水工隧洞在掘進開挖的過程中，一般利用光面爆破技術，這種技術可以保證水工隧洞的爆破開挖輪廓被得到有效的控制，并降低爆破振動對鄰近水工隧洞圍巖和襯砌的影響。      模型釆用cm-g-us單位制，整體模型的尺寸為42.2ⅹ6ⅹ20.5m，拱頂與上邊界相距5m，拱底與下邊界相距5m，新建水工隧洞與左邊界相距5m，完工水工隧洞與右邊界也相距5m，水工隧洞寬為8m，高為9.9m，襯徹厚度為0.3m，新建水工隧洞與平行完工水工隧洞間距為15.9m，新建隧洞現已掘進進尺1m，炮孔深度為1.5m。整體模型如圖所示。

爆破開挖屬于瞬態分析過程，該過程存在較大的分線性，爆破過程中存在大變形，大位移，材料變形也會發生塑性變形甚至破壞，因此材料也屬于非線性，因此爆破屬于非線性動力學。當今商業軟件對于爆破分析較多的主要有LS-DYNA，autodyn，abaqus以及fluent等軟件，LS-DYNA軟件在開發初期主要用于非線性結構碰撞，爆破沖擊等動力響應分析，是北約組織武器結構設計的分析工具，如今該軟件已廣泛應用于國防軍工企業和民用企業，民用企業主要用于隧道開挖爆破，聚能爆破等的研究。LS-DYNA主要一款求解器，早期與ansys合作并入ansys的顯示動力學分析模塊，如今已經被ansys收購成為其一個模塊，LS-DYNA由于其使用范圍廣，可以在較多的領域進行有效的模擬.

模型主要包括圍巖，開挖隧洞襯徹，炸藥，空氣四部分，網格在開挖隧洞區域采用20cm的基本尺寸，其余區域采用50cm的尺寸，水工隧洞單孔不同藥量爆破作用下臨近隧洞的動態響應分析以及單孔同一藥量在不同厚度含弱巖層作用下對臨近隧洞的動態響應分析模型中，炸藥單元數為256個，空氣單元數為10800個，襯徹單元數為2507個，圍巖單元數為126898個，單元總數為140461個；同一藥量的三孔在不同起爆時間和次序的爆破作用下對臨近隧洞的動態響應研究中，炸藥單元數為768個，空氣單元數為7670個，襯徹單元數為2093個，圍巖單元數為99317個，單元總數為109848個。

圍巖，襯徹，炸藥，空氣等所有模型單元均采用solid164實體單元。其中圍巖，隧道等采用單點積分的常應力實體單元，為1號單元算法，該單元算法是純粹的lagrange算法，特點是單元網格依附在材料上，單元隨著材料的流動而變形，如果結構變形巨大，材料流動較大時，會造成單元網格畸變，引起求解終止，因此當模型有較大變形時，不適合采用改種算法，本文空氣和炸藥在分析過程中炸藥會產生較大的膨脹，空氣也會受到擠壓產生較大變形，因此不適合采用lagrange算法?？諝夂驼ㄋ幉捎枚辔镔|耦合ALE單元， 11號單元算法，該算法是中心單點積分的ALE多物質單元，一個單元內可以包含多種物質，ALE算法是先執行一個或幾個Lagrange時步計算，此時單元網格隨材料流動而產生變形，然后執行ALE時步計算：（1）保持變形后的物體邊界條件，對內部單元進行重分網格，網格的拓撲關系保持不變，成為smooth step；（2）將變形網格中的單元變量（密度，應力張量，能量等）和節點速度矢量輸運到重分的新網格中，成為Advection step，用戶可以選擇ALE時步的開始和終止時間，以及其頻率，該種算法可以處理類似炸藥，空氣這種大變形的問題，解決網格畸變。通過*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP關鍵字將空氣和炸藥材料綁定在一個單元算法里。拉格朗日算法和ale算法的耦合主要有兩種方法，一種是共節點，一種是通過*constrained_lagrange_in_solid來實現，本文采用共節點的方式相連，炸藥與空氣也采用共節點的方式。

本文由于分析模型尺寸較大，炸藥尺寸相對整體模型要小很多，且以臨近水工隧道的動態響應作為研究內容，不考慮材料的失效，襯徹，隧道等均采用雙線性彈塑性材料本構模型。

炸藥采用8號材料模型，材料關鍵字為*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并用JWL狀態方程來模擬炸藥爆轟過程中壓力和比容的關系

通過ALE控制來控制流固耦合時的相關設置，求解時間為8e4us,即0.08s，通過*control_timestep的默認參數來設定時間步長，為保證計算的穩定性，將時間步長因子設定為0.67；考慮到圍巖尺寸較大，本文建模有限尺寸模型，為避免界面反射波對結果造成影響，對圍巖和空氣外圍面定義成一個set_segment，并通過*boundary_non_reflection來定義圍巖四周以及空氣邊界為無反射邊界條件。為了輸出某些需要查看的節點速度，加速度，位移以及單元應力等，將需要分析的節點定義成*set_node_list，將需要分析的單元定義成set_solid，并通過*database_history_node_set和*database_history_solid_set記錄節點和單元的歷史數據，并通過*DATABASE_NODOT和*DATABASE_ELOUT輸出節點和單元數據，這些數據最后可以通過lsprepost進行查看和分析。

為了研究水工隧洞爆破開挖作用下應力傳播過程，提取單孔15kg藥量爆破作用下在1000us，4000us，7000us，10000us，13000us，25000us下的應力云圖進行分析，為了較清晰的看出應力傳播的過程，設定前四個時刻應力上限為5Mpa，后四個時刻應力上限為1Mpa，各時刻應力云圖如圖

水工隧洞開挖過程不能對臨近水工隧洞造成損害，因此研究水工隧洞開挖過程對臨近隧洞襯徹的受力和振動極為重要。

提取單孔15kg藥量爆破作用下臨近水工隧洞襯徹在12000us，15000us，25000us，49000us下的應力云圖如圖所示，由圖可以看出，襯徹應力主要由左邊開始傳播，所提取時刻應力均不大于1Mpa，在應力傳播過程中，左面迎爆面應力均為最大。

分別為提取點A，B，C三處位置的X，Y，Z以及合振動速度時程曲線，表為不同位置在三個不同方向的振動速度峰值。

對比三個不同位置的曲線和峰值表可以看出，炸藥引起的振動傳遞有個時間歷程，在未傳遞到襯徹時，振動均為0，當能量波到達襯徹時，振動速度逐漸增大，達到一定數值后，由于結構材料本身的彈性恢復性能，結構會往相反方向振動，因此可以看出，三個位置的振動曲線均在0點平衡位置上下振動，在15000us左右達到最大，之后逐漸衰減為0，該過程也符合實際的爆破過程。

位置B的三向振動速度以及合振動速度均為最大，位置B距離炸藥最近，且由于處于襯徹左邊中心位置，該位置沒有橫向支撐，因此容易產生較大變形，由曲線也可以看出，位置B在三向的速度振蕩也較為持久，特別是在豎直方向振蕩更久，橫向的振蕩減小最快。三個位置距離爆源半徑最近的分別為B，A，C，振動速度峰值由大到小也為該次序，可見襯徹最危險的位置為B點。三個位置在X向的振動在三個方向中最大，X向為炸藥的橫波傳播方向，可見炸藥爆破時主要以橫波進行傳遞，危害最高。

提取臨近水工隧洞襯徹如圖所示的A，B，C三處位置單元的應力時程曲線進行分析。圖3.12為提取點的單元應力時程曲線，由圖可以看出，三處位置的應力峰值相差不大，最大峰值為0.27Mpa，位置B處的單元應力波動最大，A，C處的振動相差不大。可見臨近水工水洞的開挖對不同位置振動影響大于單元的受力

下圖為爆破模擬動畫