李志鵬， 吳順川， 嚴(yán) 瓊， 蔣一波

(1. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 2. 中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048)

近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，各生產(chǎn)領(lǐng)域爆炸事故頻發(fā)，其中危害最大、使國民經(jīng)濟(jì)受到巨大損失的一類為瓦斯爆炸事故。數(shù)值模擬方法在研究爆炸沖擊問題中具有顯著地高效性[1]，隨著力學(xué)、數(shù)學(xué)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算的精準(zhǔn)度也在不斷提高[2]。在瓦斯爆炸問題研究中首先需確定爆炸荷載——即數(shù)值模型中的爆源。

方秦等[3]將“天津港8.12特大爆炸”事故中?；返刃橐欢ó?dāng)量的TNT評(píng)估爆炸威力；耿振剛等[4]采用等效TNT當(dāng)量法研究了溫壓炸藥在坑道內(nèi)的爆炸特性；姚術(shù)健等[5]采用等效TNT當(dāng)量法研究了汽車炸彈爆炸作用下橋梁的破壞效應(yīng)；馬礪等[6]、文霞等[7]均采用等效TNT當(dāng)量法分別研究了儲(chǔ)油罐、輸氣管道泄漏引發(fā)爆炸所產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)；張秀華等[8-9]將可燃?xì)怏w直接作為爆源模擬了乙炔-空氣爆炸作用下爆炸沖擊波特征、以甲烷-空氣作為爆源模擬室內(nèi)燃?xì)獗ㄗ饔孟落摻Y(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及對(duì)TNT、乙炔-空氣在自由空間爆炸作用下的沖擊波強(qiáng)度特征進(jìn)行比較。以上學(xué)者的研究對(duì)數(shù)值模擬中爆源選取具有積極的指導(dǎo)作用，大致總結(jié)為兩類：等效TNT當(dāng)量法與可燃?xì)怏w法。

本文通過介紹數(shù)值計(jì)算中爆源的兩種模擬方法，分析了以TNT、可燃?xì)怏w為爆源分別在自由空間與半自由空間內(nèi)爆炸作用下爆炸沖擊波的特征及約束結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并以成都洛帶古鎮(zhèn)隧道瓦斯爆炸致災(zāi)為工程背景建立流固耦合數(shù)值模型，修正RHT模型參數(shù)以模擬襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過計(jì)算得到隧道內(nèi)積聚瓦斯的等效TNT當(dāng)量，分別計(jì)算分析了以TNT、可燃?xì)怏w為爆源的爆炸作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的損傷特征并與實(shí)際損傷調(diào)查相對(duì)比，初步探索了采用數(shù)值模擬在隧道瓦斯爆炸研究中的爆源確定問題，研究可指導(dǎo)洛帶古鎮(zhèn)隧道爆炸致災(zāi)后襯砌結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)、修復(fù)加固工作及為類似地下工程瓦斯爆炸研究提供參考。

1 爆源確定方法

1.1 等效TNT當(dāng)量法

等效TNT當(dāng)量法，即采用高能炸藥TNT作為中間媒介，根據(jù)能量相似原理以瓦斯與TNT的爆熱比關(guān)系換算得到定量瓦斯的等效TNT當(dāng)量，如式(1)～(2)所示，瓦斯是多種氣體的混合物，主要可燃物為甲烷(CH4)。

(1)

MTNT=αEQVGρG

(2)

式中：QG為甲烷爆熱， MJ/kg；QT為TNT爆熱，一般取4.5 MJ/kg；Eq為單位質(zhì)量甲烷與TNT的爆熱比；α為瓦斯中甲烷含量；VG為瓦斯體積，m3；ρG為甲烷密度，取0.716 kg/m3；MTNT為隧道內(nèi)積聚瓦斯的等效TNT當(dāng)量。

由甲烷燃燒方程式(3)知，單位質(zhì)量甲烷完全燃燒放熱量為55.64 MJ/kg[10]。

CH4+2O2?CO2+2H2O+890.3 kJ

(3)

當(dāng)瓦斯完全燃燒時(shí)甲烷的濃度可由式(4)計(jì)算得9.5%[10]：

(4)

式中：n0為1 mol可燃?xì)怏w燃燒時(shí)所需要的氧摩爾數(shù)，取2。

當(dāng)瓦斯中甲烷含量達(dá)9.5%時(shí)，甲烷和氧氣完全反應(yīng)，瓦斯爆炸威力最大，故式(2)中α為9.5%，為55.64 MJ/kg。

1.2 可燃?xì)怏w法

該方法假設(shè)瓦斯-空氣混合氣體真實(shí)存在，爆炸前混合氣體處于常溫、常壓均勻狀態(tài)，比熱容隨溫度變化，滿足理想氣體的狀態(tài)方程，爆炸過程為單向不可逆反應(yīng)，基于質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒原理求解爆轟波的Hugoniot與Rayleigh方程得到得混合氣體爆炸參數(shù)[11]，式(5)～(6)所示。

(5)

(6)

式中：e0、ej分別為爆炸前、后的爆炸物內(nèi)能；p0、pj分別為爆炸前、后的壓力；V0、Vj分別為爆炸前、后氣體的比容；Qe表示爆熱；D表示爆速。

2 不同爆源的爆炸特征研究

采用顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件LS-DYNA建立流固耦合數(shù)值模型，對(duì)TNT、可燃?xì)怏w(瓦斯-空氣)兩種爆源分別在自由空間與半自由空間(X-Y方向受混凝土結(jié)構(gòu)約束，厚12 cm，Z方向自由)爆炸作用下爆炸沖擊波傳播特征與結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析并驗(yàn)證模型。

2.1 數(shù)值模型

由式(1)換算得：100 kg(0.061 m3)TNT爆炸等效為162.93 kg(132.03 m3)的瓦斯-空氣混合氣體爆炸，建立表1中不同工況的爆源-空氣、爆源-混凝土結(jié)構(gòu)-空氣流固耦合數(shù)值模型，爆源幾何結(jié)構(gòu)為球體。

表1 數(shù)值模擬工況

工況1、2均選取1/8模型計(jì)算，起爆位置位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，除對(duì)稱邊界外其余均設(shè)置為無反射邊界，數(shù)值模型如圖1、2所示。

圖1 工況1數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of 1st situation

圖2 工況2數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of 2nd situation

2.2 計(jì)算參數(shù)

2.2.1 TNT

LS-DYNA中TNT的本構(gòu)模型與狀態(tài)方程分別為*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN與*EOS_JWL[12]，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 TNT計(jì)算參數(shù)

2.2.2 可燃?xì)怏w

可燃?xì)怏w為瓦斯-空氣混合氣體，其本構(gòu)模型采用LS-DYNA中的*MAT_NULL，狀態(tài)方程為*EOS_LINEAR_POLYMNOMIAL[12]，計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 可燃?xì)怏w計(jì)算參數(shù)

2.2.3 空 氣

空氣的本構(gòu)模型與狀態(tài)方程與可燃?xì)怏w相同，計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 空氣計(jì)算參數(shù)

2.2.4 混凝土

混凝土結(jié)構(gòu)采用LS-DYNA中RHT模型[13]，該模型能較好模擬混凝土材料在爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)力特性[14]，計(jì)算參數(shù)如表5所示[15]。

表5 混凝土計(jì)算參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與驗(yàn)證

2.3.1 爆炸沖擊波傳播特征

在圖1、2所示的數(shù)值模型均布設(shè)4個(gè)等間距測點(diǎn)，就各測點(diǎn)的超壓時(shí)程曲線及超壓峰值進(jìn)行分析，探究TNT、瓦斯-空氣兩種爆源分別在自由、半自由空間爆炸作用下爆炸沖擊波的傳播特征。

由圖3、4可知：

(1) TNT在自由空間爆炸作用下，如圖3(a)所示，測點(diǎn)處壓強(qiáng)依次達(dá)到最大超壓峰值后迅速衰減至爆炸前狀態(tài)，隨測點(diǎn)爆心距增大，各測點(diǎn)最大超壓峰值呈衰減趨勢，屬于典型的點(diǎn)源爆炸。

瓦斯-空氣在自由空間爆炸作用下，如圖3(b)所示，測點(diǎn)處壓強(qiáng)達(dá)到最大超壓峰值后衰減緩慢并出現(xiàn)波動(dòng)峰值，各測點(diǎn)的最大超壓峰值相差不大，可能原因?yàn)椋夯旌蠚怏w燃燒爆炸非點(diǎn)源爆炸，相比于TNT，爆速較低，爆炸沖擊波逐層依次向外傳播。距爆心由近及遠(yuǎn)的1#～4#測點(diǎn)超壓峰值在層層沖擊波作用下超壓峰值持續(xù)作用時(shí)間逐漸變短，后續(xù)的脈動(dòng)波峰為混合氣體的爆炸產(chǎn)物繼續(xù)膨脹做功所產(chǎn)生。

(2) TNT在半自由空間爆炸作用下，如圖4(a)所示，最大超壓峰值測點(diǎn)為距離混凝土結(jié)構(gòu)最近的4#測點(diǎn)(11.2 MPa)，這是由于爆炸沖擊波在混凝土表面發(fā)生反射且4#測點(diǎn)處為“犄角結(jié)構(gòu)”致使該處超壓峰值劇增且作用時(shí)間較長。圖中A點(diǎn)表示3#測點(diǎn)處壓強(qiáng)在初始爆炸沖擊波作用下達(dá)到一個(gè)超壓峰值(0.68 MPa)，B點(diǎn)受沖擊波反射影響形成的超壓峰值(1.46 MPa)，而遠(yuǎn)離混凝土結(jié)構(gòu)的1#～2#測點(diǎn)并未受到顯著影響，表明爆炸沖擊波在結(jié)構(gòu)處(障礙物)發(fā)生反射后使結(jié)構(gòu)附近區(qū)域壓強(qiáng)劇增。

圖3 工況1下各測點(diǎn)的超壓時(shí)程曲線及超壓峰值Fig.3 Overpressures time-history curves and Max. pressure of 1st situation surveying points

瓦斯-空氣在半自由空間爆炸作用下，各測點(diǎn)的爆心距均較小故超壓峰值都得到不同程度增加，如圖4(b)所示，與TNT爆炸相似最大超壓峰值位于靠近混凝土結(jié)構(gòu)的4#測點(diǎn)，達(dá)3.36 MPa。

2.3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)與損傷

通過對(duì)圖5中混凝土結(jié)構(gòu)上測點(diǎn)(1#～3#)的超壓-時(shí)程曲線及測點(diǎn)在X方向上的加速度-時(shí)程曲線、速度-時(shí)程曲線及位移-時(shí)程曲線分析，如圖6、圖7所示，探究在TNT、瓦斯-空氣兩種爆源在半自由空間爆炸作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征。

圖4 工況2下各測點(diǎn)的超壓時(shí)程曲線及超壓峰值Fig.4 Overpressures time-history curves and Max. pressure of 2nd situation surveying points

圖5 混凝土結(jié)構(gòu)測點(diǎn)分布Fig.5 Measuring points arrangement on concrete structure

圖6 TNT爆炸作用下混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)Fig.6 Dynamic responses of concrete structure under TNT explosion

TNT爆炸作用下，如圖6所示，3#測點(diǎn)爆心距最小且主要受X方向的爆炸沖擊荷載，速度與位移峰值均最大，分別為25.5 m/s、10.1 cm；超壓峰值較2#測點(diǎn)大，為5.95 MPa；加速度峰值接近與2#測點(diǎn)，達(dá)2 120 g。由測點(diǎn)速度-時(shí)程曲線后期增長趨勢變緩及加速度-時(shí)程曲線后期振幅減小可知，沖擊荷載衰減較快，結(jié)構(gòu)受強(qiáng)烈沖擊但作用時(shí)間較短。

如圖7(b)、圖7(c)所示，在瓦斯-空氣爆炸作用下，測點(diǎn)加速度、速度時(shí)程曲線波動(dòng)較大且衰減緩慢，結(jié)構(gòu)受爆炸荷載作用時(shí)間較長；1#～3#測點(diǎn)到爆源距離相差甚微，“犄角結(jié)構(gòu)”處爆炸沖擊波增強(qiáng)效應(yīng)顯著，故1#測點(diǎn)超壓峰值最大，達(dá)3.36 MPa。

圖7 瓦斯-空氣爆炸作用下混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)Fig.7 Dynamic responses of concrete structure under gas explosion

對(duì)比圖6、7可知：

(1) TNT、瓦斯-空氣爆炸作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征有所不同：在TNT爆炸作用下，結(jié)構(gòu)受到的爆炸沖擊荷載很大，但荷載作用時(shí)間極為短暫，幾乎瞬間完成且沖擊荷載隨爆心距增加衰減很快；在瓦斯-空氣爆炸作用下，結(jié)構(gòu)受到爆炸沖擊荷載雖小但作用時(shí)間較長且衰減較緩慢。

(2) 兩種等效爆源在同一的爆炸空間內(nèi)：TNT爆炸作用下，結(jié)構(gòu)整體承受的爆炸沖擊荷載并不均勻，主要與結(jié)構(gòu)不同部位的爆心距及結(jié)構(gòu)本身幾何特征相關(guān)；瓦斯-空氣爆炸作用下，結(jié)構(gòu)整體承受的爆炸沖擊荷載較為均勻，主要受結(jié)構(gòu)幾何特征影響。

圖8中，“損傷程度=1.0”表示結(jié)構(gòu)完全破壞，“損傷程度=0”表示未發(fā)生破壞。

由圖8知，兩種爆源爆炸作用下混凝土結(jié)構(gòu)的“犄角結(jié)構(gòu)”處、正對(duì)爆源的X、Y方向處損傷嚴(yán)重，與前文對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析相對(duì)應(yīng)。

圖8 兩種爆源爆炸作用下混凝土結(jié)構(gòu)的損傷Fig.8 Damage of concrete structure under the explosion of two burst source

2.3.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

將TNT在自由空間爆炸下的數(shù)值計(jì)算值(如圖3(a)所示)與Henrych等[16]基于大量實(shí)驗(yàn)提出的空中爆炸沖擊波經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測值進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示，誤差分析如表6所示。

由圖表可知：數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式較為相似，測點(diǎn)超壓峰值變化趨勢一致，計(jì)算最大誤差為9.8%，最小誤差為8.3%。誤差分析原因主要與數(shù)值模型中的單元尺寸有關(guān)，若進(jìn)一步精細(xì)模型網(wǎng)格，表6所示誤差整體仍可減小，即便如此計(jì)算結(jié)果仍與文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)果基本一致，滿足計(jì)算要求。綜上所述，本文的研究方法與建立的數(shù)值模型可靠性強(qiáng)，可用于洛帶古鎮(zhèn)隧道爆炸計(jì)算分析研究。

圖9 TNT自由場爆炸下測點(diǎn)超壓峰值對(duì)比Fig.9 Comparison of Max.pressure of measuring points in free-field air explosion

測點(diǎn)號(hào)數(shù)值計(jì)算值/MPaHenrych預(yù)測值/MPa相對(duì)誤差/%11.020.9210.920.820.759.330.690.639.540.590.549.3

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

洛帶古鎮(zhèn)隧道瓦斯爆炸事故為近年來國內(nèi)外唯一的、典型的公路隧道內(nèi)劇烈爆炸案例。隧道位于四川省成都市自西向東橫穿龍泉山脈，在隧道進(jìn)口段現(xiàn)場檢測瓦斯最大溢出量為0.52 m3/min，為高瓦斯隧道[18]。2015年2月24日，隧道進(jìn)口段發(fā)生瓦斯爆炸，現(xiàn)場情況如圖10(a)所示，從圖中可知瓦斯爆炸威力巨大，隧道受損情況十分嚴(yán)重。事故調(diào)查結(jié)果顯示左洞1個(gè)爆點(diǎn)(ZK2+810)，右洞2個(gè)爆點(diǎn)(K2+300、K2+587)，如圖10(b)、圖10(c)所示。本文選取洛帶古鎮(zhèn)隧道左洞爆炸受損部分區(qū)域(ZK2+800～ZK2+820)進(jìn)行研究，該區(qū)段二襯結(jié)構(gòu)為厚40 cm的C25素混凝土結(jié)構(gòu)。

圖10 隧道爆點(diǎn)示意圖Fig.10 Location of explosive points in tunnels

3.2 爆 源

隧道施工期間ZK2+800～ZK2+820段檢測的瓦斯溢出量為1.08 m3/min，隧道斷面面積為72.34 m2，爆炸事故發(fā)生時(shí)隧道已10天未通風(fēng)，由此知研究區(qū)域內(nèi)已經(jīng)充填滿瓦斯空氣混合氣體，體積為1 446.8 m3，由式(1)～(2)計(jì)算得為1 216.8 kg。

3.3 數(shù)值模型及襯砌、圍巖計(jì)算參數(shù)

根據(jù)該區(qū)段隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計(jì)圖，如圖11(a)所示，構(gòu)建“爆源-空氣-襯砌結(jié)構(gòu)-圍巖”的流固耦合數(shù)值模型，爆心設(shè)置在隧道中心，爆源分別為TNT、瓦斯-空氣，起爆位置距離隧道拱頂與仰拱底板等距，均為3.6 m，數(shù)值模型如圖11(b)、圖11(c)所示，數(shù)值模型尺寸為20.00 m×17.64 m×15.70 m(長×寬×高)，如圖11(d)所示，邊界條件設(shè)置為無反射邊界。

圖11 數(shù)值模型Fig.11 Numerical model

(1) 襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)修正

襯砌結(jié)構(gòu)采用RHT模型，對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行修正：

①為避免計(jì)算過程中襯砌結(jié)構(gòu)因變形過大，導(dǎo)致單元網(wǎng)格扭曲、畸變影響計(jì)算，取最小失效拉應(yīng)變?yōu)?.000 8，損傷參數(shù)D1、D1分別為0.015與1.0[19]。

②混凝土結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變率βc和拉伸應(yīng)變率βt由式(7)～(8)分別取0.042、0.044[15]。

βc=4/(20+3fc)

(7)

βt=2/(20+fc)

(8)

③初襯結(jié)構(gòu)中的鋼拱架與鋼筋網(wǎng)片有效地提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，但這些鋼結(jié)構(gòu)密布于初襯結(jié)構(gòu)，若對(duì)其建模計(jì)算將導(dǎo)致數(shù)值模型過于繁瑣計(jì)算效率大大降低，當(dāng)前多數(shù)學(xué)者將鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片的增強(qiáng)作用通過等效強(qiáng)度原理彌散到混凝土中[20-21]，故文章也采用等效強(qiáng)度法由式(9)計(jì)算得初襯結(jié)構(gòu)的等效抗拉強(qiáng)度為6.1 MPa[18]。

(9)

式中：ft為混凝土的抗拉強(qiáng)度，2.5 MPa；fy為鋼筋的屈服強(qiáng)度取300 MPa；ρ為混凝土結(jié)構(gòu)中含鋼率，計(jì)算取1.2%。

(2) 圍巖模型及參數(shù)

隧道內(nèi)發(fā)生爆炸，圍巖應(yīng)變率效應(yīng)明顯，采用LS-DYNA中*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，圍巖屈服與加載應(yīng)變率關(guān)系如式(10)～(11)，計(jì)算參數(shù)如表6所示。

(10)

Ep=EtanE0/(E0-Etan)

(11)

表7 圍巖計(jì)算參數(shù)

3.4 不同爆源爆炸作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷特征

洛帶古鎮(zhèn)隧道分別在等效TNT當(dāng)量、瓦斯-空氣兩種爆源爆炸作用下襯砌結(jié)構(gòu)的損傷特征，如圖12、13所示為，均取1/2模型進(jìn)行說明。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)在等效TNT當(dāng)量爆炸作用下的損傷特征如圖12所示：襯砌結(jié)構(gòu)迎爆面損傷程度較背爆面嚴(yán)重；爆心附近區(qū)域破壞嚴(yán)重，在拱頂附近的拱部存在大范圍損傷域，隧道底板上形成面積約12.31 m2的爆坑，這是因?yàn)楸奶幰r砌結(jié)構(gòu)受劇烈爆炸沖擊荷載的沖壓、拉伸作用所致；遠(yuǎn)離爆心的襯砌結(jié)構(gòu)在拱部、曲邊墻部位以縱向裂縫為主局部有環(huán)向裂縫，這是由于TNT爆炸產(chǎn)生的沖擊荷載在傳播過程中衰減極快，遠(yuǎn)離爆心的襯砌結(jié)構(gòu)在入射、衍射、反射沖擊波的拉伸作用下產(chǎn)生以縱向?yàn)橹鞯膿p傷裂縫；襯砌結(jié)構(gòu)的曲邊墻腳位置已完全破壞，該處的“犄角結(jié)構(gòu)”使得沖擊荷載劇增，損傷裂縫迅速發(fā)展直至貫通。

圖12 TNT爆炸作用下襯砌結(jié)構(gòu)的損傷特征Fig.12 Damage characteristics of lining structure under TNT explosion

圖13 瓦斯-空氣爆炸作用下襯砌結(jié)構(gòu)的損傷狀況Fig.13 Damage characteristics of lining structure under gas explosion

隧道襯砌結(jié)構(gòu)在瓦斯-空氣爆炸作用下的損傷特征如圖13所示：襯砌結(jié)構(gòu)的迎爆面與背爆面、近爆區(qū)與遠(yuǎn)離爆心區(qū)域的損傷程度相似；位于襯砌結(jié)構(gòu)拱部、曲邊墻上遍布縱向、環(huán)向裂縫，以錯(cuò)綜復(fù)雜的縱向裂縫為主，這是因?yàn)橥咚?空氣燃燒爆炸產(chǎn)生的沖擊荷載衰減緩慢、荷載峰值持續(xù)時(shí)間較長，沖擊波經(jīng)反射對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉伸作用致襯砌結(jié)構(gòu)上損傷裂縫遍布；與TNT爆炸相似，曲邊墻腳處襯砌結(jié)構(gòu)已完全破壞。

圖12、13與圖14對(duì)比可知：爆源為等效TNT時(shí)，爆炸作用下近爆區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，遠(yuǎn)離爆心區(qū)損傷較輕，而數(shù)值計(jì)算范圍有限故距離爆心更遠(yuǎn)區(qū)域的襯砌結(jié)構(gòu)損傷計(jì)算結(jié)果將與實(shí)際情況不相符；當(dāng)爆源為瓦斯-空氣時(shí)，洛帶古鎮(zhèn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體損傷特征的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際調(diào)查情況基本一致，表明在數(shù)值計(jì)算中以瓦斯-空氣模擬爆源可以較為真實(shí)反映隧道襯砌結(jié)構(gòu)在瓦斯爆炸作用下的損傷特征。

圖14 隧道襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)際損傷調(diào)查情況Fig.14 Investigation on actual damage of tunnel lining structures

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬法對(duì)瓦斯爆炸問題中爆源的選取進(jìn)行研究，建立流固耦合數(shù)值模型，分別對(duì)等效TNT當(dāng)量、瓦斯-空氣兩種爆源在自由空間與半自由空間爆炸作用下爆炸沖擊波的傳播特征及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究分析，并以洛帶古鎮(zhèn)隧道瓦斯爆炸事故為工程背景，對(duì)兩種爆源爆炸作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的損傷特征進(jìn)行分析并與實(shí)際損傷調(diào)查情況對(duì)比，有如下發(fā)現(xiàn)：

(1) TNT在自由空間爆炸作用下沿傳播方向爆炸沖擊波能量衰減迅速；相比較，可燃?xì)怏w爆炸作用下沖擊能量較小但作用時(shí)間長且緩慢衰減。

(2) 在半自由空間內(nèi)，兩種爆源爆炸作用下靠近結(jié)構(gòu)處壓強(qiáng)均受爆炸沖擊波反射增強(qiáng)效應(yīng)而劇增。

(3) 在TNT爆炸作用下，混凝土結(jié)構(gòu)受劇烈但短暫的沖擊作用；在可燃?xì)怏w爆炸作用下，爆炸沖擊荷載對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)作用時(shí)間較長。

(4) 洛帶古鎮(zhèn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷特征為：在TNT爆炸作用下，近爆區(qū)、迎爆面的襯砌結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，遠(yuǎn)離爆心區(qū)域在襯砌結(jié)構(gòu)拱部、曲邊墻上以縱向裂縫為主；在可燃?xì)怏w爆炸作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷較均勻，襯砌結(jié)構(gòu)拱部、曲邊墻上遍布錯(cuò)綜復(fù)雜的縱向、環(huán)向裂縫。經(jīng)對(duì)比，可燃?xì)怏w模擬爆源的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與洛帶古鎮(zhèn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)際損傷調(diào)查情況更為接近，表明基于流固耦合數(shù)值方法以可燃?xì)怏w作為爆源研究隧道內(nèi)瓦斯爆炸問題是可行的，爆源、襯砌結(jié)構(gòu)等計(jì)算參數(shù)取值合理。

文章研究還存在一些問題需進(jìn)一步探索：

隧道內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及施工設(shè)備將極大增強(qiáng)瓦斯爆炸威力、加劇襯砌結(jié)構(gòu)破壞，后續(xù)研究中需考慮。