張 景， 封 坤， 何 川， 肖明清， 王 維， 何應(yīng)道

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室， 成都 610031；2. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 武漢 430063)

內(nèi)爆炸作用下公軌合建盾構(gòu)法隧道非封閉式內(nèi)襯結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及抗爆性能分析

張 景1， 封 坤1， 何 川1， 肖明清2， 王 維1， 何應(yīng)道2

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室， 成都 610031；2. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 武漢 430063)

以武漢市三陽路公軌合建越江隧道為工程背景，采用數(shù)值仿真手段，對隧道行車層及軌行區(qū)不同位置、不同裝藥量、接觸及非接觸內(nèi)爆炸作用下結(jié)構(gòu)加速度、位移動力響應(yīng)特征及結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布、破壞形式進行研究。結(jié)果表明：內(nèi)爆炸作用下，結(jié)構(gòu)加速度及位移響應(yīng)隨爆炸發(fā)生迅速增大繼而逐漸衰減，其中位移衰減速度較緩慢、衰減程度也較小，起爆點兩側(cè)2倍隧道直徑范圍內(nèi)襯砌位移響應(yīng)均較顯著；裝藥量一定時，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的主要影響因素為距起爆點的距離，而結(jié)構(gòu)剛度大小是影響位移響應(yīng)的主要因素；結(jié)構(gòu)塑性區(qū)易出現(xiàn)在起爆點附近、非封閉內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的連接與轉(zhuǎn)角處以及結(jié)構(gòu)剛度較小的部位，其范圍大小主要由炸彈裝藥量決定，管片結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)塑性區(qū)；結(jié)構(gòu)的破壞形式主要為混凝土板表面爆坑、貫穿、撕裂破碎等。加厚行車道板或在其表面加設(shè)抗爆鋼板均可顯著減小結(jié)構(gòu)塑性區(qū)、減輕破壞程度，相比之下加設(shè)鋼板的措施更具可行性。

盾構(gòu)法隧道； 內(nèi)爆炸； 公軌合建斷面； 動力響應(yīng)； 抗爆性能

城市地鐵、水下隧道等城市交通大動脈人員密度大、進出方便、發(fā)生災(zāi)難后疏散救援困難，容易成為恐怖分子襲擊的公共基礎(chǔ)設(shè)施。尤其對于水下盾構(gòu)法隧道[1]，一旦發(fā)生較大規(guī)模爆炸破壞，隧道結(jié)構(gòu)將難于修復(fù)，很可能危及整座隧道的安全，必須采用有效的措施防患于未然。隨著大型越江盾構(gòu)隧道的廣泛興建，盾構(gòu)隧道的抗爆問題成為了隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的新挑戰(zhàn)。

近年來，倫敦、巴黎、莫斯科等世界著名城市的地鐵系統(tǒng)均遭受過炸彈爆炸襲擊，造成了大量人員傷亡、巨額財產(chǎn)損失以及深遠的社會影響[2-3]。許多學(xué)者已經(jīng)意識到隧道內(nèi)爆炸對結(jié)構(gòu)的危害性，并展開了一定程度的研究，主要集中在理論研究及數(shù)值模擬方面：楊科之等[4]針對內(nèi)爆炸荷載的特點導(dǎo)出了用于計算結(jié)構(gòu)等效靜載的動效系數(shù)解析表達式；李獻忠等[5]利用隧道內(nèi)爆炸超壓折線模型對雙線地鐵單側(cè)內(nèi)爆炸引起襯砌的動力響應(yīng)特征進行動力分析；劉沐宇等[6]采用數(shù)值模擬手段對盾構(gòu)隧道行車道板上接觸爆炸進行模擬，探明了盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸爆炸作用下襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)規(guī)律；馬險峰等[7]采用動力有限元方法計算并分析了不同裝藥量及不同爆炸方式下襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和安全特性；田志敏等[8]采用三維有限元方法經(jīng)計算得出襯砌的反射沖擊波荷載峰值分布規(guī)律及估算襯砌上反射超壓峰值的公式；鄔玉斌等[9-10]采用數(shù)值模擬的手段研究了盾構(gòu)隧道在內(nèi)爆炸沖擊荷載作用下的破壞機理，揭示了管片和螺栓的破壞特征。

相較普通交通隧道，公軌合建隧道發(fā)生內(nèi)爆炸的風(fēng)險顯著增加，結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特殊，而現(xiàn)有研究多以中小直徑地鐵盾構(gòu)隧道為例，對于斷面形式復(fù)雜的大型公鐵兩用隧道發(fā)生內(nèi)爆炸的影響研究未見述及。有鑒于此，本文以武漢三陽路公軌合建越江盾構(gòu)隧道為依托，分析了隧道行車層及軌行區(qū)不同位置、不同裝藥量、不同爆炸方式作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征、破壞特征及抗爆性能，同時針對行車層加設(shè)抗爆鋼板以及加厚行車道板等措施的抗爆效果進行分析，以期為類似工程的抗防爆提供有益參考。

1 工程概況

武漢三陽路越江隧道為城市道路與軌道交通7號線共用過江通道，過江段采用公軌同管合建形式，建成后將成為世界上第一座公軌合建的盾構(gòu)隧道。

隧道主體結(jié)構(gòu)采用“管片襯砌+非封閉式內(nèi)襯”的結(jié)構(gòu)形式，分為上中下三層，上層為煙道板、中間層為三車道行車層、下層為武漢軌道交通7號線軌行區(qū)以及疏散通道和電纜廊道(見圖1)，管片內(nèi)徑13.9 m、外徑15.2 m，其斷面直徑位居國內(nèi)第一，世界前三。

圖1 三陽路隧道橫斷面圖

隧道全長4 600 m，其中江中盾構(gòu)段長2 590 m，主要在高透水性的粉細砂地層穿越，在江中段約1 100 m范圍隧道切入基巖，基巖主要為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖以及弱膠結(jié)礫巖，天然抗壓強度約1.2～6 MPa，隧道結(jié)構(gòu)承受最大水壓達0.65 MPa。三陽路隧道縱斷面示意圖見圖2所示。

圖2 三陽路隧道縱斷面圖

2 爆炸荷載模擬方法

受限于昂貴試驗經(jīng)費和試驗條件，數(shù)值模擬成為爆炸效應(yīng)模擬的有效手段，著名顯示動力分析程序LS-DYNA特別適合爆炸、沖擊等高度非線性的復(fù)雜力學(xué)過程，成為研究此類問題的首選，得到廣泛應(yīng)用[11]，該軟件中特有的*LOAD_BLAST關(guān)鍵字將Conwep空氣荷載計算程序編入DYNA計算程序，按照距離、入射角等條件計算荷載到達結(jié)構(gòu)表面的時間、反射超壓、沖量等空氣荷載爆炸參數(shù)，同時還可以分別考慮接觸與非接觸爆炸等情況。使用該方法可以避免采用ALE算法求解流固耦合問題時的低效率問題，同時在計算精度上較直接將爆炸荷載簡化成線性節(jié)點力的方法有較大的提高，成為研究結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)問題的一種較理想的方法[12-13]。*LOAD_BLAST關(guān)鍵字中的爆炸荷載計算為

P(t)=Prefcos2θ+Pin(1+cos2θ-2cosθ)

(1)

Pref=Pr0(1-t/t0)e-at/t0

(2)

Pin=Ps0(1-t/t0)e-bt/t0

(3)

式中:θ為爆炸入射角；Pref為反射壓力；Pin為入射壓力；Ps0為入射超壓峰值；Pr0為反射超壓峰值；a為反射壓力衰減系數(shù)；b為入射壓力衰減系數(shù)；t0為正壓作用時間。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型

計算選取江心處斷面，隧道所處地層從上到下依次為粉細砂層、弱膠結(jié)礫巖層和中膠結(jié)礫巖層，計算時為了消除邊界效應(yīng)的影響，一般要求隧道距離模型側(cè)邊界的距離大于隧道直徑的3倍。本次計算模型縱向長度63 m，橫向長度106.4 m，模型底部距離隧道底部45.2 m，滿足計算要求，模型采用三維實體單元模擬，經(jīng)試算可知，受非封閉式內(nèi)襯的保護，管片襯砌受爆炸作用較小，結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究重點為非封閉式內(nèi)襯，本文為提高計算效率，采用盾構(gòu)管片設(shè)計中常采用等效剛度連續(xù)介質(zhì)模型，即引入剛度有效率(≤1)表征接頭對整環(huán)剛度的削弱，本文取0.8[14]。為均衡計算精度及效率，采用漸變式網(wǎng)格劃分，即越靠近起爆點處的隧道及地層模型采用細密的網(wǎng)格，相反則采用較稀疏的網(wǎng)格，模型總單元數(shù)710 880，襯砌結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖3(a)所示，地層模型網(wǎng)格劃分如圖3(b)所示。

為了避免波在模型邊界的反射對求解域的影響，在模型底部、左右側(cè)邊及后邊界施加無反射邊界(Non-reflect Boundary)來模擬地層的半無限性；模型頂部為地表；模型前表面為對稱邊界，設(shè)置沿隧道縱向的位移約束。

(a)隧道模型網(wǎng)格劃分圖(b)地層模型網(wǎng)格劃分圖

圖3 計算模型網(wǎng)格劃分圖

Fig.3 Numerical simulation model

3.2 材料本構(gòu)及計算參數(shù)

混凝土采用PLASTIC_KINEMATIC模型，該模型特有的失效功能在計算過程中程序自動判定單元是否失效并將失效單元刪除，可有效地模擬襯砌結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的彈塑性及失效等力學(xué)行為，該模型使用考慮應(yīng)變率的Cowper-Symonds模型，其屈服應(yīng)力表達式為

(4)

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010—2010)》[15]并參考文獻[6, 8]確定本次計算混凝土材料參數(shù)如表1所示。本文主要研究隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征，采用DRUCKER_PRAGER模型模擬各地層，其材料參數(shù)見表2所示。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 地層材料參數(shù)

3.3 計算工況

公軌合建隧道各層使用功能不同，因此可能的炸彈種類、起爆點位置眾多，分析中采用不同裝藥量的固體TNT炸藥來區(qū)分不同炸彈種類，裝藥量參考美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局給出的評估數(shù)據(jù)(見表3)，行車層主要考慮可能進入小轎車炸彈(230 kg TNT)和小卡車炸彈(2 000 kg TNT)導(dǎo)致爆炸；軌行區(qū)內(nèi)只能人員進入，且有較嚴格的安保措施，可能的炸彈種類為人體炸彈(2 kg)和箱包炸彈(5 kg)及隱蔽炸彈(40 kg)，據(jù)文獻[6]可知裝藥量較小時，隧道內(nèi)爆炸對襯砌結(jié)構(gòu)影響較小，為簡化計算工況，軌行區(qū)內(nèi)僅考慮隱蔽炸彈(40 kg TNT)影響。中間行車道板(即軌行區(qū)上方行車道板)的破壞將直接危及行車層與軌行區(qū)的安全，該處為抗爆設(shè)防的關(guān)鍵部位。本文以工況B1為對照，分別采取加設(shè)抗爆鋼板、加厚行車道板的抗爆措施，分析其抗爆效果。各工況計算時間均取200 ms，具體工況見圖4、表4所示。

4 計算結(jié)果分析

4.1 隧道結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

沿隧道縱向在距起爆點斷面0D、0.5D、1.0D、2.0D(D為隧道直徑)距離上選取四個監(jiān)測斷面(圖5(c))，各斷面內(nèi)沿行車層或軌行區(qū)洞周設(shè)置不同監(jiān)測點(見圖5(a)和圖5(b))以監(jiān)測爆炸過程中結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。工況A1-1及A4分別為行車層和軌行區(qū)內(nèi)爆炸工況，爆炸過程中襯砌單元沒有失效破壞，以上述兩工況為例能夠完整反映結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征。

表3 炸彈種類與TNT裝藥量對照表

圖4 不同起爆點位置示意圖

表4 計算工況對照表

Tab.4 Calculation cases table

爆炸類型工況位置裝藥量/kg備注非接觸A1-1A140A1-2A1230A1-3A12000A2A22000A3A3230A4A440接觸B1B1230B2B2230B3B340B4B440C1B12302cm厚Q235鋼板C2B12302cm厚Q345鋼板C3B1230行車道板厚70cmC4B1230行車道板厚100cm注:1.計算時Q235鋼板極限強度取375MPa;Q345鋼板極限強度取470MPa[16];2.原行車道板厚度(未采取抗爆措施時)為50cm

(a)行車層(b)軌行區(qū)

(c) 縱向監(jiān)測斷面

經(jīng)計算可知，相同斷面內(nèi)各測點加速度響應(yīng)特征類似，圖6和圖7中以測點1加速度時程曲線為例進行說明。據(jù)圖可知襯砌結(jié)構(gòu)加速度在爆炸發(fā)生瞬間急劇增大并迅速衰減，劇烈的振動加速度僅持續(xù)約20 ms便迅速衰減至較低水平，且隨著距起爆點所在斷面距離的增加，不同斷面相同位置測點加速度峰值出現(xiàn)的時間稍向后推移，在時程曲線呈現(xiàn)出“錯峰”的現(xiàn)象，表明爆炸沖擊波沿隧道縱向的傳播效應(yīng)。

圖6 A1-1工況各斷面測點1加速度時程曲線

圖7 A4工況各斷面測點1加速度時程曲線

對比圖6和圖7可知，相同裝藥量作用下，行車層測點1加速度峰值為993.04 m/s2，軌行區(qū)測點加速度峰值達到2 795.68 m/s2，約為行車層的2.8倍，這種現(xiàn)象可能是由于行車層具有較大的凈空面積使得作用于結(jié)構(gòu)上的反射沖擊波荷載較小造成的；同時可以看出由于周圍地層的較強約束作用，軌行區(qū)測點加速度值衰減速度明顯快于行車層。值得注意的是，各測點具有三個方向加速度及位移，為方便比較及篇幅受限，文中測點加速度、位移為測點各方向加速度、位移合成值。

圖8所示為工況A1-1、A4中各斷面監(jiān)測點加速度峰值衰減曲線，因所選工況結(jié)構(gòu)對稱、荷載對稱，故只需分析一半測點。從圖中可以看出隨著測點遠離起爆點所在斷面，加速度峰值迅速減小，兩圖中斷面4襯砌加速度均已減小至相當?shù)偷乃?，爆炸荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)顯著區(qū)域為起爆點兩側(cè)2倍隧道直徑范圍內(nèi)。如圖8(a)所示，行車道板上方1 m非接觸爆炸時，測點加速度峰值大小依次為行車道板中部(測點4)、行車道板側(cè)墻墻腳(測點3)、煙道板牛腿連接處(測點2)、煙道板跨中(測點1)；據(jù)圖8(b)可知，軌道板上方2.5 m非接觸爆炸時，測點加速度大小依次為軌行區(qū)側(cè)墻中部(測點2)、軌道板中部(測點3)、行車道板跨中(測點1)。綜上可知，非接觸爆炸時，距起爆點越近的襯砌加速度峰值越大，反之越小。

(a)工況A1-1(b)工況A4

圖8 工況A1-1、A4各斷面加速度峰值衰減曲線

Fig.8 Attenuation curve of peak acceleration in case A1-1 and case A4

4.2 隧道結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

圖9和圖10所示為各斷面測點1位移時程曲線，從圖9可看出行車層爆炸時，各測點位移時程曲線為較規(guī)則的正弦波形，斷面1測點位移在第一個振蕩周期即達到最大值隨后呈振蕩衰減的趨勢，與加速度的衰減速度相比，位移的衰減速度較緩慢，位移峰值衰減程度也較??；斷面2、斷面3、斷面4內(nèi)位移峰值并未出現(xiàn)在首次震蕩中，而是隨著爆炸沖擊波的傳播逐漸達到峰值，而后逐漸衰減，與加速度表現(xiàn)出的特征相似，位移時程曲線仍能反映出爆炸沖擊波沿隧道縱向的傳播效應(yīng)。

圖9 A1-1工況各斷面測點1位移時程曲線

圖10 A4工況各斷面測點1位移時程曲線

據(jù)圖10可知，軌行區(qū)內(nèi)爆炸時，位移時程曲線也呈現(xiàn)出類似正弦的波形，但比起行車層波形很不規(guī)則，測點位移經(jīng)幾次震蕩后達到峰值，較高水平的振蕩位移持續(xù)約50 ms后逐漸降低，與行車層測點位移時程曲線相比，軌行區(qū)測點位移時程曲線具有較高的振動頻率。

圖11所示為工況A1-1、A4中各斷面監(jiān)測點位移峰值衰減曲線。從圖中可以看出隨著測點遠離起爆點所在斷面，位移峰值逐漸減小，與加速度峰值衰減程度相比，位移衰減程度較低，以兩圖中位移最大測點為例，斷面4測點位移峰值約為斷面1的1/5，與加速度響應(yīng)相比，襯砌位移響應(yīng)顯著區(qū)域的范圍較大。

(a)工況A1-1(b)工況A4

圖11 工況A1-1、A4各斷面位移峰值衰減曲線

Fig.11 Attenuation curve of peak displacement in case A1-1 and case A4

據(jù)圖11可知，行車道板上方1 m非接觸爆炸時，測點位移峰值大小依次為煙道板跨中部位(測點1)、行車道板跨中部位(測點4)、煙道板牛腿連接處(測點2)、行車道板側(cè)墻墻腳(測點3)；軌道板上方2.5 m非接觸爆炸時，測點位移峰值大小依次為軌行區(qū)側(cè)墻中部(測點2)、行車道板跨中(測點1)、軌道板中部(測點3)。綜上可知，一定裝藥量非接觸爆炸時，影響襯砌位移響應(yīng)的重要因素是結(jié)構(gòu)的剛度值，結(jié)構(gòu)剛度越小，位移響應(yīng)越大。

4.3 結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布及破壞形式

不同工況結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布及破壞形式如圖12、圖13所示，其中圖12為非接觸爆炸工況，圖13為接觸爆炸工況。

據(jù)圖12可知，非接觸爆炸工況中，結(jié)構(gòu)塑性區(qū)及失效破壞單元均出現(xiàn)在非封閉內(nèi)襯上，管片結(jié)構(gòu)未見塑性區(qū)。40 kg TNT在行車道板上方1 m處爆炸時(工況A1-1)，僅起爆點下方行車道板上形成半徑35 cm半球形塑性區(qū)；230 kg TNT在相同位置爆炸時(工況A1-2)，起爆點下方行車道板上形成半徑1 m的塑性區(qū)，其中部分單元失效破壞，塑性區(qū)中央出現(xiàn)半徑70 cm、深20 cm的爆坑，同時煙道板跨中及牛腿連接處出現(xiàn)沿隧道縱向分布的塑性區(qū)，縱向長度約8 m(單側(cè)，下同)；2 000 kg TNT在相同位置爆炸(工況A1-3)對行車層造成毀滅性的破壞，起爆點下方行車道板上半徑1.5 m區(qū)域被爆炸沖擊波貫穿，行車道板與軌行區(qū)側(cè)墻連接處、行車層側(cè)墻墻腳處均出現(xiàn)塑性區(qū)，而煙道板的破壞最為嚴重，塑性區(qū)縱向長度達到18 m，其中8 m范圍內(nèi)的煙道板被嚴重撕裂、破碎。行車道板上方2 m處2 000 kg TNT爆炸時(工況A1-4)結(jié)構(gòu)的破壞形式與工況A1-3相似，其中行車道板上形成的塑性區(qū)及貫穿范圍長度達到10 m；230 kg TNT在行車層右側(cè)車道上方1 m爆炸時(工況A3)，破壞形式與工況A1-2類似，起爆點下方出現(xiàn)半徑1 m的塑性區(qū)，同時出現(xiàn)半徑60 cm、深20 cm的爆坑，煙道板跨中、牛腿連接處側(cè)墻墻腳處出現(xiàn)塑性區(qū)；軌行區(qū)內(nèi)40 kg TNT非接觸爆炸(工況A4)對襯砌結(jié)構(gòu)影響較小，僅在墻腳處出現(xiàn)有限的塑性區(qū)。

(a) 工況A1-1

(b) 工況A1-2

(c) 工況A1-3

(e) 工況A3

(f) 工況A4

據(jù)圖13可知，與非接觸爆炸工況相同，結(jié)構(gòu)塑性區(qū)及破壞失效單元均出現(xiàn)在非封閉內(nèi)襯上，管片結(jié)構(gòu)未見塑性區(qū)。230 kg TNT在行車道板跨中接觸爆炸時(工況B1)，起爆點附近形成半徑2.5 m塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)行車道板被貫穿、掉塊；行車層側(cè)墻墻腳處230 kg TNT接觸爆炸時(工況B2)，起爆點所在位置出現(xiàn)塑性區(qū)，部分單元失效破壞，但未能貫穿行車道板，此外煙道板牛腿連接處以及1/3跨度位置出現(xiàn)塑性區(qū)；軌道板頂部40 kg TNT接觸爆炸時(工況B3)，塑性區(qū)僅出現(xiàn)在軌行區(qū)側(cè)墻與行車道板連接部位，總體影響較?。卉壭袇^(qū)側(cè)墻中部40 kg TNT接觸爆炸時(工況B4)，起爆點位置出現(xiàn)半徑2.5 m的塑性區(qū)，并且在在塑性區(qū)內(nèi)出現(xiàn)50 cm貫穿區(qū)域，側(cè)墻墻腳及側(cè)墻與行車道板連接處也出現(xiàn)塑性區(qū)。

(a) 工況B1

(b) 工況B2

(c) 工況B3

(d) 工況B4

4.4 不同抗爆措施抗爆效果

圖14、圖15為分別采取行車道板加設(shè)抗爆鋼板和加厚行車道板的抗爆措施時行車道板塑性區(qū)分布及其破壞形式圖。

(b) 加設(shè)2 cm Q345鋼板

由圖14可知，由于鋼板屈服強度及極限強度均遠高于混凝土，行車道板表面加設(shè)2 cm厚Q235、Q345抗爆鋼板時，相同裝藥量爆炸作用下，起爆點附近行車道板混凝土上塑性區(qū)由2.5 m減小至1 m，爆坑深度約30 cm，未見行車道板貫穿，抗爆效果顯著，其中采用Q345鋼板時起爆點附近鋼板上塑性區(qū)及撕裂區(qū)域半徑達到0.5 m，約為采用Q235鋼板時的一半。

(a) 70 cm行車道板

(b) 100 cm行車道板

由圖15可知，由于加厚行車道板所致結(jié)構(gòu)剛度增大，相同裝藥量爆炸作用下，起爆點附近行車道板頂、底部均出現(xiàn)半徑1 m的塑性區(qū)；當行車道板厚度為70 cm時，其頂、底部均有混凝土單元破壞失效，但其并未被貫穿，影響深度約50 cm；當行車道板厚度為100 cm時，僅在行車道板頂部出現(xiàn)深度約50 cm的爆坑，頂、底部塑性區(qū)未連通。加厚行車道板的措施將不可避免地侵占隧道凈空，可能導(dǎo)致建筑限界難于滿足，同時因加厚行車道板所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)自重增加迫使設(shè)計中必須對結(jié)構(gòu)受力進行重新驗算。

5 結(jié) 論

經(jīng)上文計算分析，可以得出以下結(jié)論及建議：

(1) 采用“管片襯砌+非封閉式內(nèi)襯”形式的公軌合建盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)在爆炸發(fā)生瞬間急劇增大并迅速衰減，軌行區(qū)相比行車層加速度峰值更高、衰減速度更快；爆炸荷載作用下，襯砌加速度受影響顯著區(qū)域分布在起爆點兩側(cè)2倍隧道直徑范圍內(nèi)；裝藥量一定時，影響結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的主要因素為距起爆點的距離，距離越近，加速度響應(yīng)越劇烈。

(2) 隧道結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)在爆炸發(fā)生時迅速增大并逐漸衰減，位移時程曲線的波形為接近正弦的振蕩曲線，與加速度相比，位移衰減速度較緩慢且衰減程度也較小；裝藥量一定時，影響結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的主要因素為結(jié)構(gòu)剛度的大小，結(jié)構(gòu)剛度越小，位移響應(yīng)越明顯。

(3) 此類隧道結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸作用下塑性區(qū)僅出現(xiàn)在非封閉內(nèi)襯上，管片結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)塑性區(qū)；塑性區(qū)范圍大小主要由炸彈裝藥量決定；裝藥量一定時，接觸爆炸所致結(jié)構(gòu)塑性區(qū)比非接觸爆炸時更大，破壞更嚴重。內(nèi)爆炸可能造成結(jié)構(gòu)失效破壞，主要表現(xiàn)為：行車道板上出現(xiàn)圓錐體爆坑，行車道板及軌行區(qū)側(cè)墻的貫穿、掉塊，煙道板的撕裂、破碎等。

(4) 結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)塑性區(qū)的位置主要為：① 非接觸爆炸時為距離起爆點較近位置，接觸爆炸時為起爆點所在處附近；② 結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜的連接、轉(zhuǎn)角部位，如煙道板牛腿連接處、側(cè)墻墻腳以及行車道板和側(cè)墻連接處；③ 結(jié)構(gòu)剛度較小的部位，如煙道板跨中處。

(5) 對行車道板采用加設(shè)抗爆鋼板和加厚兩種抗爆措施可顯著減小行車道板塑性區(qū)面積、減輕行車道板破壞程度，并能有效防止小轎車接觸爆炸導(dǎo)致的行車道板貫穿破壞。加設(shè)抗爆鋼板相比加厚行車道板的措施對結(jié)構(gòu)自重及受力影響較小，是一種提高結(jié)構(gòu)抗爆性能的有效措施。

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Dynamic response and anti-explosion behavior analysis for combined railway and roadway shield tunnel’s unclosed inner lining structure under internal explosion

ZHANG Jing1， FENG Kun1， HE Chuan1， XIAO Mingqing2， WANG Wei1， HE Yingdao2

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Taking the Sanyang Road-cum-Urban Rail tunnel as the engineering background, the numerical simulation method was employed to analyze dynamic responses of acceleration and displacement of the tunnel structure, the distribution of the structural plastic region, and destruction forms under the internal explosion action with different kinds of explosive charge located in different positions. The results showed that the dynamic responses of acceleration and displacement of the structure increase rapidly and then decay gradually along with the explosion; the explosion has a deeper influence on displacements, its single side influence range is larger than 2 times of the tunnel diameter; under a certain explosive charge acceleration responses are mainly influenced by the distance to the initiation explosion point, and the stiffness of the structure is the main influence factor of displacement responses; the plastic region of the structure is dependent on explosive charge, it appears near the initiation explosion point, corners and low-stiffness components of the inner liner and does not appear in the segmental liner under the action of internal explosion; the destruction forms of the structure are mainly divided into blasting craters of surface, and penetration or tearing of concrete slabs; thickened roadway slabs or their additional anti-explosion steel plates reduce plastic regions more significantly.

shield tunnel；internal explosion；combined railway and roadway cross-section；dynamic response；anti-explosion behavior

國家自然科學(xué)基金(U1134208；U1361210；51578462)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(2682015CX077)

2015-10-28 修改稿收到日期：2016-03-21

張景 男，博士生，1988年生

封坤 男，博士，講師，1983年生

U451.4

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.034