布規律。

在建立有限元數值模型時，以炸藥中心位置為原心、水平方向指向右邊墻為x方向、鉛直向上為y方向、硐軸線方向離開掌子面為 z方向，并統一采用m-kg-s單位制，共由巖體、空氣和炸藥三種材料組成。模型整體尺寸為160m×120m×120m，有限元數值模型如圖1所示。

在計算中將模型的6個外邊界均施加法向位移約束，即 x=110m和-50m面的Uy=0， y=60m 和-60m面的Uy=0， z=60m和-60m面的Uz=0。另外由于所研究硐室為深埋硐室，而且該模型只是無限巖體的一部分，為消除人為邊界面的反射波對結構動力響應的影響，將模型6個面均設為無反射邊界面。模型邊界如圖2所示。

圖1　計算模型

圖2　模型邊界約束

根據勘察報告及鉆孔巖芯統計資料，工程場地內的深部巖體較完整，裂隙稀疏，選取LS-DYNA中的塑性隨動硬化材料模型MATPLASTICKINEMATIC作為圍巖模型。塑性隨動硬化材料模型可考慮與材料的應變率相關的失效作用。其應變率用Cowper-Symonds模型來考慮，用與應變率有關的因素表示的材料屈服應力σy，見如下公式[1]

式中ε為材料的應變率，無量綱；C和P為Cowper-Symonds模型中應變率參數，無量綱； σ0為材料的初始屈服應力（Pa）；E為材料的彈性模量（Pa）；為材料的切線模量（Pa）；為材料的有效塑性應變，無量綱； β為模型的硬化參數，無量綱， β=0～1，0表示模型僅考慮隨動硬化、1表示模型僅考慮各向同性硬化。

巖體模型的物理力學參數根據原位巖體試驗和室內巖樣試驗計算求得，具體數值如表1所示。

表1　巖體材料參數

在爆炸的數值模擬中，由于炸藥爆炸產生的爆轟產物壓力p波動范圍很大，一般在0.1～1000MPa，材料模型的狀態方程很難適合這個范圍。炸藥材料選用LS-DYNA中的MATHIGHEXPLOSIVEBURN模型來模擬。其中爆轟壓力p與單位體積內能E0、相對體積V的關系采用JWL狀態方程來描述。JWL狀態方程是通過圓桶爆破實驗，得到爆轟產物等熵線隨炸藥初始密度和爆速而變化的實驗數據，通過熱力學原理計算得到相應的函數關系。JWL狀態方程具有精確的物理意義，可以對爆炸過程中產生的壓力做出與實驗結果非常相近的預測，因而在爆炸問題的數值模擬中得到了廣泛應用[2]。該模型在模擬炸藥爆炸過程時，爆轟產物的壓力 p （Pa）與相對體積V和單位體積初始能量E0的函數方程如式（2）所示

式中 A、B均為炸藥材料的有關參數（Pa）；R1、R2、ω表示炸藥材料的相關常數，無量綱；V為單位體積炸藥產生的爆轟產物體積，無量綱；E0為炸藥的初始單位體積內能（J/m3）。

實際過程中所用的3#巖石乳化炸藥的材料參數和狀態方程參數見表2所示。

表2　3#巖石乳化炸藥材料參數

為真實反映爆破振動作用下硐室圍巖質點的動力響應，需要在地下硐室開挖部分建立空氣材料模型。在LS-DYNA中，通常采用MATNULL材料模型來模擬空氣材料，其狀態方程采用EOSLINEAR POLYNOMIAL來描述[3]。空氣材料的壓力值 p(Pa)表示為空氣的單位初始體積內能E0的線性關系，由公式（3）給出

式中 μ=ρ/ρ0； ρ為當前密度（kg/m3）； ρ0為初始密度（kg/m3）；E0為材料的單位初始體積內能（J/m3）；C0～C6為狀態方程參數，無量綱。

在ANSYS/LS-DYNA中可供模擬巖土體中炸藥爆炸的數值計算方法有：共用節點算法、面面接觸算法、侵徹接觸算法和流固耦合算法等[4]。文獻[5]在對比不同算法的計算結果之后，得出采用共用節點算法與滑動接觸算法獲得的結果與爆破實際比較符合，同時這兩種算法獲得的計算結果也比較一致。事實上每一種計算方法中都有多個控制選項，其參數的不同取值直接影響到計算結果。因此對于一個具體問題，應該以實驗為基礎，微調參數使計算結果與理論解和試驗值等相吻合。為節省計算時間，本文選用共用節點算法。

2　典型結果分析

圖3是在單響炸藥量為64.8kg的爆破振動作用下，z=0m平面處迎爆側直立墻中部質點的水平橫向振速時程曲線和相應的頻譜圖。圖4是在單響炸藥量為64.8kg的爆破振動作用下， z=0m平面處背爆側直立墻中部質點的水平橫向振速時程曲線和相應的頻譜圖。

圖3　迎爆側直立墻中部質點水平橫向振速時程曲線和頻譜圖

由圖3和圖4可以看出：從質點振動速度的時程曲線來看，在單響炸藥量為64.8kg的爆破振動作用下，爆破振動波由迎爆側直立墻中部位置經過繞射到達背爆側直立墻中部位置后，水平橫向的峰值振速分別由5.10cm/s降低到1.59cm/s，但持續時間大幅增加。從質點振動速度的頻譜來看，爆破振動波由迎爆側直立墻中部位置經過繞射到達背爆側直立墻中部位置后，主頻由39Hz降低到24Hz；另外背爆側直立墻中部位置的頻譜寬度明顯小于迎爆側直立墻中部位置。

圖4　背爆側直立墻中部質點水平橫向振速時程曲線和頻譜圖

3　截面峰值振速分布規律

圖5為z=0m平面處鄰近硐室圍巖截面上水平方向、鉛直方向、硐軸線方向和隧道面法向的峰值振速分布圖。圖5采用極坐標系，坐標原點為直墻拱形隧道斷面的矩形區域中心。

可以看出：x方向的最大峰值振速為5.10cm/s，出現在迎爆側直立墻中部位置；最小峰值振速為1.13cm/s，出現在拱頂位置。 y方向的最大峰值振速為1.51cm/s，出現在底板中部位置；最小峰值振速為0.26cm/s，出現在背爆側直立墻中部位置。z方向的最大峰值振速為4.82cm/s，出現在迎爆側直立墻中部位置；最小峰值振速為0.30cm/s，出現在背爆側拱腳位置。n方向的最大峰值振速為5.10cm/s，出現在迎爆側直立墻中部位置；最小峰值振速為1.20cm/s，出現在背爆側拱腳位置。從整體來看隧道迎爆側的峰值振速遠大于背爆側的峰值振速。

圖5　Z=0m截面鄰近硐室圍巖峰值振速分布

4　硐室間距對圍巖峰值振速的影響

設計的兩主硐室最小凈間距D=40m，為分析凈間距對鄰近硐室圍巖質點峰值振速的影響，另外建立了凈間距D=10、20、30和50m的有限元計算模型。

選取拱頂、迎爆側拱腳、迎爆側直立墻中部和迎爆側墻角4個相對比較危險的位置來做分析。由計算可知，在鄰近硐室圍巖截面上，z=0m平面處迎爆側直墻中部位置圍巖的法向峰值振速最大。圖6為 z=0m平面處鄰近硐室迎爆側直墻中部圍巖質點的法向峰值振速Vmax與硐室凈間距D的關系圖。

圖6　鄰近硐室圍巖質點峰值振速Vmax與硐室凈間距 D關系

法向峰值振速Vmax與硐室凈間距D的關系式如式（4）所示

根據《爆破安全規程（GB6722）》第6.2.2條的規定：水工隧道的安全允許振速為7～15cm/s。即可得到在主硐室單響炸藥量為64.8kg的爆破振動作用下，與鄰近主硐室的最小凈間距應為11～27m。為考慮到其他因素的影響，建議兩主洞室的最小凈間距宜為30m。

5　結論

通過數值模擬方法，分析了爆破振動作用下地下水封石油硐庫相鄰地下硐室圍巖質點的動力響應規律。

（1）在主硐室單響炸藥量為64.8kg的爆破振動作用下，40m凈間距鄰近主硐室圍巖質點的爆破振動波由迎爆側直立墻中部位置經繞射到達背爆側直立墻中部位置后，x方向的峰值振速由5.10cm/s降到1.59cm/s，但持續時間大幅增加。主頻由39Hz降到24Hz。

（2）在爆炸源所在平面的鄰近硐室圍巖截面上：x方向的最大峰值振速出現在迎爆側直立墻中部位置；最小峰值振速出現在拱頂位置。y方向的最大峰值振速出現在底板中部位置；最小峰值振速出現在背爆側直立墻中部位置。z方向的最大峰值振速出現在迎爆側直立墻中部位置；最小峰值振速出現在背爆側拱腳位置。從整體來看硐室迎爆側的峰值振速遠大于背爆側的峰值振速。

（3）在爆炸源所在的平面上，鄰近硐室圍巖峰值振速Vmax與硐室凈間距D符合指數函數關系。另外根據《爆破安全規程（GB6722）》的規定，在主硐室單響炸藥量為64.8kg時，建議兩主硐室的最小凈間距宜為30m。

[1]林加劍，任輝啟，沈兆武．尾翼型爆炸成型彈丸的數值模擬及實驗研究[J]．高壓物理學報，2009（3）：215-222.

[2]帥曉蕾．沖擊荷載作用下混凝土動力性能試驗研究及有限元分析[D]．長沙：湖南大學，2013.

[3]李朝．基于ANSYS/LS-DYNA軟件的配筋砌塊墻體爆炸數值模擬[D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

[4]何濤，楊競，金鑫，等．ANSYS10.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程[M]．北京：機械工業出版社，2007.

[5]白金澤．LS-DYNA3D理論基礎與實例分析[M]．北京：科學出版社，2005.

（0532）89090638、wangjch11@cnooc.com.cn

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.004

王金昌：高級工程師，1985年畢業于東北石油大學化工機械專業，2005年碩士畢業于中國海洋大學防災減災工程及防護工程專業，主要從事技術管理及研發工作。

2015-01-26