隧道光面爆破護(hù)壁裝藥結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

郭云龍 康永全 孫崔源 孟海利 薛里

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隧道開挖過程中采用光面爆破不僅可以減少隧道超挖現(xiàn)象的發(fā)生，而且可以節(jié)約工程成本，但是炸藥爆炸時(shí)會(huì)對圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)［1］。

專家學(xué)者們對炮孔切槽爆破技術(shù)、切縫藥包爆破技術(shù)和PVC管護(hù)壁爆破技術(shù)等作了大量研究。瞿東明，蒲傳金等［2-3］通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)邊坡巖體損傷程度與光面爆破孔的線裝藥密度有關(guān)。張志呈等［4］從理論上分析了光面爆破孔的偏心不耦合、中心不耦合和護(hù)壁不耦合3種裝藥結(jié)構(gòu)爆破時(shí)的孔壁壓力，并通過聲波測試手段得出采用護(hù)壁不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的光面爆破孔爆破時(shí)對邊坡保留巖體損傷最小。肖定軍等［5］使用仿真軟件對單孔護(hù)壁爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出由于采用PVC管，護(hù)壁側(cè)爆炸應(yīng)力峰值衰減30%～46%，延遲了應(yīng)力波到達(dá)保留巖體孔壁的時(shí)間，護(hù)壁側(cè)巖體損傷較小。蒲傳金等［6］介紹了光面護(hù)壁爆破技術(shù)，通過單孔模型試驗(yàn)得出護(hù)壁套管為2層時(shí)，炮孔護(hù)壁側(cè)應(yīng)變比臨空側(cè)明顯減小。劉佳等［7］運(yùn)用仿真軟件對不同工況下爆炸波在聚氨酯泡沫材料中衰減情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到爆炸波的衰減效果隨泡沫材料厚度變大而變好；密度對爆炸波衰減也有影響，但并不呈簡單的遞增或遞減關(guān)系。

根據(jù)爆炸應(yīng)力波在PVC管和聚氨酯泡沫材料中具有衰減特性，設(shè)計(jì)出一種新型護(hù)壁結(jié)構(gòu)，見圖1。炮孔中一側(cè)充填泡沫材料，另一側(cè)裝填半卷乳化炸藥，用絕緣電工膠布進(jìn)行纏繞綁扎。炮孔裝藥時(shí)將泡沫材料一側(cè)靠近需要保護(hù)的圍巖。

圖1 護(hù)壁裝藥結(jié)構(gòu)

1 光面護(hù)壁爆破機(jī)理

該新型護(hù)壁結(jié)構(gòu)可有效降低受保護(hù)側(cè)巖體中爆炸應(yīng)力波的應(yīng)力峰值，爆生氣體膨脹作用于聚氨酯泡沫時(shí)，泡沫發(fā)生壓縮變形，消耗一部分能量，從而減少爆生氣體對受保護(hù)圍巖的破壞。

光面爆破孔裝藥時(shí)炸藥與巖體直接接觸，爆炸大致分為3個(gè)過程［8］：①爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波最先作用在炮孔壁上，巖體所受徑向壓應(yīng)力遠(yuǎn)超過其極限動(dòng)抗壓強(qiáng)度，炮孔周邊巖體受壓破碎形成空腔，爆炸應(yīng)力波傳播過程中使巖體壓縮產(chǎn)生位移，由此巖體內(nèi)部衍生出切向拉應(yīng)力，其高于巖體極限動(dòng)抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生徑向裂隙；②壓縮應(yīng)力波傳播過程中，巖體質(zhì)點(diǎn)位移，積聚了彈性應(yīng)變能，壓縮應(yīng)力波傳播過后壓應(yīng)力解除，質(zhì)點(diǎn)回彈，彈性應(yīng)變能釋放，形成卸載拉應(yīng)力波，超過巖體極限動(dòng)抗拉強(qiáng)度，形成環(huán)向裂隙；③爆生氣體劇烈膨脹產(chǎn)生壓力作用于巖體，在裂隙中產(chǎn)生氣楔作用，致使巖體破碎或拋擲。

2 數(shù)值計(jì)算

為探討PVC管與聚氨酯泡沫材料新型護(hù)壁結(jié)構(gòu)對爆破效果的影響，本文采用仿真軟件，在保持藥量相同情況下，分別對新型護(hù)壁結(jié)構(gòu)的不耦合裝藥和耦合裝藥2種工況的炮孔爆破過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1 模型的建立

分別建立護(hù)壁不耦合裝藥和耦合裝藥結(jié)構(gòu)模型，其他保持不變，將不耦合裝藥結(jié)構(gòu)模型中的空氣單元材料改為巖體，即變?yōu)轳詈涎b藥結(jié)構(gòu)模型。為了防止網(wǎng)格畸變導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)，采用流固耦合算法［9］，即炸藥、空氣、填塞材料、PVC管和聚氨酯泡沫材料網(wǎng)格單元均屬于多物質(zhì)，采用任意拉格朗日-歐拉算法計(jì)算，巖體網(wǎng)格單元采用拉格朗日算法［10］計(jì)算。為了更具有針對性和對比性，不考慮其他炮孔爆破時(shí)應(yīng)力波疊加的影響，僅模擬隧道光面爆破時(shí)周邊孔單孔爆破過程。

計(jì)算模型整體尺寸為40 cm（x向）×50 cm（y向）×40 cm（z向）。為減少計(jì)算時(shí)間，取單孔爆破模型的1/2進(jìn)行計(jì)算。不耦合裝藥結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖2，炮孔直徑42 mm，孔深30 cm，裝藥長度5 cm，材料填塞長度25 cm。

圖2 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.2 參數(shù)的選取

隧道淺孔爆破一般采用2號(hào)巖石乳化炸藥。采用高能燃燒模型及JWL狀態(tài)方程［11］描述炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力。JWL狀態(tài)方程為

式中：P為炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力；A，B，R1，R2和ω均為與材料相關(guān)的常數(shù)，2號(hào)巖石乳化炸藥的參數(shù)［12］見表1；V為炸藥的相對體積；E0為炸藥的初始內(nèi)能密度。

表1 2號(hào)巖石乳化炸藥參數(shù)

空氣密度為0.125×10-2g/cm3。炮孔填塞材料為炮泥。炮孔周邊巖體選取能反映高應(yīng)變、高應(yīng)變率與高壓下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的材料本構(gòu)模型［13］模擬。

PVC管和聚氨酯泡沫材料均采用與應(yīng)變率相關(guān)的塑性隨動(dòng)硬化材料模型進(jìn)行模擬。聚氨酯泡沫密度為0.17×10-2g/cm3，PVC管力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 PVC管力學(xué)參數(shù)

護(hù)壁不耦合裝藥結(jié)構(gòu)炮孔模型對稱面設(shè)置y向位移約束，其他5個(gè)外表面均設(shè)置成透射邊界模擬無限域情況。模型由3D Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格單元組成，設(shè)置在炸藥底部中心起爆，模擬爆炸時(shí)間為200 μs。

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 巖體爆炸應(yīng)力波傳播

2種裝藥結(jié)構(gòu)炮孔爆炸過程中周圍巖體應(yīng)力云圖大致相同，僅以護(hù)壁不耦合裝藥結(jié)構(gòu)（圖3）為例進(jìn)行分析。正值表示受壓，負(fù)值表示受拉。可知：爆炸應(yīng)力波首先傳播到炸藥側(cè)，應(yīng)力普遍比護(hù)壁側(cè)大，最大應(yīng)力始終出現(xiàn)于炸藥側(cè)的巖體中；爆炸應(yīng)力波在填塞材料中傳播較快，最小抵抗線的方向指向孔口。

圖3 爆炸過程中炮孔周圍巖體應(yīng)力云圖

2.3.2 炮孔周邊單元應(yīng)力變化規(guī)律

1）不耦合裝藥結(jié)構(gòu)炮孔爆破

為分析炸藥側(cè)和護(hù)壁側(cè)單元應(yīng)力變化規(guī)律，選取不耦合裝藥結(jié)構(gòu)炮孔中炸藥柱中間位置進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，炸藥側(cè)布設(shè)測點(diǎn)1和測點(diǎn)3，護(hù)壁側(cè)布設(shè)測點(diǎn)2和測點(diǎn)4，其中測點(diǎn)1和測點(diǎn)2處為空氣單元，測點(diǎn)3和測點(diǎn)4處為巖體單元。耦合裝藥結(jié)構(gòu)炮孔選取相同位置布設(shè)測點(diǎn)5－測點(diǎn)8，見圖4。炮孔周邊單元測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線見圖5。各個(gè)單元測點(diǎn)的應(yīng)力見表3。

圖4 應(yīng)力測點(diǎn)布設(shè)

圖5 炮孔周邊單元測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

表3 炮孔周邊單元測點(diǎn)應(yīng)力

由圖5（a）和表3可知：①炸藥側(cè)空氣單元測點(diǎn)1的應(yīng)力峰值比護(hù)壁側(cè)測點(diǎn)2大，原因是聚氨酯泡沫材料緊挨著炸藥，炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓使聚氨酯泡沫材料變形，消耗了一部分能量，阻礙了炸藥直接對巖體做功，從而減小了護(hù)壁側(cè)巖體的損傷。②0～15 μs為炸藥起爆階段，炸藥側(cè)最近的單元測點(diǎn)1應(yīng)力急劇上升，在15 μs時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值1.943 GPa，應(yīng)力增長耗時(shí)15 μs；15～30 μs應(yīng)力急速下降，說明爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力具有瞬時(shí)性；30～200 μs應(yīng)力基本平穩(wěn)但沒有減小至0，原因是空氣單元發(fā)生形變，存在殘余應(yīng)力。③0～20 μs是爆炸應(yīng)力波在PVC管和聚氨酯泡沫材料中傳播階段，20～45 μs護(hù)壁側(cè)空氣單元測點(diǎn)2應(yīng)力逐漸增長，在45 μs時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值0.904 GPa，與炸藥側(cè)測點(diǎn)1的應(yīng)力峰值1.943 GPa相比，爆炸應(yīng)力峰值衰減53.47%，護(hù)壁側(cè)測點(diǎn)2的應(yīng)力增長耗時(shí)25 μs，應(yīng)力增長速度變緩，45～80 μs應(yīng)力逐漸降低，80～200 μs應(yīng)力基本平穩(wěn)。

由圖5（b）和表3可知：①炸藥側(cè)巖體單元測點(diǎn)3的應(yīng)力峰值比護(hù)壁側(cè)測點(diǎn)4大，說明護(hù)壁裝藥結(jié)構(gòu)可有效降低爆炸應(yīng)力波對護(hù)壁側(cè)巖體的損傷；②炸藥側(cè)測點(diǎn)3的應(yīng)力在35 μs時(shí)達(dá)到峰值0.302 GPa，護(hù)壁側(cè)測點(diǎn)4的應(yīng)力在65 μs時(shí)達(dá)到峰值0.160 GPa，與炸藥側(cè)測點(diǎn)3的應(yīng)力峰值0.302 GPa相比，爆炸應(yīng)力峰值衰減47.02%。

2）耦合裝藥結(jié)構(gòu)炮孔爆破

耦合裝藥結(jié)構(gòu)炮孔周邊巖體單元測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線見圖6。各單元測點(diǎn)應(yīng)力見表4。

圖6 炮孔周邊巖體單元測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

表4 炮孔周邊巖體單元測點(diǎn)應(yīng)力

由圖6和表4可知：①耦合裝藥結(jié)構(gòu)炮孔爆破過程中，炮孔周邊巖體單元測點(diǎn)應(yīng)力與不耦合裝藥結(jié)構(gòu)變化規(guī)律大致相同，應(yīng)力均為正。②護(hù)壁側(cè)巖體單元測點(diǎn)5的應(yīng)力在10 μs時(shí)達(dá)到峰值5.030 GPa，應(yīng)力增長耗時(shí)5 μs；測點(diǎn)6的應(yīng)力在30 μs時(shí)達(dá)到峰值2.325 GPa，應(yīng)力增長耗時(shí)10 μs，與測點(diǎn)5相比，爆炸應(yīng)力峰值衰減53.78%。③測點(diǎn)7的應(yīng)力在30 μs時(shí)達(dá)到峰值0.363 GPa，應(yīng)力增長耗時(shí) 25 μs；測點(diǎn) 8 的應(yīng)力在55 μs時(shí)達(dá)到峰值0.174 GPa，應(yīng)力增長耗時(shí)35 μs，與測點(diǎn)7相比爆炸應(yīng)力峰值衰減52.07%。對比炸藥側(cè)巖體單元測點(diǎn)5和測點(diǎn)7，護(hù)壁側(cè)測點(diǎn)6和測點(diǎn)8爆炸應(yīng)力增長速度變緩，說明PVC管與聚氨酯泡沫新型護(hù)壁結(jié)構(gòu)對應(yīng)力波具有明顯衰減作用。

3 結(jié)論與不足

利用仿真軟件對PVC管與聚氨酯泡沫材料新型護(hù)壁結(jié)構(gòu)的不耦合裝藥和耦合裝藥2種工況的炮孔爆破過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論：

1）耦合裝藥結(jié)構(gòu)爆破過程中，炮孔周邊單元測點(diǎn)應(yīng)力的變化規(guī)律與不耦合裝藥結(jié)構(gòu)大致相同，炸藥側(cè)單元所受爆炸應(yīng)力大于護(hù)壁側(cè)。

2）PVC管與聚氨酯泡沫新型護(hù)壁結(jié)構(gòu)對爆炸應(yīng)力波具有衰減作用，可延長爆炸應(yīng)力波的傳播時(shí)間。炸藥爆炸時(shí)高溫高壓使聚氨酯泡沫材料產(chǎn)生形變，消耗掉部分爆炸能量，導(dǎo)致傳播到空氣和巖體中的應(yīng)力峰值衰減47.02%～53.78%。

3）本文數(shù)值計(jì)算模型還有一些需要改進(jìn)的地方。比如炸藥、空氣、巖體、PVC管和聚氨酯泡沫材料的參數(shù)還需進(jìn)一步通過現(xiàn)場或室內(nèi)試驗(yàn)確定，巖體材料本構(gòu)模型沒有考慮裂紋對爆炸應(yīng)力波傳播的影響等。