牛銅山隧道鉆爆法裝藥結構數值模擬分析

錢陽 張志強

【摘要】在鉆爆法施工作業中，隧道爆破效果很大程度取決于裝藥結構的形式。文章以浦梅鐵路牛銅山隧道為依托工程，研究不同裝藥條件下巖石的破碎效果。以顯式動力有限元程序LS-DYNA為工具，分別對耦合裝藥、空氣介質不耦合裝藥和水介質不耦合裝藥三種裝藥結構下的巖石破碎范圍、監測單元有效應力及監測點質點振動速度等進行分析研究。通過對計算結果進行分析，建議牛銅山隧道施工爆破中，掏槽眼采取耦合裝藥，輔助眼采取水介質不耦合裝藥，周邊眼采取空氣介質不耦合裝藥，以確保隧道開挖作業安全、高效、合理。

【關鍵詞】裝藥結構; LS-DYNA; 破碎效果; 有效應力; 質點振動速度

【中國分類號】U455.6【文獻標志碼】A

近年來，我國交通路網不斷發展完善，伴隨而來的是越來越多的隧道工程，且隧道在線路中所占比例越來越高[1-2]。鉆爆法以其地質適應性強，綜合效益顯著等特點而被廣泛應用于隧道爆破工程中[3]。在隧道爆破中，圍巖性質、炸藥參數、裝藥結構等因素均會影響巖體爆破效果。在諸多因素中，裝藥結構對爆破效果影響較大。裝藥結構是指炸藥卷在炮孔中的相對位置、與炮孔壁的接觸情況等，一般分為兩種形式：耦合裝藥和不耦合裝藥[4]。針對隧道爆破中的不同炮孔，如何選取合理高效的裝藥結構，是本文研究的重點所在。

閆國斌、于亞倫[5]建立不耦合裝藥三維模型，對不同耦合系數下，空氣和水介質裝藥爆破時炮孔壁應力及破壞情況進行研究，最終揭示了不耦合系數與孔壁應力間的關系。梁為民等人[6]通過模型實驗和數值模擬研究，結果表明，不耦合裝藥可以延長應力波和爆生氣體在炮孔壁的作用時間，從而有效改善爆破效果，高效利用炸藥能量。顧文彬等人[7]通過具體爆破開挖工程進行現場測試，結果表明有效降低爆破振動效應的裝藥結構是以水作為填充介質的不耦合裝藥。

本文結合浦梅鐵路牛銅山隧道實際工程，采用LS-DYNA軟件建立單孔柱形裝藥3D模型，模擬不同裝藥結構下的巖體應力發展狀態及振動速度變化，對比分析不同裝藥結構對爆破效果的影響，進而選擇合理的爆破裝藥結構，為相似工程積累經驗。

1 工程概況

牛峒山隧道位于福建省龍巖市連城縣隔川鄉，是浦梅鐵路楊源站至連城站區間的一座單線隧道，如圖1所示。隧道進出口臨近204省道，起訖里程為DK366+138～DK369+160，全長3 022 m，隧道最大埋深205 m。隧道位于線路為單面上坡。

由于地質構造作用，隧址區巖體破碎，風化嚴重，扭曲揉皺現象明顯，層里紊亂，地表植被發育，巖石露頭較少。

2 數值模擬分析

2.1 計算模型

由于模型為對稱結構，為了減小單元數目從而節約計算成本，建立1/4無限均勻巖體介質爆破模型，如圖2所示，模型是外形尺寸為100 cm×100 cm×30 cm的立方體，炮泥堵塞段長10 cm，裝藥段長10 cm，下覆無限均勻巖體厚度為10 cm。采用cm-g-μs單位制建立模型，模型均選用SOLID164實體單元。

耦合裝藥時炸藥和巖體完全接觸，炮孔和藥卷直徑均為4.2 cm，不耦合裝藥時炮孔直徑不變，藥卷直徑減小為3.2 cm，不耦合系數為1.31。起爆點設置在藥卷中心位置處。

為了消除建模過程中產生的邊界效應，計算時裝藥端面采用自由邊界，左表面（YZ面）和下表面（XZ面）為對稱邊界，其余各面均采用無反射邊界。

2.2 計算材料與參數

模型中主要包含巖體、炮泥、炸藥、空氣和水五種材料。巖體和炮泥材料采用各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型，其關鍵字段為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料進行模擬，狀態方程為*EOS_JWL?？諝夂退牧喜捎?MAT_NULL材料進行模擬。

計算模型材料主要物理力學參數如表1所示。

3 數值計算結果分析

3.1 耦合裝藥監測單元有效應力分析

在炮孔X、Y和XY方向分別選取監測單元見圖3，H838410（爆心距1 m）、H479422（爆心距1 m）、H535982（爆心距1.4 m），分別提取三個監測單元的有效應力并繪制時程曲線，如圖4～圖6所示。

（1）爆心距為1 m的監測單元H838410和H479422均在550 μs時出現峰值有效應力，應力值均約為9.74 MPa，說明強度較大的應力波此刻傳播至該位置處，之后應力波強度迅速減小，表明了應力波是從炮孔中心以柱面波不斷向四周傳播。

（2）爆心距為1.4 m的監測單元H535982在800 μs時出現峰值有效應力，其相比于爆心距為1 m的監測單元峰值有效應力出現較晚，其應力值約為8.03 MPa，說明應力波在向周圍傳播過程中，其對巖體的有效應力逐漸減小。

（3）峰值有效應力的出現時間隨著爆心距的增大而逐漸增大，但其應力峰值隨著距炮孔距離的增大而逐漸減小。

3.2 耦合裝藥監測節點質點振速分析

在炮孔X、Y和XY方向分別選取監測節點（圖7），1017146（爆心距1 m）、648309（爆心距1 m）、808975（爆心距1.4 m），分別提取三個監測節點在X、Y、Z三方向的質點振速并繪制時程曲線，如圖8～圖10所示。

（1）各監測節點處質點峰值振速出現的時間與相對應位置的監測單元峰值有效應力出現時間基本一致，表明了強度較大的應力波出現的同時伴隨最大有效應力及質點峰值振速的出現。

（2）爆心距為1 m的監測節點1017146和648309的質點峰值振速分別為457 cm/s、459 cm/s，爆心距為1.4 m的監測節點808975的質點峰值振速為223 cm/s。即質點峰值振速隨著距炮孔距離的增大而不斷減小。

3.3 耦合裝藥爆破效果分析

爆破過程結束后，巖體最終破碎效果如圖11所示。

爆破后巖體粉碎區域和裂隙區域基本為圓形分布，巖體在爆破應力波作用下產生徑向、環向裂隙，巖體被相互交錯的裂紋切割成不同大小的碎塊。

爆破產生的粉碎區半徑約為10.01 cm，裂隙區半徑約為24.43 cm。

3.4 計算結果對比分析

空氣和水介質不耦合裝藥時監測單元有效應力及監測節點質點振動速度時程曲線變化趨勢與耦合裝藥基本一致，現僅列出其計算結果數據，其余不再贅述。對比結果列于表2。

對比分析不同裝藥結構的計算結果，可知：

隙區，但其半徑不盡相同。粉碎區和裂隙區最大值均出現在耦合裝藥時。

（2）對比監測單元有效應力，耦合裝藥由于藥卷與炮孔壁相接觸，故爆破應力波在巖體中產生的有效應力最大，空氣和水不耦合裝藥時在藥卷與炮孔周壁間存在填充介質，故巖體中有效應力相對耦合裝藥較小，宏觀來看就是巖體破碎范圍較小。爆破時在巖體中產生的有效應力大小直接影響巖體破碎區域大小，一般情況下，有效應力越大巖體的破碎區域越大。

（3）耦合裝藥爆破時監測點處的質點峰值振速最大，空氣介質不耦合裝藥爆破時相同質點處的峰值振速約為耦合裝藥時的37.4 %～50.7 %，水介質不耦合裝藥爆破時相同質點處的峰值振速僅約為耦合裝藥時的10.3 %～23.3 %。

4 結論

本文采用LS-DYNA顯式動力有限元軟件，建立牛峒山隧道爆破裝藥結構數值模型，分別對耦合裝藥、空氣和水介質不耦合裝藥結構時的監測單元有效應力及監測節點質點振動速度進行對比分析，得出以下結論：

（1）耦合裝藥對巖體產生的損傷最大，水介質不耦合裝藥次之，空氣介質不耦合裝藥對巖體產生的損傷最小。

（2）空氣介質和水介質不耦合裝藥均可有效降低巖體在爆破時的振動響應，且水介質相比空氣介質更有利于降低質點峰值振速。

（3）對于牛峒山隧道的掏槽眼，應使巖體的破碎范圍越大越好，即裂隙區的半徑越大越好，以得到更大的臨空面，以確保后續爆破過程的順利進行。建議掏槽眼采用耦合裝藥結構。

（4）對于牛峒山隧道的輔助眼，由于隧道掘進過程中輔助眼數量最多，應高效利用炸藥能量形成裂隙區，即裂隙區在巖體破碎區域所占比例越大越好。建議輔助眼采用水介質不耦合裝藥結構。

（5）對于牛峒山隧道的周邊眼，要達到光面爆破的要求，應盡量提高半孔殘留率，減小對周圍巖體對的損傷。建議周邊眼采用空氣介質不耦合裝藥結構。

參考文獻

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[6] 梁為民，LIU Hong-yuan，周豐峻.不耦合裝藥結構對巖石爆破的影響[J].北京理工大學學報，2012，32（12）：1215-1218.

[7] 顧文彬，王振雄，陳江海，等.裝藥結構對爆破震動能量傳遞及爆破效果影響研究[J].振動與沖擊，2016，35（2）：207-211.