隧道内爆炸冲击波传播特性及爆炸荷载分布规律研究

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因而对大断面隧道的分析往往偏差较大。为此，本文研究图１所示的圆形隧道内爆炸产生的空气冲击波传播特性及作用于隧道衬砌表面的荷载分布规律，考虑ＴＮＴ装药在有端墙的隧道内爆炸［图１（ａ）］和两端开（ｂ）］两种情况。通过二者的对比口隧道内爆炸［图１研究，分析了两种情况下隧道内爆炸冲击波流场及离炸药不同距离处隧道衬砌上的冲击波压力荷载的分布情况，并研究了装药引爆位置对爆炸荷载的影响。
５］。将空气介质简化为非粘性理想气体，假设构关系［
式中，ｐ —材料压力；ｖ —相对体积；Ｅ —内能密度；Ａ、Ｂ、Ｒ、Ｒ、 —材料常数。 ω １２为使计算结果更好地符合实际，采用现场爆炸试验实测数据与计算结果对比分析方法，确定出了计算模型参数（见表１）。计算与试验的比较分析表明：在爆心附近，计算出的冲击波压力峰值小于试验值，但在二者已符合得较好（见离爆心约４倍装药半径以外，）图２
（１．ＴｈｅＦｏｒｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｔｈｅＰＬＡＧｅｎｅｒａｌＳｔａｆｆ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８５０，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｃｕｅ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
式中：ρ 为密度；γ为绝热指数；Ｅ为单位初始体积的内能。ＡＴ＿ＨＩＧＨ＿ＥＸＰＬＯ采用高能炸药材料模型（Ｍ）和ＥＯＳ＿ＪＷＬ状态方程表示ＴＮＴ炸药的ＳＩＶＥ＿ＢＵＲＮ本构关系，其中描述炸药爆轰产物压力—体积关系的ＪＷＪ状态方程为式（２）：Ｅ ω －ＲＶ－ＲＶ１２Ｐ＝Ａ１－ ω ｅ＋Ｂ１－ ω ｅ＋（２）ＶＲＶＲＶ１２
冲击波的膨胀为绝热过程，其线性多项式状态方程可１）：简化为式（ｐ＝（）Ｅ／ γ－１ ρ ρ ０（１）
图２试验与计算结果比较Ｆｉｇ．２Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｃｏｍｐｕｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ
振动与冲击第３０卷第１期ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＶｏｌ．３０Ｎｏ．１２０１１

隧道内爆炸冲击波传播特性及爆炸荷载分布规律研究
表１材料模型和状态方程参数Ｔａｂ．１Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌａｎｄｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｅ／（ｋｇ ·ｍ） γ ρ １．２５
－３
Ｅ／ＰａＡ／ＧＰａＢ／ＧＰａ
Ｒ１
Ｒ２
ω
３Ｅ（Ｊ ·ｍ）０／
Ｖ０１．０
－１／（ｋｇ ·ｍ－３）Ｄ／（ｍ ·ｓ） ρ
ＰＧＰａＣＪ／１８．５
１．４２．５ｅ５３７１．２３．２３１４．１５０．９５０．３０
７．０ｅ９
１６３０
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｆａｉｒｓｈｏｃｋｗａｖｅｉｎｄｕｃｅｄｂｙｉｎｔｕｎｎｅｌｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗｏｆｓｈｏｃｋｗａｖｅｌｏａｄｏｎｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆａｔｕｎｎｅｌｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｈｅｒｅ．Ｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｏｆｔｈｅｓｈｏｃｋｗａｖｅｉｎａｔｕｎｎｅｌｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｅｎｄｗａｌｌｓｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗｓｏｆｔｈｅｐｅａｋｒｅｆｌｅｃｔｅｄｉ．ｅ．ｐｅａｋｌｏａｄ）ａｎｄｔｈｅｉｍｐｕｌｓｅｏｎｔｈｅｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｓｈａｐｅｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ（ａｎｄｅｘｐｌｏｓｉｏｎｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＴＮＴｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓｏｎｔｈｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｈｏｃｋｗａｖｅａｎｄｔｈｅｌｏａｄｗｅｒｅｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ．Ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅａｋｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｅｄｓｈｏｃｋｗａｖｅｌｏａｄｏｎｔｈｅｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｖｅｒｓｕｓｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｕｎｎｅｌｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｓｈｏｃｋｗａｖｅ；ｒｅｆｌｅｃｔｅｄｓｈｏｃｋｗａｖｅｌｏａｄ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｌａｗ内爆炸冲击波传播规律研究方面仍有许多问题缺乏深入研究，特别是对带端墙的隧道内爆炸的冲击波流场和荷载规律的研究较少，已报道的一些关于隧道内冲击波衰减规律的经验公式没有考虑冲击波在隧道断面上不同位置的差异，不适应描述爆近区的冲击波规律，
基金项目：国家自然科学基金（５０７７８１７４），国家科技支撑计划（２００６ＢＡＪ１３Ｂ０２－０３），上海市建设交通重大科研项目（Ｙ２００８１１）００９－０８－２４修改稿收到日期：２００９－１１－０４收稿日期：２第一作者田志敏男，博士，研究员，博士生导师，１９６２年生通讯作者田志敏万方数据
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Fra Baidu bibliotek
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２分析模型及参数
本文以某直径为３．５ｍ的圆形试验隧道为对象，建立了三维有限元分析模型，对不同药量和装药位置的内爆炸情况进行计算分析。忽略隧道衬砌弹塑性变形吸收的爆炸能量，只考虑炸药和空气两种介质，空气（与衬砌接触的边界采用刚性边界，隧道开口端界面用无能量反射边界模拟，根据问题的对称性，取对象的１／４模型，在对称面上采用对称边界条件。两种介质单元采用多物质ＡＬＥ算法。ＳＤｙｎａ中的空材料（ＮＵＬＬ）模型和线性多采用Ｌ项式（ＬＩＮＥＡＲＰＯＬＹＮＯＭＩＡＬ）状态方程表示空气的本
元计算方法，对带端墙隧道内爆炸空气冲击波的传播过程进行了数值模拟，给出了内爆炸产生的隧道内冲击波流场，并与双向开口隧道内爆炸流场进行了对比，分析了炸药装药形状、炸药引爆位置对爆炸荷载分布的影响，研究了作用于隧道衬砌上的反射冲击波荷载峰值分布规律，给出了估计衬砌上反射超压峰值的公式。关键词：隧道内爆炸；冲击波流场；反射冲击波荷载；衰减规律中图分类号：Ｏ３５４．５；ＴＵ３５２．１文献标识码：Ａ
６７００
气冲击波的形成和发展过程。如图所示，炸药点火后爆轰产物急剧膨胀，并迅速形成很强的波阵面向外传播，受装药形状影响，近爆区，波阵面呈立方体形状向外扩展；较远处，冲击波以带棱锥状穹顶的柱状沿隧道轴向传播；传到一定距离后，以近似平面波的形式沿隧道向两个方向传播。冲击波波阵面最先与位于炸药中心上下的隧道壁面相遇并形成反射波，随后上下反射冲击波相向而行并在隧道中轴线相遇，相遇后继续沿各自传播方向背向而行，到达隧道衬砌后再次产生二次反射波，如此反射多次，反射冲击波的强度由炸药中
，２田志敏１，邬玉斌２，罗奇峰３
（１．总参工程兵科研四所，北京１００８５０；２．中国地震局工程力学研究所，哈尔滨１５００８０；３．同济大学上海防灾救灾研究所，上海２０００９２）
摘要：隧道内爆炸产生复杂的爆炸冲击波流场，作用于隧道衬砌上的冲击波荷载分析十分困难。采用三维有限
图１隧道内爆炸问题示意Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｏｆｅｘｐｌｏｓｉｖｅｃｈａｒｇｅｗｉｔｈｉｎａｔｕｎｎｅｌ
２２
振动与冲击２０１１年第３０卷
１研究问题表述
近年来，地面建筑和地下构筑物（如隧道、物质储备库等）中的各类偶然或蓄意破坏性恐怖爆炸事件时有发生，研究建（构）筑物内的爆炸荷载及遭受其作用的结构安全问题已愈益受到重视
［１－４］
。众所周知，就
发生在隧道中的内爆炸问题而言，受隧道内壁限制，空气冲击波传播规律比自由空气中爆炸冲击波的传播规律复杂，隧道的结构形式、装药形状及炸药位置对内爆炸冲击波传播都有影响，尽管国内外一些学者对内爆炸问题进行过不少理论、试验及数值模拟的分析，但在
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｎｔｕｎｎｅｌｅｘｐｌｏｓｉｏｎｉｎｄｕｃｅｄａｉｒｓｈｏｃｋｗａｖｅａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗｏｆｒｅｆｌｅｃｔｅｄｓｈｏｃｋｗａｖｅｌｏａｄ１，２２３ＴＩＡＮＺｈｉｍｉｎ，ＷＵＹｕｂｉｎ，ＬＵＯＱｉｆｅｎｇ