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. 鴉來公路北風(fēng)埡隧道工程建設(shè)指揮部, 湖北 五峰 443400)

近年來，全國隧道施工先后發(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，全國平均每年發(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)域面臨的重大問題，而沿隧道縱向設(shè)計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題的有效解決方法[5]。

在逃生管道設(shè)計中，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格便宜，但管壁較厚，搬運(yùn)不便。鋼管價格較貴，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，巖塊下落對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，認(rèn)為是安全的。由此來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，對隧道逃生管道管壁的設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義。

薄壁圓管在大能量低速度的側(cè)向沖擊時，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，得到了簡支圓管凹陷深度沿長度方向的變化關(guān)系式[10]。程國強(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，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 對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真模擬，給出了圓管變形的時程曲線，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，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。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)場挖掘機(jī)進(jìn)行提升，通過調(diào)整挖掘機(jī)鏟斗下掛的鉛垂小球來控制落石的沖擊部位。除墊層對其底部產(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

實(shí)驗(yàn)時，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)過程分別用300 kg落石對這兩個不同截面進(jìn)行了沖擊。由于隧道塌方落石的掉落可能會偏離圓管縱軸線一定距離，因此，除模擬對頂碰撞外，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，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，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，圓管與石塊的斜交碰撞產(chǎn)生的變形比對頂碰撞要小，當(dāng)碰撞角度為30°時，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，整個沖擊過程圓管并未出現(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能量時最大凹陷點(diǎn)的時程曲線，從圖中可知落石與圓管的沖擊過程大約持續(xù)6 ms，沖擊過程后半部分主要為圓管的彈性變形恢復(fù)階段。當(dāng)沖擊過程結(jié)束后，圓管產(chǎn)生了振動，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到圓管的振動現(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)計的逃生管道進(jìn)行了現(xiàn)場實(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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