?行業背景

本文以長安街石景山隧道爆破施工為背景，采用動力有限元方法模擬了三種不同爆破方式下人工防護道的振動響應。直孔延時起爆與試驗進行對比，驗證仿真的有效性，并對三種不同爆破方法引起的人工防護道兩點的振動速度和加速度進行研究分析，探尋引起人工防護道振動響應最小的最優爆破方式，為工程爆破提供參考

?工程背景

長安街西延引起豐沙鐵路改建工程暗挖隧道，全長4350.353m，其中明挖段長3871.353m，暗挖段長479m。暗挖段全長479m，雙線隧道，線間距4～4.26m，位于8‰的上坡。人防通道底標高94.58m，結構尺寸約2m（寬）×2.4m（高）。通道底板為墊層20cm，調平層7cm，下有墊層，厚度20cm。此范圍石景山隧道覆土約31m左右，隧道與人防通道垂直相交，人工防護道位于隧道正上方位置，凈距約2.044m。

?設計中的關鍵問題

隨著我國交通網絡的大規模鋪展，爆破在隧道開挖過程起到非常重要的作用，爆破開挖引起的振動響應也越來越引起人們的重視，通過試驗和仿真的研究，評價爆破施工方案和爆破參數的合理性，為控制和優化爆破施工參數提供依據，同時對開挖爆破作業對文物，既有鐵路線，鐵路邊坡振動的影響程度，以確保爆破安全，隧道爆破的振動研究也越來越重要。

?仿真需求分析

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.

?模型或數據

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。

?參數與條件

下表分別為圍巖和炸藥材料參數，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。圍巖四周采用無反射邊界條件。

仿真設計過程簡述

利用hypermesh導入幾何文件——定義相關部件材料屬性以及單元算法——對各個部件進行網格劃分——定義流體和固體之間的耦合作用——定義六個炸藥的起爆時間以及位置——定義控制控制輸出等——調試模型——提交計算——獲取每個爆破作用下人工防護道的振動數據文件——獲得振動最小的爆破方式

仿真設計過程詳解

1.在hypermpesh14.0中導入幾何模型

2. 對模型進行切分，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。

3. 定義材料屬性和單元算法，其中圍巖采用Lagrange單元算法，空氣和炸藥采用ale單元算法

4. 通過*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP定義多物質ale單元，使得ale單元之間能夠相互作用

  5. lag和ale單元采用共節點的形式，使得兩者之間能夠相互作用

  5. 對圍巖四周采用無反射邊界條件，用來避免反射波對結果的影響。

  6. 通過*CONTROL_ALE來控制流固耦合時的相關設置，通過*CONTROL_TERNIMITION設定求解時間為0.03s

  7. 通過*control_timestep的默認參數來設定時間步長

仿真設計結果

?研究人工防護到P1,P2兩點的振動響應

結論：

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；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；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；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。