隧道逃生管道的沖擊實(shí)驗(yàn)與仿真模擬

張 瑜， 丁慶榮， 狄先均， 李 強(qiáng)， 譚 飛

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2. 鴉來(lái)公路北風(fēng)埡隧道工程建設(shè)指揮部, 湖北 五峰 443400)

近年來(lái)，全國(guó)隧道施工先后發(fā)生多起特大人員傷亡事故。在這些重大事故當(dāng)中，數(shù)隧道塌方最為突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)平均每年發(fā)生數(shù)十起隧道塌方事故，這些事故給隧道施工造成不同程度的財(cái)產(chǎn)與人員傷亡損失。盡管理論上隧道施工塌方可以避免，但實(shí)際施工時(shí)存在多方面原因而出現(xiàn)塌方，如地質(zhì)條件的突變、設(shè)計(jì)措施偏弱、施工不當(dāng)?shù)萚1～4]。因此，如何減少隧道塌方后的損失，特別是避免人員傷亡，是當(dāng)前隧道施工領(lǐng)域面臨的重大問(wèn)題，而沿隧道縱向設(shè)計(jì)平鋪大直徑金屬薄壁圓管作為施工人員的逃生通道成為上述問(wèn)題的有效解決方法[5]。

在逃生管道設(shè)計(jì)中，管材選用方案主要有鋼筋混凝土管和鋼管。其中鋼筋混凝土管價(jià)格便宜，但管壁較厚，搬運(yùn)不便。鋼管價(jià)格較貴，但管壁薄，重量輕，且便于搬運(yùn)。因此，最后選用鋼管作為逃生管道，其管道內(nèi)徑以便于人員逃生通過(guò)為準(zhǔn)，參照有關(guān)規(guī)范選用0.80m，需要研究的是鋼管厚度，要求既安全又經(jīng)濟(jì)。本文主要研究隧道發(fā)生塌方墜石時(shí)，巖塊下落對(duì)圓管沖擊力大小和凹陷值大小。凹陷變形控制在允許范圍內(nèi)，即不影響人員逃生通過(guò)，認(rèn)為是安全的。由此來(lái)確定圓管的最小厚度。因此，研究薄壁圓管橫向承受塌方墜石沖擊破壞能力，對(duì)隧道逃生管道管壁的設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。

薄壁圓管在大能量低速度的側(cè)向沖擊時(shí)，永久塑性變形包括沖擊點(diǎn)局部凹陷、結(jié)構(gòu)整體彎曲以及兩者之間的耦合變形[6～8]。Ellinas 等給出了簡(jiǎn)支圓管側(cè)向集中荷載與最大凹陷值之間的關(guān)系[9]，Thomas 等基于實(shí)驗(yàn)的觀察，得到了簡(jiǎn)支圓管凹陷深度沿長(zhǎng)度方向的變化關(guān)系式[10]。程國(guó)強(qiáng)等根據(jù)實(shí)驗(yàn)中觀察的變形模態(tài)，基于能量分析方法，得出了兩端固支圓管局部凹陷值與側(cè)向集中荷載的半經(jīng)驗(yàn)公式[11]。與上述兩端簡(jiǎn)支和固支圓管不同，用于隧道施工逃生的薄壁圓管自由放置于平整墊層上，當(dāng)受到落石沖擊荷載作用時(shí)，圓管底部主要受墊層豎向和橫向摩擦約束作用，如圖1所示。因此，結(jié)構(gòu)下半部分的整體彎曲變形較小，變形以沖擊點(diǎn)局部凹陷為主。

圖1 平鋪圓管橫向沖擊示意圖

本文基于橫向沖擊的平鋪鋼管現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了圓管的局部凹陷值與沖擊能量的關(guān)系，得到了沖擊點(diǎn)附近的變形模態(tài)，比較了端部斷面與中間斷面的抗沖擊能力。利用ANSYS LS-DYNA 對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真模擬，給出了圓管變形的時(shí)程曲線，得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致的模擬結(jié)果。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)描述

由于實(shí)驗(yàn)試件為大直徑薄壁圓管，巖塊需從高處下落，因此本實(shí)驗(yàn)放在室外進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于宜昌市宜陵區(qū)黃花鄉(xiāng)采石場(chǎng)，如圖2所示。圓管試件采用Q235螺旋縫埋弧焊鋼管，管道單節(jié)長(zhǎng)度L為6 m，外徑R為820 mm，壁厚H為10 mm。沖擊試件為塊狀石灰?guī)r，有90 kg，180 kg和300 kg三種重量等級(jí)。圓管墊層為用平整放置的砂袋，墊層厚250 mm，寬800 mm。沖擊試件離圓管頂部距離主要取決于隧道斷面的開挖高度，本次實(shí)驗(yàn)均為7 m，石塊試件高度由現(xiàn)場(chǎng)挖掘機(jī)進(jìn)行提升，通過(guò)調(diào)整挖掘機(jī)鏟斗下掛的鉛垂小球來(lái)控制落石的沖擊部位。除墊層對(duì)其底部產(chǎn)生豎向與水平摩擦約束外，圓管外部不受其它方向約束。

圖2 薄壁圓管橫向沖擊實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將圓管試件平鋪于砂墊層上，用挖掘機(jī)提升石塊試件至相應(yīng)高度，然后釋放石塊任其自由下落并與圓管發(fā)生碰撞。為比較圓管兩端和中間斷面的抗沖擊能力大小，實(shí)驗(yàn)過(guò)程分別用300 kg落石對(duì)這兩個(gè)不同截面進(jìn)行了沖擊。由于隧道塌方落石的掉落可能會(huì)偏離圓管縱軸線一定距離，因此，除模擬對(duì)頂碰撞外，實(shí)驗(yàn)還模擬了石塊與圓管的斜交碰撞。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1列出了不同沖擊能量的沖擊部位、碰撞角度以及最大凹陷變形值。從該表可以看出，當(dāng)沖擊能量較小時(shí)，圓管的凹陷變形很小。隨著沖擊能量不斷增大，凹陷變形隨之增大。在相同沖擊能量作用時(shí)，圓管中間斷面比兩端自由斷面的抗沖擊能力大，其最大凹陷變形值約為自由端的0.6倍。當(dāng)作用斷面相同時(shí)，圓管與石塊的斜交碰撞產(chǎn)生的變形比對(duì)頂碰撞要小，當(dāng)碰撞角度為30°時(shí)，兩者的最大凹陷變形值相差不大。

表1 實(shí)驗(yàn)與仿真模擬結(jié)果

圖3(a) 給出了沖擊能量為2.06×104J作用后端部自由斷面的變形模態(tài)。由該圖可以看出，圓管變形主要為沖擊點(diǎn)附近的局部凹陷，自沖擊點(diǎn)沿圓管軸線呈三角形分布，圓管的整體彎曲變形很小。圖3(b) 給出了相同沖擊能量作用時(shí)中間斷面的變形模態(tài)，由該圖可知，圓管變形仍以局部凹陷為主，變形自沖擊點(diǎn)沿圓管軸線呈似菱形分布。而且，整個(gè)沖擊過(guò)程圓管并未出現(xiàn)穿透現(xiàn)象。

(a) 端部斷面沖擊

(b) 中間端面沖擊圖3 端部斷面與中間斷面的實(shí)驗(yàn)變形模態(tài)

2 仿真模擬

利用ANSYS LS-DYNA對(duì)上述沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三維仿真模擬分析，仿真模型由以下三部分構(gòu)成：落石、薄壁圓管以及墊層。落石采用與原實(shí)驗(yàn)等質(zhì)量的球形剛體模型，90 kg、180 kg以及300 kg試件模型半徑分別為205 mm、258 mm和305 mm，密度ρ=2500 kg/m3，彈性模量E=40 GPa，泊松比ν=0.2。鋼質(zhì)薄壁圓管和砂墊層采用和實(shí)驗(yàn)材料完全一致的幾何尺寸，其中薄壁圓管采用雙線性各向同性硬化模型，密度ρ=7800 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.25，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，切線模量Et=10 GPa，共劃分2400個(gè)4節(jié)點(diǎn)殼體單元。砂墊層采用橡膠非線性彈性模型，密度ρ=1700 kg/m3，剪切模量G=16.26 MPa，共劃分1078個(gè)8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，墊層底面節(jié)點(diǎn)定義為固端約束。初始條件為球形落石在圓管頂部 1 m處以初速度 10.84 m/s自由下落，落石與圓管、圓管與墊層之間接觸均為面與面接觸。

圖4給出了圓管自由端經(jīng)受沖擊的仿真模型。從表1中看出計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差一般在16%內(nèi)，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果均小于仿真結(jié)果。圖5給出了端部截面作用2.06×104J能量時(shí)最大凹陷點(diǎn)的時(shí)程曲線，從圖中可知落石與圓管的沖擊過(guò)程大約持續(xù)6 ms，沖擊過(guò)程后半部分主要為圓管的彈性變形恢復(fù)階段。當(dāng)沖擊過(guò)程結(jié)束后，圓管產(chǎn)生了振動(dòng)，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到圓管的振動(dòng)現(xiàn)象相吻合。

圖4 實(shí)驗(yàn)仿真模型

圖5 最大凹陷變形的時(shí)程曲線

圖6(a)和圖6(b)所示分別是圓管端部和中間斷面在沖擊能量為2.06×104J作用下的仿真變形模態(tài)，與圖3相比可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。碰撞發(fā)生后，圓管上半部分沖擊點(diǎn)附近逐漸被壓潰，呈凹陷狀，下半部分曲率變小，遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)的斷面并沒(méi)出現(xiàn)明顯變形。

(a) 端部斷面沖擊

(b) 中間斷面沖擊圖6 端部斷面與中間斷面的仿真變形模態(tài)

3 結(jié) 論

(1) 在橫向沖擊荷載作用下，圓管變形主要為沖擊點(diǎn)附近的局部凹陷，其整體變形很小，并且中間斷面比端部自由斷面抵抗沖擊能力大。

(2) 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，并且仿真結(jié)果均高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步的仿真分析可用于圓管承受更大能量的沖擊模擬。

(3) 本文就設(shè)計(jì)的逃生管道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，為管道厚度的安全與經(jīng)濟(jì)確定提供了理論基礎(chǔ)。

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