坑道頭部結構在爆炸作用下的數值模擬

張萬圖 龐嘉 楊鑫

(1.成都軍區建筑設計院，四川成都 610000;2.解放軍92302部隊，遼寧 興城 125106)

0 引言

坑道式防護工程具有天然抗力強、易于偽裝隱蔽的特點，在防電磁脈沖、防振動等方面也有獨特的優勢。然而，信息化條件下，隨著偵察監視和大當量精確打擊等技術的迅猛發展及在現代戰爭中的成功應用，對地下防護工程，特別是坑道頭部結構的戰時生存和搶修構成了嚴重威脅［1］。在這種背景下，本文結合有限元軟件LS-DYNA模擬分析常規武器作用下坑道頭部結構的內部毀傷情況，為相關領域的進一步研究提供了理論依據。

1 基本假設

本文中模擬的坑道圍巖類別為Ⅱ類圍巖，其參數見文獻［2］。坑道為直墻圓拱形構造，凈跨為7.6 m，直墻高度為4 m，拱高1.8 m。坑道鋼筋網噴射混凝土厚度為20 cm，鋼筋網構造為φ6，35 cm×35 cm。錨桿長度為2 m。支護層上方的巖石防護層厚度為10 m。考慮到坑道在開挖施工過程中的松動圈效應及錨噴網支護效應，坑道結構由內到外可劃分為0.2 m厚鋼筋網噴射混凝土層、2 m厚錨固層將鋼筋網混凝土噴層和剩余的巖體防護層共三種材料結構層。為便于分析，坑道模型寬度取10 m，沿坑道縱向厚度取2 m。

模擬的來襲武器選用比較常用的打擊堅固軍事工程常規武器BLU-109/B半穿甲彈，其彈級為2000 lb，彈長為2.4 m，彈徑為379 mm，等效TNT裝藥量為324 kg。由文獻［3］中相關公式可計算出該半穿甲彈對本模型中坑道的侵徹深度為4.532 m，取4.5 m。

為便于建模和分析，可設定航彈軸線與坑道中軸線重合，則坑道遭受武器襲擊后的平面示意圖如圖1所示。

2 建模分析

建模分析過程中，為減少計算量，將全比例坑道按一定比例縮小后再劃分單元，同時考慮到此問題的對稱性，可取1/4模型進行計算。模型的對稱面上施加對稱約束，其他面上設置透射邊界。本文采用縮尺比例為10，根據爆炸相似定律，則可得縮尺模型尺寸為:坑道跨度38 cm，鋼筋網噴射混凝土層厚2 cm，錨固區厚20 cm，TNT裝藥簡化為長方體裝藥，尺寸為10 cm×2.25 cm×2.25 cm。從而得到有限元分析模型如圖2所示。

圖1 坑道遭受武器襲擊平面示意圖（單位：cm）

圖2 坑道有限元分析模型

圖3 鋼筋網噴射混凝土的破壞情況

圖4 錨固巖體的破壞情況

3 模擬結果

爆炸后，鋼筋網噴射混凝土和錨固巖體的破壞情況如圖3和圖4所示。從兩圖中能很直觀的看到爆炸后坑道各結構層的毀傷程度及出現的裂縫情況，且比較貼近實際的破壞狀況。模擬所得的結構裂縫情況可為戰時搶修提供依據和指導。

［1］李秀地.信息化條件下地下防護工程的破壞機理與加固新技術研究［D］.重慶:解放軍后勤工程學院，2005.

［2］閆莫明，徐禎祥，蘇自約.巖土錨固技術手冊［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］GJB 5153-2004，后方倉庫洞庫防護工程加固改造技術規程［S］.

［4］楊 鑫.坑道口部結構防護能力評估及其戰時毀傷模式和搶修方法研究［D］.重慶:解放軍后勤工程學院，2008.

［5］GB 50086-2001，錨桿噴射混凝土支護技術規范［S］.

［6］鄭穎人.地下工程錨噴支護設計指南［M］.北京:鐵道出版社，1988.

［7］徐干成，白洪才，鄭穎人，等.地下工程支護結構［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.