浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法与流程

本发明涉及浅埋铁路隧道施工技术领域，特别地，涉及一种浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法。

背景技术：

浅埋铁路隧道下穿民房软弱岩段爆破施工对地面振动效应产生的影响较大。为了能够控制浅埋隧道爆破振动强度，保证建筑物和施工安全，需要确定不同爆破条件下地震波在不同位置处的振动参数，但是由于各种条件的限制，现场监测的数据始终是有限的，尤其是爆破近区和全断面爆破施工。

为了研究爆破地震波的规律，m.a萨道夫斯基公式算法较为普遍，按照萨道夫斯基经验公式估算需要大量的监测数据，准确性较低，受工程地质条件和爆破条件影响大，尚未考虑爆破地震波的频率影响，适用性较差，难于满足爆破安全振动控制标准的要求。

技术实现要素：

本发明提供了一种浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法，以解决现有浅埋铁路隧道下穿民房软弱岩段爆破施工，监测数据有限难以保证施工安全；按照萨道夫斯基经验公式估算满足爆破安全振动控制标准的要求的技术问题。

本发明提供一种浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法，包括以下步骤：a、根据浅埋铁路隧道下穿民房软弱段的特点建立数值模型；b、选取与浅埋铁路隧道下穿民房软弱段相应的数值模型的材料参数；c、浅埋铁路隧道下穿民房软弱段的爆破模拟；d、不同掏槽爆破方式的数值模拟结果分析；e、结合浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工的工程实测数据进行验证，以满足爆破安全振动控制标准要求。

进一步地，步骤a中的数值模型建立，具体为：采用ansys/ls-dyna有限元软件建立浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工的数值模型；浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工采用分步分台阶开挖法，数值模型用于模拟隧道掌子面上台阶爆破掏槽时的震动效应；铁路隧道的断面跨度为10m～20m，高为8m～15m，隧道拱顶至地面的埋置深度为8m～15m，隧道进尺为0.3m～1m；沿着隧道掘进方向建立16m～50m的数值模型，掌子面前方未开挖长度为8m～25m，掌子面后方已开挖部分长度为8m～25m。

进一步地，为了防止爆破地震波在边界处发生反射，在数值模型两侧以及下侧施加无反射边界，数值模型上面为自由边界；隧道段沿隧道中面对称，以隧道中面为对称面建立1/2模型，在对称面上施加对称约束，并且利用规则的六面体网格对数值模型进行划分，从而减少计算数值模型的工作量。

进一步地，当围岩级别为v类围岩时，上覆土层以坡残积土层为主，下伏岩层为泥岩夹砂岩或砂岩，地下水不发育，在建模过程不考虑地下水影响。

进一步地，步骤b中数值模型的材料参数选取包括岩石选取，具体为：基于岩体在爆炸荷载下的大动载荷下的应力应变关系尚未清楚，而岩体在振动状态下弹性模量和屈服强度均随加载速率的变化而变化，岩体材料模型据此选取ansys/ls-dyna程序中材料模型，该材料模型是与应变率有关和考虑失效的各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型；通过硬化参数β，来调整各向同性硬化和随动硬化的贡献，β＝0仅随动硬化，0<β<1为混合硬化，β＝1仅各向同性硬化；应变率对强度的影响用cowper-symonds模型来考虑，屈服应力与应变率关系如下所示：

式中，σ0为初始屈服应力，为应变率，c、p为cowpersymonds应变率参数，为有效塑性应变，ep为是塑性硬化模量。

进一步地，步骤b中数值模型的材料参数选取包括炸药选取，具体为：选取ls-dyna中提供的高能炸药材料类型，爆轰压力和单位体积内能及相对体积的关系采用jones、wilkins、e.l.lee等提出的jwl状态方程模拟，该jwl状态方程的p-v关系如下：

其中，v为相对体积，e为单位体积比内能，a、b、r1、r2，ω为实验确定的材料常数；

试验炸药为2号乳化炸药：密度为1300kg/m³，爆速为3800m/s，pc-j压力为3.43gpa；

对应的jwl方程参数是：a为220gpa，b为0.18gpa，r1为4.2，r2为0.8，ω为0.15，e为3.51j/m³。

进一步地，步骤b中的空气选取，具体为：

空气介质材料模型的空气压强状态方程表达式为：

p＝c0+c1μ+c2μ²+c3μ³+(c4+c5μ+c6μ²)e

式中，v为当前相对体积；e为材料的内能；此状态方程用来模拟符合γ定律的气体模型，在这种条件下可以设置c0＝c1＝c2＝c3＝c6＝0，c4＝c5＝γ-1，其中γ为理想气体的绝热指数；γ＝1.4、e0＝2.5×10⁵pa、v0＝1.0、密度r0＝1.2993kg/m³。

进一步地，步骤b中的雷管选取，具体为：设置起爆点位置起爆时间，实现任意时间起爆。

进一步地，步骤b中数值模型的材料参数选取包括爆破模拟，具体为：采用流固耦合算法以避免网络畸变过大所造成的计算发散、计算结果不可信的问题；采用流固耦合算法建立模拟炸药爆炸与介质之间的相互作用的计算模型包括两种方法：第一种方法是分别建立炸药和空气的实体模型并相应划分网络，炸药和空气交界面通过共用节点连接；第二种算法将整个ale计算空间视为空气域，通过ls-dyna中的初始体积束功能设置炸药尺寸、形状和位置，并且程序开始后在初始化阶段将炸药填充到所定义的位置和空间。

进一步地，炸药和空气采用euler网络建模，单元采用多物质ale算法，岩石和土体采用lagrange算法，炸药与岩石间相互作用采用流固耦合算法；其中，大空孔直线掏槽时采用初始体积法建立炸药模型，常规方法掏槽时采用建立炸药实体模型方法。

进一步地，步骤d中数值模拟结果分析，具体为：通过模拟计算得到的爆破震动速度场，对隧道掌子面前后的振速、位移特征进行分析，同时对比分析浅埋隧道不同掏槽爆破方式对地面爆破震动的影响，为进行减震爆破设计提供依据；将大空孔直线掏槽数值模拟结构与普通掏槽爆破数值模拟结构进行对比分析。

进一步地，步骤e具体为：采用大空孔直线掏槽技术，通过预先钻凿的多个大空孔，以为后续装药爆破开创了新的自由面，减少夹制力，增大应力波反射，提高爆破效果，增大槽腔体积，减少后续需要爆破的方量，减少装药量，空孔界面起到反射爆破振动波从而削弱的作用；采用分步分台阶短进尺开挖，短进尺多循环开挖，上台阶每次爆破不超过1榀钢架，；对重要民房进行实时爆破振动监测，每次爆破都要监测爆破振动，根据监测的爆破振动，及时反馈验证爆破减振措施的减振效果，并有效指导和调整爆破施工；民房的爆破振动危害效应提供数值模拟数据以及现场实时监测数据的证据。

本发明具有以下有益效果：

本发明浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法，利用动力有限元法进行数值模拟分析研究爆破地震的规律，并结合工程实测数据进行验证，在一定程度较为准确地反映爆破振动。通过对比分析，研究减震技术方案的爆破减震效果，为制定隧道下穿密集房屋减振爆破方案提供依据，同时研究开挖隧道的存在对地震波传播规律的影响。数值模拟是一种有效的试验，边界条件和初始条件是可以控制的，而且可以随时间动态地、重复地显示结构动力响应的发展过程，还可以显示任何试验都难以观察到的动力荷载作用下发生在结构内部的一些物理现象；数值模拟可以替代或部分替代一些危险、昂贵的甚至是难以实施的试验，爆炸试验耗时长、费用昂贵，并且存在一定的危险，借助数值模拟可以节约大量时间并产生很大的经济效益；数值模拟可以促进试验的发展，加速试验进程，为试验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定，提供更可靠的理论指导。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法的步骤流程框图；

图2是本发明优选实施例的岩石材料单向拉伸应力应变关系图；

图3是本发明优选实施例的vonmises模型三维应力状态的主应力空间的示意图；

图4是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面正上方垂直振动速度曲线图；

图5是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面前方10米垂直振动速度曲线图；

图6是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面后方10米垂直振动速度曲线图；

图7是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面正上方水平振动速度曲线图；

图8是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面前方10米水平振动速度曲线图；

图9是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面后方10米水平振动速度曲线图；

图10是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽时垂直振动速度与掌子面距离函数关系图；

图11是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽时水平振动速度与掌子面距离函数关系图；

图12是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面正上方垂直振动速度曲线图；

图13是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面前方10米垂直振动速度曲线图；

图14是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面后方10米垂直振动速度曲线图；

图15是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面正上方水平振动速度曲线图；

图16是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面前方10米水平振动速度曲线图；

图17是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面后方10米水平振动速度曲线图；

图18是本发明优选实施例的普通掏槽时垂直振动速度与掌子面距离函数关系图；

图19是本发明优选实施例的普通掏槽时水平振动速度与掌子面距离函数关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法的步骤流程框图；图2是本发明优选实施例的岩石材料单向拉伸应力应变关系图；图3是本发明优选实施例的vonmises模型三维应力状态的主应力空间的示意图；图4是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面正上方垂直振动速度曲线图；图5是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面前方10米垂直振动速度曲线图；图6是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面后方10米垂直振动速度曲线图；图7是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面正上方水平振动速度曲线图；图8是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面前方10米水平振动速度曲线图；图9是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽数值模拟的掌子面后方10米水平振动速度曲线图；图10是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽时垂直振动速度与掌子面距离函数关系图；图11是本发明优选实施例的大空孔直线掏槽时水平振动速度与掌子面距离函数关系图；图12是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面正上方垂直振动速度曲线图；图13是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面前方10米垂直振动速度曲线图；图14是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面后方10米垂直振动速度曲线图；图15是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面正上方水平振动速度曲线图；图16是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面前方10米水平振动速度曲线图；图17是本发明优选实施例的普通掏槽爆破数值模拟的掌子面后方10米水平振动速度曲线图；图18是本发明优选实施例的普通掏槽时垂直振动速度与掌子面距离函数关系图；图19是本发明优选实施例的普通掏槽时水平振动速度与掌子面距离函数关系图。

如图1所示，本实施例的浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法，包括以下步骤：a、根据浅埋铁路隧道下穿民房软弱段的特点建立数值模型；b、选取与浅埋铁路隧道下穿民房软弱段相应的数值模型的材料参数；c、浅埋铁路隧道下穿民房软弱段的爆破模拟；d、不同掏槽爆破方式的数值模拟结果分析；e、结合浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工的工程实测数据进行验证，以满足爆破安全振动控制标准要求。本发明浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法，利用动力有限元法进行数值模拟分析研究爆破地震的规律，并结合工程实测数据进行验证，在一定程度较为准确地反映爆破振动。通过对比分析，研究减震技术方案的爆破减震效果，为制定隧道下穿密集房屋减振爆破方案提供依据，同时研究开挖隧道的存在对地震波传播规律的影响。数值模拟是一种有效的试验，边界条件和初始条件是可以控制的，而且可以随时间动态地、重复地显示结构动力响应的发展过程，还可以显示任何试验都难以观察到的动力荷载作用下发生在结构内部的一些物理现象；数值模拟可以替代或部分替代一些危险、昂贵的甚至是难以实施的试验，爆炸试验耗时长、费用昂贵，并且存在一定的危险，借助数值模拟可以节约大量时间并产生很大的经济效益；数值模拟可以促进试验的发展，加速试验进程，为试验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定，提供更可靠的理论指导。

本实施例中，步骤a中的数值模型建立，具体为：采用ansys/ls-dyna有限元软件建立浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工的数值模型。浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工采用分步分台阶开挖法，数值模型用于模拟隧道掌子面上台阶爆破掏槽时的震动效应。铁路隧道的断面跨度为10m～20m，高为8m～15m，隧道拱顶至地面的埋置深度为8m～15m，隧道进尺为0.3m～1m。沿着隧道掘进方向建立16m～50m的数值模型，掌子面前方未开挖长度为8m～25m，掌子面后方已开挖部分长度为8m～25m。ansys公司将ls-dyna与ansys前后处理连接，称为ansys/ls-dyna，大大加强了ls-dyna的前后处理能力和通用性，造就了全球功能最丰富，用户最多的有限元显式求解程序。ansys/ls-dyna是功能齐全的几何非线性、材料非线性和接触非线性程序。其显式算法特别适合于分析各种非线性结构冲击动力学问题，如爆炸、结构碰撞、金属加工成形等高度非线性问题，同时还可以求解传热、流体以及流固耦合问题。它以lagrange算法为主，兼有ale算法和euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体一结构藕合功能以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能。lagrange算法、ale算法和euler算法属于ls-dyna软件的三大算法功能。ale和euler列式可以克服单元严重畸变引起的数值计算困难，并实现流体一固体耦合的动态分析。在ls-dyna程序中和列式有以下功能多物质的euler单元，可达20种材料。

本实施例中，为了防止爆破地震波在边界处发生反射，在数值模型两侧以及下侧施加无反射边界，数值模型上面为自由边界。隧道段沿隧道中面对称，以隧道中面为对称面建立1/2模型，在对称面上施加对称约束，并且利用规则的六面体网格对数值模型进行划分，从而减少计算数值模型的工作量。

本实施例中，当围岩级别为v类围岩时，上覆土层以坡残积土层为主，下伏岩层为泥岩夹砂岩或砂岩，地下水不发育，在建模过程不考虑地下水影响。

本实施例中，步骤b中数值模型的材料参数选取包括岩石选取，具体为：基于岩体在爆炸荷载下的大动载荷下的应力应变关系尚未清楚，而岩体在振动状态下弹性模量和屈服强度均随加载速率的变化而变化，岩体材料模型据此选取ansys/ls-dyna程序中材料模型，该材料模型是与应变率有关和考虑失效的各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型。通过硬化参数β，来调整各向同性硬化和随动硬化的贡献，β＝0仅随动硬化，0<β<1为混合硬化，β＝1仅各向同性硬化；应变率对强度的影响用cowper-symonds模型来考虑，屈服应力与应变率关系如下所示：

式中，σ0为初始屈服应力，为应变率，c、p为cowpersymonds应变率参数，为有效塑性应变，ep为是塑性硬化模量。

本实施例中，步骤b中数值模型的材料参数选取包括炸药选取，具体为：选取ls-dyna中提供的高能炸药材料类型，爆轰压力和单位体积内能及相对体积的关系采用jones、wilkins、e.l.lee等提出的jwl状态方程模拟，该jwl状态方程的p-v关系如下：

其中，v为相对体积，e为单位体积比内能，a、b、r1、r2，ω为实验确定的材料常数。

试验炸药为2号乳化炸药：密度为1300kg/m³，爆速为3800m/s，pc-j压力为3.43gpa。

对应的jwl方程参数是：a为220gpa，b为0.18gpa，r1为4.2，r2为0.8，ω为0.15，e为3.51j/m³。

本实施例中，步骤b中数值模型的材料参数选取包括空气选取，具体为：

空气介质材料模型的空气压强状态方程表达式为：

p＝c0+c1μ+c2μ²+c3μ³+(c4+c5μ+c6μ²)e

式中，v为当前相对体积；e为材料的内能；此状态方程用来模拟符合γ定律的气体模型，在这种条件下可以设置c0＝c1＝c2＝c3＝c6＝0，c4＝c5＝γ-1，其中γ为理想气体的绝热指数。

γ＝1.4、e0＝2.5×10⁵pa、v0＝1.0、密度r0＝1.2993kg/m³。

本实施例中，步骤b中数值模型的材料参数选取包括雷管选取，具体为：设置起爆点位置起爆时间，实现任意时间起爆。

本实施例中，步骤c中的爆破模拟，具体为：采用流固耦合算法以避免网络畸变过大所造成的计算发散、计算结果不可信的问题。采用流固耦合算法建立模拟炸药爆炸与介质之间的相互作用的计算模型包括两种方法。第一种方法是分别建立炸药和空气的实体模型并相应划分网络，炸药和空气交界面通过共用节点连接。第二种算法将整个ale计算空间视为空气域，通过ls-dyna中的初始体积束功能设置炸药尺寸、形状和位置，并且程序开始后在初始化阶段将炸药填充到所定义的位置和空间。

本实施例中，炸药和空气采用euler网络建模，单元采用多物质ale算法，岩石和土体采用lagrange算法，炸药与岩石间相互作用采用流固耦合算法。其中，大空孔直线掏槽时采用初始体积法建立炸药模型，常规方法掏槽时采用建立炸药实体模型方法。ls-dyna程序的单元类型众多，各类单元又有多种算法可供用户选择，计算速度快，节省贮存量并且精度良好。ls-dyna提供了数十种接触功能和百余种金属和非金属材料模型，并且支持自定义材料模型，可以快速方便地计算冲击、侵彻中的各类碰撞接触。ls-dyna功能十分强大，但是前后处理不太方便。在ls-dyna程序的显式动态分析中可以使用如下类型单元：杆单元，梁单元，薄壳单元，实体单元节点，弹簧阻尼单元，质量单元，缆单元，实体单元节点这些单元都是三维的，采用线性位移函数，每种单元都有多种算法可供选择。

本实施例中，步骤d中数值模拟结果分析，具体为：通过模拟计算得到的爆破震动速度场，对隧道掌子面前后的振速、位移特征进行分析，同时对比分析浅埋隧道不同掏槽爆破方式对地面爆破震动的影响，为进行减震爆破设计提供依据。将大空孔直线掏槽数值模拟结构与普通掏槽爆破数值模拟结构进行对比分析。本发明主要列举了，大空孔直线掏槽爆破与普通掏槽爆破两种方式的对比，其他类型的掏槽爆破形式以及其他爆破形式也可以采用类似方法进行比对分析，从而得出最优的爆破方案，保证施工安全。大空孔直线掏槽爆破，掏槽形式：采用大空孔直线掏槽，周围至少三个大直径空孔，直径为60mm～150mm；中间一个小直径的装药孔，直径为20mm～50mm。

本实施例中，步骤e具体为：采用大空孔直线掏槽技术，通过预先钻凿的多个大空孔，以为后续装药爆破开创了新的自由面，减少夹制力，增大应力波反射，提高爆破效果，增大槽腔体积，减少后续需要爆破的方量，减少装药量，空孔界面起到反射爆破振动波从而削弱的作用；采用分步分台阶短进尺开挖，短进尺多循环开挖，上台阶每次爆破不超过1榀钢架。隧道钢架是一环接一环施工，一榀钢筋是指开挖部位的一环。对重要民房进行实时爆破振动监测，每次爆破都要监测爆破振动，根据监测的爆破振动，及时反馈验证爆破减振措施的减振效果，并有效指导和调整爆破施工。民房的爆破振动危害效应提供数值模拟数据以及现场实时监测数据的证据。

实施时，提供一种浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法，采用三维模型对掌子面处的分别采用大空孔掏槽和普通掏槽(四心掏槽)爆破进行模拟，以预测爆破震速，判断大空孔掏槽爆破的减振特性，为制定减震爆破方案提供依据。利用动力有限元法进行数值模拟分析研究爆破地震的规律，并结合工程实测数据进行验证，在一定程度较为准确地反映爆破振动，己经成为研究爆破振动的一个重要手段。为了明确隧道下穿民房软弱岩段爆破施工的安全性，并分析施工过程中所采用的减震技术的有效性，通过采用ansys/ls-dyna有限元软件建立隧道下穿民房软弱岩段爆破施工的数值模型，通过对比分析，研究减震技术方案的爆破减震效果，为制定隧道下穿密集房屋减振爆破方案提供依据，同时研究开挖隧道的存在对地震波传播规律的影响。具体包括：

1数值计算模型建立

隧道下穿民房软弱岩段爆破施工的采用分步分台阶开挖法，本次模拟计算隧道掌子面上台阶爆破掏槽时的震动效应。断面跨度为13.8m，高11.8m，隧道埋置深度(拱顶至地面)为11m，隧道进尺0.5m。此处围岩级别为ⅴ类围岩，上覆土层以坡残积土层为主，下伏岩层为泥岩夹砂岩、砂岩，地下水不发育，因此在建模过程不考虑地下水影响。

整个模型沿着隧道掘进方向建立30m的模型，掌子面前方未开挖长度15m，掌子面后方已开挖部分长度15m。为了防止爆破地震波在边界处发生反射，两侧以及下侧施加无反射边界，上面为自由边界；由于所分析隧道段沿隧道中面对称，为减少计算工作量，以隧道中面为对称面建立1/2模型，在对称面上施加对称约束。炸药、空气及岩石土体均采用选取sold164单元类型，利用规则的6面体网格对模型进行划分。

主要对比分析大空孔直线掏槽及普通掏槽(四心掏槽)在浅埋隧道爆破施工中对地面震动的影响，为减震爆破设计提供依据。

2模型材料参数选取

2.1岩石

岩体在爆炸荷载下的大动载荷下的应力应变关系尚未研究清楚，而且岩体在振动状态下，弹性模量和屈服强度均随加载速率的变化而变化，岩体材料模型采用ansys/ls-dyna程序中材料模型3(mat_plastic_kinematic)，是与应变率有关和考虑失效的各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型。通过硬化参数β(β＝0仅随动硬化，0<β<1为混合硬化，β＝1仅各向同性硬化)来调整各向同性硬化和随动硬化的贡献。应变率对强度的影响用cowper-symonds模型来考虑，屈服应力与应变率关系如下所示：

式中，σ0为初始屈服应力，为应变率，c、p为cowpersymonds应变率参数，为有效塑性应变，ep为是塑性硬化模量。

材料单向拉伸试验的应力应变关系如图2所示。在三维应力状态的主应力空间中，屈服面是一个圆柱表面。柱面的轴线σ1＝σ2＝σ3是一条与主应力σ1、σ2、σ3坐标轴的夹角相等并通过原点o，且与坐标轴σ1＝σ2＝σ3垂直的平面称为π平面。vonmises屈服面π在平面上的截线是一个圆，如图3所示。

2.2炸药

在ls-dyna中提供了高能炸药材料类型mat_high_explosive_burn，爆轰压力和单位体积内能及相对体积的关系采用jones、wilkins、e.l.lee等提出的jwl状态方程模拟，该jwl状态方程的p-v关系如下：

其中，v为相对体积，e为单位体积比内能，a、b、r1、r2，ω为实验确定的材料常数。试验炸药为2号乳化炸药：密度为1300kg/m³，爆速为3800m/s，pc-j压力为3.43gpa。

对应的jwl方程参数是：a为220gpa，b为0.18gpa，r1为4.2，r2为0.8，ω为0.15，e为3.51j/m³。

2.3空气

空气介质采用ls_dyna程序中mat_null材料模型，状态方程采用eos_linear_polynomial，表达式为：

p＝c0+c1μ+c2μ²+c3μ³+(c4+c5μ+c6μ²)e

式中，v为当前相对体积；e为材料的内能；此状态方程用来模拟符合γ定律的气体模型。在这种条件下可以设置c0＝c1＝c2＝c3＝c6＝0，c4＝c5＝γ-1，其中γ为理想气体的绝热指数。

γ＝1.4、e0＝2.5×10⁵pa、v0＝1.0、密度r0＝1.2993kg/m³；雷管：设置起爆点位置起爆时间，实现任意时间起爆。

2.4雷管

在ls-dyna中提供了inition_detonation命令可以设置起爆点位置爆时间，通过该命令可实现任意时间起爆。

2.5爆破模拟方法

ansys/ls-dyna中炸药爆炸与结构的作用数值计算方法主要有共节点算法、接触算法及流固耦合算法三类。其中流固耦合算法可以避免网格畸变过大所造成的计算发散、计算结果不可信等问题，具有更好的适用性。采用流固耦合算法建立模拟炸药爆炸与介质之间的相互作用计算模型一般有两种方法：一种方法是分别建立炸药和空气的实体模型并相应划分网格，炸药和空气交界面通过共用节点连接，这种算法简单直接，但采用这种算法时整体计算模型受到炸药形状和位置影响，当装药参数改变时整个计算模型必须重建，计算模型通用性低。第二种算法将整个ale计算空间视为空气域，通过ls-dyna中的初始体积分数功能设置炸药尺寸、形状和位置，程序计算开始后会在初始化阶段将炸药填充到所定义的位置和空间，一般称为初始体积法。这两种方法在其它参数一致时得到计算结果是完全相同的。初始体积法建立的数值计算模型通用性强，但是ansys/ls-dyna中限定每一算例中只能出现一次该命令，即对多炸药爆炸与介质作用计算时要加以注意。

本例中炸药和空气采用euler网格建模，单元采用多物质ale算法，岩石、土体采用lagrange算法，炸药与岩石间相互作用采用采用流固耦合算法。其中大空孔直线掏槽时采用初始体积法建立炸药模型，常规方法掏槽(四心掏槽)时采用建立炸药实体模型方法。

3数值模拟结果分析

用数值模拟的方法来研究爆破地震对地面建(构)筑物的影响，其优势在于可以从时间和空间两方面来刻画爆破振动的特征，这是现场试验无法比拟的。下面将通过模拟计算得到的爆破震动速度场，对隧道掌子面前后的振速、位移特征进行分析，同时对比分析浅埋隧道不同掏槽爆破方式对地面爆破震动的影响，为进行减震爆破设计提供依据。

3.1大空孔直线掏槽数值模拟结果

3.1.1地面垂直方向振动速度，如图4、图5和图6所示

从图4、图5和图6的时程曲线可以看出：垂直方向上，隧道掌子面正上方的振动速度最大，掌子面前方振动速度小于后方。主要是由于后方隧道开挖成洞，形成自由面，对爆破振动的夹制作用小，距掌子面同等距离下，后方的振速衰减较小，振速大。

3.1.2地面水平方面振动速度，如图7、图8、图9所示

从图7、图8、图9的时程曲线可以看出：水平方向上，隧道掌子面正上方的振动速度最大，随着距离增加，爆破振动速度在降低，掌子面前方振速小于后方，主要是由于后方隧道开挖成洞，形成自由面，对爆破振动的夹制作用小，距掌子面同等距离下，后方的振速衰减较小，振速大。

3.1.3地面爆破振动速度场

(1)垂直爆破振动速度场，如图10所示

表1大空孔直线掏槽时垂直振动速度随距离变化关系表

(2)水平爆破振动速度场，如图11所示

表2大空孔直线掏槽时水平向震动速度随距离变化关系表

从图10和图11可以看出：

1)随着距离增加，爆破振动速度均在降低，掌子面前方振速小于后方；

2)垂直方向最大振动速度出现在隧道正上方，大小为0.574cm/s；

3)水平方向最大振动速度也出现在隧道正上方，大小为0.347cm/s；

4)按最大振动速度计，垂直方向是水平方向的1.65倍。

3.2普通掏槽爆破数值模拟结果

3.2.1地面垂直方面振动速度，如图12、图13和图14所示

从图12、图13和图14的时程曲线可以看出：垂直方向上，隧道掌子面正上方的振动速度最大，掌子面前方振动速度小于后方。主要是由于后方隧道开挖成洞，形成自由面，对爆破振动的夹制作用小，距掌子面同等距离下，后方的振速衰减较小，振速大。

3.2.2地面水平方面振动速度，如图15、16和17所示

从图15、16和17的时程曲线可以看出：水平方向上，隧道掌子面正上方的振动速度最大，随着距离增加，爆破振动速度在降低，掌子面前方振速小于后方，主要是由于后方隧道开挖成洞，形成自由面，对爆破振动的夹制作用小，距掌子面同等距离下，后方的振速衰减较小，振速大。

3.2.3地面爆破震动速度场

(1)垂直爆破振动速度场，如图18所示

表3普通掏槽时垂直振动速度随距离变化关系表

(2)水平爆破振动速度场，如图19所示

表4普通掏槽时水平向震动速度随距离变化关系表

从图18和图19可以看出：

1)随着距离增加，爆破振动速度均在降低，掌子面前方振速小于后方；

2)垂直方向最大振动速度出现在隧道正上方，大小为5.13cm/s；

3)水平方向最大振动速度也出现在隧道正上方，大小为3.59cm/s；

4)按最大振动速度计，垂直方向是水平方向的1.43倍。

3.3二者对比

对比图10和图18，可以发现：

1)大空孔直线掏槽爆破的最大垂直振动速度出现在隧道正上方，大小为0.574cm/s；

2)普通掏槽爆破的最大垂直振动速度也出现在隧道正上方，大小为5.13cm/s；

3)按最大垂直振动速度计，大空孔直线掏槽爆破约为普通掏槽爆破的11.19％。

对比图11和图19，可以发现：1)大空孔直线掏槽爆破的最大水平振动速度出现在隧道正上方，大小为0.347cm/s；

2)普通掏槽爆破的最大水平振动速度也出现在隧道正上方，大小为3.59cm/s；

3)按最大水平振动速度计，大空孔直线掏槽爆破约为普通掏槽爆破的9.67％。

大空孔掏槽爆破的地面振速度约为普通掏槽爆破的减振效果的10％。

3.4数值模拟结论

通过ls-dyna对岩面前隧道爆破的数值模拟分析得到以下结论：

(1)在数值模拟中，发现已开挖隧道的存在对爆破振动的影响较大，成洞区地面振动速度普遍较大于未开挖区；

(2)从振动速度变化规律看，当距爆破源较近时，垂直向速度远比水平向速度大，随着埋深增加，水平振动峰值速度和垂直振动峰值速度都在减少；随着距离增加，爆破振动速度在降低；

(3)通过数值模拟计算发现，掌子面正上方的垂直位移最大，掌子面前方未开挖区的水平位移最大；隧道开挖拱顶正上方的振动速度最大，掌子面后方己开挖部分的振动速度次之，掌子面前方未开挖部分的振动速度最小；

(4)大空孔掏槽爆破的振动速度远小于普通掏槽爆破的，在确保掏槽效果的情况下，前者约为后者的10％；

(5)数值模拟表明，大空孔掏槽爆破技术能够很好地减少爆破振动。

2岩面前隧道微振动掘进应用

2.1施工方法选择

隧道工程地质条件较差，施工断面大，确立整体开挖方案必须遵循以下原则：重地质、管超前、短开挖、强支护、快封闭、早成环，主要开挖方法有中隔壁法(4步cd法)、交叉中隔壁法(6步cd法)、双侧壁导坑法、三台阶临时仰拱法、短台阶预留核心土工法、三台阶七步开挖法、三台阶四步开挖法等。各个工法各部开挖及支护自上而下，步步成环，及时封闭，各分部封闭成环时间短，但分布较多，施工速度慢，不利于机械化作业，后面的开挖和拆除支护将对前面施工形成的力学平衡体系产生影响，围岩应力状态多次改变，可能出现较大的变形量。其施工面多，作业干扰大，拆除临时支撑时安全性差。

三台阶四步开挖法适用于ⅳ、v级围岩地段，主要用于上软下硬地层，与初期支护钢架配合使用，施工时根据围岩完整性、地层风化程度，地下水发育情况等选用。施工过程中在保持钢架规格，连接形式等不变的前提下，可根据工法调整钢架分节。

选择三台阶四步开挖法施工，分上、中、下三个台阶，同时为确保拱顶安全施工，对上台阶分成了左右两侧想到错开前后跟进开挖。采用台阶法施工时，上台阶每循环开挖支护进尺ⅴ级围岩不应大于1榀钢架间距。在完成上台阶整体达到一榀钢架后立即进行支护，然后逐步向下和纵深推进。

2.2爆破施工步骤

(1)按照该双线隧道开挖断面特点，将其分为三台阶4个部分进行开挖，分别为一区(上台阶左侧)、二区(上台阶右侧)、三区(中台阶)、四区(下台阶)四部分；一区超前开挖，利用一区开挖空间，为二区开创新的自由面开挖二区，上台阶开挖深度够1榀钢架后立即进行支护；随后，多作业面同步开挖三区、四区，以及一区。

上台阶每循环开挖进尺为1榀钢架距离(0.6m)，高度约2m，台阶长度控制在3～5m左右，左右两侧进尺错位2榀钢架；中台阶开挖高度约4.5m，台阶长度控制在3～4m；下台阶开挖高度约5m。

三台阶四步开挖法为平行流水作业，采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护，仰拱超前施作及时闭合，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形，并通过量测监控系统信息反馈，指导施工和及时调整支护参数与混凝土衬砌时间。

在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中，采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施，采用上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护后，再左右错位开挖及进行边墙初期支护，下台阶立即进行仰拱施作，尽早闭合成环构成支护体系。

爆破施工中，时刻注意地面民房处振动监测数据，确保爆破振动不超标；同时，对于振动出现异常时，应及时分析研究原因，并采取必要的减振措施。

(2)施工工序

1)利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护，弱爆破开挖一区。施作一个区导坑周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，架立初期支护钢架，并设锁脚钢管。导坑底部及侧面铺设i18轻型工字钢，底部喷20cm厚混凝土，施作一个区临时仰拱，掌子面位于全风化地层或不能自稳时用8cm厚c25喷砼封闭掌子面。钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

2)在滞后于一区一段距离后，弱爆破开挖二区。导坑周边部分初喷4cm厚混凝土，架立初期支护钢架，并设锁脚钢管。导坑底部喷l0cm厚混凝土，施作二区临时仰拱。钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

3)在滞后于二区一段距离后，弱爆破开挖三区。初喷4cm厚混凝土，架立初期支护钢架，并设锁脚钢管.隧底周边部分喷混凝土至设计厚度。

4)灌筑四区仰拱及隧底填充(仰拱及隧底填充应分次施作)。

5)根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性浇筑二次衬砌(拱墙村砌一次施作)。

2.3爆破减振技术要点

整体爆破方案选择主要考虑的因素有二个，一是爆破安全控制，二是爆破效果控制。既要满足隧道掘进爆破质量、进度及成本等要求，同时又要满足严格控制爆破振动从而不影响地面民房等建/构筑物。

根据以往控制爆破减振技术研究及实践经验，本工程选择的整体爆破方案为：下穿民房的软弱围岩段微振动控制爆破开挖；方案设计原则为“弱扰动、微振动”。降振控制主要要点为：

(1)主动减振措施之一，采用大空孔直线掏槽技术。

通常情况下，由于只有一个自由面，围岩夹制力最大，掏槽孔爆破是隧道掘进中爆破振动最大的爆破。

大空孔直线掏槽技术，主要是通过预先钻凿的多个大空孔，可以达到三个目的：一是为后续装药爆破开创了新的自由面，减少夹制力，增大应力波反射，提高爆破效果；二是增大了槽腔体积，减少后续需要爆破的方量，从而减少装药量；三是空孔界面起到了反射爆破振动波从而削弱的作用。

(2)主动减振措施之二，分步分台阶短进尺开挖。

引起爆破振动的能量来源就是炸药，爆破振动的大小与起爆药量的大小密切相关。以待保护目标(民房)为控制标准，将每响起爆药量控制在最大限度以下，也就是控制最大单响药量，是本次爆破微振目的的核心。随着爆破点与民房的距离变化，最大单响药量也是变化的，两者之间存在动态平衡关系，必须分析到位且严格控制。最有效的方法是短进尺多循环开挖，即上台阶每次爆破不超过1榀钢架。

(3)主动减振措施之三，采用毫秒微差延期起爆技术。

每一响爆破都会激起一定的岩石应力波，该应力波会作快速衰减传播，随着传播(时间)的进行而逐减弱；如果两响爆破之间的起爆延期时间设计不合理，就会导致二响爆破应力波形成叠加产生合力爆破振动明显加强。因此，需要合理设计起爆网路，达到两响爆破振动不但不叠加反而相互干扰，从而实现减少振动的目的。

(4)被动隔振措施之一，采用预裂爆破成缝隔振技术。

在爆破应力波传播途径上设置”障碍”，即采用预裂爆破技术在隧道保护岩体和待爆岩体间预先爆破出一条裂缝出来，使得爆破应力波难以”跨越”裂缝并且大大削弱。预裂缝的减振效果与裂缝的宽度、长度等有密切关系，一般爆破形成的预裂缝可以减少爆破振动达1/3。

(5)被动减振措施之二，对重要民房进行鉴定并加固。

对爆破振动可能影响的民房及其他建筑物于爆破前进行拍照录像记录。同时，提高待保护对象的抗振能力，对于影响整个抗振能力的部分进行必要的加固，如对民房的挑檐支撑砖柱进行加固，再如对随时可能会垮塌的围墙先行拆除以后再恢复，等等。对于没有加固意义或可能的房屋，可以直接预先拆除。

(6)被动减振措施之三，对重要民房进行实时爆破振动监测。

对重要民房进行实时爆破振动监测，没次爆破都要监测爆破振动。其目的主要有二个，一是根据监测的爆破振动，及时反馈验证爆破减振措施的减振效果，并有效指导和调整爆破施工；二是为民房的爆破振动危害效应提供必要的证据。

2.4爆破参数设计

在爆破振动分析中，可知上台阶的掏槽爆破才是重点，也是减振的核心所在。因此，下面会重点介绍上台阶爆破参数设计。

隧道掘进爆破中，炮孔类型分为掏槽孔、辅助孔和周边孔。一般情况下，掏槽孔的孔深最大，夹制力最大，单孔装药量也最大；辅助孔的次之，周边孔的最小；因此在主动减振措施中，最关键的就是减少掏槽孔的爆破振动，同时也要控制最大单响起爆药量。

2.4.1微振爆破设计原则

上台阶微振爆破设计基本原则为：

(1)大空孔直线掏槽

主要技术措施为：通过提前钻凿的大空孔开创理想完整的自由面减少掏槽作用的夹制力，通过设置于大空孔中间的装药孔爆破形成槽腔，从而降低掏槽部分爆破破碎需要的炸药量并提高掏槽效果。

在最下大空孔底部设置清碴药包，可将已炸碎的石碴推出槽腔。

(2)控制最大单响起爆药量

以地面可能受影响民房为重点保护对象，参考《爆破安全规程》允许爆破振动标准并考虑实际影响，按爆破点相应距离的不同而合理设计动态的最大单响起爆药量；距离越近，控制越严；还应根据地面实际爆破振动监测进行调整。

(3)合理设计微差起爆时间

基本理念为通过合理的起爆网路设置各响起爆微差时间，确保相邻两响爆破振动相互干扰减弱，达到干扰降振从而减少振动的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。