小净距隧道扩建爆破动力响应数值模拟方法研究
发布时间：2021-12-30 18:56
以国内首次施工的大帽山四车道公路隧道扩建爆破震动控制为研究背景,介绍了爆破数值模拟分析中爆破荷载的计算原理和施加方法。从炸药直接起爆的角度,采用流固耦合多物质单元技术,利用LS-DYNA3D软件建立了扩建隧道爆破荷载作用下邻近运营隧道动力响应的数值计算模型。通过爆腔半径数值模拟结果与经验公式计算结果的比较,得到围岩的合理破坏应变值;对数值模拟计算结果的影响因素进行分析,结果表明材料采用理想弹塑性模型较硬化弹塑性模型的计算结果偏大;由现场实测数据拟合的经验公式验证数值模拟方法的可靠性。可为大断面小净距隧道施工及类似问题的解决提供参考。
【文章来源】：地震工程学报. 2014,36(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１大帽山隧道扩建关系图（单位：ｍ）
角度，利用ＬＳ－ＤＹＮＡ３Ｄ软件研究大帽山小净距隧道扩建爆破振动的数值模拟方法。以大帽山新建四车道隧道扩建爆破为研究对象（图１），在新建四车道隧道Ⅳ级围岩段选取典型计算断面。左侧原二车道隧道考虑初期支护和二次衬砌的加固作用，将炸药设置在新建隧道ＣＲＤ法开挖左侧导坑上台阶掏槽爆破对邻近运营隧道产生最不利影响的位置。为建模方便，将等效ＴＮＴ炸药看作立方体装药。隧道轴向使用单层网格进行计算。数值计算模型如图２所示。对隧道爆破的数值模拟涉及爆轰气体与空气的图２隧道计算模型Ｆｉｇ．２Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｕｎｎｅｌ混合，采用多物质单元欧拉方法（单元算法１１）模拟；冲击波与孔壁的相互作用采用流固耦合方法模拟，而应力波在二次衬砌界面的反射与透射、二次衬砌的变形采用标准的有限元方法模拟。对围岩、初期支护及二次支护单元界面共节点连接，采用拉格朗日算法；空气与孔壁界面处欧拉介质和拉格朗日介质的相互作用，采用约束加速度和速度方法进行流固耦合。单元类型采用ＳＯＬ－ＩＤ１６４，单元形状为规则四边形。为提高计算精度，所划分的单元均为规则六面体映射网格，围岩四周采用程序提供的非反射边界条件。原洞二次衬砌厚度０．４５ｍ、初期支护厚度２．５ｍ。初期支护参数用提高了的围岩性质表示，按其弹性模量、屈服应力及破坏应变均增大２０％考虑［９］。根据大帽山隧道地质勘察报告并参考《公路隧道设计规范》［１０］，本文选取的围岩、二次衬砌及初期支护的物理力学参数如表１所示。表１材料物理力学参数值Ｔａｂｌｅ１Ｐｈｙｓｉｃｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａ
全起见，建议隧道爆破振动数值模拟时围岩、二次衬砌及初期支护均采用理想弹塑性模型进行计算。３．４围岩破坏应变的影响初步计算表明，围岩的破坏应变大小对计算结果有显著影响。但围岩的破坏应变难以准确确定。为不失一般性，取围岩的破坏应变为０．００１、０．００２、０．００３及０．００４分别进行计算分析。通过数值模拟的爆腔大小与爆腔尺寸经验公式计算结果进行比较，确定本文计算条件下的围岩破坏应变值。爆腔数值模拟结果见图３所示。可见，随着围岩破坏应变的增大爆腔的半径逐渐减校图３破坏应变取值对计算结果的影响Ｆｉｇ．３Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆａｉｌｕｒｅｓｔｒａｉｎｖａｌｕｅｓ大量的试验表明，炸药在岩土材料中爆炸形成的爆腔半径可近似用式（６）表示［４］：ｒ＝ｍｋａ３槡Ｃ（６）式中，ｍ为考虑炸药埋深影响的填塞系数，封闭爆炸时为１．６５；ｋａ为介质的压缩系数，对Ⅳ级围岩近似取为０．３；Ｃ为炸药的ＴＮＴ等效装药量。将本次数值计算参数代入式（６），得爆腔半径为１．１ｍ。从图３可以看出，当围岩的破坏应变取为０．００２时爆腔半径的数值模拟结果约为１．０ｍ，与上述经验公式计算结果最为接近。因此本文围岩的破坏应变值取０．００２较为合理。４数值方法验证采用本文建立的数值计算方法和上述影响因素分析结果，取１０ｋｇ等效ＴＮＴ装药量进行数值模拟计算。由于爆破振速是隧道扩建爆破药量的重要控制依据之一，选取邻近运营小净距隧道迎爆面二次衬砌侧墙中部的振速值作为分析对象。爆破振速模拟结果如图４所示。可见，运营隧道二次衬砌ｘ向振速幅值为２０．９ｃ
【参考文献】：
期刊论文
[1]越江隧道临岸段明挖基坑受力变形数值分析[J]. 刘帅君,王晓东,王建华,陈锦剑. 岩土工程学报. 2013(S2)
[2]2车道隧道扩建成4车道隧道扩建形式研究[J]. 胡居义,陈礼彪,黄伦海. 公路交通技术. 2010(05)
[3]大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析[J]. 张国华,陈礼彪,钱师雄,蔡光远,吴超凡,李祺. 岩土力学. 2010(02)
[4]大帽山小净距隧道群爆破震动安全判据研究[J]. 张国华,刘明贵,刘绍波,李祺. 地下空间与工程学报. 2009(05)
[5]大帽山小间距隧道开挖爆破设计[J]. 陈梅初. 铁道建筑技术. 2009(06)
[6]特大断面小净距隧道爆破振动控制技术[J]. 吴超凡. 隧道建设. 2009(02)
[7]小净距上下交叉隧道爆破振动效应数值模拟[J]. 苗增润. 国防交通工程与技术. 2008(06)
[8]招宝山超小净距双线隧道的安全控爆研究[J]. 刘慧. 工程爆破. 2000(01)
本文编号：3558789
【文章来源】：地震工程学报. 2014,36(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１大帽山隧道扩建关系图（单位：ｍ）
角度，利用ＬＳ－ＤＹＮＡ３Ｄ软件研究大帽山小净距隧道扩建爆破振动的数值模拟方法。以大帽山新建四车道隧道扩建爆破为研究对象（图１），在新建四车道隧道Ⅳ级围岩段选取典型计算断面。左侧原二车道隧道考虑初期支护和二次衬砌的加固作用，将炸药设置在新建隧道ＣＲＤ法开挖左侧导坑上台阶掏槽爆破对邻近运营隧道产生最不利影响的位置。为建模方便，将等效ＴＮＴ炸药看作立方体装药。隧道轴向使用单层网格进行计算。数值计算模型如图２所示。对隧道爆破的数值模拟涉及爆轰气体与空气的图２隧道计算模型Ｆｉｇ．２Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｕｎｎｅｌ混合，采用多物质单元欧拉方法（单元算法１１）模拟；冲击波与孔壁的相互作用采用流固耦合方法模拟，而应力波在二次衬砌界面的反射与透射、二次衬砌的变形采用标准的有限元方法模拟。对围岩、初期支护及二次支护单元界面共节点连接，采用拉格朗日算法；空气与孔壁界面处欧拉介质和拉格朗日介质的相互作用，采用约束加速度和速度方法进行流固耦合。单元类型采用ＳＯＬ－ＩＤ１６４，单元形状为规则四边形。为提高计算精度，所划分的单元均为规则六面体映射网格，围岩四周采用程序提供的非反射边界条件。原洞二次衬砌厚度０．４５ｍ、初期支护厚度２．５ｍ。初期支护参数用提高了的围岩性质表示，按其弹性模量、屈服应力及破坏应变均增大２０％考虑［９］。根据大帽山隧道地质勘察报告并参考《公路隧道设计规范》［１０］，本文选取的围岩、二次衬砌及初期支护的物理力学参数如表１所示。表１材料物理力学参数值Ｔａｂｌｅ１Ｐｈｙｓｉｃｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａ
全起见，建议隧道爆破振动数值模拟时围岩、二次衬砌及初期支护均采用理想弹塑性模型进行计算。３．４围岩破坏应变的影响初步计算表明，围岩的破坏应变大小对计算结果有显著影响。但围岩的破坏应变难以准确确定。为不失一般性，取围岩的破坏应变为０．００１、０．００２、０．００３及０．００４分别进行计算分析。通过数值模拟的爆腔大小与爆腔尺寸经验公式计算结果进行比较，确定本文计算条件下的围岩破坏应变值。爆腔数值模拟结果见图３所示。可见，随着围岩破坏应变的增大爆腔的半径逐渐减校图３破坏应变取值对计算结果的影响Ｆｉｇ．３Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆａｉｌｕｒｅｓｔｒａｉｎｖａｌｕｅｓ大量的试验表明，炸药在岩土材料中爆炸形成的爆腔半径可近似用式（６）表示［４］：ｒ＝ｍｋａ３槡Ｃ（６）式中，ｍ为考虑炸药埋深影响的填塞系数，封闭爆炸时为１．６５；ｋａ为介质的压缩系数，对Ⅳ级围岩近似取为０．３；Ｃ为炸药的ＴＮＴ等效装药量。将本次数值计算参数代入式（６），得爆腔半径为１．１ｍ。从图３可以看出，当围岩的破坏应变取为０．００２时爆腔半径的数值模拟结果约为１．０ｍ，与上述经验公式计算结果最为接近。因此本文围岩的破坏应变值取０．００２较为合理。４数值方法验证采用本文建立的数值计算方法和上述影响因素分析结果，取１０ｋｇ等效ＴＮＴ装药量进行数值模拟计算。由于爆破振速是隧道扩建爆破药量的重要控制依据之一，选取邻近运营小净距隧道迎爆面二次衬砌侧墙中部的振速值作为分析对象。爆破振速模拟结果如图４所示。可见，运营隧道二次衬砌ｘ向振速幅值为２０．９ｃ
【参考文献】：
期刊论文
[1]越江隧道临岸段明挖基坑受力变形数值分析[J]. 刘帅君,王晓东,王建华,陈锦剑. 岩土工程学报. 2013(S2)
[2]2车道隧道扩建成4车道隧道扩建形式研究[J]. 胡居义,陈礼彪,黄伦海. 公路交通技术. 2010(05)
[3]大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析[J]. 张国华,陈礼彪,钱师雄,蔡光远,吴超凡,李祺. 岩土力学. 2010(02)
[4]大帽山小净距隧道群爆破震动安全判据研究[J]. 张国华,刘明贵,刘绍波,李祺. 地下空间与工程学报. 2009(05)
[5]大帽山小间距隧道开挖爆破设计[J]. 陈梅初. 铁道建筑技术. 2009(06)
[6]特大断面小净距隧道爆破振动控制技术[J]. 吴超凡. 隧道建设. 2009(02)
[7]小净距上下交叉隧道爆破振动效应数值模拟[J]. 苗增润. 国防交通工程与技术. 2008(06)
[8]招宝山超小净距双线隧道的安全控爆研究[J]. 刘慧. 工程爆破. 2000(01)
本文编号：3558789
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