一种层状软岩爆破数值模拟方法

摘要

一种层状软岩爆破数值模拟方法涉及隧道施工领域。主要是为解决目前缺少层状软岩多孔周边爆破数值模拟方法的问题而发明的。建立整体岩石模型，划分部分区域为层状软岩。在模型基础上建立炮孔模型，将整个模型划分成很多小单元，提前设置网格粗细程度，每个材料类型划分的网格尺寸不一。通过对现场掘进隧道整体岩石及出现的层状软岩物理力学性质进行测试实验得到基本物理力学参数，选择恰当的岩体材料模型，同时赋予模型各岩石参数。赋予炸药、空气适用于实际工程算法，算法各个参数需视情况而定。最后通过数值模拟后处理软件进行计算求解，进行后处理得到整体爆破效果。优点是通过数值模拟一步一步优化参数最终形成较为适合实际的爆破方案。

说明书

技术领域：

本发明涉及隧道施工领域，具体是涉及一种层状软岩爆破数值模拟方法。

背景技术：隧道施工时掘进机使用并未得到很大推广，即大部分隧道掘进采 用钻爆法。

软岩隧道开挖后，应力重新分布超过围岩自身强度而产生的塑性变形以及在地下水及施工水的作用下，岩石中的吸水性矿物与水反应产生膨胀会导致软岩的大变形，同时爆破开挖对围岩的扰动也在一定程度上加剧了软岩的大变形。随着新奥法在隧道工程设计施工中的广泛应用，为充分利用围岩自承能力，要求施工中尽量减少爆破对围岩的扰动，降低对预留岩体的破坏作用。当炸药在岩体中爆炸时，部分能量用于破碎待开挖岩体，而剩余部分能量以热能、振动应力波、空气冲击波形式传递给周围岩体，造成周围岩体或结构的振动和损伤，从而使围岩的力学性能劣化。这种劣化在地层压力作用下，会使其损伤进一步演化，加之软岩隧道围岩自身强度不足，因而在动荷载作用下更易产生过大的塑性变形，进而加剧围岩大变形。

如何控制这种软岩爆破之后的轮廓面是软岩隧道掘进亟需解决的问题。因岩体爆破理论的发展和计算机仿真技术的出现，岩体爆破数值模拟研究迅速发展。目前主流解决方法通过数值模拟方法模拟整个爆破过程，通过确定合理的岩石爆破理论模型，可以直观地重现岩石爆破的破坏过程，揭示爆破作用下岩石的破坏规律，促进了爆破理论的进一步发展、为提高爆破设计技术提供依据。但是还存在如下不足：

1、层状软岩隧道爆破超挖严重，到目前为止并没有实际有效的解决方案，基本依靠经验法以及炮工多年经验施工增加药量或者减小药量，虽一定程度上能够缓解超欠挖，但不能有效的控制超欠挖，炸药爆炸过程中爆生裂纹的发展是观察不到的，并不清楚是沿着周边孔的连线发展还是向着围岩深处发展。

2、各个数值模拟方法适用的领域不同，缺少这种层状软岩多孔周边爆破数值模拟方法。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种层状软岩爆破数值模拟方法，其能够清晰的观察整个爆破过程，能够直接的分析出问题之所在，通过数值模拟一步一步优化参数最终形成较为适合实际的爆破方案，更能有效的解决层状软岩爆破时超欠挖问题。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1：建立整体岩石模型，在适当位置划分部分区域为层状软岩。在整体岩石模型基础上建立炮孔模型，其炮孔装药结构视情况而定。

步骤2：将整个模型划分成很多小单元，需提前设置网格粗细程度，即进行单元的尺寸设置，每个材料类型划分的网格尺寸大小不一。

步骤3：通过对现场掘进隧道整体岩石及出现的层状软岩物理力学性质进行测试实验得到基本物理力学参数，选择恰当的岩体材料模型，同时赋予模型各岩石参数。

步骤4：赋予炸药、空气适用于实际工程算法，算法各个参数需视情况而定。最后通过数值模拟后处理软件进行计算求解，进行后处理得到整体爆破效果，分析出方案不足之处，为原方案进行改进。

进一步，通过点线面定义体，将整个模型的平面四点确定，四点位置需大于炮孔爆炸影响范围，通过炮孔的装药结构及长度确定适合于本模拟的岩体高度，建立整体岩石模型。层状软岩区域可设置在炮孔上方、下方以及炮孔所在区域，设置的区域需根据实际情况而定，即实际隧道爆破掘进中，层状软岩位置在周边孔何处，则数值模拟中层状软岩区域需设定在周边孔何处。炮孔间距初取值可根据经验公式（1）选取，炮孔装药形式采用不耦合间隔装药，装药参数可先根据经验选取（当炮眼直径在35～45mm时，其不耦合系数在1.0～1.5。），观察最终的爆破结果，再对其装药结构参数进行调整。

式中：a为周边孔间距；d为炮孔直径。

进一步，划分网格材料模型三种，即整体岩样、层状软岩区域、炮孔区域，炮孔附近的网格相对密集，边界部分相对稀疏。层状软岩区域划分网格与整个岩体划分的网格尺寸大小需不一样，因要观察层状软岩中力的变化过程及损伤范围，将层状软岩区域网格划分较之于整体岩体尺寸小，损伤破坏过程才能看的较为清晰。

进一步，整体岩石模型采用经典的 *MAT_Johnson_Holmquist_Concret（简称J-H-C）模型，该模型能够较为准确的描述混凝土或岩石材料在动荷载作用下的大变形，其强度以规范化等效应力可表述为式（2）；

A 、 B 、C 、 N —规范化内聚力强度、规范化压力硬化系数、应变率系数、压力硬化指数； D —损伤因子，见式（3）；

（3）式中：

由于层状软岩的材料性质难以确定，为了提高模拟过程的可靠性，采取对层状软岩材料加以简化和相关参数的弱化，使填充物的材料力学性质和周边岩体材料力学性质区别开来。

为了与整体岩体区分，本次数值模拟的层状软岩区域选取的是003 号*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型，岩体屈服应力与应变率之间的关系可用方程表示见式（4）；

（4）式中：

进一步，本专利数值模拟中炸药采用* HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型来模拟炸药爆炸过程，采用* EOS_JWL 状态方程模拟爆炸过程中压力和比容的关系。J-W-L状态方程可以用式（5）表示：

（5）式中：P —爆轰产物压力 ； E

爆破周边孔均采用不耦合装药，本此模型模拟方法选择空气作为不耦合介质。空气通过*MAT_NULL 空气材料模型来进行模拟，并通过关键字*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 来定义其状态方程，空气的状态方程用式 （6）表示：

在整个模型计算之前，需引入 Erosion（*MAT_ADD_EROSION）算法，Erosion 算法针对数值分析中采用的材料模型时，使得对于一种材料可以确定多种破坏标准，设定得破坏侵蚀参数需视情况而定。主要有应力标准、和应变标准等（通过定义MNPRES(Minimumpressure at failure 一般取负值，代表受拉，控制受拉破坏）、SIGPL(Principal stressat failure 即失效主应力，第一主应力值用以控制受压破坏)、SIGVM （ Equivalentstress at failure, Sigma max 即失效有效应力）、 MXEPS（Maximum principal strainat failure 即失效应变，一般取正值用以控制受压破坏）。其中主要起控制作用的为MINPERS、MXEPS 两项参数。在数值分析中，设置失效积分点的数量为1，并设置满足达到1条失效条件时就删除单元。当某个单元的应力或应变状态达到 Erosion 算法中确定的标准值，即判定单元失效，不再参与分析，该过程为不可逆过程。

观察层状软岩区域的损伤结果，或直接提取软岩区域的节点有效应力，对比其破坏强度，来判断该区域的破坏范围。通过这一范围来判断爆破情况及整个超挖情况，同时观察爆生裂纹的发展方向是否是沿着周边孔的连线发展。若是超挖较多或爆生裂纹是向着层状软岩方向发展，则需要改变周边孔的装药参数，即间距、药量、装药结构等，再次重复步骤1-4，最后能够观察到整体超挖量在15cm以内同时爆生裂纹是向着周边孔连线发展，则此次模拟所采用的周边孔装药参数则可作为优化爆破方法参数选择。

本发明的优点是：通过数值模拟方法替代传统经验试验法，将计算机技术应用于爆破实际施工遇到层状软岩出现的超欠挖问题，通过观察数值模拟中层状软岩爆破的损伤过程，能够分析出周边孔的装药结构是否得当合适，周边孔的间距是否合理，达到优化设计方案的目的。本数值模拟方法能够清晰的观察整个爆破过程，能够直接的分析出问题之所在，通过数值模拟一步一步优化参数最终形成较为适合实际的爆破方案，更能有效的解决层状软岩爆破时超欠挖问题。室内的数值模拟试验较之于实际室外工程试验多了安全性，同时避免室外试验造成的经济损失。

附图说明：

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的模型示意图；

图3是本发明的实施例中节点A、B、C有效应力时间历程图；

图4是本发明的实施例中节点D、E、F有效应力时间历程图。

具体实施方式：

下面结合图1-4对本发明做进一步说明；

步骤1：建立整体岩石模型，在适当位置划分部分区域为层状软岩。在整体岩石模型基础上建立炮孔模型，其炮孔装药结构视情况而定。

步骤2：将整个模型划分成很多小单元，需提前设置网格粗细程度，即进行单元的尺寸设置，每个材料类型划分的网格尺寸大小不一。

步骤3：通过对现场掘进隧道整体岩石及出现的层状软岩物理力学性质进行测试实验得到基本物理力学参数，选择恰当的岩体材料模型，同时赋予模型各岩石参数。

步骤4：赋予炸药、空气适用于实际工程算法，算法各个参数需视情况而定。最后通过数值模拟后处理软件进行计算求解，进行后处理得到整体爆破效果，分析出方案不足之处，为原方案进行改进。

进一步，通过点线面定义体，将整个模型的平面四点确定，四点位置需大于炮孔爆炸影响范围，通过炮孔的装药结构及长度确定适合于本模拟的岩体高度，建立整体岩石模型。层状软岩区域可设置在炮孔上方、下方以及炮孔所在区域，设置的区域需根据实际情况而定，即实际隧道爆破掘进中，层状软岩位置在周边孔何处，则数值模拟中层状软岩区域需设定在周边孔何处。炮孔间距初取值可根据经验公式（1）选取，炮孔装药形式采用不耦合间隔装药，装药参数可先根据经验选取（当炮眼直径在35～45mm时，其不耦合系数在1.0～1.5。），观察最终的爆破结果，再对其装药结构参数进行调整。

式中：a为周边孔间距；d为炮孔直径。

进一步，划分网格材料模型三种，即整体岩样、层状软岩区域、炮孔区域，炮孔附近的网格相对密集，边界部分相对稀疏。层状软岩区域划分网格与整个岩体划分的网格尺寸大小需不一样，因要观察层状软岩中力的变化过程及损伤范围，将层状软岩区域网格划分较之于整体岩体尺寸小，损伤破坏过程才能看的较为清晰。

进一步，整体岩石模型采用经典的 *MAT_Johnson_Holmquist_Concret（简称J-H-C）模型，该模型能够较为准确的描述混凝土或岩石材料在动荷载作用下的大变形，其强度以规范化等效应力可表述为式（2）；

A 、 B 、C 、 N —规范化内聚力强度、规范化压力硬化系数、应变率系数、压力硬化指数； D —损伤因子，见式（3）；

（3）式中：

由于层状软岩的材料性质难以确定，为了提高模拟过程的可靠性，采取对层状软岩材料加以简化和相关参数的弱化，使填充物的材料力学性质和周边岩体材料力学性质区别开来。

为了与整体岩体区分，本次数值模拟的层状软岩区域选取的是003 号*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型，岩体屈服应力与应变率之间的关系可用方程表示见式（4）；

（4）式中：

进一步，本专利数值模拟中炸药采用* HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型来模拟炸药爆炸过程，采用* EOS_JWL 状态方程模拟爆炸过程中压力和比容的关系。J-W-L状态方程可以用式（5）表示：

（5）式中：P —爆轰产物压力 ； E

爆破周边孔均采用不耦合装药，本此模型模拟方法选择空气作为不耦合介质。空气通过*MAT_NULL 空气材料模型来进行模拟，并通过关键字*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 来定义其状态方程，空气的状态方程用式 （6）表示：

在整个模型计算之前，需引入 Erosion（*MAT_ADD_EROSION）算法，Erosion 算法针对数值分析中采用的材料模型时，使得对于一种材料可以确定多种破坏标准，设定得破坏侵蚀参数需视情况而定。主要有应力标准、和应变标准等（通过定义MNPRES(Minimumpressure at failure 一般取负值，代表受拉，控制受拉破坏）、SIGPL(Principal stressat failure 即失效主应力，第一主应力值用以控制受压破坏)、SIGVM （ Equivalentstress at failure, Sigma max 即失效有效应力）、 MXEPS（Maximum principal strainat failure 即失效应变，一般取正值用以控制受压破坏）。其中主要起控制作用的为MINPERS、MXEPS 两项参数。在数值分析中，设置失效积分点的数量为1，并设置满足达到1条失效条件时就删除单元。当某个单元的应力或应变状态达到 Erosion 算法中确定的标准值，即判定单元失效，不再参与分析，该过程为不可逆过程。

观察层状软岩区域的损伤结果，或直接提取软岩区域的节点有效应力，对比其破坏强度，来判断该区域的破坏范围。通过这一范围来判断爆破情况及整个超挖情况，同时观察爆生裂纹的发展方向是否是沿着周边孔的连线发展。若是超挖较多或爆生裂纹是向着层状软岩方向发展，则需要改变周边孔的装药参数，即间距、药量、装药结构等，再次重复步骤1-4，最后能够观察到整体超挖量在15cm以内同时爆生裂纹是向着周边孔连线发展，则此次模拟所采用的周边孔装药参数则可作为优化爆破方法参数选择。

实施例；

采用本技术方法的实施例来自云南玉磨铁路王岗山隧道，为典型的层状软岩隧道，未实施本技术方法前，超挖严重，轮廓控制不当。

采用本技术方法，根据本方法的步骤1-4顺序采用参数见表1-5：

周边孔间距取500mm，装药量为0.3kg。

计算结果：节点A、B、C为炮孔上部分的岩体选取的节点，可看出其最大有效应力远远超过其抗压强度48Mpa，表示已经破碎。

节点D、E、F为层状软岩里选取的节点，可看出最大有效应力并未到达33.4Mpa，表示未破碎。说明本次模拟取值较为适合实际掘进钻爆施工参数，可作为优化调整方案中的参数。