[发明专利]一种隧道爆破的数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种隧道爆破的数值模拟方法，包括以下步骤：S1：建立隧道模型，获得爆破前隧道及围岩的应力状况；S2：建立三轴坐标系，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；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；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；将同段别所有炮孔引起的爆破峰值应力矢量叠加；S26：计算各个时刻隧道轮廓面各处爆破动荷载；S3：在软件中将爆破荷载值加载至隧道轮廓面上进行模拟。本发明在计算爆破荷载，同时考虑多个炮孔爆破荷载叠加及不同区域爆破应力逐步衰减等因素，从而更加准确地计算出施加在隧道开挖轮廓面上的爆破荷载，计算得到的爆破振速也更加准确。

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，特别是一种隧道爆破的数值模拟方法。

背景技术

爆破会引起周围介质及临近建(构)筑物产生强烈的振动，可能导致邻近隧道结构损坏，及地表建筑物发生开裂甚至倒塌，直接关系施工安全。例如，北京至张家口高速铁路(以下简称京张高铁)八达岭长城站就属于复杂洞室群工程，存在三洞分离段后掘隧道对先掘隧道的开挖爆破影响问题，也存在上层洞室开挖爆破对下层已掘隧道结构的爆破振动影响问题等等。因此，在隧道与地下洞室群工程、近接工程、城市钻爆法隧道工程中，预测、分析与控制爆破振动一直都是重要的理论和工程问题。

目前，一种广泛应用于模拟隧道爆破荷载的模型为三角波型爆破荷载模型。该模型假定每一段爆破时，荷载从零开始线性加载至峰值，然后再线性衰减至零。三角波形荷载典型的加载时间为8-12ms，卸载时间约为50-120ms，一般加载时间取10ms，卸载时间取100ms。因此，采用三角波型爆破荷载最主要就是需要确定其峰值荷载值。对于不耦合装药结构的单个炮眼，其岩石中冲击波压力峰值荷载的计算公式为

式中，ρ₀为装药的密度，单位为kg/m3，可根据装药重量由反算；D为炸药爆速，单位为m/s；p_d、p_m分别为爆腔压力及作用在孔壁上的初始峰值压力，单位为MPa；r₀、r_b分别为药卷半径和炮孔半径，单位为mm；l₀、l_b分别为装药长度和炮孔深度，单位为m；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，一般取10。

根据上式可以得到炮孔壁处的爆破荷载，一般认为在岩石中传播至隧道开挖轮廓面处的爆破荷载按指数形式衰减，该衰减公式为

式中，为比例距离，即隧道轮廓面到爆炸中心的距离r与炮孔半径r_b之比；p为隧道轮廓面处的爆破冲击应力；α为应力衰减指数；μ为泊松比。

在隧道爆破中，为控制爆破振动影响，雷管按不同延迟时间分段别进行起爆，每个段别同时起爆多个炮眼。在应用三角波型爆破荷载模型进行隧道爆破模拟时，或将同时起爆的多个炮眼按集中爆破进行近似，或对周边孔爆破计算等效荷载施加在炮孔联心线上，但都没有真正考虑每个炮孔中爆破荷载分段别起爆时的影响。并且，在考虑从炮孔至隧道轮廓面处爆破应力衰减时，衰减指数随爆破能量的逐步衰减而不同，单一的应力衰减指数不能反映该影响。

发明内容

针对以上不足，本发明提供了一种隧道爆破的数值模拟方法，可更好地模拟隧道中多炮孔爆破以及爆破应力衰减的过程。

本发明的技术方案为：

一种隧道爆破的数值模拟方法，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：