隧道逃生管道的冲击实验与仿真模拟

张 瑜， 丁庆荣， 狄先均， 李 强， 谭 飞

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院, 湖北 武汉 430074; 2. 鸦来公路北风垭隧道工程建设指挥部, 湖北 五峰 443400)

近年来，全国隧道施工先后发生多起特大人员伤亡事故。在这些重大事故当中，数隧道塌方最为突出。据不完全统计，全国平均每年发生数十起隧道塌方事故，这些事故给隧道施工造成不同程度的财产与人员伤亡损失。尽管理论上隧道施工塌方可以避免，但实际施工时存在多方面原因而出现塌方，如地质条件的突变、设计措施偏弱、施工不当等[1～4]。因此，如何减少隧道塌方后的损失，特别是避免人员伤亡，是当前隧道施工领域面临的重大问题，而沿隧道纵向设计平铺大直径金属薄壁圆管作为施工人员的逃生通道成为上述问题的有效解决方法[5]。

在逃生管道设计中，管材选用方案主要有钢筋混凝土管和钢管。其中钢筋混凝土管价格便宜，但管壁较厚，搬运不便。钢管价格较贵，但管壁薄，重量轻，且便于搬运。因此，最后选用钢管作为逃生管道，其管道内径以便于人员逃生通过为准，参照有关规范选用0.80m，需要研究的是钢管厚度，要求既安全又经济。本文主要研究隧道发生塌方坠石时，岩块下落对圆管冲击力大小和凹陷值大小。凹陷变形控制在允许范围内，即不影响人员逃生通过，认为是安全的。由此来确定圆管的最小厚度。因此，研究薄壁圆管横向承受塌方坠石冲击破坏能力，对隧道逃生管道管壁的设计有着重要的指导意义。

薄壁圆管在大能量低速度的侧向冲击时，永久塑性变形包括冲击点局部凹陷、结构整体弯曲以及两者之间的耦合变形[6～8]。Ellinas 等给出了简支圆管侧向集中荷载与最大凹陷值之间的关系[9]，Thomas 等基于实验的观察，得到了简支圆管凹陷深度沿长度方向的变化关系式[10]。程国强等根据实验中观察的变形模态，基于能量分析方法，得出了两端固支圆管局部凹陷值与侧向集中荷载的半经验公式[11]。与上述两端简支和固支圆管不同，用于隧道施工逃生的薄壁圆管自由放置于平整垫层上，当受到落石冲击荷载作用时，圆管底部主要受垫层竖向和横向摩擦约束作用，如图1所示。因此，结构下半部分的整体弯曲变形较小，变形以冲击点局部凹陷为主。

图1 平铺圆管横向冲击示意图

本文基于横向冲击的平铺钢管现场实验结果，分析了圆管的局部凹陷值与冲击能量的关系，得到了冲击点附近的变形模态，比较了端部断面与中间断面的抗冲击能力。利用ANSYS LS-DYNA 对实验进行了仿真模拟，给出了圆管变形的时程曲线，得到了与实验结果较一致的模拟结果。

1 现场实验

1.1 实验描述

由于实验试件为大直径薄壁圆管，岩块需从高处下落，因此本实验放在室外进行。实验地点位于宜昌市宜陵区黄花乡采石场，如图2所示。圆管试件采用Q235螺旋缝埋弧焊钢管，管道单节长度L为6 m，外径R为820 mm，壁厚H为10 mm。冲击试件为块状石灰岩，有90 kg，180 kg和300 kg三种重量等级。圆管垫层为用平整放置的砂袋，垫层厚250 mm，宽800 mm。冲击试件离圆管顶部距离主要取决于隧道断面的开挖高度，本次实验均为7 m，石块试件高度由现场挖掘机进行提升，通过调整挖掘机铲斗下挂的铅垂小球来控制落石的冲击部位。除垫层对其底部产生竖向与水平摩擦约束外，圆管外部不受其它方向约束。

图2 薄壁圆管横向冲击实验现场

实验时，将圆管试件平铺于砂垫层上，用挖掘机提升石块试件至相应高度，然后释放石块任其自由下落并与圆管发生碰撞。为比较圆管两端和中间断面的抗冲击能力大小，实验过程分别用300 kg落石对这两个不同截面进行了冲击。由于隧道塌方落石的掉落可能会偏离圆管纵轴线一定距离，因此，除模拟对顶碰撞外，实验还模拟了石块与圆管的斜交碰撞。

1.2 实验结果

表1列出了不同冲击能量的冲击部位、碰撞角度以及最大凹陷变形值。从该表可以看出，当冲击能量较小时，圆管的凹陷变形很小。随着冲击能量不断增大，凹陷变形随之增大。在相同冲击能量作用时，圆管中间断面比两端自由断面的抗冲击能力大，其最大凹陷变形值约为自由端的0.6倍。当作用断面相同时，圆管与石块的斜交碰撞产生的变形比对顶碰撞要小，当碰撞角度为30°时，两者的最大凹陷变形值相差不大。

表1 实验与仿真模拟结果

图3(a) 给出了冲击能量为2.06×104J作用后端部自由断面的变形模态。由该图可以看出，圆管变形主要为冲击点附近的局部凹陷，自冲击点沿圆管轴线呈三角形分布，圆管的整体弯曲变形很小。图3(b) 给出了相同冲击能量作用时中间断面的变形模态，由该图可知，圆管变形仍以局部凹陷为主，变形自冲击点沿圆管轴线呈似菱形分布。而且，整个冲击过程圆管并未出现穿透现象。

(a) 端部断面冲击

(b) 中间端面冲击图3 端部断面与中间断面的实验变形模态

2 仿真模拟

利用ANSYS LS-DYNA对上述冲击实验进行三维仿真模拟分析，仿真模型由以下三部分构成：落石、薄壁圆管以及垫层。落石采用与原实验等质量的球形刚体模型，90 kg、180 kg以及300 kg试件模型半径分别为205 mm、258 mm和305 mm，密度ρ=2500 kg/m3，弹性模量E=40 GPa，泊松比ν=0.2。钢质薄壁圆管和砂垫层采用和实验材料完全一致的几何尺寸，其中薄壁圆管采用双线性各向同性硬化模型，密度ρ=7800 kg/m3，弹性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.25，屈服强度σs=235 MPa，切线模量Et=10 GPa，共划分2400个4节点壳体单元。砂垫层采用橡胶非线性弹性模型，密度ρ=1700 kg/m3，剪切模量G=16.26 MPa，共划分1078个8节点实体单元，垫层底面节点定义为固端约束。初始条件为球形落石在圆管顶部 1 m处以初速度 10.84 m/s自由下落，落石与圆管、圆管与垫层之间接触均为面与面接触。

图4给出了圆管自由端经受冲击的仿真模型。从表1中看出计算机仿真结果和实验结果吻合较好，误差一般在16%内，并且实验结果均小于仿真结果。图5给出了端部截面作用2.06×104J能量时最大凹陷点的时程曲线，从图中可知落石与圆管的冲击过程大约持续6 ms，冲击过程后半部分主要为圆管的弹性变形恢复阶段。当冲击过程结束后，圆管产生了振动，这与实验中观察到圆管的振动现象相吻合。

图4 实验仿真模型

图5 最大凹陷变形的时程曲线

图6(a)和图6(b)所示分别是圆管端部和中间断面在冲击能量为2.06×104J作用下的仿真变形模态，与图3相比可以看出，数值模拟结果与实验结果一致。碰撞发生后，圆管上半部分冲击点附近逐渐被压溃，呈凹陷状，下半部分曲率变小，远离冲击点的断面并没出现明显变形。

(a) 端部断面冲击

(b) 中间断面冲击图6 端部断面与中间断面的仿真变形模态

3 结 论

(1) 在横向冲击荷载作用下，圆管变形主要为冲击点附近的局部凹陷，其整体变形很小，并且中间断面比端部自由断面抵抗冲击能力大。

(2) 计算机仿真结果与实验结果吻合较好，并且仿真结果均高于实验结果，进一步的仿真分析可用于圆管承受更大能量的冲击模拟。

(3) 本文就设计的逃生管道进行了现场实验和数值模拟研究，为管道厚度的安全与经济确定提供了理论基础。

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