李志鹏等：剧烈瓦斯爆炸隧道洞口致损机理 .1477. the tensile stresses that acted at the front and back surfaces of the portal are 7.9-31.5 MPa and 4.9-15.6 MPa,respectively,and mul- tiple peak stresses occur on the back surface of the portal.The damage of the portal is mainly caused by the tensile stress.By compari- son,the numerical simulation results of the damage characteristics of the tunnel portal basically agreed with the actual situations. Therefore,the results can provide useful references for the treatment of lining hazards. KEY WORDS gas explosion;tunnel portal;propagation of shock wave;dynamic response;damage mechanism 作为交通工程重要组成部分，隧道结构安全与 及隧道的抗爆性能进行研究.上述成果对隧道内爆 稳定性尤为重要，其中危害最大即隧道内爆炸事故， 炸问题研究方法有积极指导作用.当前，对高瓦斯 而又以隊首穿钺赋存瓦斯地层时引发的瓦斯爆炸破 隧道爆炸作用下冲击波在隧道洞口处传播特征及该 坏力最大.衬砌爆炸致损源于爆炸冲击波作用于衬 区域衬砌致损机理还鲜有研究. 砌上的冲击荷载，与冲击波在隧道内的传播有直接 本文以成都洛带古镇隧道瓦斯爆炸为工程背 关系.不同于自由空气中爆炸，隧道内爆炸产生极 景，对隧道内瓦斯等效、量化研究.考虑爆炸冲击波 大超压导致结构严重受损，随远离爆点位置衬砌损 与衬砌的相互作用，以耦合方式施加爆炸荷载.采 伤程度逐渐减小.对实际爆炸事故调查发现：近洞 用LS-DYNA建立与隧道洞口几何结构一致的流固 口衬砌损伤较轻但洞门结构却严重受损.洞门作为 耦合数值模型并验证，研究分析了爆炸过程中冲击 隧道衬砌结构对保持洞口处岩土体边坡的稳定及引 波的传播特征及隧道洞口损破机理，研究结果与现 离地表水方面发挥重要作用，研究爆炸冲击波在洞 场损伤调查情况进行对比. 口处（靠近洞门的衬砌与洞门结构）传播特征及该 1工程背景 区域结构致损机理具有重要意义 关于地下结构内爆炸冲击波传播已有较多研 洛带古镇隧道位于成都市龙泉驿区，为成洛大 究，杨科之与杨秀敏)】、刘晶波等】、田志敏等)采 道东延线控制工程，隧道地处川中天然气田分布区， 用三维有限元软件研究了爆炸冲击波在隧道内传播 自西向东横穿龙泉山脉，进口段检测得瓦斯溢出量 特征，宁鹏飞与唐德高、孔德森等s-采用S- 为0.52m3.min1,为高瓦斯隧道[2].2015-02-24， DYNA、李世强等]采用AUTODYN分别研究了爆 隧道进口段发生瓦斯爆炸，爆轰气体冲出隧道后在 炸冲击波在地铁车站及隧道内的传播规律，表明冲 洞口上方形成“蘑菇云”，隧道内大量设备、器械如 击波传播受结构形状、障碍物等爆炸环境的影响显 “子弹”般被冲出，其中两台装载机被摧毁冲至洞门 著，冲击波超压峰值、持续时间及作用于结构的爆炸 外120余米的土堆上，若无土堆阻挡，将会对附近厂 荷载均较自由场更显著.同时众多学者[8-)采用 房、民居造成更大的危害，进口段办公区已被完全摧 LS-DYNA就隧道内爆炸下衬砌的动力响应、损伤 毁，分别如图1所示，现场一片狼藉，可知瓦斯爆炸 (a (b) 图1洛带古镇隧道爆炸事故.(a)爆炸形成的“蘑菇云”：(b)隧道洞口：(c)自隧道内冲出的损毁器械；(d)办公区域 Fig.1 Gas explosion in Luodaiguzhen tunnel:(a)"mushroom cloud"produced by gas explosion;(b)situation of tunnel portal;(c)damaged equipment bursted out of the tunnel;(d)situation of office zone李志鹏等: 剧烈瓦斯爆炸隧道洞口致损机理 the tensile stresses that acted at the front and back surfaces of the portal are 7郾 9鄄鄄31郾 5 MPa and 4郾 9鄄鄄15郾 6 MPa, respectively, and mul鄄 tiple peak stresses occur on the back surface of the portal. The damage of the portal is mainly caused by the tensile stress. By compari鄄 son, the numerical simulation results of the damage characteristics of the tunnel portal basically agreed with the actual situations. Therefore, the results can provide useful references for the treatment of lining hazards. KEY WORDS gas explosion; tunnel portal; propagation of shock wave; dynamic response; damage mechanism 作为交通工程重要组成部分,隧道结构安全与 稳定性尤为重要,其中危害最大即隧道内爆炸事故, 而又以隧道穿越赋存瓦斯地层时引发的瓦斯爆炸破 坏力最大. 衬砌爆炸致损源于爆炸冲击波作用于衬 砌上的冲击荷载,与冲击波在隧道内的传播有直接 关系. 不同于自由空气中爆炸,隧道内爆炸产生极 大超压导致结构严重受损,随远离爆点位置衬砌损 伤程度逐渐减小. 对实际爆炸事故调查发现:近洞 口衬砌损伤较轻但洞门结构却严重受损. 洞门作为 隧道衬砌结构对保持洞口处岩土体边坡的稳定及引 离地表水方面发挥重要作用,研究爆炸冲击波在洞 口处(靠近洞门的衬砌与洞门结构)传播特征及该 区域结构致损机理具有重要意义. 图 1 洛带古镇隧道爆炸事故. (a)爆炸形成的“蘑菇云冶;(b)隧道洞口;(c)自隧道内冲出的损毁器械;(d)办公区域 Fig. 1 Gas explosion in Luodaiguzhen tunnel: ( a) “mushroom cloud冶 produced by gas explosion; ( b) situation of tunnel portal; ( c) damaged equipment bursted out of the tunnel; (d) situation of office zone 关于地下结构内爆炸冲击波传播已有较多研 究,杨科之与杨秀敏[1] 、刘晶波等[2] 、田志敏等[3] 采 用三维有限元软件研究了爆炸冲击波在隧道内传播 特征,宁鹏飞与唐德高[4] 、孔德森等[5鄄鄄6] 采用 LS鄄鄄 DYNA、李世强等[7] 采用 AUTODYN 分别研究了爆 炸冲击波在地铁车站及隧道内的传播规律,表明冲 击波传播受结构形状、障碍物等爆炸环境的影响显 著,冲击波超压峰值、持续时间及作用于结构的爆炸 荷载均较自由场更显著. 同时众多学者[8鄄鄄11] 采用 LS鄄鄄DYNA 就隧道内爆炸下衬砌的动力响应、损伤 及隧道的抗爆性能进行研究. 上述成果对隧道内爆 炸问题研究方法有积极指导作用. 当前,对高瓦斯 隧道爆炸作用下冲击波在隧道洞口处传播特征及该 区域衬砌致损机理还鲜有研究. 本文以成都洛带古镇隧道瓦斯爆炸为工程背 景,对隧道内瓦斯等效、量化研究. 考虑爆炸冲击波 与衬砌的相互作用,以耦合方式施加爆炸荷载. 采 用 LS鄄鄄DYNA 建立与隧道洞口几何结构一致的流固 耦合数值模型并验证,研究分析了爆炸过程中冲击 波的传播特征及隧道洞口损破机理,研究结果与现 场损伤调查情况进行对比. 1 工程背景 洛带古镇隧道位于成都市龙泉驿区,为成洛大 道东延线控制工程,隧道地处川中天然气田分布区, 自西向东横穿龙泉山脉,进口段检测得瓦斯溢出量 为 0郾 52 m 3·min - 1 ,为高瓦斯隧道[12] . 2015鄄鄄02鄄鄄24, 隧道进口段发生瓦斯爆炸,爆轰气体冲出隧道后在 洞口上方形成“蘑菇云冶,隧道内大量设备、器械如 “子弹冶般被冲出,其中两台装载机被摧毁冲至洞门 外 120 余米的土堆上,若无土堆阻挡,将会对附近厂 房、民居造成更大的危害,进口段办公区已被完全摧 毁,分别如图 1 所示,现场一片狼藉,可知瓦斯爆炸 ·1477·