（a）隧道與人工防護道位置圖

（b）人工防護道圖

圖1 隧道與人工防護道圖

       按照測振預警機制的原則，每炮測振，并根據測振數據，調整單次爆破的進尺、藥量，控制爆破過程中的振動是該次爆破過程中需要控制的首要因素，為了最大限度降低隧道爆破對人工防護道的爆破振動，采用直孔爆破同時起爆，直孔爆破延時起爆，斜孔爆破延時起爆等三種不同爆破方式進行研究，對比三種不同爆破方式下人工防護道同位置處的振動大小來選擇最優掏槽爆破方式.

利用Hypermesh14.0聯合ANSYS LS-DYNA軟件建立隧道掏槽爆破以及人工防護道的有限元模型，圖2為隧道爆破作用下人工防護道的有限元網格模型，圖2（a）為包含空氣部分的有限元網格模型，圖2（b）為圍巖有限元網格模型，圖2（c）可以看出六個爆破布置的位置位于上臺階中間部分，圖2(d)為炮孔處的網格模型。

      為了研究隧道爆破對人工防護道最大振動位置，將六個炮孔布置于與人工防護道相交的正下方位置，高度方向上距離中臺階頂部距離分別0.4m，0.8m，1.2m，炮眼眼口間距1.5m，采用正向不耦合裝藥，起爆點為從外到內，炮孔直徑42mm，炸藥直徑為30mm，炮孔深度為0.8m，單個炮孔炸藥量為0.56kg，總裝藥量為  3.36kg。

       根據掏槽方式，可以分為直孔爆破以及斜孔爆破，直孔爆破掏槽為直孔，該種爆破方式產生的地震波大，影響周邊環境；斜孔爆破掏槽為斜孔，炮孔布置呈梯形，起爆時，先從爆區中部爆出一個梯形的空間，為后面的梯形起爆創造更長的方向交錯的臨空面,隨之，更大的梯形相繼起爆，這種起爆方式碰撞擠壓效果好，爆堆集中。按照炮孔爆破先后次序，起爆方式分為同時起爆和微差延時起爆，延時起爆以高強度，高精度導爆管毫秒雷**管為起爆及傳爆元件進行起爆網絡鋪設，孔內采用高段位延時毫秒雷*管進行起爆，孔外采用低段位延時毫秒雷*管鏈接，爆區每個炮孔在空間和時間上都按照一定順序單獨延時起爆，同時先起爆炮孔為后起爆炮孔提供自由面，通過控制起爆時間差實現爆破擠壓來提高爆破質量的一種爆破技術。

         根據不同的掏槽以及起爆次序，定義三種不同爆破方式：（1）直炮孔同時起爆。（2）直炮孔延時起爆，六個炮孔起爆時間分別為0ms，5ms，10ms，15ms，20ms，25ms。（3）斜炮孔延時起爆，該爆破方式掏槽為斜孔，六個炮孔起爆時間分別為0ms，5ms，10ms，15ms，20ms，25ms；斜炮孔眼口間距1.5m，眼底間距0.3m。

模型計算域內包括輸圍巖，空氣，炸藥。其中炸藥為2#巖石乳化炸藥，隧道圍巖為中等風化砂巖。根據所依托工程設計資料及相關規范選取巖土體物理參數如表1所示，結合巖體特性及其在爆炸過程中的受力狀態，數值模型中圍巖選用能反應巖體塑性變形特征的MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料本構；

表1  圍巖物理力學參數

Table 1   physical and mechanical parameters of rock

密度/ kg·m-3	泊松比	彈性模量力/MPa	屈服強度/MPa	切線模量/MPa
2430	0.26	4830	30	113

炸藥采用JWL狀態方程來模擬炸藥爆轟過程中壓力和比容的關系

炸藥材料的主要輸入參數見表2.

表2  炸藥參數

密度 /kg·m-3	爆速/m·s-1	爆壓/GPa	A /GPa	B /GPa	R1	R2	ω	E /GPa
1100	3500	4	214	0.182	4.15	0.95	0.3	4.192

模型中三種材料均采用Soild164單元劃分，其中圍巖采用Lagrange單元算法，空氣和炸藥采用ale單元算法。單元總數為1129660，圍巖單元數為953660，空氣單元數為175712個，炸藥單元數為288個，節點總數為1158187個，單元基本尺寸為0.2m，炸藥處的單元尺寸為0.005m。

通過*CON*T*ROL_ALE來控制流固耦合時的相關設置，通過*CON*T*ROL_TERNIMITION設定求解時間為0.03s，通過*control_timestep的默認參數來設定時間步長，設定圍巖四周為無反射邊界條件，對巖層六個面定義成一個segment，并通過*boundary_non_reflection來定義圍巖為無反射邊界條件。

3 有限元計算結果分析

3.1  實測振動與模擬振動波形對比

采用六孔直孔延時起爆進行爆破試驗測試，即采用爆破模型二，測量隧道正上方人工防護道右側5m處(圖3中P2點)的三向振動速度，將垂直，水平速度傳感器用調和的石膏粉固定在測點上進行測量，爆破后到測點取回自記儀，用計算機TOPVIEW2000對信號分析處理。

圖3 提取點示意圖

調整仿真與試驗坐標系為一致，圖4分別為測量點X，Y，Z方向的振動速度，其中曲線A為仿真數值，曲線B為試驗數值。其中X向為沿隧道方向，Y為豎直方向振動速度，Z向為沿人工防護道方向。由圖可以看出，仿真數值與實測振動數據比較接近，數值計算得到的波形與實測掏槽段波形基本相同，僅在峰值到達時間及初始振動的形態上存在差異。前者是因實測振動采集時需設置一定的預出發時間及地質模型的簡化所造成的；后者是由于模擬得到波形為縱波和橫波的綜合體現，使得其初始振動階段不存在實測曲線所出現的小幅振動，對于豎直方向的振動速度吻合較好，這表明采用簡化后的隧道爆破對人工防護道的影響進行仿真研究是可行的，對實際爆破具有指導意義。

從數據可以看出，測點豎直方向振動速度最大，其次沿人工防護道方向，沿隧道方向振動速度最小。測點最大振動速度為17.5cm/s，發生在5ms時刻，此時振動主要是由第一個炮孔起爆所致，從波形可以看出，延時起爆波形疊加并不明顯，炮孔起爆后約5ms時間傳至測點，可以看出振動速度曲線有六個明顯的波峰值，分別是六個炮孔延時爆破導致。

                     （b）Y向振動速度對比圖

（c）z向振動速度對比圖

圖4實測與仿真各向振動速度對比曲線

3.2 不同爆破方式下的振動速度對比分析

圖5和圖6分別為P1點豎直方向，沿人工防護道方向，沿隧道方向以及合速度，加速度在三種不同爆破方式下的速度和加速度時程曲線，由圖可以看出，直孔同時起爆在5ms左右出現爆破峰值，之后爆破速度和加速度逐漸衰減，衰減時間約為15~20ms左右，斜孔延時起爆分析時間為50ms，可以看出最后一個炮孔爆破后波形逐漸衰減的過程，在50ms時振動速度和加速度基本衰減趨于0.

由圖5（a）和6（a）可以看出，豎直方向直孔同時爆破峰值最大，直孔延時爆破和斜孔延時起爆峰值相差不大，但是斜孔引起的振動時間大于直孔；圖5（b）和6（b）為沿人工防護道方向，直孔延時起爆振動速度和加速度最大，直孔同時起爆振動速度和加速度最小，由于炮孔沿著正上方軸線對稱布置，同時起爆沿水平方向有相互抵消的作用；圖5（c）和6（c）沿隧道方向，直孔同時起爆振動速度和加速度最大，直孔延時起爆振動速度和加速度大于斜孔延時起爆，此時直孔同時起爆沿著隧道方向起到疊加增加的作用；圖（d）和圖6（d）為P1點合速度時程曲線，由圖可以看出，直孔同時起爆引起的振動速度和加速度最大，直孔延時起爆和斜孔延時起爆振動速度和加速度峰值相差不大，但是斜孔延時起爆引起的振動時間要長。

表3 不同爆破方式在P1點速度和加速度峰值

		隧道方向	豎直方向	人工防護道方向
	最大	正值	負值	正值	負值	正值	負值	合
速度（cm/s）	直孔延時起爆	23.9	16.8	33.8	46.1	9.9	8.77	47
直孔同時起爆	38.9	45.4	82.1	74.5	1.44	1.37	83
斜孔延時起爆	18.3	21.67	36.1	49.1	7.32	8.45	49.5
加速度(m/s2)	直孔延時起爆	782.5	940.8	3183.3	2767.3	771.7	732.3	3209.3
直孔同時起爆	1099.7	834.4	2998.1	5096.5	83.8	73.6	5100
斜孔延時起爆	1067.4	989.4	3157.9	3224.9	378.7	368.4	3237.8

由表3可以看出，在隧道正上方P1點在不同爆破方式下，直孔延時起爆和斜孔延時起爆振動速度和加速度基本相同，直孔同時起爆是直孔延時起爆振動速度的1.76倍，振動加速度的1.58倍。

圖7和圖8分別為為P2點豎直方向，沿人工防護道方向，沿隧道方向以及合速度，加速度在三種不同爆破方式下的速度和加速度時程曲線，由圖可以看出，在P2點不同爆破方式振動響應差別較大，直孔同時起爆引起的振動響應明顯大于延時起爆，直孔延時起爆引起的速度和加速度振動響應也要大于斜孔延時起爆。

表4 不同爆破方式在P2點速度和加速度峰值

Table 4   PPV of velocity and acceleration at point P2 in different explosion situation

		隧道方向	豎直方向	人工防護道方向
		正值	負值	正值	負值	正值	負值	合
速度（cm/s）	直孔延時起爆	11	7.82	11.8	17.9	12.1	17.7	24.79
直孔同時起爆	15.9	16.3	24.2	28.9	23.6	31.7	42.77
斜孔延時起爆	4.62	3.94	4.66	6.7	5.17	6.52	9.4
加速度(m/s2)	直孔延時起爆	235.8	295	987.9	907.8	884.7	862.6	1274
直孔同時起爆	320	268	1381	1307	1488.7	1243.7	1955
斜孔延時起爆	77	102	193	202.6	180.9	208	270.5

根據表4可以看出，直孔同時起爆振動最大，斜孔延時起爆振動最小，直孔延時起爆是斜孔延時起爆振動速度的2.64倍，振動加速度的4.7倍，直孔同時起爆是斜孔延時起爆振動速度的4.55倍，振動加速度的7.2倍。

綜上所述，對于三種不同爆破方式，斜孔延時起爆在三種爆破方式下優勢較為明顯，特別對于非正上方處的位置的振動速度和振動加速度要明顯小于其他兩種方式。

以下為模擬動畫：

六直孔不同時起爆

六直孔同時起爆