燃氣爆炸荷載下隧道砌體損傷規律與事故影響范圍研究

廖柯熹，黃元潔，何國璽，陳 迪

(西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500)

0 引言

中緬油氣管道地處橫斷山脈和云貴高原，地形復雜，有74條山體隧道穿越，總長81 km，隧道總長占山區線路長度的5%[1]。隧道通過區域地質條件異常復雜、施工風險大，是國內最復雜的管道隧道工程。為保護隧道內管道設施，防止無關人員進入隧道，隧道兩端由磚砌體組成隧道門，僅留人孔便于管道企業人員進行巡檢、維修、維護作業。中緬油氣管道隧道是1種典型的狹長受限空間，如巖鷹山隧道的長徑比超過450，當發生天然氣管道泄漏爆炸事故時，極有可能發生爆燃向爆轟的轉變，產生強烈的爆炸超壓。目前關于油氣爆炸后果的研究，主要集中在爆炸超壓對人員和結構的損傷[2-4]。但是，Zhu等[5]對山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故的梳理發現，除爆炸超壓外，爆炸產生的拋射物也是造成人員傷亡的主要原因。Yang等[6]對浮法玻璃在甲烷爆炸荷載下的損傷特性進行了實驗研究，研究發現玻璃產生了高速拋射物，會對人員和建筑結構造成嚴重威脅。Zheng等[7]建立了4種室內障礙物條件下磚房的數值模型，模擬燃氣爆炸時磚墻的動力響應和形成過程，建立破片的運動方程并求解破片的彈射距離，研究了室內燃氣爆炸的破片危害。王文紅等[8]采用ANSYS Autodyn模擬軟件，重點對涵道覆蓋物爆炸碎片進行模擬，定量分析了爆炸碎片的影響范圍及在影響區域內對設備、人員造成的傷害程度。

中緬油氣管道隧道的磚砌體是隧道結構中強度最低的一部分，在燃氣爆炸超壓的作用下，將產生大量的拋射物，對隧道口附近人民群眾的人身安全造成嚴重威脅，因此，有必要對燃氣爆炸荷載下隧道口磚砌體的損傷規律和拋射物分布規律進行分析，對拋射物潛在影響范圍進行研究，從而為管道企業劃分警戒區域提供科學依據。

1 材料本構模型

鑒于中緬油氣管道隧道的大長徑比特征，假設內部天然氣管道發生泄漏爆炸時，發生了爆轟現象。根據美國消防協會出版的標準《Standard On Explosion Protection By Deflagration Venting》[9]，甲烷/空氣混合物燃爆產生的最大超壓約為0.8 MPa，因此，本文對磚砌體表面施加的最大超壓為0.8 MPa。根據文獻調研結論，本文將燃氣爆炸荷載簡化為三角形荷載[10-11]，基于LS-DYNA軟件對磚砌體的損傷規律及拋射物潛在影響范圍進行研究。

本文模擬磚砌體采用LS-DYNA 96#本構模型[12]，該模型是1種復合材料模型，能夠很好地描述高應變率條件下磚砌體的響應問題，該材料模型認為：在拉應力所引起的彌散裂縫的作用下，切應力和拉應力強度可以隨著裂縫的發展延伸而逐漸退化，因此該模型能較好地描述磚砌體的裂紋發展規律。材料模型參數取值如表1[13]所示。

表1 均勻化磚砌體材料參數取值

2 模型建立

2.1 隧道磚砌體概況

中緬油氣管道隧道口的磚砌體共有3種：人孔在頂部且管道穿過磚砌體、人孔在頂部管道不經過磚砌體、人孔在底部且管道不經過磚砌體3種形式，如圖1所示，下文分別簡稱第1、第2、第3類磚砌體。3類磚砌體的人孔尺寸均為0.3 m×0.4 m。磚砌體由2層“1丁1順”砌法的磚塊和砂漿砌成。

圖1 3類隧道口的現場圖片

2.2 建立磚砌體模型

本文按照均勻化砌體模型建立磚砌體模型[12,14]，根據3類磚砌體的實際形狀及尺寸，建立幾何模型。在第1類磚砌體中，有管道穿過磚砌體，磚塊與管道發生相對位移時，兩者接觸面上的摩擦力將對磚塊的運動特征產生影響，因此，建立第1類磚砌體的模型時，將管道包含其中，并將二者的接觸設置為AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE。管道表面具有的3層PE防腐層與磚塊間的摩擦力較大，設置二者間的靜摩擦系數為0.6，動摩擦系數為0.55。磚砌體網格選用收斂性較好的六面體單元，驗證網格獨立性時，磚砌體網格尺寸小于100 mm后，最大拋射速度不再明顯變化，由于現場測量得到的磚塊尺寸為240 mm×115 mm×50 mm，磚砌體最可能的破碎方向是沿灰縫的方向，預期的拋射物破碎尺寸不會小于磚塊的厚度，為盡可能逼真地模擬出拋射物尺寸，磚砌體網格尺寸選擇50 mm。建立的幾何模型及網格劃分情況如圖2所示。

圖2 3類磚砌體幾何模型及網格劃分情況

根據文獻[13]的研究結論，選取升壓時長為50 ms。預先試算時，第2類、3類磚砌體在0.1 MPa以上的峰值超壓下才發生明顯損傷，第1類磚砌體在0.05 MPa峰值超壓時仍有明顯損傷但主體結構保持完整，因此，計算時第1類、第2類、第3類磚砌體的最小超壓峰值分別取0.05，0.1，0.1 MPa。模擬時，3類磚砌體所取的超壓峰值如表2所示。在本文的坐標體系下，重力荷載的方向為沿Y軸負方向，超壓作用方向沿Z軸正向。如圖3所示。設置磚砌體與隧道內壁接觸面的約束條件為固支約束。

表2 3類磚砌體施加的峰值超壓

圖3 加載至磚砌體的荷載大小及方向

3 磚砌體損傷規律研究

3.1 第1類磚砌體損傷規律

1)整體變形特征

不同大小的超壓峰值作用下第1類磚砌體的變形情況如圖4所示。峰值壓力為0.05 MPa時，砌體整體并未垮塌，但是管道嵌入區域出現了局部破壞。峰值壓力為0.1 MPa時，砌體頂部被完全破壞，僅剩天然氣管道附近區域保持完好。隨著峰值壓力的繼續增大，磚砌體損傷程度愈加嚴重，產生的拋射物尺寸更小，數量更多。峰值壓力達到0.8 MPa時，整個砌體均被破壞。

圖4 不同超壓峰值下第1類磚砌體位移云圖

嵌入的管道導致了不規則的磚砌體幾何形狀，磚砌體在爆炸超壓的作用下在管道嵌入區域附近產生了應力集中現象，因此，在不同大小超壓的作用下，磚砌體均從管道區域附近開始發生破壞，并從該區域逐漸向整個砌體擴展。

2)拋射物拋射速度分析

由于超壓作用的方向沿水平方向，且拋射物初始速度較小，受到的空氣阻力較小，因此拋射物射出后可認為近似做平拋運動，即水平方向勻速直線運動，豎直方向自由落體運動。平拋運動的拋射距離與水平速度和初始豎直高度有關，現對水平速度進行分析。

200 ms時水平方向的速度云圖見圖5，結果表明，峰值超壓與水平拋射速度呈正相關。超壓峰值為0.05 MPa時，最大水平速度為10.68 m/s；超壓峰值為0.8 MPa時，最大水平速度為107.8 m/s。

圖5 不同超壓峰值下第1類磚砌體拋射物的水平速度云圖 (T=200 ms)

3.2 第2類磚砌體損傷規律

1)整體變形特征

不同大小的超壓峰值作用下第2類磚砌體的變形情況見圖6。峰值壓力為0.1 MPa時，砌體整體結構完好，僅人孔附近有部分磚塊脫落，受壓結束后形狀近乎恢復原狀，從整體來看，磚砌體只發生了彈性變形。峰值壓力為0.2 MPa時，磚砌體被整體推出隧道，幾乎未產生拋射物。隨著峰值壓力的繼續增大，磚砌體損傷程度愈加嚴重，產生的拋射物尺寸更小，數量更多。

圖6 不同超壓峰值下第2類磚砌體位移云圖

與第1類磚砌體的相比，第2類磚砌體為對稱形狀，不存在產生應力集中區域，相同大小的超壓作用下，其產生的拋射物尺寸更大，因此，第2類磚砌體結構抗爆性能更佳。

2)拋射物拋射速度分析

第2類磚砌體在200 ms時水平方向的速度云圖如圖7所示。超壓峰值為0.1 MPa時，磚塊未發生明顯變形，水平速度為振動速度。峰值超壓為0.2 MPa時，最大水平速度為7.14 m/s；超壓峰值為0.8 MPa時，最大水平速度為68.3 m/s，與第1類磚砌體相比，相同峰值超壓作用下第2類磚砌體產生的拋射物速度明顯降低。

圖7 不同超壓峰值下第2類磚砌體拋射物水平速度云圖(T=200 ms)

3.3 第3類磚砌體損傷規律

1)整體變形特征

不同大小的超壓峰值作用下第3類磚砌體的變形情況見圖8。峰值壓力為0.1 MPa時，砌體整體結構完好，磚塊無脫落，受壓結束后形狀幾乎恢復原狀，處于彈性形變階段。峰值壓力為0.2 MPa時，磚砌體被整體推出隧道，幾乎未產生拋射物。隨著峰值壓力的繼續增大，磚砌體損傷程度愈加嚴重，產生的拋射物尺寸更小，數量更多。

圖8 不同超壓峰值下第3類磚砌體位移云圖

與第2類磚砌體的相比，二者的整體變形情況較為接近，主要區別在于第2類磚砌體的裂紋擴展方向呈橫向和縱向分布，第3類磚砌體的部分裂紋沿拱部徑向分布。

2)拋射物拋射速度分析

第3類磚砌體在200 ms時水平方向的速度云圖如圖9所示。超壓峰值為0.1 MPa時，磚塊未發生明顯變形，水平速度為振動速度。峰值超壓為0.2 MPa時，最大水平速度為8.4 m/s；超壓峰值為0.8 MPa時，最大水平速度為71.3 m/s，與第1類磚砌體相比，相同峰值超壓作用下第3類磚砌體的拋射速度明顯降低，但與第2類磚砌體的拋射速度較為接近。

圖9 不同超壓峰值下第3類磚砌體水平速度云圖(T=200 ms)

4 拋射物潛在影響范圍研究

4.1 拋射速度對比分析

不同超壓峰值下3類磚砌體的最大水平拋射速度如圖10所示。相同峰值超壓作用時，第1類磚砌體的最大水平拋射速度遠大于第2類和第3類，第2類和第3類磚砌體的最大水平拋射速度較為接近。

圖10 3類磚砌體拋射物速度對比

將1、2、3類磚砌體的最大水平拋射速度Vmax與峰值超壓Pmax進行線性擬合，如式(1)～(3)所示：

V1max=127.5Pmax+7.6，R2=0.983

(1)

V2max=100.09Pmax-10.68，R2=0.994

(2)

V3max=124.19Pmax-15.25，R2=0.963

(3)

式中，Vmax為最大水平拋射速度，m/s；Pmax為峰值超壓，MPa；R2為擬合度。

4.2 拋射物潛在影響區域分析

拋射物可能的落地區域即為其潛在影響區域。根據前文假設，拋射物射出后做平拋運動，其拋射距離與初始拋射速度和下落高度有關。拋射物的實際拋射距離與拋射物經過路徑投影區域的傾斜程度、落地后的反彈等有關，但是拋射物與地面的沖撞反彈問題非常復雜，受地面剛度、平整度等諸多不確定因素影響。本文假設拋射物經過路徑投影區域的傾斜程度足夠大，并且忽略拋射物首次著地后的反彈，將拋射物拋射距離定義為磚砌體與拋射物第1著地點之間的水平距離。

忽略空氣阻力時拋射物的水平拋射距離x、拋射初始速度V0、平拋運動時間t、下落高度H之間的關系如式(4)～(5)所示：

x=V0t

(4)

(5)

式中：x為拋射物的水平拋射距離，m；V0為拋射初始速度，m/s；t為平拋運動時間，s；H為下落高度，m；g為重力加速度，m/s2。

第1、第2、第3類磚砌體的最大水平拋射速度分別為V0,1=107.8 m/s、V0,2=68.3 m/s、V0,3=71.3 m/s。由于本文研究的管道地處丘陵地區，隧道口與鄰近平坦的地區的高差較小，此處最大高差取200 m，計算得到3類磚砌體在不同下落高度時的拋射距離如圖11所示。

圖11 磚砌體不同下落高度的最大拋射距離

最大拋射距離即為拋射物在水平投影區域內的最大影響半徑，管道企業可根據現場實際情況，劃定合理的警戒區域，從而降低燃氣爆炸時因拋射物造成人員傷亡的概率。

5 結論

1)磚砌體在燃氣爆炸荷載作用下，可能會發生整體破壞，產生較多拋射物。

2)第1類磚砌體抗爆性最差，產生的拋射物速度最大，超壓峰值為0.05 MPa時，最大水平速度為10.68 m/s，超壓峰值為0.8 MPa時，最大水平速度為107.8 m/s。第2、3類磚砌體的抗爆性與拋射速度相近，且與第1類磚砌體相比，相同峰值超壓作用下磚砌體產生的拋射物速度明顯降低。

3)隨著峰值壓力的增大，磚砌體產生的拋射物尺寸更小，數量更多，最大拋射速度與超壓峰值近似呈線性關系。

4)最大拋射距離即為拋射物在水平投影區域內的最大影響半徑，管道企業可根據現場實際情況，劃定合理的警戒區域，從而降低燃氣爆炸時因拋射物造成人員傷亡的概率。