基于有限元的復(fù)材隧道逃生管道關(guān)門塌方數(shù)值模擬

張偉 辛亮 陳繼滔 周恒 張軒瑜

摘 要：針對一種內(nèi)外層為玻璃鋼、芯層為陶粒樹脂混凝土的新型復(fù)合材料隧道逃生管道結(jié)構(gòu)，利用ABAQUS有限元軟件對逃生管道的關(guān)門塌方性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：①關(guān)門塌方模擬時，隨著圍巖等級的增加，逃生管道所受的應(yīng)力增加，三車道隧道逃生管道所受的應(yīng)力最大，不同坍塌位置對逃生管道應(yīng)力影響不大；②所提出的新型逃生管道在關(guān)門塌方模擬時，均滿足應(yīng)急逃生需求。

關(guān)鍵詞：隧道逃生管道；關(guān)門塌方；有限元；數(shù)值模擬；ABAQUS

中圖分類號：TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）02-0130-04

Closing Collapse Numerical Simulation of Composite Tunnel

Escape Tubes Based on FEM

ZHANG Wei1 XIN Liang2 CHEN Jitao3 ZHOU Heng4 ZHANG Xuanyu2

（1.Taizhou Quality Supervision Bureau of Communication Engineering， Taizhou Zhejiang 318000；2. Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074；3. Zhejiang Yilu Construction Co. Ltd.，Yongjia Zhejiang 325102；4.Zhejiang Hengzexi Traffic Technology Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310052）

Abstract： A new type of composite tunnel escape tube structure which inner and outer is glass fiber， core layer is ceramsite resin concrete was proposed. The closing collapse of the escape tube were numerically simulated by ABAQUS finite element software， the conclusions drawn are as follow： ① when the closing collapse is simulated， the stress of the escape pipe increases with the increase of the surrounding rock grade； the stress of the escape pipeline of the three lane tunnel is the largest； different collapse positions have little influence on the stress of escape pipeline ；②the new type of escape pipe meets the emergency evacuation demand when closing collapse simulation.

Keywords： tunnel escape tube；closing collapse；FEM；numerical simulation；ABAQUS

1 研究背景

隨著我國交通路網(wǎng)的完善，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，特別是高速鐵路和客運(yùn)專線的大量修建，隧道建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平也踏上了一個新的臺階。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，施工時常常遇到斷面大、埋深淺、下穿公路或建筑物等情況，隧道施工難度大，導(dǎo)致施工中隧道關(guān)門塌方事故屢屢發(fā)生，施工安全問題非常嚴(yán)峻。《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》指出，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ圍巖施工必須采用隧道逃生裝置[1]，以便施工人員在關(guān)門塌方事故中逃生。

目前的逃生裝置多為內(nèi)徑800mm的圓管，許多學(xué)者采用300kg落石從7m高處自由下落沖擊管道，對管道的沖擊性能進(jìn)行了研究，以表征管道的安全性。胡浩軍等[2]采用數(shù)值算法得到了石頭沖擊圓管的凹陷值，給管道的抗沖擊計算提供了依據(jù)。張瑜等[3]對逃生管道進(jìn)行了數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，結(jié)果吻合良好。楊彪等[4]提出了一種新型鋼帶PE管，并進(jìn)行了現(xiàn)場沖擊試驗，表明PE管具有造價低、連接方便等優(yōu)點。但是，并沒有學(xué)者研究關(guān)門塌方情況下管道的抗壓性能，不能全面表征管道的安全性能。

目前，逃生管道的管材主要采用鋼管和鋼筋混凝土管。兩種材料均有很高的剛度和強(qiáng)度，可以滿足逃生管道抗沖擊性能的要求。但其重量大、搬運(yùn)運(yùn)輸不便（按內(nèi)徑800mm，管壁厚10mm計算，鋼管的米重約為200kg/m）。為此，本文提出了一種新型輕質(zhì)復(fù)合材料逃生管道，基于ABAQUS有限元軟件，進(jìn)行了不同圍巖等級、隧道寬度和坍塌位置下關(guān)門塌方模擬，全面評估管道的安全性能，以期為逃生管道設(shè)計提供參考。

2 新型逃生管道結(jié)構(gòu)

新型逃生管道的結(jié)構(gòu)如圖1所示，管道內(nèi)外層為玻璃鋼，芯層為陶粒樹脂混凝土，玻璃鋼與陶粒組成夾芯結(jié)構(gòu)。玻璃鋼是一種輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，陶粒樹脂混凝土是一種低密度多孔結(jié)構(gòu)，兩者組合不僅能大大降低結(jié)構(gòu)重量，還能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。

通過試驗測定陶粒樹脂混凝土和玻璃鋼的材料參數(shù)。陶粒樹脂混凝土為各向同性材料，其彈性模量[E=1.32GPa]，泊松比[u=0.24]，屈服強(qiáng)度[σ=1.71MPa]，極限強(qiáng)度[σb=2.23MPa]。玻璃鋼的彈性模量[E=24GPa]，泊松比[u=0.25]，極限強(qiáng)度[σb=220.2MPa]。

3 關(guān)門塌方模擬

3.1 有限元模型的建立

利用CATIA三維造型軟件建立隧道坍塌模擬的三維模型，然后通過CATIA和ABAQUS的接口將實體模型導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成仿真分析所需要的有限元模型。

計算模型由坍塌土體和逃生管道構(gòu)成，管道布置在隧道的右下角，如圖2所示。由于發(fā)生關(guān)門塌方，坍塌土體充滿隧道，取塌方長度為5m。單根管道長3 000mm，管道內(nèi)中外蒙皮分別建模，用Tie約束將其連接為一個整體?？紤]到計算精度和效率，模型的網(wǎng)格圖如圖3所示。由于實際鋪設(shè)時管道下面有墊層，管道在土體堆積時一般不會移動，因此將管道下表面固支。此外，管道靠著隧道右側(cè)壁面布置，因此約束管道右側(cè)x方向的位移。

3.2 不同圍巖等級下的關(guān)門塌方模擬

本小節(jié)進(jìn)行了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖下的關(guān)門塌方模擬。其中，Ⅲ級圍巖密度為2 500kg/m3，彈性模量為20GPa，泊松比為0.3；Ⅳ級圍巖密度為2 300kg/m3，彈性模量為6GPa，泊松比為0.35；Ⅴ級圍巖密度為2 000kg/m3，彈性模量為2GPa，泊松比為0.45。不同圍巖下逃生管道的應(yīng)力圖如圖4所示。由圖可知，隨著圍巖等級的增加，逃生管道所受的應(yīng)力增加，Ⅲ級圍巖管道的應(yīng)力最小，為0.64MPa，Ⅴ級圍巖管道的應(yīng)力最大，為3.88MPa。因此，在設(shè)計時需特別考慮Ⅴ級圍巖下的關(guān)門塌方狀況。表1給出了不同圍巖等級下內(nèi)中外層的最大應(yīng)力值，從表1可以看出，外層應(yīng)力最大、內(nèi)層次之、芯層最小。內(nèi)、芯、外層最大應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度或者極限強(qiáng)度。所以，無論哪種圍巖下，逃生管道的強(qiáng)度滿足要求，且變形量不大，滿足應(yīng)急逃生需求。

3.3 不同隧道寬度下的關(guān)門塌方模擬

單洞雙車道隧道寬11m，高6.5m；單洞三車道隧道寬15m，高8.5m；單洞四車道隧道寬21m，高11.5m。圍巖采用Ⅲ級圍巖，密度為2 500kg/m3，彈性模量為20GPa，泊松比為0.3。不同隧道寬度下逃生管道的應(yīng)力圖如圖5所示。由圖5可知，三車道隧道逃生管道所受的應(yīng)力最大，為0.64MPa。表2給出了不同隧道跨度下內(nèi)、芯、外層的最大應(yīng)力值，從表2可以看出，三車道最大應(yīng)力出現(xiàn)在外層（內(nèi)、外層應(yīng)力差異大），而兩車道和四車道的最大應(yīng)力則出現(xiàn)在內(nèi)層（內(nèi)、外層應(yīng)力基本一致）。內(nèi)、芯、外層最大應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度或者極限強(qiáng)度。所以，無論哪種隧道寬度下，逃生管道的強(qiáng)度滿足要求，且變形量不大，滿足應(yīng)急逃生需求。

3.4 不同坍塌位置下的關(guān)門塌方模擬

本小節(jié)進(jìn)行了端部和中部圍巖下坍塌的關(guān)門塌方模擬。圍巖采用Ⅲ級圍巖，密度為2 500kg/m3，彈性模量為20GPa，泊松比為0.3。不同坍塌位置下逃生管道的應(yīng)力圖如圖6所示。表3給出了不同坍塌位置下內(nèi)、芯、外層的最大應(yīng)力值。從表3可以看出，對于不同坍塌位置，逃生管道的應(yīng)力分布和應(yīng)力值區(qū)別較小，因此，在設(shè)計時不需要考慮坍塌位置的影響。此外，內(nèi)、芯、外層最大應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度或者極限強(qiáng)度。所以，無論哪種坍塌位置下，逃生管道的強(qiáng)度滿足要求，且變形量不大，滿足應(yīng)急逃生需求。

4 結(jié)論與討論

本文提出了一種新型隧道逃生管道結(jié)構(gòu)，利用ABAQUS有限元軟件對逃生管道的關(guān)門塌方性能進(jìn)行了模擬，綜合評估逃生管道的安全性能，得到了以下結(jié)論：①關(guān)門塌方模擬時，隨著圍巖等級增加，逃生管道所受的應(yīng)力增加；②關(guān)門塌方模擬時，三車道隧道逃生管道所受的應(yīng)力最大，為0.64MPa，出現(xiàn)在外層，而兩車道和四車道的最大應(yīng)力則出現(xiàn)在內(nèi)層；③關(guān)門塌方模擬時，不同坍塌位置對逃生管道的應(yīng)力影響不大；④所提出的新型逃生管道在關(guān)門塌方模擬時，滿足應(yīng)急逃生需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國交通運(yùn)輸部 .公路隧道施工技術(shù)規(guī)范：JTGF60-2009[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2]胡浩軍，狄先均，李家泰，等.隧道逃生管道設(shè)計中的圓管沖擊計算[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008（S1）：272-274.

[3]張瑜，丁慶榮，狄先均，等.隧道逃生管道的沖擊實驗與仿真模擬[J].土木工程與管理學(xué)報，2010（2）：87-89.

[4]楊飚，莊富盛.新型隧道逃生管道設(shè)計模擬及現(xiàn)場試驗研究[J].公路交通技術(shù)，2013（2）：111-114.