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。
净距20.8m。
12005565119713(一)(二)575135791112957(二)10678513(三)85956012135791113(四)121952600
图1 Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖炮眼布置图
80201331180150111380150300350
纵波速度16.3 20 23 25 850~1450 2500~3200 3400~3800 3900~4600 图2 掏槽眼布置图
完整岩石的力学参数 表1
物性参弹性模泊松比 数 围岩 岩 Ⅲ类围1.3 岩 Ⅳ类围6.0 岩 Ⅴ类围20 岩
0.24 50 1500 0.3 39 700 0.3 39 150 量E （GPa） 0.34 24.58 21 （ν） 内摩擦粘聚力c 重度γ 角φ（?） （KPa） （KN/m3） cρ(m/s) 掏槽眼段采用2号岩石硝铵炸药，其爆速为3000m/s，密度为1g/cm3。计算输入参数如表1所示。
Ⅱ类围1.0 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
601003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。
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，包括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。
（2） 为了解爆破振动波在岩体中的传播规律，取计算时间为2s。
Ⅱ类围岩 Ⅴ类围岩 Ⅳ类围岩
图3 爆破计算模型
Ⅲ类围岩 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。
?B?竖直地基反力系数：kv?kv0?v?.4 (KN/m3)
?30??B?水平地基反力系数：kh?kh0?h?.4 (KN/m3)
30???3?3
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