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申请/专利权人：山东科技大学

摘要：本发明涉及一种基于FEM‑DEM数值计算的不同地质隧洞围岩爆破振动安全判据构建方法，属于隧洞动力学与工程术领域。本发明可以根据工程实际或随机构建不同地质构造隧洞模型、基于RMR定量化分析不同地质构造隧洞模型的动力响应特征如围岩块体滑动位移、损伤区域与爆破振动质点峰值速度PPV以及主频DF的量化关系，以及通过数据统计定量化地构建基于“PPV‑DF”的不同地质隧洞围岩的爆破振动双因素安全判据。本发明模型简便、数据样本充足、分析结果可靠、所得判据适用性强，对于实际工程的安全评价及稳定性控制具有重要的意义。

主权项：1.一种基于FEM-DEM数值计算的不同地质隧洞围岩爆破振动安全判据构建方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据实际爆破工艺和现场地质信息构建LS-DYNA爆破FEM数值计算模型，通过与现场数据校验后提取炮孔周围波阵面的爆破荷载；S2：根据地质以及隧洞建设信息建立3DEC数值隧洞模型，3DEC数值隧洞模型节理组通过人工切割节理或采用离散裂隙网格DFN生成随机节理，将在步骤S1中LS-DYNA爆破FEM数值计算模型中提取的炮孔周围波阵面的爆破荷载施加在3DEC数值隧洞模型中，具体位置与LS-DYNA爆破FEM数值计算模型提取位置一致，通过与现场测试结果进行验证后再进行邻近隧洞围岩爆破振动响应分析；S3：根据岩体地质力学分级RMR定量化不同3DEC数值隧洞模型，定量化建立不同RMR体系下3DEC数值隧洞模型围岩块体的滑动位移S、损伤区域DA振动响应与爆破振动质点峰值速度PPV以及主频DF的相关关系；S4：综合围岩块体的滑动位移S以及损伤区域DA两个参量对隧洞围岩的损伤程度进行分级，通过统计分析探讨不同RMR邻近隧洞围岩达到不同损伤程度的爆破振动质点峰值速度PPV和主频DF，基于“PPV-DF”双因素指标构建不同RMR隧洞围岩的爆破振动安全判据；S5：根据现有地下隧洞爆破振动安全判据以及现场测试对步骤S4所构建的不同RMR隧洞围岩的爆破振动安全判据进行验算并修正，进而进行工程应用；步骤S1中，采用JWL状态方程来模拟爆炸过程中压力和比体积之间的关系，JWL状态方程如下： 式中，P为炸药爆破产生的压力，A、B、N1、N2和ω为JWL状态方程系数；V是比体积；E0为初始内能；LS-DYNA爆破FEM数值计算模型中假设围岩是均质的，采用动力学特性的MPK模型进行模拟；定义该模型的参数包括密度ρ2、弹性模量E、泊松比v、屈服应力σs和切线模量Etan，根据现场地质报告获得模型的参数具体数值；根据现场监测数据验算数值仿真结果的可靠性，随后，在LS-DYNA爆破FEM数值计算模型中提取爆炸波阵面上的爆破振动荷载组，提取位置根据爆破中心和隧洞的半径确认，选取100组以上X、Y、Z三向振动速度荷载；步骤S2中，3DEC数值隧洞模型中，网格设置采用在隧道近场精细化划分而远场粗略划分的方法，在隧道近场模型的网格尺度在30～50cm；在隧道远场的模型网格尺度为100cm；其他区域的网格尺度为300cm；3DEC数值隧洞模型中，岩层采用Mohr-Coulomb弹塑性材料模型，根据现场地质报告获得具体参数；将步骤S1中LS-DYNA爆破FEM数值计算模型中提取的炮孔周围波阵面的爆破荷载施加在3DEC数值隧洞模型的相应位置，运行DEC数值隧洞模型获得爆破振动数据；随后，根据现场监测爆破振动数据对模型获得的爆破振动数据的可靠性进行验算；然后进行隧道爆破振动响应分析，通过编写FISH语言来实时监测围岩块体的滑动位移S、损伤区域DA以及爆破振动时程曲线，根据爆破振动时程曲线以及对爆破振动时程曲线进行傅里叶变换获得爆破振动质点峰值速度PPV以及主频DF；步骤S3中，3DEC数值隧洞模型的RMR定量过程包括确定岩石强度指标R1、岩石质量指标RQD值R2、节理间距R3、节理状态R4以及地下水状态R5，其中，R4又包含5个部分，分别是结构面长度、张开度、粗糙度、充填物以及风化程度，分别简记为R41、R42、R43、R44和R45，具体步骤如下：1岩石强度指标R1的确定：岩石强度指标R1由UCS值确定，UCS值由数值岩石模型单轴压缩试验、现场试验或室内试验得到，此处的数值岩石模型是指没有节理的完整岩块；得到的UCS值根据RMR分类参数及评分表得到对应的R1取值，RMR分类参数及评分表如下表2所示：表2：RMR分类参数及评分表 2RQD值R2的确定：RQD值R2根据岩心钻探技术确定，在3DEC数值隧洞模型中，通过对数值岩体进行切片，然后在切片上布置钻孔，通过分析多个切片钻孔的岩体的完整性来确定围岩的RQD取值范围，RQD取值范围并结合节理密度来确定RQD值R2；节理密度越大，RQD值R2减小；3节理间距R3的确定：首先通过离散裂隙网格DFN位置信息获取3DEC数值隧洞模型中两个相邻节理的间距，然后通过频次统计分析获得节理间距的主要范围；节理间距的主要范围确定后通过表2即可得到对应的R3值，随后，通过综合考虑节理间距范围和节理密度来确定R3的值；节理密度越大，节理间距R3减小；4节理状态R4的确定：根据结构面长度、张开度、粗糙度、充填物以及风化程度的输入参数，查表，通过表2即可得到对应的R41、R42、R43、R44和R45值；5地下水状态R5的确定：在3DEC数值隧洞模型中输入渗流特征参数，运行模型，获得渗流特征，根据表2即可获得R5的值；至此，已确定了不同3DEC数值隧洞模型的RMR量化值；运行3DEC数值隧洞模型，通过监测邻近隧洞围岩块体爆破振动质点峰值速度PPV和滑动位移时程，探讨围岩块体爆破振动质点峰值速度PPV、主频DF、滑动位移S、损伤区域DA与RMR之间的定量关系；步骤S4中，根据仿真分析结果，当单次爆破振动作用下邻近隧洞围岩块体的滑动位移S大于1mm时，爆破振动后块体仍处于滑动状态，即块体有可能掉落到开挖空间；当围岩块体的滑动位移S小于1mm时，爆破振动后，块体能够保持稳定，基于此考虑，在划分爆破振动围岩损伤程度等级时以单次爆破振动块体的滑动位移S为依据，认为围岩块体单次爆破振动作用下的滑动位移越大，隧洞围岩的损伤程度越大，对工程的安全影响越大；同时，考虑到如果爆破振动强度增大，即岩体抗拉强度小于爆破振动的拉应力时，爆破振动作用下隧洞围岩块体不仅会产生滑移，还会产生塑性区，因此在围岩损伤等级划分时也考虑低强度围岩损伤塑性区的问题，综合考虑下，采用围岩块体的滑动位移S以及围岩损伤区域DA两个指标，将围岩块体的损伤程度分为3个级别：当S1mm或围岩产生损伤区域，围岩损伤程度为I级；当0.1mmS≤1mm且围岩无损伤区域，围岩损伤程度为II级；当0.01mmS≤0.1mm且围岩无损伤区域，围岩损伤程度为III级；步骤S4中，将RMR取值范围设置为3个区间，分别为RMR≤60、60RMR≤80、RMR80；判据中，主频DF的范围参考我国国家爆破安全规程GB6722-2014的频率范围，即DF≤10Hz，10HzDF≤50Hz，DF50Hz；若DF≤10Hz的数据点少于1％时，主频DF分类范围修改为DF≤50Hz以及DF50Hz两个范围；构建爆破振动安全判据时，根据统计数据确定不同RMR区间、不同主频DF区间，隧道围岩块体滑动位移S以及产生损伤区域DA的最小PPV作为该RMR区间、该主频DF区间的隧道围岩安全判据PPV。

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