[发明专利]一种隧道爆破的数值模拟方法

权利要求书

1.一种隧道爆破的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在软件中建立隧道模型，计算爆破开挖面处的静力，获得爆破前隧道及围岩的应力状况；

S2：计算各时刻隧道轮廓面各处受到的爆破动荷载值，具体步骤为：

S21：在爆破开挖掌子面建立三轴坐标系，x、y、z方向分别表示横向、纵向及竖向，对应爆破振动的径向、切向及垂向；

S22：计算各段别峰值时各个炮孔爆破时施加在炮孔壁处的爆破应力；

S23：计算单个炮孔爆破时引起的离炮孔不同距离处的爆破应力；

S24：根据各段别中每个炮孔到隧道轮廓面各处的距离，计算单个炮孔爆破时引起的隧道轮廓面各处的爆破峰值应力矢量；

S25：将同一段别所有炮孔爆破时引起的隧道轮廓面各处的爆破峰值应力进行矢量叠加，得到各段别爆破时引起隧道轮廓面各处的爆破峰值应力在位置上的分布；

S26：根据三角波型爆破荷载加载、卸载方式，计算出各个时刻隧道轮廓面各处爆破动荷载在时间上的分布；

S3：在软件中将爆破荷载值加载至隧道轮廓面上，确定围岩动力学参数，按动力学计算方法进行模拟。

2.根据权利要求1所述的隧道爆破的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S23中计算单个炮孔引起的离炮孔不同距离处的爆破应力时，根据各个爆破区域的应力衰减指数，建立不同区域的爆破应力波衰减函数，爆破区域包括粉碎区、裂隙区和弹性区，其应力衰减指数分别为2+μ/(1-μ)、2-μ/(1-μ)和1，以下列公式计算单个炮孔爆破时引起的离炮孔不同距离r处的爆破应力：

式中，p_m为作用在炮孔壁上的初始峰值压力，r_b为炮孔半径，R₁、R₂分别为爆破的粉碎区和裂隙区半径，μ为泊松比；对于条形装药，粉碎区半径R₁计算公式为：其中，q为条形装药单位长度的药包质量，ρ₀为装药密度，Φ为岩土压缩系数；裂隙区半径R₂计算公式为：R₂＝(R_cd/R_td)^1/αR₁，其中，R_cd、R_td分别为岩石动态抗压强度和动态抗拉强度，α为应力衰减指数，计算公式为：α＝2-μ/(1-μ)。

3.根据权利要求1所述的隧道爆破的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S25的应力矢量叠加方法为，先将每个应力矢量分解成为x轴、y轴和z轴方向上的分量，然后对同段别轮廓面各处的应力分量分别进行叠加。

4.根据权利要求1所述的隧道爆破的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S22的炮孔壁处的爆破应力的计算公式为：

式中，ρ₀为装药密度，D为炸药爆速，p_d、p_m分别为爆腔压力及作用在炮孔壁上的初始峰值压力，r₀、r_b分别为药卷半径和炮孔半径，l₀、l_b分别为装药长度和炮孔深度，n为炸药爆轰产物膨胀碰撞孔壁时的压力增大系数，n取8-11中间的数值。

5.根据权利要求1所述的隧道爆破的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中的围岩动力学参数包括围岩的阻尼、动弹模及动泊松比，所述围岩的动弹模及动泊松比计算公式为：

式中，E_d、E_s分别为动弹性模量和静弹性模量，μ_d、μ_s分别为动泊松比和静泊松比；

围岩的阻尼采用瑞利阻尼，将整体阻尼矩阵[C]由整体质量矩阵[M]和整体刚度矩阵[K]的线性组合来表示，即

[C]＝α[M]+β[K]

式中，比例系数α和β可由下式确定：

式中，ω_min为最小中心频率，ξ_min为最小临界阻尼比。

6.根据权利要求1所述的隧道爆破的数值模拟方法，其特征在于，所述软件为三维有限差分程序FLAC3D。