隧道逃生管道冲击实验和仿真模拟.pdfVIP

第 27卷第 2期 华 中 科 技 大 学 学 报 (城市科学版) V0】．27No．2 2010年 6月 J．ofHUST．(UrbanScienceEdition) Jun．2010 隧道逃生管道的冲击实验与仿真模拟 张 瑜 ， 丁庆荣 ，狄先均2，李 强2，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) 摘 要：针对隧道施工中的塌方事故，进行了隧道逃生管道的系统设计。首先进行了圆管承受横向冲击荷载的 现场实验 ，研究了冲击能量与变形模态、凹陷变形之间的关系。其次采用ANSYSLS—DYNA进行了仿真模拟，给 出了凹陷变形的时程曲线，获得了与现场实验较一致的结果。实验研究与数值模拟结果表明，砂垫平铺圆管的 横向冲击变形主要为冲击点局部凹陷，结构的整体弯曲变形可以忽略。同时，根据岩块大小和下落高度 ，可以 通过计算凹陷变形而确定圆管厚度，为逃生管道的安全设计提供依据。 关键词：隧道塌方； 逃生管道； 横向冲击； 实验； 仿真 中图分类号：U453 文献标识码：A 文章编号：1672-7037(2010)02-0087-03 近年来，全 国隧道施工先后发生多起特大人 久塑性变形包括冲击点局部凹陷、结构整体弯曲 员伤亡事故。在这些重大事故当中，数隧道塌方 以及两者之间的耦合变形 -8]。EUinas等给出了 最为突出。据不完全统计，全国平均每年发生数 简支圆管侧 向集 中荷载与最大凹陷值之间的关 十起隧道塌方事故，这些事故给隧道施工造成不 系 J，Thomas等基于实验的观察，得到了简支圆 同程度的财产与人员伤亡损失。尽管理论上隧道 管凹陷深度沿长度方 向的变化关系式 …。程国 施工塌方可以避免，但实际施工时存在多方面原 强等根据实验中观察的变形模态，基于能量分析 因而出现塌方，如地质条件 的突变、设计措施偏 方法，得出了两端固支圆管局部凹陷值与侧向集 弱、施工不当等 ¨_4J。因此，如何减少隧道塌方后 中荷载的半经验公式 ¨¨。与上述两端简支和固 的损失，特别是避免人员伤亡，是当前隧道施工领 支圆管不同，用于隧道施工逃生的薄壁圆管 自由 域面临的重大问题，而沿隧道纵 向设计平铺大直 放置于平整垫层上，当受到落石冲击荷载作用时， 径金属薄壁圆管作为施工人员的逃生通道成为上 圆管底部主要受垫层竖向和横向摩擦约束作用， 述问题的有效解决方法 J。 如图1所示。因此，结构下半部分的整体弯曲变 在逃生管道设计 中，管材选用方案主要有钢 形较小，变形以冲击点局部凹陷为主。 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 图1 平铺圆管横向冲击示意图 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 本文基于横向冲击的平铺钢管现场实验结 不影响人员逃生通过，认为是安全的。由此来确 果 ，分析了圆管的局部凹陷值与冲击能量的关系， 定圆管的最小厚度。因此，研究薄壁圆管横向承 得到了冲击点附近的变形模态，比较 了端部断面 受塌方坠石冲击破坏能力，对隧道逃生管道管壁 与中间断面的抗冲击能力。利用 A