LSDYNA 不同爆破方式对人工防护道的动态响应分析

1 引言

        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.

2  工程概况

          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。

       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。图1(a)为隧道与人工防护道位置图,图1(b)为人工防护道图片。

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(a)隧道与人工防护道位置图

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(b)人工防护道图

图1 隧道与人工防护道图

       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.

利用Hypermesh14.0联合ANSYS LS-DYNA软件建立隧道掏槽爆破以及人工防护道的有限元模型,图2为隧道爆破作用下人工防护道的有限元网格模型,图2(a)为包含空气部分的有限元网格模型,图2(b)为围岩有限元网格模型,图2(c)可以看出六个爆破布置的位置位于上台阶中间部分,图2(d)为炮孔处的网格模型。

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      为了研究隧道爆破对人工防护道最大振动位置,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。

       根据掏槽方式,可以分为直孔爆破以及斜孔爆破,直孔爆破掏槽为直孔,该种爆破方式产生的地震波大,影响周边环境;斜孔爆破掏槽为斜孔,炮孔布置呈梯形,起爆时,先从爆区中部爆出一个梯形的空间,为后面的梯形起爆创造更长的方向交错的临空面,随之,更大的梯形相继起爆,这种起爆方式碰撞挤压效果好,爆堆集中。按照炮孔爆破先后次序,起爆方式分为同时起爆和微差延时起爆,延时起爆以高强度,高精度导爆管毫秒雷**管为起爆及传爆元件进行起爆网络铺设,孔内采用高段位延时毫秒雷*管进行起爆,孔外采用低段位延时毫秒雷*管链接,爆区每个炮孔在空间和时间上都按照一定顺序单独延时起爆,同时先起爆炮孔为后起爆炮孔提供自由面,通过控制起爆时间差实现爆破挤压来提高爆破质量的一种爆破技术。

         根据不同的掏槽以及起爆次序,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。

模型计算域内包括输围岩,空气,炸药。其中炸药为2#岩石乳化炸药,隧道围岩为中等风化砂岩。根据所依托工程设计资料及相关规范选取岩土体物理参数如表1所示,结合岩体特性及其在爆炸过程中的受力状态,数值模型中围岩选用能反应岩体塑性变形特征的MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料本构;

表1  围岩物理力学参数

Table 1   physical and mechanical parameters of rock

密度/ kg·m-3

泊松比

弹性模量力/MPa

屈服强度/MPa

切线模量/MPa

2430

0.26

4830

30

113

炸药采用JWL状态方程来模拟炸药爆轰过程中压力和比容的关系

炸药材料的主要输入参数见表2.

表2  炸药参数

密度

/kg·m-3

爆速/m·s-1

爆压/GPa

A

/GPa

B

/GPa

R1

R2

ω

E

/GPa

1100

3500

4

214

0.182

4.15

0.95

0.3

4.192

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。

通过*CON*T*ROL_ALE来控制流固耦合时的相关设置,通过*CON*T*ROL_TERNIMITION设定求解时间为0.03s,通过*control_timestep的默认参数来设定时间步长,设定围岩四周为无反射边界条件,对岩层六个面定义成一个segment,并通过*boundary_non_reflection来定义围岩为无反射边界条件。

3 有限元计算结果分析

3.1  实测振动与模拟振动波形对比

采用六孔直孔延时起爆进行爆破试验测试,即采用爆破模型二,测量隧道正上方人工防护道右侧5m处(图3中P2点)的三向振动速度,将垂直,水平速度传感器用调和的石膏粉固定在测点上进行测量,爆破后到测点取回自记仪,用计算机TOPVIEW2000对信号分析处理。

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图3 提取点示意图

调整仿真与试验坐标系为一致,图4分别为测量点X,Y,Z方向的振动速度,其中曲线A为仿真数值,曲线B为试验数值。其中X向为沿隧道方向,Y为竖直方向振动速度,Z向为沿人工防护道方向。由图可以看出,仿真数值与实测振动数据比较接近,数值计算得到的波形与实测掏槽段波形基本相同,仅在峰值到达时间及初始振动的形态上存在差异。前者是因实测振动采集时需设置一定的预出发时间及地质模型的简化所造成的;后者是由于模拟得到波形为纵波和横波的综合体现,使得其初始振动阶段不存在实测曲线所出现的小幅振动,对于竖直方向的振动速度吻合较好,这表明采用简化后的隧道爆破对人工防护道的影响进行仿真研究是可行的,对实际爆破具有指导意义。

从数据可以看出,测点竖直方向振动速度最大,其次沿人工防护道方向,沿隧道方向振动速度最小。测点最大振动速度为17.5cm/s,发生在5ms时刻,此时振动主要是由第一个炮孔起爆所致,从波形可以看出,延时起爆波形叠加并不明显,炮孔起爆后约5ms时间传至测点,可以看出振动速度曲线有六个明显的波峰值,分别是六个炮孔延时爆破导致。

 

x方向振动速度对比.png

(a)X向振动速度对比图 

Y方向振动速度     .png

                     (b)Y向振动速度对比图

Z方向振动速度对比.png 

(c)z向振动速度对比图

图4实测与仿真各向振动速度对比曲线

3.2 不同爆破方式下的振动速度对比分析

图5和图6分别为P1点竖直方向,沿人工防护道方向,沿隧道方向以及合速度,加速度在三种不同爆破方式下的速度和加速度时程曲线,由图可以看出,直孔同时起爆在5ms左右出现爆破峰值,之后爆破速度和加速度逐渐衰减,衰减时间约为15~20ms左右,斜孔延时起爆分析时间为50ms,可以看出最后一个炮孔爆破后波形逐渐衰减的过程,在50ms时振动速度和加速度基本衰减趋于0.

由图5(a)和6(a)可以看出,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;图5(b)和6(b)为沿人工防护道方向,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;图5(c)和6(c)沿隧道方向,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;图(d)和图6(d)为P1点合速度时程曲线,由图可以看出,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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表3 不同爆破方式在P1点速度和加速度峰值



隧道方向

竖直方向

人工防护道方向






最大

正值

负值

正值

负值

正值

负值

速度(cm/s)

直孔延时起爆

23.9

16.8

33.8

46.1

9.9

8.77

47

直孔同时起爆

38.9

45.4

82.1

74.5

1.44

1.37

83


斜孔延时起爆

18.3

21.67

36.1

49.1

7.32

8.45

49.5


加速度(m/s2)

直孔延时起爆

782.5

940.8

3183.3

2767.3

771.7

732.3

3209.3

直孔同时起爆

1099.7

834.4

2998.1

5096.5

83.8

73.6

5100


斜孔延时起爆

1067.4

989.4

3157.9

3224.9

378.7

368.4

3237.8


由表3可以看出,在隧道正上方P1点在不同爆破方式下,直孔延时起爆和斜孔延时起爆振动速度和加速度基本相同,直孔同时起爆是直孔延时起爆振动速度的1.76倍,振动加速度的1.58倍。

图7和图8分别为为P2点竖直方向,沿人工防护道方向,沿隧道方向以及合速度,加速度在三种不同爆破方式下的速度和加速度时程曲线,由图可以看出,在P2点不同爆破方式振动响应差别较大,直孔同时起爆引起的振动响应明显大于延时起爆,直孔延时起爆引起的速度和加速度振动响应也要大于斜孔延时起爆。

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表4 不同爆破方式在P2点速度和加速度峰值

Table 4   PPV of velocity and acceleration at point P2 in different explosion situation



隧道方向

竖直方向

人工防护道方向







正值

负值

正值

负值

正值

负值

速度(cm/s)

直孔延时起爆

11

7.82

11.8

17.9

12.1

17.7

24.79

直孔同时起爆

15.9

16.3

24.2

28.9

23.6

31.7

42.77


斜孔延时起爆

4.62

3.94

4.66

6.7

5.17

6.52

9.4


加速度(m/s2)

直孔延时起爆

235.8

295

987.9

907.8

884.7

862.6

1274

直孔同时起爆

320

268

1381

1307

1488.7

1243.7

1955


斜孔延时起爆

77

102

193

202.6

180.9

208

270.5


根据表4可以看出,直孔同时起爆振动最大,斜孔延时起爆振动最小,直孔延时起爆是斜孔延时起爆振动速度的2.64倍,振动加速度的4.7倍,直孔同时起爆是斜孔延时起爆振动速度的4.55倍,振动加速度的7.2倍。

综上所述,对于三种不同爆破方式,斜孔延时起爆在三种爆破方式下优势较为明显,特别对于非正上方处的位置的振动速度和振动加速度要明显小于其他两种方式。

以下为模拟动画:

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六直孔不同时起爆

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六直孔同时起爆

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六斜孔不同时起爆