施工爆破地振动波传播规律的数值模拟分析

施 工爆破地振动波传播规律 的数值模拟分析

1 工程概况

龙头山隧道左右线进口最小净距 23m ，洞身左右线最大净距 51m ，出口最小 净距 20.8m 。

龙头山隧道采用光面爆破开挖，根据不同围岩类别采用不同 的炮眼布置和不 同 的装药量。

Ⅳ、Ⅴ类围岩采用台阶法开挖，掏槽眼 3.5m ，其它眼深度 3.3m ，预计进尺 3.0m 。采用非电毫秒雷管及 2号岩石硝铵炸药。Ⅳ、Ⅴ类围岩采用四臂台车钻孔， 孔径Φ43mm ，周边眼采用Φ25mm 药卷间隔装药。Ⅳ、Ⅴ类围岩爆破孔布置如 图 1所示，掏槽眼布置图如图 2所示。（一）部掏槽眼采用连续装药结构，布设 10个孔，平均每孔装药量 2.34kg ，小计装药量总合 23.4kg 。起爆雷管段别为 1、 3。

1200 55

5 6 11 13 9

(

0 7

0 6

(

(

5

7

7 6 0 75

12 1

1

1 3 5 7 9 5 5 8

95

8

3 5 7 95

13 13

( (

9 11

11

0 6

12

12

1952

图 1Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖炮眼布置图

80 20

1 1

1 1

3 3 0 5 3 3 3

0 0 1

0 0 0 3

6 80 150

1 80 1 150

图 2掏槽眼布置图

3

掏槽眼段采用 2号岩石硝铵炸药，其爆速为 3000m/s ，密度为 1g/cm 。计算 输入参数如表 1所示。

完整岩石 的力学参数

表 1 物性参弹性模泊松比 内摩擦粘聚力 c 重度γ

纵波速度

数 量 E （ν）

角φ（）（KPa ）（KN/m3） c (m/s)

ρ

围岩 （GPa ）

Ⅱ类围 1.0 0.34

0.3

24.58

39

21

16.3

20

850~1450 2500~3200

3400~3800 3900~4600

岩

Ⅲ类围 1.3 150

700

1500

岩

Ⅳ类围 6.0 0.3

39

23

岩

Ⅴ类围 20 0.24

50

25

岩

2计算模型 的建立

根据龙头山地质剖面图，截取一定范围纵向 160m ，横向近 500m ，高度模拟 一定坡度建立如图 3所示计算模型图。模型共划分节点，单元 95158个。其中对 已经施 工完成 的结构用板单元模拟，定义成弹性材料属性。围岩采用实体单元建 模，并且定义材料属性为摩尔 -库仑。边界采用曲面弹簧单元模拟。图 4为隧道 网格图，图 5为隧道内部结构图，图 6为油库位置图，图 7为模型网格图。计算 采用 MIDAS-GTS 有限元分析软件进行。

对于爆破振动引起 的冲击荷载，采用时程函数来模拟，并转化成作用到孔壁 上 的孔壁压力，图 8给出了计算过程中施加在爆破面上 的面压力。它是一个时程

函数。其荷载衰减形式如图 9所示。

模型模拟情况为：沿隧道开挖方向取Ⅱ类围岩 60m，Ⅲ类围岩 40m，Ⅳ类围

岩 40m，Ⅴ类围岩 20m。其中左右线二衬施作完成 10m，拆除临时支撑但尚未施

作二衬段 30m，临时支撑尚未拆除段 30m，30m仅开挖了两侧壁上台阶导洞段 30m，即爆破面距离临时支撑最近位置为 30m。计算模拟掏槽爆破点在左线中导洞开挖

里程 ZK5+940位置。计算掏槽眼一次最大装药量 23.4kg爆破，分析比较对左右

线已完成结构、已开挖洞室初期支护及临时支撑以及距离隧道 300多米远处油库

的影响。评价指标主要选取各测点速度是否满足爆破安全规程。

包括采用有限元法分析爆破震动影响的一项关键工作是建立爆破加载模型，

确定爆破激振力的大小、作用位置和方向、峰值时刻和持续时间等方面的内容。

本报告根据计算和爆破的实际情况，在不失一般性的条件下作了以下的假

设：

（1）爆破荷载以压力形式的均布荷载作用在隧道壁上，方向垂直于洞壁。

根据计算情况，输入爆破荷载曲线为脉冲形式。如图9所示。

2s。

（2）为了解爆破振动波在岩体中的传播规律，取计算时间为

Ⅱ类围岩

Ⅴ类围岩

Ⅳ类围岩

Ⅲ类围岩

图 3爆破计算模型

Ⅲ-Ⅲ

Ⅱ-Ⅱ

右线未拆除临时中隔壁段

右线拆除临时中隔壁段

Ⅰ-Ⅰ

右线施作二衬段

图 4隧道网格图

临时中隔壁

图 5隧道内部结构图

油库

图 6油库位置图

图 7模型网格图

图 8掏槽眼孔壁面上面压力示意图

3边界条件的定义

3.1特征值分析

为了进行特征值分析通过弹性边界来定义支座的边界条件。计算通过曲面弹簧定义弹性边界，弹性系数根据道路设计规范的地基反力系数计算。

3

B v 竖直地基反力系数： k k v0 .

. 4 (KN/m3)

(KN/m3)

v

30

3

B h 水平地基反力系数： k k h0

h 4

30