·1478 工程科学学报，第40卷，第12期 威力十分巨大 810,爆点附近衬砌已完全破坏，近洞门衬砌损伤主 隧道洞门为C30钢筋混凝土结构，起讫桩号 要表现为稀疏、较窄的纵向裂缝，但洞门损伤却异常 ZK2+030,爆炸前隧道左洞二衬施做至ZK2+820. 严重，洞门顶部混凝土破碎成块状并缺失、钢筋外漏， 经爆炸后调查，如图2所示，左洞爆点位于ZK2+ 拱部、边墙处裂缝密集且较宽，洞门与衬砌已分离. (a) b ZK2+810 隧道左洞 掌 进 d 图2隧道左洞爆点位置及洞门损伤情况.(a)左洞爆点位置：(b)隧道洞门：(c)洞门顶部：(d)洞门迎爆面拱部，边墙 Fig.2 Location of detonation and damage details of portal:(a)detonation location in the left tunnel;(b)tunnel portal;(c)vault of tunnel portal; (d)arch and side wall zone of the front surface of tunnel portal 鉴于原位试验的高风险、高成本，相似比例试验 Qc 中炸药难以获取且结果具有一定离散性，理论模型 EazQwt (1) 仅适用于理想、简单爆炸问题分析，而数值模拟可有 Mr=aE,·VcPe (2) 效克服这些问题，其中LS-DYNA以其强大的分析 式中：E为单位质量甲烷与TNT的爆热比；Qc为甲 能力被广泛应用于各类爆炸问题的研究中.综上， 烷爆热，M·kg;Qw为TNT爆热，一般取4.5M· 本文采用LS-DYNA考虑流固耦合效应就洞口段桩 kg;Mr为隧道内积聚瓦斯的等效TNT当量；a为 号ZK2+030~ZK2+060区间爆炸冲击波的传播特 瓦斯中甲烷体积分数；V。为瓦斯体积，m3:Pe为甲 征及结构损伤机理进行研究，其中ZK2+030~045 烷密度，取0.716kgm3 为洞门结构，ZK2+045~060为近洞门衬砌. 取最不利情况即甲烷完全燃烧，爆炸威力最大， 2数值模型 由式(3)知甲烷完全燃烧时放热量为55.64M山· kg-1 2.1瓦斯爆炸TNT当量估算 CH,+202=C02+2H20+890.3kJ(3) 瓦斯爆炸属于突发事故，爆炸前隧道内瓦斯总 当瓦斯完全燃烧时甲烷的体积分数可由式(4) 量及积聚位置难以确定，当前对于可燃气体的爆炸 计算得9.5%： 模型及状态方程研究尚不完善，需寻求一种替代瓦 20.95 -×100% (4) 斯的等效爆源模拟隧道内的瓦斯爆炸. C0=0.2095+ TNT常用于描述爆炸的爆轰状态，其爆炸模型 式中，n为1mol甲烷完全燃烧时所需氧气摩尔数， 及参数已有较完备研究.当前，多数可燃物爆炸研 取2. 究中常采用等效爆源法，即通过爆热能换算将目标 本文假定瓦斯聚集于近洞门衬砌段，即ZK2+ 爆源转化成一定当量的TNT13-16]. 045~060区间，施工期间检测到瓦斯溢出量为0.78 瓦斯是多种气体的混合物，主要可燃物为甲烷 m3min-1,爆炸发生时隧道已10d未通风，可知该 (CH,),由能量相似原理根据爆热比计算求得隧道 区域内已经充填满瓦斯，横断面积72.34m2,积聚瓦 内积聚瓦斯的等效TNT当量，如式(1)、(2)所示： 斯总体积为1085.1m3,由式(1)、(2)计算得Mr为工程科学学报,第 40 卷,第 12 期 威力十分巨大. 隧道洞门为 C30 钢筋混凝土结构,起讫桩号 ZK2 + 030,爆炸前隧道左洞二衬施做至 ZK2 + 820. 经爆炸后调查,如图 2 所示,左洞爆点位于 ZK2 + 810,爆点附近衬砌已完全破坏,近洞门衬砌损伤主 要表现为稀疏、较窄的纵向裂缝,但洞门损伤却异常 严重,洞门顶部混凝土破碎成块状并缺失、钢筋外漏, 拱部、边墙处裂缝密集且较宽,洞门与衬砌已分离. 图 2 隧道左洞爆点位置及洞门损伤情况. (a)左洞爆点位置;(b)隧道洞门;(c)洞门顶部;(d)洞门迎爆面拱部、边墙 Fig. 2 Location of detonation and damage details of portal: (a) detonation location in the left tunnel; (b) tunnel portal; (c) vault of tunnel portal; (d) arch and side wall zone of the front surface of tunnel portal 鉴于原位试验的高风险、高成本,相似比例试验 中炸药难以获取且结果具有一定离散性,理论模型 仅适用于理想、简单爆炸问题分析,而数值模拟可有 效克服这些问题,其中 LS鄄鄄 DYNA 以其强大的分析 能力被广泛应用于各类爆炸问题的研究中. 综上, 本文采用 LS鄄鄄DYNA 考虑流固耦合效应就洞口段桩 号 ZK2 + 030 ~ ZK2 + 060 区间爆炸冲击波的传播特 征及结构损伤机理进行研究,其中 ZK2 + 030 ~ 045 为洞门结构,ZK2 + 045 ~ 060 为近洞门衬砌. 2 数值模型 2郾 1 瓦斯爆炸 TNT 当量估算 瓦斯爆炸属于突发事故,爆炸前隧道内瓦斯总 量及积聚位置难以确定,当前对于可燃气体的爆炸 模型及状态方程研究尚不完善,需寻求一种替代瓦 斯的等效爆源模拟隧道内的瓦斯爆炸. TNT 常用于描述爆炸的爆轰状态,其爆炸模型 及参数已有较完备研究. 当前,多数可燃物爆炸研 究中常采用等效爆源法,即通过爆热能换算将目标 爆源转化成一定当量的 TNT [13鄄鄄16] . 瓦斯是多种气体的混合物,主要可燃物为甲烷 (CH4 ),由能量相似原理根据爆热比计算求得隧道 内积聚瓦斯的等效 TNT 当量,如式(1)、(2)所示: Eq = QG QTNT (1) MTNT = 琢·Eq·VG·籽G (2) 式中:Eq 为单位质量甲烷与 TNT 的爆热比;QG 为甲 烷爆热,MJ·kg - 1 ;QTNT为 TNT 爆热,一般取 4郾 5 MJ· kg - 1 ;MTNT为隧道内积聚瓦斯的等效 TNT 当量;琢 为 瓦斯中甲烷体积分数;VG 为瓦斯体积,m 3 ;籽G 为甲 烷密度,取 0郾 716 kg·m - 3 . 取最不利情况即甲烷完全燃烧,爆炸威力最大, 由式(3) 知甲烷完全燃烧时放热量为 55郾 64 MJ· kg - 1 . CH4 + 2O2圯CO2 + 2H2O + 890郾 3 kJ (3) 当瓦斯完全燃烧时甲烷的体积分数可由式(4) 计算得 9郾 5% : C0 = 20郾 95 0郾 2095 + n0 伊 100% (4) 式中,n0 为 1 mol 甲烷完全燃烧时所需氧气摩尔数, 取 2. 本文假定瓦斯聚集于近洞门衬砌段,即 ZK2 + 045 ~ 060 区间,施工期间检测到瓦斯溢出量为 0郾 78 m 3·min - 1 ,爆炸发生时隧道已 10 d 未通风,可知该 区域内已经充填满瓦斯,横断面积 72郾 34 m 2 ,积聚瓦 斯总体积为 1085郾 1 m 3 ,由式(1)、(2)计算得 MTNT为 ·1478·