趙躍堂， 易義君， 儲(chǔ) 程

(解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210007)

一種提高管片隧道襯砌結(jié)構(gòu)抗內(nèi)爆炸性能的工程措施研究

趙躍堂， 易義君， 儲(chǔ) 程

(解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210007)

地鐵等城市隧道是恐怖爆炸襲擊的主要目標(biāo)之一。盾構(gòu)管片隧道由不同類型的預(yù)制混凝土管片通過(guò)接頭處的緊固螺栓拼裝而成的。由于接頭的存在，與整體式襯砌結(jié)構(gòu)相比，其整體剛度和承載水平比較弱，變形和破壞機(jī)理與整體式襯砌結(jié)構(gòu)不同?？紤]內(nèi)爆炸的恐怖襲擊條件，目前關(guān)于管片隧道襯砌結(jié)構(gòu)抗內(nèi)爆炸的研究成果很少。從分析全尺寸管片內(nèi)爆炸試驗(yàn)結(jié)果入手，分析了內(nèi)爆炸荷載作用下管片襯砌結(jié)構(gòu)變形和破壞規(guī)律，梳理出控制襯砌結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵因素和關(guān)鍵位置，提出一種在接頭螺栓處添加柔性墊圈來(lái)降低與螺栓接觸區(qū)域管片的破壞程度的方法，以期達(dá)到優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)抗內(nèi)爆炸性能的目的。最后采用數(shù)值模擬方法，對(duì)所提出了抗爆減爆工程措施進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，該方法可以有效減小管環(huán)在接頭處的局部破壞，提高管片襯砌的抗內(nèi)爆炸性能。

內(nèi)爆炸； 管片襯砌； 減爆

近年來(lái)，世界范圍內(nèi)每年發(fā)生的恐怖爆炸襲擊事件多達(dá)數(shù)千起，而且呈現(xiàn)不斷上升的態(tài)勢(shì)，地鐵系統(tǒng)作為重要的城市公共交通設(shè)施，被列為具有高風(fēng)險(xiǎn)的易襲目標(biāo)之一。倫敦地鐵連環(huán)爆炸案，莫斯科地鐵爆炸案等都是實(shí)例。這些爆炸事件不僅造成了巨大的人員傷亡，有的還造成了結(jié)構(gòu)損傷或破壞。而對(duì)于穿越江河水道的隧道而言，內(nèi)部爆炸極可能造成隧道涌水，引發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)難。從2004年開始，國(guó)際上每隔兩年舉辦一次隧道安全會(huì)議，會(huì)議發(fā)表的論文中有很大一部分專門討論了隧道內(nèi)爆炸和火災(zāi)的評(píng)估、分析方法、防御對(duì)策和應(yīng)急演練等。美國(guó)聯(lián)邦公路局在2006年制訂了一個(gè)六年的橋梁和隧道安全研究計(jì)劃[1]，該計(jì)劃分析表明，對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)，超過(guò)60%的襲擊方式為炸彈爆炸。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)抗恐怖爆炸的研究成果和對(duì)策相對(duì)較少，部分研究成果由于涉及軍事背景鮮有公開。除人防工程等具有特殊用途的建(構(gòu))筑物外，現(xiàn)有民用建筑設(shè)計(jì)荷載中一般不包含爆炸荷載，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，偶然荷載主要考慮地震荷載的作用。由于爆炸荷載和地震荷載在致災(zāi)機(jī)理方面有明顯的不同，建(構(gòu))筑物在不同荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律也存在明顯差異。

盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)由于其施工高效，對(duì)地表影響小等優(yōu)勢(shì)，在城市地下交通工程中得到了廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)際隧道協(xié)會(huì)[2]和一些國(guó)家給出的盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)指南，都不考慮偶然性內(nèi)部爆炸沖擊荷載的作用。盡管其出現(xiàn)概率小，但由于近年來(lái)恐怖爆炸技術(shù)的發(fā)展和地下交通系統(tǒng)安檢系統(tǒng)可能存在的漏洞，地下隧道遭受恐怖爆炸襲擊的風(fēng)險(xiǎn)客觀存在。因此研究管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸破壞規(guī)律，并據(jù)此提出相應(yīng)的抗爆減爆工程技術(shù)措施具有重要的意義。

FELDGUN等[3]對(duì)圓形截面管片襯砌結(jié)構(gòu)在中心內(nèi)爆炸荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了分析，并給出了設(shè)計(jì)計(jì)算方法。HU等[4]用數(shù)值模擬的方法研究了內(nèi)爆炸荷載下地鐵車站的破壞問(wèn)題；LIU[5]分析了爆炸荷載下紐約地鐵隧道的動(dòng)力響應(yīng)，但隧道是按整體澆注考慮的；LARCHER等[6]研究了地鐵車廂內(nèi)爆炸時(shí)車廂的破壞規(guī)律以及對(duì)乘客的傷害情況；李忠獻(xiàn)等[7]采用有限元和無(wú)限元耦合的方法，分析了爆炸超壓、埋深、雙線隧道的間距和隧道周圍土體等因素對(duì)隧道襯砌應(yīng)力場(chǎng)的影響；盧志芳等[8-9]對(duì)武漢長(zhǎng)江隧道內(nèi)部爆炸條件下襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)做了數(shù)值模擬研究，找出了襯砌最易破壞的部位，但計(jì)算模型太過(guò)簡(jiǎn)化，沒有考慮螺栓和周圍土壓力的作用?？傮w上看，關(guān)于管片隧道的內(nèi)爆炸響應(yīng)，已有研究成果中數(shù)值模擬結(jié)果多，實(shí)驗(yàn)和解析結(jié)果少，基于管片襯砌響應(yīng)特點(diǎn)的工程抗爆措施研究更少。

本文首先介紹了管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸試驗(yàn)的部分結(jié)果，并對(duì)其破壞規(guī)律進(jìn)行了分析總結(jié)，為下一步提出初步的抗爆減爆工程技術(shù)措施提供了依據(jù)；然后提出了抗爆減爆措施構(gòu)想；最后采用數(shù)值模擬方法對(duì)所提出的抗爆減爆措施的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。初步分析結(jié)果表明，這種方法可以有效地減小管環(huán)在接頭處的變形集中，減輕管片接頭部位的局部破壞，提高管片襯砌的抗內(nèi)爆炸性能。

1 垂直拼裝管片襯砌全尺寸試驗(yàn)

目前關(guān)于盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律已經(jīng)有不少的研究，例如JANBEN[10]認(rèn)為管片主要做剛體運(yùn)動(dòng)，在管片接頭處主要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度呈現(xiàn)非線性行為。DO等[11-15]基于結(jié)構(gòu)矩陣方法研究了管片結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的擬靜力響應(yīng)。爆炸沖擊荷載與地震波荷載存在很大差異，因此擬靜力方法難以直接應(yīng)用到管片襯砌內(nèi)爆炸問(wèn)題分析上。COLOMBO等[16-17]認(rèn)為在內(nèi)爆炸荷載作用下襯砌有外張趨勢(shì)，因此采用抗拉彈簧來(lái)考慮管片接頭的行為，并基于大量的數(shù)值模擬，給出了內(nèi)爆炸荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)的P-I曲線。

目前，如何準(zhǔn)確描述管片襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸荷載作用下的動(dòng)力行為和破壞規(guī)律還沒有成熟的方法，也沒有公開的試驗(yàn)研究成果，很難從工程應(yīng)用層面進(jìn)行管片襯砌結(jié)構(gòu)抗爆減爆措施研究。為了真實(shí)地研究管片襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸荷載作用下的動(dòng)力行為并為工程設(shè)計(jì)分析提供參考，論文首先對(duì)全尺寸管片襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)爆炸試驗(yàn)，找出控制管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸破壞的主要因素，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的減爆措施，并通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)行了分析論證。

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用的管片為南京大地建設(shè)構(gòu)件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土管片，管片外徑6.3 m，內(nèi)徑5.5 m，厚0.4 m，管片軸向長(zhǎng)度1.2 m。單個(gè)管環(huán)由6個(gè)管片拼裝并由標(biāo)準(zhǔn)螺栓連結(jié)，由于現(xiàn)場(chǎng)拼裝非常困難，在能比較完整地揭示管片襯砌破壞形態(tài)和規(guī)律的基礎(chǔ)上，選用豎向拼裝方式。

炸藥的爆炸位置按照最不利原則確定，基于車廂結(jié)構(gòu)幾何特征，地鐵車廂內(nèi)爆炸的最不利位置應(yīng)該是將炸藥放置于車廂內(nèi)最靠近管片位置，此時(shí)該位置接近于A3管片與A1管片或A2管片接頭處。基于前期初步的數(shù)值分析結(jié)果，試驗(yàn)最大TNT當(dāng)量取20 kg，裝藥中心距離管片內(nèi)邊緣0.8 m，具體裝藥方式見圖1。將炸藥置于管片的中心位置進(jìn)行爆炸加載，對(duì)于襯砌遠(yuǎn)區(qū)的分析是合理的，但對(duì)于研究爆炸近區(qū)管片的變形和破壞規(guī)律顯然不符合實(shí)際情況。

實(shí)際隧道為長(zhǎng)直結(jié)構(gòu)，爆炸波可以沿軸向兩個(gè)方向傳播，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的襯砌段只包含四個(gè)管環(huán)，一段自由，一段封閉。為了減少底面封閉端爆炸反射波對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，將底層土作疏松處理，以最大限度地吸收、耗散爆炸波，減少反射爆炸波的作用。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

觀察兩組管片的試驗(yàn)結(jié)果表明，它們的破壞形態(tài)基本一致。爆炸荷載作用過(guò)后，距離炸藥最近的A3-A1管片接頭部位破壞最為嚴(yán)重(圖2(a))，整個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)粉碎性破壞，螺栓有被拉直趨勢(shì)，螺栓墊片變形很大，部分嵌入到管片混凝土內(nèi)部。其它區(qū)域的破壞也都集中于管片環(huán)內(nèi)接頭處，與A3-A1接頭區(qū)域相比破壞程度要小得多，主要局限于螺栓跨越區(qū)域鋼筋外側(cè)的混凝土材料剝落，剝落區(qū)周圍沒有明顯的裂縫(圖2(c))。整個(gè)區(qū)域的破壞示意圖見圖2(d)，其中實(shí)線橢圓框破壞程度與圖2(a)所示相同，虛線橢圓框破壞程度與圖2(c)所示相同。

圖1 全尺寸模型試驗(yàn)裝藥布置

靠近裝藥位置的環(huán)向螺栓上的應(yīng)變片出現(xiàn)了明顯的不可恢復(fù)變形(分析認(rèn)為其不完全是塑性變形，主要原因是：荷載作用結(jié)束后，管片之間出現(xiàn)了明顯的錯(cuò)位，見圖2(a)，由于管片之間摩擦力的存在，螺栓上會(huì)出現(xiàn)無(wú)法恢復(fù)的內(nèi)應(yīng)力)。圖2(b)為最靠近爆源的環(huán)向螺栓中部外側(cè)位置的應(yīng)變時(shí)程曲線，從中可以看出測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片的不可恢復(fù)變形為3 431 με。縱向螺栓的變形比環(huán)向螺栓小得多，所有位置的應(yīng)變記錄都小于1 500 με。

圖2 管片破壞

從偏心爆炸宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)規(guī)律：

(1) 偏心爆炸引起的管片襯砌破壞主要分布在管片接頭處，靠近爆源位置的破壞最劇烈；

(2) 破壞原因主要是內(nèi)爆炸荷載作用下管片有向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而環(huán)向螺栓約束了管片的向外運(yùn)動(dòng)，因此在管片接頭處將產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中，這種應(yīng)力集中將導(dǎo)致環(huán)向螺栓和螺栓跨越管片區(qū)域發(fā)生破壞；

(3) 在靠近爆源區(qū)域，環(huán)向螺栓的變形要明顯大于縱向螺栓的變形。

2 提高管片襯砌結(jié)構(gòu)抗內(nèi)爆炸作用的措施

2.1 基本思路

基于以上對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸試驗(yàn)破壞現(xiàn)象的分析，可以發(fā)現(xiàn)爆炸荷載作用過(guò)程中環(huán)向螺栓的過(guò)強(qiáng)約束是產(chǎn)生局部區(qū)域應(yīng)力集中的主要原因，要減弱這種效應(yīng)，必須通過(guò)工程措施適當(dāng)放松爆炸荷載作用過(guò)程中環(huán)向螺栓的緊固力。

這樣，減爆思路就可以初步歸結(jié)為：在滿足日常運(yùn)營(yíng)安全穩(wěn)定的前提下，通過(guò)一定的工程措施適度釋放內(nèi)爆炸荷載作用過(guò)程中管片接頭區(qū)域的運(yùn)動(dòng)約束條件來(lái)減小接頭區(qū)域的應(yīng)力集中，使環(huán)向螺栓在內(nèi)爆炸荷載作用過(guò)程中對(duì)襯砌的緊固作用不過(guò)分增強(qiáng)，同時(shí)襯砌承受的緊固力不至于破壞螺栓附近的鋼筋混凝土材料，從而保證管片結(jié)構(gòu)的完整性。目前比較有效和經(jīng)濟(jì)的措施就是使用柔性緊固技術(shù)。

采用柔性緊固技術(shù)的螺栓受力時(shí)變形大，吸收能量作用強(qiáng)，補(bǔ)償變形能力好，比較適用于承受沖擊和振動(dòng)荷載的作用和承受熱負(fù)載作用。目前比較經(jīng)濟(jì)的方法是在螺母下面安裝特殊功能墊片，比如彈性墊片(圖3)或墊圈(圖4)。當(dāng)工作載荷由被聯(lián)接件傳來(lái)時(shí)，由于墊片或墊圈的較大變形，可以達(dá)到柔性緊固效果。日本土木學(xué)會(huì)將聚氨基甲酸脂彈性墊圈用于盾構(gòu)襯砌螺栓接頭來(lái)提高襯砌的抗震性能[18]。

圖3 彈性墊片F(xiàn)ig．3 Elasticcushion圖4 聚氨基甲酸酯彈性墊圈Fig．4 Carbamicacidpolyesterelasticcushion

下面通過(guò)數(shù)值模擬方法驗(yàn)證減爆措施的合理性，計(jì)算采用LS-DYNA軟件進(jìn)行。

2.2 有限元模型建立

豎向拼裝管片試驗(yàn)表明，偏心0.8 m爆炸時(shí)，破壞主要出現(xiàn)在炸藥所在環(huán)內(nèi)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們僅計(jì)算一環(huán)管片的破壞過(guò)程，忽略縱向螺栓的作用，這種簡(jiǎn)化總體上會(huì)加大管片的內(nèi)力和變形，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全。有限元模型見圖5，圖中沒有標(biāo)注空氣網(wǎng)格，計(jì)算模型中空氣網(wǎng)格的范圍覆蓋除炸藥外襯砌中心空腔和管片區(qū)域，空氣和炸藥共同構(gòu)成歐拉網(wǎng)格，其余管片、土介質(zhì)、螺栓和墊片構(gòu)成拉格朗日網(wǎng)格，兩種網(wǎng)格通過(guò)任意歐拉-拉格朗日算法進(jìn)行耦合，土體外邊緣設(shè)置透射邊界條件模擬土體的無(wú)限范圍，土體、螺栓、墊片和管片結(jié)構(gòu)之間采用自動(dòng)單面接觸算法。

(a) 模型總體(空氣沒標(biāo)注)

(b) 管片

(c) 螺栓

(d) 墊片

螺栓采用PLASTIC_KINEMATIC模型，土體采用MOHR_COULOMB模型模擬。管片材料采用PSEUDO_TENSOR[19]模型模擬，該模型可以近似描述材料的峰后行為，材料破壞前和破壞后的強(qiáng)度分別用曲線σmax和σfailed表示為

(1)

(2)

式中：p表示壓力；a0，a1，a2，a0f和a1f為材料參數(shù)。

具體的參數(shù)物理意義見文獻(xiàn)[20]，材料的參數(shù)取值見表1～表3。

表1 螺栓材料參數(shù)

表2 土體材料參數(shù)

表3 管片材料參數(shù)

TNT炸藥的爆轟產(chǎn)物通常使用JWL狀態(tài)方程描述，基本形式如下[19]：

(3)

表4 TNT炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)

空氣采用理想氣體狀態(tài)方程[19]：

(4)

式中：p為壓力(Pa)；γ為氣體絕熱指數(shù)(比熱)，取1.4；ρ為初始密度，取1.225 kg/m3；e為單位質(zhì)量?jī)?nèi)能，取4 192 MJ/m3。

添加彈性墊片的有限元模型見圖5(d)，墊片采用SOIL_AND_FOAM材料模型模擬，聚氨基甲酸酯典型的壓力-體積應(yīng)變關(guān)系如圖6所示。材料密度等于1 150 kg/m3，剪切模量等于13.6 MPa[20]。

圖6 聚氨基甲酸酯的特性曲線[21]

在施加爆炸荷載前必須先施加緊固力，螺栓的初始緊固力取3 000 N，緊固力施加采用迭代計(jì)算方法進(jìn)行，具體求解方法見文獻(xiàn)[22]。

為了對(duì)比分析，計(jì)算共包含三種工況，見表5。表中工況3表示在緊急情況下，放松緊固螺栓，緊固力在爆炸荷載作用過(guò)程中恒等于零，這種工況使得結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定受到削弱，是一種應(yīng)急工況。

2.3 結(jié)果分析與討論

表5 工況列表

羅中興[23]已對(duì)數(shù)值模擬的方法和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比，驗(yàn)證了模擬方法的可靠性。圖7給出了三個(gè)工況的管片塑性應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，三個(gè)圖形的條紋級(jí)別是相同的。所有工況的最大塑性應(yīng)變峰值都位于管片接頭區(qū)域，具體數(shù)值見表6。計(jì)算結(jié)果表明，采用普通螺栓緊固的管片接頭處塑性區(qū)和塑性應(yīng)變峰值要明顯大于其它兩種工況，且所有接頭區(qū)域都有比較明顯的塑性變形，而其它工況接頭處塑性區(qū)和塑性應(yīng)變峰值變化都比較接近，且螺栓的塑性應(yīng)變都不明顯。這說(shuō)明設(shè)置彈性墊片或適當(dāng)放松緊固條件可以顯著降低管片的破壞程度。

表6 最大有效塑性應(yīng)變統(tǒng)計(jì)

圖8考察了不同緊固條件下管片的運(yùn)動(dòng)情況，其中節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置見圖5(b)。圖中給出了在爆炸荷載作用過(guò)程中分別屬于接頭兩側(cè)兩塊管片的節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離時(shí)程曲線，從圖中可以看出，采用普通螺栓緊固的管片接頭的位移要明顯小于其它工況，兩者峰值相差約3倍，并且位移時(shí)程走勢(shì)差別也較大。而其它兩種工況接頭處節(jié)點(diǎn)對(duì)的相對(duì)位移變化不大，這與前面塑性應(yīng)變的演化規(guī)律是一致的。

試驗(yàn)中靠近爆源的環(huán)向螺栓沿螺栓軸向的最大應(yīng)變?yōu)? 431 με(圖2(a))，螺栓的直徑為3 cm，則該應(yīng)變對(duì)應(yīng)的緊固力約為490 000 N。圖9給出了數(shù)值模擬計(jì)算中的螺栓緊固力時(shí)程曲線，從圖中可以看出，使用正常螺栓緊固，緊固力最大約為900 000 N，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有所差別，分析認(rèn)為主要原因是數(shù)值計(jì)算中將模型簡(jiǎn)化為一環(huán)，沒有考慮周圍管環(huán)對(duì)爆心所在環(huán)的約束作用，而這種約束作用可以降低管片向外的運(yùn)動(dòng)和變形，同時(shí)，由于這種約束摩擦的作用，實(shí)際測(cè)量值表現(xiàn)出緊固力達(dá)到最大值后保持不變的現(xiàn)象(圖2(a))，而模擬計(jì)算中，由于沒有考慮這種約束作用，緊固力達(dá)到最大后會(huì)有不同程度恢復(fù)。使用墊片時(shí)最大緊固力約為200 000 N，遠(yuǎn)小于采用正常緊固螺栓的情況，實(shí)際工況條件下，如果考慮周圍管環(huán)的約束作用，這個(gè)數(shù)值必然會(huì)更小，這說(shuō)明采用墊片可以有效的減小螺栓內(nèi)力，減小爆炸的破壞作用。

(a) 正常螺栓緊固

(b) 加上墊片

(c) 緊固力恒等于0 N

(a) 節(jié)點(diǎn)組40795-160891

(b) 節(jié)點(diǎn)組81229-210008

(c) 節(jié)點(diǎn)組159036-275573

2.4 工程運(yùn)用

數(shù)值分析結(jié)果表明，采用彈性墊片可以降低管片接頭區(qū)域的約束剛度，大大降低內(nèi)爆炸荷載作用過(guò)程中管片接頭區(qū)域的破壞程度。在工程上，墊片(墊圈)的設(shè)計(jì)必須滿足以下幾點(diǎn)：① 滿足日常運(yùn)營(yíng)必要的緊固力；② 應(yīng)力松弛要?。虎?在爆炸荷載作用過(guò)程中，螺栓和墊片系統(tǒng)能提供必要的位移，在該位移范圍內(nèi)產(chǎn)生的緊固力不會(huì)引起管片結(jié)構(gòu)發(fā)生不可修復(fù)的破壞，見圖10。

圖9 螺栓緊固力時(shí)程

圖10是墊片(圈)的典型壓縮曲線，圖中，S0和F0表示正常運(yùn)營(yíng)時(shí)的緊固位移和緊固力，Sm和Fm表示墊片最大允許壓縮位移及對(duì)應(yīng)的緊固力。前面的計(jì)算表明，在添加彈性墊片情況下單根環(huán)向螺栓不大于約200 000 N緊固力時(shí)，管片接頭處張開位移最大值在3 cm左右，因此，單側(cè)墊片提供的壓縮位移如果能達(dá)到1.5 cm，且壓縮過(guò)程中緊固力不超過(guò)200 000 N，則管片的塑性應(yīng)變將局限在很小范圍。

圖10 墊圈(片)的力學(xué)性能

以上研究針對(duì)豎向拼裝管片襯砌結(jié)構(gòu)，實(shí)際工程的襯砌結(jié)構(gòu)都是水平拼裝方式。羅中興[23]曾研究過(guò)水平拼裝方式和豎向拼裝方式之間管片抗爆能力的差別，在裝藥相對(duì)位置相同的條件下，水平拼裝方式由于管片的自重和周圍土壓力的作用，其破壞程度相對(duì)要小一些。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法研究了管片襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸荷載作用下的破壞規(guī)律，找出了控制管片襯砌結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵部位，提出了一種減輕內(nèi)爆炸破壞效應(yīng)的工程措施。論文的主要結(jié)論如下：

(1) 原型管片內(nèi)爆炸試驗(yàn)表明，襯砌結(jié)構(gòu)管片的破壞主要集中于距離炸藥最近的管片接頭區(qū)域。管片本身的剛度遠(yuǎn)大于接頭區(qū)域的剛度，這種剛度的巨大差異導(dǎo)致在環(huán)向螺栓跨越管片區(qū)域產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，裝藥量比較大時(shí)將發(fā)生明顯的局部破壞。

(2) 基于對(duì)管片襯砌變形和破壞機(jī)理的分析，提出通過(guò)降低靠近爆源區(qū)域環(huán)向螺栓約束剛度的方法來(lái)達(dá)到減輕內(nèi)爆炸破壞效應(yīng)的目的。降低環(huán)向螺栓約束剛度，跨越管片接頭區(qū)域會(huì)發(fā)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，管片和周圍介質(zhì)的動(dòng)能增加，管片和螺栓的內(nèi)力和變形減小。數(shù)值分析表明，這種方法可以有效降低內(nèi)爆炸荷載作用下整個(gè)系統(tǒng)的塑性應(yīng)變峰值和塑性區(qū)范圍，有助于災(zāi)后管片的加固和再利用。

(3) 降低環(huán)向螺栓約束剛度的方法可以通過(guò)設(shè)計(jì)特殊功能墊片或墊圈來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法成本低，工藝簡(jiǎn)單。數(shù)值分析表明，20 kgTNT炸藥距離管片接頭80 cm爆炸，只要靠近爆源區(qū)域的墊片(墊圈)的最大壓縮位移達(dá)到1.5 cm，整個(gè)爆炸過(guò)程的緊固力將不超過(guò)200 000 N，將不會(huì)引起接頭區(qū)域明顯的塑性應(yīng)變。

該工程技術(shù)措施應(yīng)用于實(shí)際工程還需要進(jìn)行必要的驗(yàn)證性試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化工藝和可操作性。

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A method to improve internal explosion resistance performance of segmental lining structures

ZHAO Yuetang, YI Yijun, CHU Cheng

(State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)

Public transport systems such as subway transit tunnels are prone to terrorists’ bombing attacks in recent years. Segmental lining is the most common type of liners adopted with the increasing use of TBM(tunnel boring machine)in tunnel constructions in urban areas. The most apparent difference between segmental tunnel lining and an integral one lies in the existence and distribution of joints that bind several types of segments in a ring and rings in the longitudinal direction of a tunnel, which are connected by pre-stressed jointing bolts. Due to the effects of joints, the overall rigidity and loading capacity of segmental lining are relatively low, compared with that of an integral one, also the deformation and damage mechanism are different. Assuming the scenarios of internal explosion under a case of terrorist attack, few research results could be traced on the internal explosion capacity of segmental tunnel linings. In this paper, it began with the analysis of full-scale test results of segmental tunnel linings under the condition of internal explosion, the deformation and failure patterns of segmental tunnel lining were outlined, and the key factors and positions that dominate the damage of a lining were figured out. Then attempts were made, by adding flexible damping cushions on the joints, to relieve the damage degree of contact area of bolts, thus optimizing segmental lining structure’s internal explosion capacity. At last, numerical simulations were performed and it was shown that, the localized failures of joint areas of tunnel segments could be relieved effectively after introduction of this method, so the internal explosion resistance performance of segmental lining structures could be optimized and hence improved.

internal explosion; segmental tunnel lining; blast mitigation

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51478469)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體基金(51021001)

2015-11-11 修改稿收到日期：2016-02-20

趙躍堂 男，博士，教授，1967年生

易義君 男，碩士生，1991年生

U45

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.007