水工隧洞不同工况爆破开挖对临近隧洞动态响应分析

       水工隧洞在掘进开挖的过程中，一般利用光面爆破技术，这种技术可以保证水工隧洞的爆破开挖轮廓被得到有效的控制，并降低爆破振动对邻近水工隧洞围岩和衬砌的影响。      模型釆用cm-g-us单位制，整体模型的尺寸为42.2ⅹ6ⅹ20.5m，拱顶与上边界相距5m，拱底与下边界相距5m，新建水工隧洞与左边界相距5m，完工水工隧洞与右边界也相距5m，水工隧洞宽为8m，高为9.9m，衬彻厚度为0.3m，新建水工隧洞与平行完工水工隧洞间距为15.9m，新建隧洞现已掘进进尺1m，炮孔深度为1.5m。整体模型如图所示。

爆破开挖属于瞬态分析过程，该过程存在较大的分线性，爆破过程中存在大变形，大位移，材料变形也会发生塑性变形甚至破坏，因此材料也属于非线性，因此爆破属于非线性动力学。当今商业软件对于爆破分析较多的主要有LS-DYNA，autodyn，abaqus以及fluent等软件，LS-DYNA软件在开发初期主要用于非线性结构碰撞，爆破冲击等动力响应分析，是北约组织武器结构设计的分析工具，如今该软件已广泛应用于国防军工企业和民用企业，民用企业主要用于隧道开挖爆破，聚能爆破等的研究。LS-DYNA主要一款求解器，早期与ansys合作并入ansys的显示动力学分析模块，如今已经被ansys收购成为其一个模块，LS-DYNA由于其使用范围广，可以在较多的领域进行有效的模拟.

模型主要包括围岩，开挖隧洞衬彻，炸药，空气四部分，网格在开挖隧洞区域采用20cm的基本尺寸，其余区域采用50cm的尺寸，水工隧洞单孔不同药量爆破作用下临近隧洞的动态响应分析以及单孔同一药量在不同厚度含弱岩层作用下对临近隧洞的动态响应分析模型中，炸药单元数为256个，空气单元数为10800个，衬彻单元数为2507个，围岩单元数为126898个，单元总数为140461个；同一药量的三孔在不同起爆时间和次序的爆破作用下对临近隧洞的动态响应研究中，炸药单元数为768个，空气单元数为7670个，衬彻单元数为2093个，围岩单元数为99317个，单元总数为109848个。

围岩，衬彻，炸药，空气等所有模型单元均采用solid164实体单元。其中围岩，隧道等采用单点积分的常应力实体单元，为1号单元算法，该单元算法是纯粹的lagrange算法，特点是单元网格依附在材料上，单元随着材料的流动而变形，如果结构变形巨大，材料流动较大时，会造成单元网格畸变，引起求解终止，因此当模型有较大变形时，不适合采用改种算法，本文空气和炸药在分析过程中炸药会产生较大的膨胀，空气也会受到挤压产生较大变形，因此不适合采用lagrange算法。空气和炸药采用多物质耦合ALE单元， 11号单元算法，该算法是中心单点积分的ALE多物质单元，一个单元内可以包含多种物质，ALE算法是先执行一个或几个Lagrange时步计算，此时单元网格随材料流动而产生变形，然后执行ALE时步计算：（1）保持变形后的物体边界条件，对内部单元进行重分网格，网格的拓扑关系保持不变，成为smooth step；（2）将变形网格中的单元变量（密度，应力张量，能量等）和节点速度矢量输运到重分的新网格中，成为Advection step，用户可以选择ALE时步的开始和终止时间，以及其频率，该种算法可以处理类似炸药，空气这种大变形的问题，解决网格畸变。通过*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP关键字将空气和炸药材料绑定在一个单元算法里。拉格朗日算法和ale算法的耦合主要有两种方法，一种是共节点，一种是通过*constrained_lagrange_in_solid来实现，本文采用共节点的方式相连，炸药与空气也采用共节点的方式。

本文由于分析模型尺寸较大，炸药尺寸相对整体模型要小很多，且以临近水工隧道的动态响应作为研究内容，不考虑材料的失效，衬彻，隧道等均采用双线性弹塑性材料本构模型。

炸药采用8号材料模型，材料关键字为*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并用JWL状态方程来模拟炸药爆轰过程中压力和比容的关系

通过ALE控制来控制流固耦合时的相关设置，求解时间为8e4us,即0.08s，通过*control_timestep的默认参数来设定时间步长，为保证计算的稳定性，将时间步长因子设定为0.67；考虑到围岩尺寸较大，本文建模有限尺寸模型，为避免界面反射波对结果造成影响，对围岩和空气外围面定义成一个set_segment，并通过*boundary_non_reflection来定义围岩四周以及空气边界为无反射边界条件。为了输出某些需要查看的节点速度，加速度，位移以及单元应力等，将需要分析的节点定义成*set_node_list，将需要分析的单元定义成set_solid，并通过*database_history_node_set和*database_history_solid_set记录节点和单元的历史数据，并通过*DATABASE_NODOT和*DATABASE_ELOUT输出节点和单元数据，这些数据最后可以通过lsprepost进行查看和分析。

为了研究水工隧洞爆破开挖作用下应力传播过程，提取单孔15kg药量爆破作用下在1000us，4000us，7000us，10000us，13000us，25000us下的应力云图进行分析，为了较清晰的看出应力传播的过程，设定前四个时刻应力上限为5Mpa，后四个时刻应力上限为1Mpa，各时刻应力云图如图

水工隧洞开挖过程不能对临近水工隧洞造成损害，因此研究水工隧洞开挖过程对临近隧洞衬彻的受力和振动极为重要。

提取单孔15kg药量爆破作用下临近水工隧洞衬彻在12000us，15000us，25000us，49000us下的应力云图如图所示，由图可以看出，衬彻应力主要由左边开始传播，所提取时刻应力均不大于1Mpa，在应力传播过程中，左面迎爆面应力均为最大。

分别为提取点A，B，C三处位置的X，Y，Z以及合振动速度时程曲线，表为不同位置在三个不同方向的振动速度峰值。

对比三个不同位置的曲线和峰值表可以看出，炸药引起的振动传递有个时间历程，在未传递到衬彻时，振动均为0，当能量波到达衬彻时，振动速度逐渐增大，达到一定数值后，由于结构材料本身的弹性恢复性能，结构会往相反方向振动，因此可以看出，三个位置的振动曲线均在0点平衡位置上下振动，在15000us左右达到最大，之后逐渐衰减为0，该过程也符合实际的爆破过程。

位置B的三向振动速度以及合振动速度均为最大，位置B距离炸药最近，且由于处于衬彻左边中心位置，该位置没有横向支撑，因此容易产生较大变形，由曲线也可以看出，位置B在三向的速度振荡也较为持久，特别是在竖直方向振荡更久，横向的振荡减小最快。三个位置距离爆源半径最近的分别为B，A，C，振动速度峰值由大到小也为该次序，可见衬彻最危险的位置为B点。三个位置在X向的振动在三个方向中最大，X向为炸药的横波传播方向，可见炸药爆破时主要以横波进行传递，危害最高。

提取临近水工隧洞衬彻如图所示的A，B，C三处位置单元的应力时程曲线进行分析。图3.12为提取点的单元应力时程曲线，由图可以看出，三处位置的应力峰值相差不大，最大峰值为0.27Mpa，位置B处的单元应力波动最大，A，C处的振动相差不大。可见临近水工水洞的开挖对不同位置振动影响大于单元的受力

下图为爆破模拟动画