王啟睿，張曉忠，孔福利，張福明

（總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023）

近幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭表明，在坑道口部內(nèi)發(fā)生爆炸已成為可能。由于內(nèi)爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波具有峰值壓力大、持續(xù)時(shí)間長、并將引起防護(hù)門后次生沖擊波的特點(diǎn)，因此，它將對(duì)包括防護(hù)門在內(nèi)的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和人員等均構(gòu)成極大威脅。近年來，坑道口部內(nèi)爆炸效應(yīng)問題已引起高度關(guān)注。

穿廊結(jié)構(gòu)是防護(hù)工程口部設(shè)置較典型的一種，該結(jié)構(gòu)以其特有構(gòu)型，通過穿廊與主坑道的T型轉(zhuǎn)折能顯著降低沖擊波峰值壓力。多次T型轉(zhuǎn)折構(gòu)成的多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)，目前已被應(yīng)用在坑道工程建設(shè)中，是網(wǎng)絡(luò)式復(fù)雜坑道系統(tǒng)的基本構(gòu)成部分［1－6］。隨著武器性能和坑道工程建設(shè)的快速發(fā)展，現(xiàn)有成果已很難滿足需求，而且，對(duì)整體功能更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)形式坑道及其基本結(jié)構(gòu)單元——多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)坑道的內(nèi)爆炸沖擊波效應(yīng)的研究還不夠，因此，積極開展對(duì)多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)式復(fù)雜坑道系統(tǒng)機(jī)理研究，特別是實(shí)驗(yàn)研究十分必要。

本文中對(duì)多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)中內(nèi)爆炸效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，給出多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)中沖擊波傳播特性和峰值壓力衰減規(guī)律，擬為地下工程建設(shè)部門提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

典型的多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)由多次T型轉(zhuǎn)折的坑道構(gòu)成，有幾次T型轉(zhuǎn)折稱為幾級(jí)穿廊，相應(yīng)的坑道段依次為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)穿廊段和主坑道段，其中在主坑道段設(shè)置的防護(hù)門是坑道內(nèi)最重要的防護(hù)設(shè)備之一。當(dāng)發(fā)生口部內(nèi)爆炸時(shí)，坑道內(nèi)空氣沖擊波傳播規(guī)律及門后坑道次生沖擊波產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律是本項(xiàng)研究的重點(diǎn)。穆朝民等［7］就以上問題已經(jīng)開展了大量的數(shù)值模擬工作并取得了一定成果，但還需通過開展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究加以驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為鏈接式坑道模型系統(tǒng)，該系統(tǒng)由爆室和多個(gè)坑道單元按不同鏈接組合構(gòu)成，連接部位密封并用高強(qiáng)螺栓加固，根據(jù)穿廊及其端部不同開閉情況分成多種工況。爆室與坑道材質(zhì)相同，內(nèi)截面尺寸為0.6m×0.6m，在爆室中心（坑道口部內(nèi)）采用TNT集團(tuán)裝藥，裝藥量為0.6～1.2kg，在沿坑道中軸線的側(cè)壁面上布置測(cè)點(diǎn)，安裝空壓傳感器進(jìn)行測(cè)量。

整個(gè)研究過程中，根據(jù)不同工況和裝藥量共計(jì)進(jìn)行60余炮次的實(shí)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)示意和及實(shí)際實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)坑道沖擊波傳播規(guī)律

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D和現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.1 Sketch drawings of test models and photos on the site

測(cè)得的典型波形如圖2所示。對(duì)于一級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)，穿廊端部與爆室端部均封閉條件下比開口條件下的峰值壓力明顯升高，穿廊端部一端封閉時(shí)最大升高幅度接近10倍，兩端都封閉時(shí)比一端封閉時(shí)高1.5倍。這說明，若穿廊結(jié)構(gòu)的1個(gè)或2個(gè)出口遭到破壞倒塌封閉時(shí)，再發(fā)生內(nèi)爆炸現(xiàn)象，則對(duì)主坑道的破壞效應(yīng)將嚴(yán)重得多，故設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮穿廊端部破壞的極端情況。

對(duì)于二級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)，口部全開放情況下，內(nèi)爆炸空氣沖擊波經(jīng)過二級(jí)穿廊段的壓力比經(jīng)過一級(jí)穿廊段相應(yīng)各點(diǎn)上的壓力小得多，僅相當(dāng)于30%左右；口部全封閉情況下類似，僅相當(dāng)于28%左右。2種情況下，一級(jí)穿廊段的沖擊波壓力衰減都比二級(jí)穿廊段的快得多，如圖3（a）所示。

對(duì)于三級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)發(fā)生口部內(nèi)爆炸的情況也類似，口部全開放的情況下，空氣沖擊波經(jīng)過二、三級(jí)穿廊段比一級(jí)穿廊段相應(yīng)各點(diǎn)上的壓力小得多，二級(jí)僅相當(dāng)于一級(jí)穿廊段相應(yīng)各點(diǎn)上壓力的20%左右，三級(jí)僅相當(dāng)于一級(jí)穿廊段相應(yīng)各點(diǎn)上壓力的5%左右；口部全封閉情況下，二級(jí)僅相當(dāng)于一級(jí)穿廊段相應(yīng)各點(diǎn)上壓力的30%左右，三級(jí)僅相當(dāng)于一級(jí)穿廊段相應(yīng)各點(diǎn)上壓力的7%左右。2種情況下，三、二、一級(jí)穿廊段的沖擊波壓力衰減速度依次減緩，如圖3（b）所示。

圖2 在等裝藥量、穿廊端部全開放的情況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的部分波形Fig.2 Tested partial waveshapes in the cases of the same charge and all ends of gallery open

圖3 多級(jí)穿廊沖擊波衰減曲線Fig.3 Shock wave attenuation plots of multilevel gallery tunnels

根據(jù)以上分析，可將沖擊波衰減狀況按多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)分叉的特點(diǎn)劃分成多個(gè)作用區(qū)段：第Ⅰ區(qū)段為一級(jí)穿廊分叉前，屬爆炸沖擊波直接作用區(qū)域，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的入射沖擊波，強(qiáng)度高、持續(xù)時(shí)間短；第Ⅱ區(qū)段為第Ⅰ區(qū)段后到二級(jí)穿廊分叉之間，由原入射沖擊波分成2支，一支沿一級(jí)穿廊段傳播，另一支形成二級(jí)穿廊段入射波，2段的沖擊波強(qiáng)度較入射波都已明顯降低；第Ⅲ區(qū)段為第Ⅱ區(qū)段后到三級(jí)穿廊分叉之間，類似第Ⅱ區(qū)段，由二級(jí)穿廊段入射波分成2支，一支沿二級(jí)穿廊段繼續(xù)傳播，另一支形成三級(jí)穿廊段入射波，沖擊波的強(qiáng)度降低更明顯，作用時(shí)間也相應(yīng)延長；同理可推，如再有多次分級(jí)，則區(qū)段劃分及其變化規(guī)律均與此類似。沖擊波的分流過程如圖4所示，因此口部內(nèi)爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波經(jīng)過多級(jí)穿廊的分流消減，到達(dá)主坑道防護(hù)門時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)顯著降低，消波效果顯著。

圖4 多級(jí)穿廊沖擊波衰減區(qū)段的衰減曲線和對(duì)應(yīng)的坑道示意圖Fig.4 Attenuation stage of shock wave in the multi－level gallery tunnel

2.2 防護(hù)門上荷載規(guī)律

圖5 不同藥量防護(hù)門上荷載變化Fig.5 Load on the protective door under unequal charges

防護(hù)門設(shè)置于主坑道內(nèi)，距離上一級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)很近，經(jīng)過多級(jí)穿廊分流消減的強(qiáng)沖擊波到達(dá)時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)顯著降低，但仍有一定作用，特別是當(dāng)穿廊設(shè)置較簡單或者內(nèi)爆炸強(qiáng)度較大時(shí)，對(duì)防護(hù)門上的沖擊波荷載仍然較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相同藥量、不同的穿廊結(jié)構(gòu)之間，一級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)防護(hù)門上的壓力明顯大于二級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)，二級(jí)的明顯大于三級(jí)的；相同藥量、相同穿廊結(jié)構(gòu)而不同的端口開閉情況下，整體上各端部全封閉時(shí)防護(hù)門上壓力稍大，但不同工況之間相差不很明顯。如圖5所示，二級(jí)和三級(jí)在較小藥量時(shí)壓力差值為約0.15MPa，在較大藥量時(shí)壓力差值為約0.05MPa。防護(hù)門上荷載變化也說明多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)的顯著消波作用，如果再設(shè)置一定的防護(hù)門的防護(hù)措施，能將荷載降到更安全的范圍。

2.3 防護(hù)門后主坑道次生沖擊波的變化

坑道內(nèi)強(qiáng)空氣沖擊波作用在防護(hù)門及門墻上時(shí)，通過高速強(qiáng)動(dòng)力學(xué)作用引發(fā)門的振動(dòng)與門后空氣的壓縮并推動(dòng)壓縮波傳播，形成次生沖擊波。當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)烈或多次振動(dòng)的頻率疊加時(shí)，次生沖擊波會(huì)明顯增強(qiáng)，如圖6所示，次生沖擊波強(qiáng)度超過一定域值，亦可對(duì)人員或設(shè)備產(chǎn)生殺傷破壞作用。

圖6 門后次生沖擊波的形成Fig.6 Generation of secondary shock waves behind protective door

實(shí)驗(yàn)研究表明，相同裝藥量情況下，三級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)主坑道防護(hù)門后次生沖擊波壓力僅相當(dāng)于二級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)的36%，次生沖擊波強(qiáng)度較低，持續(xù)時(shí)間較長，趨于穩(wěn)定?？梢?，三級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)與二級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)相比，對(duì)防護(hù)門后次生沖擊波強(qiáng)度有更好的抑制效果，如圖7所示。

2.4 與直坑道工程量比較

地下防護(hù)工程的早期設(shè)計(jì)與建筑中，主要通過長度延伸來降低沖擊波強(qiáng)度，即便是使用一級(jí)長穿廊結(jié)構(gòu)，同時(shí)仍依靠大量增加主坑道長度等來達(dá)到有效減波目的。隨著武器的發(fā)展，單純依靠長度延伸的方法已越來越不適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需求，長直坑道效率較低、防護(hù)性能弱、維護(hù)投入大、容易造成空間浪費(fèi)，而且施工時(shí)工程量較大，不經(jīng)濟(jì)。

圖7 次生沖擊波變化規(guī)律Fig.7 Change of secondary shock waves

對(duì)于相同裝藥量的口部內(nèi)爆炸，要達(dá)到同樣的沖擊波衰減量，則在多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)的每一段坑道都比直坑道的長度縮短很多，如圖8所示，依次通過三級(jí)穿廊段與直接通過直坑道達(dá)到相同壓力值時(shí)，穿廊結(jié)構(gòu)的比例距離僅相當(dāng)于直坑道的50%左右?？梢姡?jí)穿廊結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程量相對(duì)于直坑道會(huì)大幅降低，因此，多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)還具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié) 論

圖8 不同坑道工程量對(duì)比Fig.8 Comparison between engineers of different tunnels

（1）內(nèi)爆炸情況下，穿廊結(jié)構(gòu)坑道口部的開閉不同對(duì)坑道中沖擊波峰值壓力的影響很大，其中，全開放時(shí)相當(dāng)于一端封閉時(shí)的60%，而一端封閉時(shí)最低僅相當(dāng)于兩端全封閉時(shí)的10%。

（2）多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)爆炸情況下的坑道內(nèi)沖擊波峰值壓力降低效果明顯，穿廊段數(shù)越多，降低效果越顯著?？诓咳_放情況下，二級(jí)穿廊段的壓力僅相當(dāng)于一級(jí)穿廊段相應(yīng)各點(diǎn)的20%～30%，而三級(jí)穿廊段的壓力僅相當(dāng)于一級(jí)穿廊段相應(yīng)各點(diǎn)的5%左右；口部全封閉情況下，二級(jí)穿廊段的壓力僅相當(dāng)于一級(jí)穿廊段的28%～30%，而三級(jí)穿廊段的壓力僅相當(dāng)于一級(jí)穿廊段相應(yīng)各點(diǎn)的7%左右。

（3）多級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)對(duì)降低內(nèi)爆炸情況下主坑道防護(hù)門上的荷載和門后次生沖擊波強(qiáng)度很有利，能有效減弱對(duì)防護(hù)門及內(nèi)部人員設(shè)備的毀傷效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)在獲得較好防護(hù)性能的同時(shí)還能大量減少實(shí)際工程施工量，三級(jí)穿廊結(jié)構(gòu)相對(duì)于直坑道達(dá)到相同沖擊波衰減幅值時(shí)，工程量減少約50%。

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