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【摘要】在钻爆法施工作业中，隧道爆破效果很大程度取决于装药结构的形式。文章以浦梅铁路牛铜山隧道为依托工程，研究不同装药条件下岩石的破碎效果。以显式动力有限元程序LS-DYNA为工具，分别对耦合装药、空气介质不耦合装药和水介质不耦合装药三种装药结构下的岩石破碎范围、监测单元有效应力及监测点质点振动速度等进行分析研究。通过对计算结果进行分析，建议牛铜山隧道施工爆破中，掏槽眼采取耦合装药，辅助眼采取水介质不耦合装药，周边眼采取空气介质不耦合装药，以确保隧道开挖作业安全、高效、合理。
【关键词】装药结构; LS-DYNA; 破碎效果; 有效应力; 质点振动速度
【中国分类号】U455.6【文献标志码】A
近年来，我国交通路网不断发展完善，伴随而来的是越来越多的隧道工程，且隧道在线路中所占比例越来越高[1-2]。钻爆法以其地质适应性强，综合效益显著等特点而被广泛应用于隧道爆破工程中[3]。在隧道爆破中，围岩性质、炸药参数、装药结构等因素均会影响岩体爆破效果。在诸多因素中，装药结构对爆破效果影响较大。装药结构是指炸药卷在炮孔中的相对位置、与炮孔壁的接触情况等，一般分为两种形式：耦合装药和不耦合装药[4]。针对隧道爆破中的不同炮孔，如何选取合理高效的装药结构，是本文研究的重点所在。
闫国斌、于亚伦[5]建立不耦合装药三维模型，对不同耦合系数下，空气和水介质装药爆破时炮孔壁应力及破坏情况进行研究，最终揭示了不耦合系数与孔壁应力间的关系。梁为民等人[6]通过模型实验和数值模拟研究，结果表明，不耦合装药可以延长应力波和爆生气体在炮孔壁的作用时间，从而有效改善爆破效果，高效利用炸药能量。顾文彬等人[7]通过具体爆破开挖工程进行现场测试，结果表明有效降低爆破振动效应的装药结构是以水作为填充介质的不耦合装药。
本文结合浦梅铁路牛铜山隧道实际工程，采用LS-DYNA软件建立单孔柱形装药3D模型，模拟不同装药结构下的岩体应力发展状态及振动速度变化，对比分析不同装药结构对爆破效果的影响，进而选择合理的爆破装药结构，为相似工程积累经验。
1 工程概况
牛峒山隧道位于福建省龙岩市连城县隔川乡，是浦梅铁路杨源站至连城站区间的一座单线隧道，如图1所示。隧道进出口临近204省道，起讫里程为DK366+138～DK369+160，全长3 022 m，隧道最大埋深205 m。隧道位于线路为单面上坡。
由于地质构造作用，隧址区岩体破碎，风化严重，扭曲揉皱现象明显，层里紊乱，地表植被发育，岩石露头较少。
2 数值模拟分析
2.1 计算模型
由于模型为对称结构，为了减小单元数目从而节约计算成本，建立1/4无限均匀岩体介质爆破模型，如图2所示，模型是外形尺寸为100 cm×100 cm×30 cm的立方体，炮泥堵塞段长10 cm，装药段长10 cm，下覆无限均匀岩体厚度为10 cm。采用cm-g-μs单位制建立模型，模型均选用SOLID164实体单元。
耦合装药时炸药和岩体完全接触，炮孔和药卷直径均为4.2 cm，不耦合装药时炮孔直径不变，药卷直径减小为3.2 cm，不耦合系数为1.31。起爆点设置在药卷中心位置处。
为了消除建模过程中产生的边界效应，计算时装药端面采用自由边界，左表面（YZ面）和下表面（XZ面）为对称边界，其余各面均采用无反射边界。
2.2 计算材料与参数
模型中主要包含岩体、炮泥、炸药、空气和水五种材料。岩体和炮泥材料采用各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型，其关键字段为*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。炸药采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料进行模拟，状态方程为*EOS_JWL。空气和水材料采用*MAT_NULL材料进行模拟。
计算模型材料主要物理力学参数如表1所示。
3 数值计算结果分析
3.1 耦合装药监测单元有效应力分析
在炮孔X、Y和XY方向分别选取监测单元见图3，H838410（爆心距1 m）、H479422（爆心距1 m）、H535982（爆心距1.4 m），分别提取三个监测单元的有效应力并绘制时程曲线，如图4～图6所示。
（1）爆心距为1 m的监测单元H838410和H479422均在550 μs时出现峰值有效应力，应力值均约为9.74 MPa，說明强度较大的应力波此刻传播至该位置处，之后应力波强度迅速减小，表明了应力波是从炮孔中心以柱面波不断向四周传播。
（2）爆心距为1.4 m的监测单元H535982在800 μs时出现峰值有效应力，其相比于爆心距为1 m的监测单元峰值有效应力出现较晚，其应力值约为8.03 MPa，说明应力波在向周围传播过程中，其对岩体的有效应力逐渐减小。
（3）峰值有效应力的出现时间随着爆心距的增大而逐渐增大，但其应力峰值随着距炮孔距离的增大而逐渐减小。
3.2 耦合装药监测节点质点振速分析
在炮孔X、Y和XY方向分别选取监测节点（图7），1017146（爆心距1 m）、648309（爆心距1 m）、808975（爆心距1.4 m），分别提取三个监测节点在X、Y、Z三方向的质点振速并绘制时程曲线，如图8～图10所示。
（1）各监测节点处质点峰值振速出现的时间与相对应位置的监测单元峰值有效应力出现时间基本一致，表明了强度较大的应力波出现的同时伴随最大有效应力及质点峰值振速的出现。
（2）爆心距为1 m的监测节点1017146和648309的质点峰值振速分别为457 cm/s、459 cm/s，爆心距为1.4 m的监测节点808975的质点峰值振速为223 cm/s。即质点峰值振速随着距炮孔距离的增大而不断减小。 3.3 耦合装药爆破效果分析
爆破过程结束后，岩体最终破碎效果如图11所示。
爆破后岩体粉碎区域和裂隙区域基本为圆形分布，岩体在爆破应力波作用下产生径向、环向裂隙，岩体被相互交错的裂纹切割成不同大小的碎块。
爆破产生的粉碎区半径约为10.01 cm，裂隙区半径约为24.43 cm。
3.4 计算结果对比分析
空气和水介质不耦合装药时监测单元有效应力及监测节点质点振动速度时程曲线变化趋势与耦合装药基本一致，现仅列出其计算结果数据，其余不再赘述。对比结果列于表2。
对比分析不同装药结构的计算结果，可知：
隙区，但其半径不尽相同。粉碎区和裂隙区最大值均出现在耦合装药时。
（2）对比监测单元有效应力，耦合装药由于药卷与炮孔壁相接触，故爆破应力波在岩体中产生的有效应力最大，空气和水不耦合装药时在药卷与炮孔周壁间存在填充介质，故岩体中有效应力相对耦合装药较小，宏观来看就是岩体破碎范围较小。爆破时在岩体中产生的有效应力大小直接影响岩体破碎区域大小，一般情况下，有效应力越大岩体的破碎区域越大。
（3）耦合装药爆破时监测点处的质点峰值振速最大，空气介质不耦合装药爆破时相同质点处的峰值振速约为耦合装药时的37.4 %～50.7 %，水介质不耦合装药爆破时相同质点处的峰值振速仅约为耦合装药时的10.3 %～23.3 %。
4 结论
本文采用LS-DYNA显式动力有限元软件，建立牛峒山隧道爆破装药结构数值模型，分别对耦合装药、空气和水介质不耦合装药结构时的监测单元有效应力及监测节点质点振动速度进行对比分析，得出以下结论：
（1）耦合装药对岩体产生的损伤最大，水介质不耦合装药次之，空气介质不耦合装药对岩体产生的损伤最小。
（2）空气介质和水介质不耦合装药均可有效降低岩体在爆破时的振动响应，且水介质相比空气介质更有利于降低质点峰值振速。
（3）对于牛峒山隧道的掏槽眼，应使岩体的破碎范围越大越好，即裂隙区的半径越大越好，以得到更大的临空面，以确保后续爆破过程的顺利进行。建议掏槽眼采用耦合装药结构。
（4）对于牛峒山隧道的辅助眼，由于隧道掘进过程中辅助眼数量最多，应高效利用炸药能量形成裂隙区，即裂隙区在岩体破碎区域所占比例越大越好。建议辅助眼采用水介质不耦合装药结构。
（5）对于牛峒山隧道的周边眼，要达到光面爆破的要求，应尽量提高半孔残留率，减小对周围岩体对的损伤。建议周边眼采用空气介质不耦合装药结构。
参考文献
[1] 洪开荣.我国隧道及地下工程近两年的发展与展望[J].隧道建设，2017，37（2）：123-134.
[2] 张忠义.复杂地质条件下特长大隧道综合施工技术[D].成都：西南交通大学，2019.
[3] 闫海真. 爆破施工过程中邻近管道动力响应及减振措施的研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2019.
[4] 齐世福.军事爆破工程设计与应用[M].南京：解放军理工大学工程兵工程学院出版社，2002.
[5] 闫国斌，于亚伦.空气与水介质不耦合装药爆破数值模拟[J].工程爆破，2009，15（4）：13-19.
[6] 梁为民，LIU Hong-yuan，周豐峻.不耦合装药结构对岩石爆破的影响[J].北京理工大学学报，2012，32（12）：1215-1218.
[7] 顾文彬，王振雄，陈江海，等.装药结构对爆破震动能量传递及爆破效果影响研究[J].振动与冲击，2016，35（2）：207-211.
【关键词】装药结构; LS-DYNA; 破碎效果; 有效应力; 质点振动速度
【中国分类号】U455.6【文献标志码】A
近年来，我国交通路网不断发展完善，伴随而来的是越来越多的隧道工程，且隧道在线路中所占比例越来越高[1-2]。钻爆法以其地质适应性强，综合效益显著等特点而被广泛应用于隧道爆破工程中[3]。在隧道爆破中，围岩性质、炸药参数、装药结构等因素均会影响岩体爆破效果。在诸多因素中，装药结构对爆破效果影响较大。装药结构是指炸药卷在炮孔中的相对位置、与炮孔壁的接触情况等，一般分为两种形式：耦合装药和不耦合装药[4]。针对隧道爆破中的不同炮孔，如何选取合理高效的装药结构，是本文研究的重点所在。
闫国斌、于亚伦[5]建立不耦合装药三维模型，对不同耦合系数下，空气和水介质装药爆破时炮孔壁应力及破坏情况进行研究，最终揭示了不耦合系数与孔壁应力间的关系。梁为民等人[6]通过模型实验和数值模拟研究，结果表明，不耦合装药可以延长应力波和爆生气体在炮孔壁的作用时间，从而有效改善爆破效果，高效利用炸药能量。顾文彬等人[7]通过具体爆破开挖工程进行现场测试，结果表明有效降低爆破振动效应的装药结构是以水作为填充介质的不耦合装药。
本文结合浦梅铁路牛铜山隧道实际工程，采用LS-DYNA软件建立单孔柱形装药3D模型，模拟不同装药结构下的岩体应力发展状态及振动速度变化，对比分析不同装药结构对爆破效果的影响，进而选择合理的爆破装药结构，为相似工程积累经验。
1 工程概况
牛峒山隧道位于福建省龙岩市连城县隔川乡，是浦梅铁路杨源站至连城站区间的一座单线隧道，如图1所示。隧道进出口临近204省道，起讫里程为DK366+138～DK369+160，全长3 022 m，隧道最大埋深205 m。隧道位于线路为单面上坡。
由于地质构造作用，隧址区岩体破碎，风化严重，扭曲揉皱现象明显，层里紊乱，地表植被发育，岩石露头较少。
2 数值模拟分析
2.1 计算模型
由于模型为对称结构，为了减小单元数目从而节约计算成本，建立1/4无限均匀岩体介质爆破模型，如图2所示，模型是外形尺寸为100 cm×100 cm×30 cm的立方体，炮泥堵塞段长10 cm，装药段长10 cm，下覆无限均匀岩体厚度为10 cm。采用cm-g-μs单位制建立模型，模型均选用SOLID164实体单元。
耦合装药时炸药和岩体完全接触，炮孔和药卷直径均为4.2 cm，不耦合装药时炮孔直径不变，药卷直径减小为3.2 cm，不耦合系数为1.31。起爆点设置在药卷中心位置处。
为了消除建模过程中产生的边界效应，计算时装药端面采用自由边界，左表面（YZ面）和下表面（XZ面）为对称边界，其余各面均采用无反射边界。
2.2 计算材料与参数
模型中主要包含岩体、炮泥、炸药、空气和水五种材料。岩体和炮泥材料采用各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型，其关键字段为*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。炸药采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料进行模拟，状态方程为*EOS_JWL。空气和水材料采用*MAT_NULL材料进行模拟。
计算模型材料主要物理力学参数如表1所示。
3 数值计算结果分析
3.1 耦合装药监测单元有效应力分析
在炮孔X、Y和XY方向分别选取监测单元见图3，H838410（爆心距1 m）、H479422（爆心距1 m）、H535982（爆心距1.4 m），分别提取三个监测单元的有效应力并绘制时程曲线，如图4～图6所示。
（1）爆心距为1 m的监测单元H838410和H479422均在550 μs时出现峰值有效应力，应力值均约为9.74 MPa，說明强度较大的应力波此刻传播至该位置处，之后应力波强度迅速减小，表明了应力波是从炮孔中心以柱面波不断向四周传播。
（2）爆心距为1.4 m的监测单元H535982在800 μs时出现峰值有效应力，其相比于爆心距为1 m的监测单元峰值有效应力出现较晚，其应力值约为8.03 MPa，说明应力波在向周围传播过程中，其对岩体的有效应力逐渐减小。
（3）峰值有效应力的出现时间随着爆心距的增大而逐渐增大，但其应力峰值随着距炮孔距离的增大而逐渐减小。
3.2 耦合装药监测节点质点振速分析
在炮孔X、Y和XY方向分别选取监测节点（图7），1017146（爆心距1 m）、648309（爆心距1 m）、808975（爆心距1.4 m），分别提取三个监测节点在X、Y、Z三方向的质点振速并绘制时程曲线，如图8～图10所示。
（1）各监测节点处质点峰值振速出现的时间与相对应位置的监测单元峰值有效应力出现时间基本一致，表明了强度较大的应力波出现的同时伴随最大有效应力及质点峰值振速的出现。
（2）爆心距为1 m的监测节点1017146和648309的质点峰值振速分别为457 cm/s、459 cm/s，爆心距为1.4 m的监测节点808975的质点峰值振速为223 cm/s。即质点峰值振速随着距炮孔距离的增大而不断减小。 3.3 耦合装药爆破效果分析
爆破过程结束后，岩体最终破碎效果如图11所示。
爆破后岩体粉碎区域和裂隙区域基本为圆形分布，岩体在爆破应力波作用下产生径向、环向裂隙，岩体被相互交错的裂纹切割成不同大小的碎块。
爆破产生的粉碎区半径约为10.01 cm，裂隙区半径约为24.43 cm。
3.4 计算结果对比分析
空气和水介质不耦合装药时监测单元有效应力及监测节点质点振动速度时程曲线变化趋势与耦合装药基本一致，现仅列出其计算结果数据，其余不再赘述。对比结果列于表2。
对比分析不同装药结构的计算结果，可知：
隙区，但其半径不尽相同。粉碎区和裂隙区最大值均出现在耦合装药时。
（2）对比监测单元有效应力，耦合装药由于药卷与炮孔壁相接触，故爆破应力波在岩体中产生的有效应力最大，空气和水不耦合装药时在药卷与炮孔周壁间存在填充介质，故岩体中有效应力相对耦合装药较小，宏观来看就是岩体破碎范围较小。爆破时在岩体中产生的有效应力大小直接影响岩体破碎区域大小，一般情况下，有效应力越大岩体的破碎区域越大。
（3）耦合装药爆破时监测点处的质点峰值振速最大，空气介质不耦合装药爆破时相同质点处的峰值振速约为耦合装药时的37.4 %～50.7 %，水介质不耦合装药爆破时相同质点处的峰值振速仅约为耦合装药时的10.3 %～23.3 %。
4 结论
本文采用LS-DYNA显式动力有限元软件，建立牛峒山隧道爆破装药结构数值模型，分别对耦合装药、空气和水介质不耦合装药结构时的监测单元有效应力及监测节点质点振动速度进行对比分析，得出以下结论：
（1）耦合装药对岩体产生的损伤最大，水介质不耦合装药次之，空气介质不耦合装药对岩体产生的损伤最小。
（2）空气介质和水介质不耦合装药均可有效降低岩体在爆破时的振动响应，且水介质相比空气介质更有利于降低质点峰值振速。
（3）对于牛峒山隧道的掏槽眼，应使岩体的破碎范围越大越好，即裂隙区的半径越大越好，以得到更大的临空面，以确保后续爆破过程的顺利进行。建议掏槽眼采用耦合装药结构。
（4）对于牛峒山隧道的辅助眼，由于隧道掘进过程中辅助眼数量最多，应高效利用炸药能量形成裂隙区，即裂隙区在岩体破碎区域所占比例越大越好。建议辅助眼采用水介质不耦合装药结构。
（5）对于牛峒山隧道的周边眼，要达到光面爆破的要求，应尽量提高半孔残留率，减小对周围岩体对的损伤。建议周边眼采用空气介质不耦合装药结构。
参考文献
[1] 洪开荣.我国隧道及地下工程近两年的发展与展望[J].隧道建设，2017，37（2）：123-134.
[2] 张忠义.复杂地质条件下特长大隧道综合施工技术[D].成都：西南交通大学，2019.
[3] 闫海真. 爆破施工过程中邻近管道动力响应及减振措施的研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2019.
[4] 齐世福.军事爆破工程设计与应用[M].南京：解放军理工大学工程兵工程学院出版社，2002.
[5] 闫国斌，于亚伦.空气与水介质不耦合装药爆破数值模拟[J].工程爆破，2009，15（4）：13-19.
[6] 梁为民，LIU Hong-yuan，周豐峻.不耦合装药结构对岩石爆破的影响[J].北京理工大学学报，2012，32（12）：1215-1218.
[7] 顾文彬，王振雄，陈江海，等.装药结构对爆破震动能量传递及爆破效果影响研究[J].振动与冲击，2016，35（2）：207-211.