地鐵車站內爆炸激波傳播的數值分析

胡衛勝

【摘 要】為研究地鐵車站內發生化學爆炸時爆炸激波傳播規律，針對典型地鐵車站內結構尺寸，利用動力學軟件ANASYS/Ls-Dyna14.0進行結構建模，模擬了固定裝藥量下TNT爆炸時車站內部爆炸激波傳播過程，得到了典型地鐵車站內爆炸激波超壓衰減規律：沖擊波初期傳播態勢紊亂，在傳播距離20m以后，呈現平面波特點；爆炸激波在距離爆心5m以內衰減迅速，距離爆心20m以外激波超壓峰值衰減緩慢。

【關鍵詞】爆炸激波；超壓規律；地鐵爆炸；數值模擬

1 建立車站模型

參考天津城市地鐵車站內部結構[1-3]，本文地鐵車站模型參數設置如下：長度為80m，車站寬度為18m，車站的站臺高度為4.8m，站臺底板距離軌道地面垂直高度為1.2m，柱狀結構截面為正方形，邊長為0.8m，每個柱子之間橫向間距為3.6m，縱向間距為7.2m，在地鐵車站縱向截面的二分之一模型中排列有五個柱子，具體車站的截面尺寸如圖1所示。爆炸選取4kgTNT半球形裝藥在地鐵車站中心地面爆炸。

根據地鐵車站模型的參數，在有限元軟件ANSYS中構建模型，如圖1所示。車站結構為空氣理想氣體（ideal gas），在X、Y、Z軸方向按照20cm進行網格劃分，四分之一模型空氣總網格數為240000個。TNT質量為4kg，密度為1.63g/cm3，半球形裝藥觸地爆炸，計算得出建模TNT球形半徑為10.5cm。由于TNT尺寸與車站模型尺寸相差懸殊，采用REMAP技術，將4kgTNT在2m范圍內的一維計算結果重新映射到車站三維結構模型當中。

2 數值模擬結果及分析

車站中心炸藥地面半球形裝藥爆炸的壓力云圖如圖3所示。TNT質量為4kg。

從外部結構整體觀察爆炸波在車站傳播的過程，由圖3容易看出：

在爆炸初始時刻，沖擊波向四周傳播的形式為球面波，如圖3（1）所示，此時沖擊波僅受到剛性車站底板的反射，沖擊波波陣面后方形成負壓區；在t=6ms時刻，沖擊波到達車站頂板后發生正反射和斜反射，反射沖擊波能量比入射沖擊波能量增強數倍，沖擊波另外一部分能量仍沿著車站橫向和縱向進行傳播；在t=9ms時刻，沖擊波峰值到達第一個柱子，隨后被柱子擋住部分能量，柱子對沖擊波的能量傳播有一定的削弱作用，隨后沖擊波接著以曲面進行傳播，從整體來看柱子對沖擊波的消弱作用不太明顯；沖擊波在到達結構側壁然后經過反射以及鐵軌處的繞射和反射之后，沖擊波的傳播呈現出一種紊亂的態勢，但整體傳播方向沿著車站結構的長度方向（即縱向傳播）；在t=32ms時，沖擊波在頂板附近再次出現峰值，原因主要為來自于各部分沖擊波能量的疊加，其中主要有由爆炸產生的球面波、沖擊波經由頂板產生的反射波以及來自于結構側壁反射的沖擊波；從沖擊波傳播傳播到78ms以及100ms時刻壓力云圖可看出，此時波陣面開始以一種較為穩定的平面波沿著結構的縱向開始傳播，途徑區域出現大面積的負壓區域。整體來看沖擊波在受限地鐵車站結構內隨著距離的增大衰減的很明顯，但初期傳播態勢比較紊亂。

沿地鐵車站縱向（長度方向）激波壓力數據如表1、表2所示，并繪制壓力衰減曲線如圖3、圖4所示。

由圖3可知，在地鐵車站中心爆炸近區5m范圍內，激波超壓峰值衰減十分迅速，從爆心距1m到2m處，超壓峰值由950.90KPa衰減到450.04KPa，衰減率約為53%，從爆心距4m到5m處，激波超壓峰值由118.19KPa衰減到84.80KPa，衰減率約為29%。隨著爆心距的增加，激波超壓衰減率減小；從圖5可得出，爆炸激波超壓衰減率隨爆心距離增加而減小，超壓峰值曲線在爆心距達到20m以后，曲線趨于平緩，此時爆心距的大小基本不對激波超壓峰值構成影響。

根據表3，結合數值模擬結果中地鐵車站長度方向（Y軸）上的激波壓力數據，可以得到爆炸對人員的破壞程度及相應的破壞半徑：在大約距爆心5m范圍以內，激波超壓峰值ΔP>100KPa，該區域為人員損壞極度嚴重區；爆心距離在5～8m范圍內，激波超壓50KPa≤ΔP≤100KPa，該區域為人員損壞嚴重區域，具體表現為器官損傷與耳膜破裂；爆心距離約為8～10m，激波超壓30KPa≤ΔP≤50KPa，該區域人員損壞中等區域，表現為輕微器官損傷，感覺較為疼痛；在爆心距離10m以外區域，為人員輕微損壞區域，感覺會有不適。

沿著地鐵車站橫軸方向（X軸方向），從距離爆心0.5m處設置選取點，每間隔0.5m設置一點，共設置18個選取點。所有選取點高度（Z軸方向）均為1.2m，縱向距離（Y軸）均為0m。通過數值模擬分析，在X=2m、4m、6m、8m處（Y=0，Z=1.2m），激波壓力衰減曲線如圖5所示。

由圖5可知，激波在沿X軸線的傳播規律與在沿車站Y軸方向的傳播規律基本一致，在距離爆心近的區域，激波壓力衰減的很快，距爆心3m以外，激波壓力衰減幅度變緩。

3 結論

（1）地鐵車站內發生爆炸，爆炸激波初始傳播形式為球面波，隨后與地面、頂板及柱體的接觸作用從而發生反射與繞流，壓力流場變得比較紊亂，但隨著傳播距離的增加，在車站長度方向20m以后，激波傳播呈現為平面波的特點。

（2）地鐵車站內爆炸激波在爆炸近區5m內衰減十分迅速，距爆心5m以外，爆炸激波超壓峰值衰減率會隨著爆心距增加而減小，超壓峰值曲線在爆心距達到20m以后，曲線趨于平緩，此時爆心距離對激波超壓峰值的影響較弱。

（3）在地鐵長度方向，根據激波超壓衰減曲線，劃分出爆炸激波對人員損傷區域范圍：爆心距離為5m以內的區域，為人員死亡區；爆心距離為5～8m的區域，為人員損傷嚴重區；爆心距離約為8～10m的區域，為人員損傷中等區；在爆心距離10m以外區域，為人員輕微損傷區。

【參考文獻】

[1]英秀玲.天津地鐵和平路站設計方案研究[J].鐵道勘察，2004，30（6）：59-61.

[2]朱敢平.天津地鐵1、2、3號線設計[J].世界軌道交通，2004（7）：33-35.

[3]劉洪.天津地鐵規劃要點[J].天津市政工程，1998，10（3）：45-48.

[責任編輯：王楠]