基于有限元的復材隧道逃生管道關門塌方數值模擬

張偉 辛亮 陳繼滔 周恒 張軒瑜

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

關鍵詞：隧道逃生管道；關門塌方；有限元；數值模擬；ABAQUS

中圖分類號：TU47 文獻標識碼：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

隨著我國交通路網的完善，建設標準的提高，特別是高速鐵路和客運專線的大量修建，隧道建設規模和技術水平也踏上了一個新的臺階。由于地質條件復雜，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，導致施工中隧道關門塌方事故屢屢發生，施工安全問題非常嚴峻?！豆匪淼朗┕ぜ夹g規范》指出，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ圍巖施工必須采用隧道逃生裝置[1]，以便施工人員在關門塌方事故中逃生。

目前的逃生裝置多為內徑800mm的圓管，許多學者采用300kg落石從7m高處自由下落沖擊管道，對管道的沖擊性能進行了研究，以表征管道的安全性。胡浩軍等[2]采用數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。張瑜等[3]對逃生管道進行了數值模擬和現場試驗，結果吻合良好。楊彪等[4]提出了一種新型鋼帶PE管，并進行了現場沖擊試驗，表明PE管具有造價低、連接方便等優點。但是，并沒有學者研究關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度，可以滿足逃生管道抗沖擊性能的要求。但其重量大、搬運運輸不便（按內徑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復合材料逃生管道，基于ABAQUS有限元軟件，進行了不同圍巖等級、隧道寬度和坍塌位置下關門塌方模擬，全面評估管道的安全性能，以期為逃生管道設計提供參考。

2 新型逃生管道結構

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

通過試驗測定陶粒樹脂混凝土和玻璃鋼的材料參數。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]，屈服強度[σ=1.71MPa]，極限強度[σb=2.23MPa]。玻璃鋼的彈性模量[E=24GPa]，泊松比[u=0.25]，極限強度[σb=220.2MPa]。

3 關門塌方模擬

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入ABAQUS進行網格劃分，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成，管道布置在隧道的右下角，如圖2所示。由于發生關門塌方，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，模型的網格圖如圖3所示。由于實際鋪設時管道下面有墊層，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，管道靠著隧道右側壁面布置，因此約束管道右側x方向的位移。

3.2 不同圍巖等級下的關門塌方模擬

本小節進行了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖下的關門塌方模擬。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，逃生管道所受的應力增加，Ⅲ級圍巖管道的應力最小，為0.64MPa，Ⅴ級圍巖管道的應力最大，為3.88MPa。因此，在設計時需特別考慮Ⅴ級圍巖下的關門塌方狀況。表1給出了不同圍巖等級下內中外層的最大應力值，從表1可以看出，外層應力最大、內層次之、芯層最小。內、芯、外層最大應力均小于屈服強度或者極限強度。所以，無論哪種圍巖下，逃生管道的強度滿足要求，且變形量不大，滿足應急逃生需求。

3.3 不同隧道寬度下的關門塌方模擬

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力最大，為0.64MPa。表2給出了不同隧道跨度下內、芯、外層的最大應力值，從表2可以看出，三車道最大應力出現在外層（內、外層應力差異大），而兩車道和四車道的最大應力則出現在內層（內、外層應力基本一致）。內、芯、外層最大應力均小于屈服強度或者極限強度。所以，無論哪種隧道寬度下，逃生管道的強度滿足要求，且變形量不大，滿足應急逃生需求。

3.4 不同坍塌位置下的關門塌方模擬

本小節進行了端部和中部圍巖下坍塌的關門塌方模擬。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力圖如圖6所示。表3給出了不同坍塌位置下內、芯、外層的最大應力值。從表3可以看出，對于不同坍塌位置，逃生管道的應力分布和應力值區別較小，因此，在設計時不需要考慮坍塌位置的影響。此外，內、芯、外層最大應力均小于屈服強度或者極限強度。所以，無論哪種坍塌位置下，逃生管道的強度滿足要求，且變形量不大，滿足應急逃生需求。

4 結論與討論

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

參考文獻：

[1]中華人民共和國交通運輸部 .公路隧道施工技術規范：JTGF60-2009[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2]胡浩軍，狄先均，李家泰，等.隧道逃生管道設計中的圓管沖擊計算[J].現代隧道技術，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].土木工程與管理學報，2010（2）：87-89.

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