爆破應力波對有節理裂隙圍巖的影響研究

張艷玲　梅雪花

摘要： 在巖石隧道的施工中，爆破施工是一種常用的方法。隧道圍巖中存在的節理裂隙很大程度上影響著爆炸應力波的傳播。文章利用LS-DYNA有限元分析軟件，通過三維數值模模擬，分別從振速、能量和強度等方面研究節理對爆破應力波傳播的影響。

Abstract： In the construction of rock tunnels， blasting is a common method. The joint fissures in the surrounding rock of the tunnel affect the propagation of the explosive stress wave to a great extent. In this paper， LS-DYNA finite element analysis software is used to simulate the influence of joints on the propagation of blasting stress wave from the aspects of vibration velocity， energy and intensity.

關鍵詞： 節理裂隙；應力波；爆破；數值模擬

Key words： joint fissure；stress wave；blasting； numerical simulation

中圖分類號：U455.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0124-02

0 引言

隨著我國交通事業的大力發展，高速公路四通八達，巖體隧道越來越多，然而由于巖體強度高，開挖困難大，因此常常采用爆破的方法。巖體并非均體，而是夾雜著節理裂隙的存在，這在一定程度上會造成爆炸應力波的傳播，進而影響爆破的效果。

目前，節理裂隙對應力波傳播的影響問題，眾多學者采用理論模型、數值模擬、現場試驗等不同的方法進行了深入的研究。 郭文章，王樹仁[1]建立了節理巖體的質量綜合評價指標體系，并采用LS-DYNA2D程序，用數值計算方法模擬了巖體中的節理對爆破作用的影響。張力民等[2]通過數值模擬的方法得出，節理的存在對巖體的破壞模式起到了關鍵性的控制作用。文獻[3]分別對不同類型裂隙與應力波的相互作用進行討論，并得到了有益的結論。文獻[4-5]運用試驗和分形方法研究應力波穿越巖石節理時能量耗散的規律。張秀麗[6]等人采用數值模擬和模擬現場試驗得出，爆炸產生的應力波在節理巖體中傳播、衰減的規律，模擬結果與現場試驗結果比較吻合。

翠華山隧道坐落于西安市長安區，為穿越翠華山的單線越嶺隧道，全長11.2km，隧道通過區通過地區地質條件非常復雜，山高坡陡，基巖外露，節理裂隙發育。本文借助LS-DYNA有限元分析軟件，建立三維數值模型，分別從振速、能量和強度等方面研究無節理和有節理不同長度對爆破應力波傳播的影響。

1 有限元模型

1.1 數值模型選擇

數值模擬時，有限元模型由炸藥單元、空氣單元和巖石三部分組成，為簡化分析，隧道斷面形式采用圓形，節理裂隙采用軟巖。圍巖采用8節點實體單元Solid164。巖石選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料；炸藥采用相同的裝藥形式，即裝藥段長度為0.8m，堵塞段長度為0.6m，空氣段長度為0.6m，起爆位置設在藥包中間。采用LS-DYNA自帶的高性能炸藥材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，狀態方程為JWL狀態方程；空氣選用* MAT_NULL材料，狀態方程為*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL。

根據圣維南原理，對于隧道開挖后圍巖的應力和應變，僅在隧道周圍距離洞室中心點3～5倍隧道開挖寬度的范圍內存在影響。有限元模型的尺寸取為90m×90m×60m，沿隧道軸向長度為60m。模型上部邊界為自由邊，底部邊界和左右邊界施加水平約束和垂直約束。為了減小邊界處爆炸波的反射影響，對模型的六個面均施加無反射邊界。數值模型所涉及的單位均采用國際單位。

1.2 材料參數的選取

2 數值模擬

2.1 振速數值模擬

2.1.1 無節理裂隙

第1組測量點x方向振速圖如圖1所示，第2組測量點x方向振速圖如圖2所示。

從圖3可以看到在沒有節理的情況下，節點A1231和節點B1947 x方向振速無明顯的差距，第1組測點振速峰值大約為4.3 cm/s。從圖4可知，節點A12181和節點B1960 x方向振速無明顯的差距，第2組測點振速峰值大約為1.05 cm/s。

2.1.2 豎直節理

①節理長度4m寬度15cm。節點A1231和節點B1947 x方向振速有明顯的差距。無節理一側，節點B1947的振速大約為4.3cm/s，而有節理一側，節點A1231的振速大約為1.0cm/s。無節理一側，節點B1960的振速大約為1.04cm/s，而有節理一側，節點A1218的振速大約為0.4cm/s。節理的存在明顯降低了爆炸應力波的傳播速度，一定程度上影響了爆破的效果。

②節理長度10m寬度15cm。隨著節理長度的增大，在有節理一側振速越來越小，紅色曲線，幾乎接近于零。而無節理一側，振速基本上沒有變化。因此，爆炸應力波傳播能力隨著節理裂隙長度的增大。

2.2 強度分析

軟弱節理裂隙用空氣進行模擬，結果如圖5所示。

而從圖6分析，爆炸波傳播到A1329測點時間大約為0.0013 s，從圖7可知，爆炸波傳播到A1329測點時間大約為0.0005 s。爆炸波傳播到空氣夾層用時多于軟巖夾層，空氣的強度很低，因此可知，強度越低，波的傳播速度越慢。

3 結論

①節理裂隙的存在阻礙著爆炸應力波的傳播，且隨著節理裂隙長度的增大應力波的衰減程度越明顯。因此，節理裂隙長度在一定程度上影響爆破的效果。②節理裂隙強度越低，對爆炸波的傳播速度影響越大。在進行爆破工程時，應考慮到軟弱節理裂隙的存在，并在原有基礎上增加裝藥量，從而達到較理想的爆破效果，進而避免二次爆破。

參考文獻：

[1]郭文章，王樹仁.節理巖體爆破的破裂規律分析[J].振動與沖擊，1999，18（2）：30-34.

[2]張力民，呂淑然，劉紅巖.節理巖體爆破破壞模式的機理分析及數值模擬[J].金屬礦山，2009（7）：16-19.

[3]崔新壯，陳士海.在裂隙巖體中傳播的應力波的衰減機理[J].工程爆破，1999，5（1）：18-21.

[4]李業學，劉建鋒，秦麗.應力波穿越巖石節理時能量耗散規律的實驗研究[J].實驗力學，2011，26（1）：85-90.

[5]鞠楊，李業學，等.節理巖石的應力波動與能量耗散[J].巖石力學與工程學報，2006，25（12）：2426-2434.

[6]張秀麗，焦玉勇，劉泉聲.節理對爆炸波傳播影響的數值研究[J].巖土力學，2008，29（3）：717-721.