復合鋼板襯砌的抗爆防護性能研究＊

胡紅星

（中鐵三局集團第四工程有限公司，北京 102300）

隨著中國經濟發展和城市化進程的不斷加快，城市開始涌入大量人口，一個城市人口的劇增造成了交通擁堵、綠化比例減小等問題。地鐵的修建不僅可以緩解交通擁堵，還是促進城市現代化發展的催化劑。然而，城市地鐵區間人流量大，容易成為一些不良分子開展恐怖爆炸襲擊的地點。因此，保證地鐵隧道具有足夠的防爆性能，從而減少爆炸活動引發的人員傷亡和財產損失是必要的。提出一種在地鐵隧道中使用復合鋼板襯砌結構的方法來提高結構強度和防爆效果，這對于地鐵隧道的安全建設有著重要的理論意義[1-3]。

國內外學者對區間隧道和地鐵構筑物的爆破防護展開了一系列研究[4-5]，已取得了相當可觀的成果，在考慮了地鐵隧道整體穩定性的同時還加強了隧道內特定構件的防護能力。LIU[6]通過基于有限元法研究了地鐵區間隧道在爆炸荷載下的動力響應，并進一步采用CONWEP 算法研究了爆炸荷載效應，考慮不同巖土層的影響，分別對炸藥量、隧道埋深、土壤強度和剛度等因素進行對比分析。劉楊[7]通過研究單側隧道內發生的爆炸活動，分析了泡沫鋁材料對隧道的抗爆防護。結果表明，泡沫鋁材料對隧道結構有著很好的防護作用。現階段，對于地下結構抗爆防護有以下方式：在結構表面抹涂泡沫材料（泡沫鋁[8]）；在鋼筋混凝土中應用高強度碳纖維材料；在鋼筋混凝土表面使用復合材料等。但對于利用復合材料提高地鐵隧道區間抗爆防護性能的研究還不多見。

由于復合鋼板具有較強的抵抗變形能力，因此，可在地鐵隧道區間應用復合材料來提高防爆效果，提出了一種新型的復合鋼板襯砌防護結構。采用LS-DYNA 軟件開展數值模擬，研究了不同當量炸藥爆炸下，在地鐵隧道區間內使用復合鋼板襯砌結構后的爆炸沖擊效應。

1 復合鋼板襯砌的結構組成

研究表明，影響地鐵防護性能的主要因素是防護材料的結構和材料的力學性能。通過這些研究結果可以得出：材料的抗剪、抗拉伸和抗沖擊性能是影響防護效果的關鍵因素。因此，結合已有的抗爆結構防護形式，在地鐵隧道區間進一步采用鋼材和新型材料并提出一種復合鋼板襯砌防護的新方法。復合鋼板通常作為防噪聲、防振動來使用，基于其作用可延伸應用到隧道結構的抗爆防護之中[9]。復合鋼板是一種基于層壓鋼板而制造的隧道防護材料，主要材料包含聚酯纖維、高強度鋼板以及土工織物。高強度聚酯纖維和兩層平行鋼板共同組成了復合鋼板的襯砌結構。其中，高強度聚酯纖維是采用爆炸焊接法制作，其厚度比例為2∶1∶2，位于兩層鋼板之間。這種復合鋼板襯砌的兩個顯著特性就是界面結合率和界面剪切強度的不同，而其界面結合率和界面剪切強度都已經達到了相關規定的標準，并能滿足防護材料需要具備的抵抗拉伸和彎曲的性能以及足夠高的硬度。復合鋼板的結構特征如圖1 所示。

圖1 復合鋼板結構

2 復合鋼板襯砌結構數值模型的建立

2.1 復合鋼板襯砌本構模型的選擇

基于爆炸沖擊波在傳播過程中沖擊反射會出現非線性特征，并且采用普通鋼板作為防護結構以及所提出的層壓復合鋼板的特點，層壓復合鋼板襯砌的模型采用雙線性彈塑性本構模型[10]。復合鋼板的應變率效應可以采用Cowper-Symonds 模型來表征，其動態屈服強度可以表達為：

式（1）中：ε為應變率；D和p為材料的應變率參數；σ0為屈服強度的初始值；β為硬化參數，當β=0 時，表明材料發生隨動硬化，當β=1 時，表明材料發生各向同性硬化；Ep為塑性硬化模量；為等效塑性應變。

2.2 復合鋼板襯砌結構模型的建立

以南京市某地鐵隧道為依托，采用LS-DYNA 軟件建立了使用復合鋼板作為地鐵襯砌防護結構的數值模型。該模型處于埋深15 m 處的圓筒形盾構隧道，隧道的襯砌厚度為0.3 m，外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，符合鋼板襯砌的厚度為0.1 m，數值模型結構如圖2 所示。對于模型的數值模擬可視為軸對稱問題，因此取模型的1/2 進行計算，為減小邊界效應的影響，模型尺寸取36 m×36 m×15 m 的立方體。采用等效TNT 算法分別研究了10 kg 的TNT 與30 kg 的TNT 不同當量炸藥下，距離隧道的結構底部為1.1 m 處的點源爆炸效應。

圖2 復合鋼板襯砌結構模型

為了研究復合鋼板襯砌防護作用下爆炸沖擊效應對隧道結構的影響，對10 kg 和30 kg 兩種炸藥當量的點源爆炸進行數值模擬分析，根據隧道結構在爆炸作用下的速度、加速度去衡量結構破壞程度。模型在隧道結構內側選取了20 個參考點，編號分別為A1—A20，根據距爆源中心距離的不同分成了4 組截面，4 組截面離爆心截面為0 m、3 m、6 m、9 m，隧道結構各參考點布置圖如圖3 所示。

圖3 隧道結構各參考點布置圖

2.3 材料模型與參數

2.3.1 周圍土體模型參數

在數值模擬計算中， 模型的選用是MAT-SOIL-AND-FOAM 模型。其優勢是可以有效模擬泡沫塑料的可壓扁特性和土壤的失效特性。模型的屈服函數f可以表達為：

在數值模擬中，認為土體遵從Drucker-Prager 屈服準則。此時，土體的粘聚力c和內摩擦角φ可通過下列表達式進行計算：

按照圖1所示工藝流程及特定參數下生產的壓塊凈水活性炭，通過吸附等溫曲線計算出其比表面積和孔容積等參數見表3。

2.3.2 炸藥燃燒模型與參數

通常情況下，炸藥爆炸是瞬間發生的，其產生的爆炸沖擊波擁有極快的傳播速度。因此，爆炸發生時，由沖擊波傳播到藥包和介質交界處所消耗的時間可以忽略。在進行數值計算時只考慮爆炸外部反應問題，炸藥的相關參數如表1 所示。

表1 爆炸材料參數

采用LS-DYNA 軟件中的“*EOS-JWL”方程來描 述狀態方程。數值模擬中，可以通過JWL 狀態方程來描述爆源炸藥的動力響應，其壓力值可以通過體積函數來表示：

式（2）中：P為壓力；A、ω、R1、B和R2均為材料函數相關系數；V為相對體積；E0為初始內能。

3 復合鋼板襯砌的抗爆防護效果分析

3.1 隧道結構在爆炸沖擊波下的應力效應

由爆炸產生的沖擊波在地鐵區間隧道內的傳播規律非常復雜，因此，為了研究地鐵隧道結構在復雜情況下的動力特性，只考慮數值模型內空氣的力學效應，10 kg 的TNT 炸藥作用下與30 kg 的TNT 炸藥作用下隧道結構不同時刻的沖擊波應力云圖分別如圖4 和圖5 所示。由于爆炸產生的沖擊效應通常在瞬間從零荷載發展為最大值荷載，并且具有用時短、頻率高的特點，因此，在沖擊波作用下，防爆結構產生的應力應變特征與爆炸波的影響速率呈正相關。

圖4 10 kg 的TNT 作用下不同時刻爆炸沖擊波應力云圖

圖5 30 kg 的TNT 作用下不同時刻爆炸沖擊波應力云圖

基于以上分析，取炸藥的爆炸時間為50 ms，研究10 kg 的TNT 和30 kg 的TNT 炸藥在爆炸后0～47.5 ms 范圍內的爆炸效應。由圖4 和圖5 顯示的應力云圖可以看出，在沒有障礙物影響的情況下，由炸藥爆炸形成的球形波波陣進一步向周圍傳播。由于爆源距離底部隧道結構僅為1.1 m，距離較近，因此襯砌底部首先受到爆炸波的沖擊作用。此時，襯砌底部受到的壓力增加，產生反射波并進一步向遠處傳播，同時，在傳播過程中會存在一部分反射波繼續反射從而向下傳播。由于在爆炸波的傳播過程中會沿著相反的方向傳播一部分反射波，因此，在爆炸源截面上會出現多次應力峰值，而沖擊波強度會隨著距離增加而持續降低。

3.2 10 kg 的TNT 爆炸作用復合鋼板襯砌的防護性能

圖6 各參考點y 方向速度與加速度變化曲線

此外，由于在x方向傳播的爆炸波較為復雜，因此，在不同截面各選取3 個參考點進行動力響應分析。這些參考點在x方向上的速度與加速度時程曲線如圖7 所示。由圖7 可以看出，截面1 的最大速度值為1.469 m/s、最大加速度值為489.8 m/s2，截面2 的最大速度值為0.979 m/s、最大加速度值為305.2 m/s2，截面3 的最大速度值為0.369 m/s、最大加速度值為150.9 m/s2，截面4 的最大速度值為0.254 m/s、最大加速度值為117.8 m/s2。

圖7 各參考點x 方向速度與加速度變化曲線

未安裝復合鋼板襯砌的隧道結構各參考點x方向加速度與速度變化曲線如圖8 所示。由數模擬結果可知，在10 kg 的TNT 炸藥當量下，安裝有復合鋼板襯砌的隧道結構各截面參考點處x方向加速度和速度主峰值有明顯的減弱效果。各截面x方向最大速度由2.727 m/s、2.095 m/s、0.853 m/s 和0.676 m/s 減小到1.476 m/s、0.985 m/s、0.373 m/s 和0.252 m/s，加速度分別由857.5 m/s2、482.7 m/s2、298.6 m/s2、256.6 m/s2減小到490.5 m/s2、304.4 m/s2、151.3 m/s2和118.4 m/s2，防護效果分別為42%與50%。由此可知，復合鋼板襯砌的防護效果與爆源距離密切相關，參考點距離爆源越遠，防護能力越強，說明在距爆源中心較遠處，復合鋼板襯砌可以發揮其更優的防護能力。

圖8 各參考點x 方向速度與加速度變化曲線

綜上所述，在復合鋼板襯砌的防護下，速度與加速度的變化整體呈現減弱趨勢，但是加速度減小比例稍小于速度減小比例，減小量約為40%。加速度隨著距離增大而減小，并在距離爆源3 m 處急劇減小。此外，在相同距離條件下，x方向上的速度分量要大于y方向，速度隨著距離的增大逐漸減小，最大縮小比例約為48%，具有較好的防護效果，而y方向上的速度減小量要小于x方向，說明在x方向的防護性能要優于y方向。

3.3 30 kg 的TNT 爆炸作用復合鋼板襯砌的防護性能

在未使用復合鋼板襯砌的條件下，繼續選取A1、A6、A11 與A16 參考點分析在30 kg 的TNT 炸藥當量下的動力響應。這些參考點在y 方向上的速度與加速度時程曲線如圖9 所示。由圖9 可以看出，在y方向上，截面1 的最大速度值為24.238 m/s、最大加速度值為2 756.1 m/s2，截面2 的最大速度值為5.931 1 m/s、最大加速度值為2 201.6 m/s2，截面3 的最大速度值為2.971 m/s、最大加速度值為1 156.2 m/s2，截面4的最大速度值為1.9 4 6 m/s、最大加速度值為810.12 m/s2。

圖9 各參考點y 方向速度與加速度變化曲線

根據隧道結構在x方向上的受力特性，繼續選取截面上的3 個參考點（即圖7 中選取的截面參考點）進行比對研究，各參考點在x方向上的速度和加速度時程曲線如圖10 所示。在x方向上，截面1 的最大速度值為4.691 m/s、最大加速度值為8 391.6 m/s2，截面2 的最大速度值為2.389 m/s、最大加速度值為1 513.2 m/s2，截面3 的最大速度值為1.769 m/s、最大加速度值為802.2 m/s2，截面4 的最大速度值為1.019 m/s、最大加速度值為512.6 m/s2。

圖10 各參考點x 方向速度與加速度變化曲線

各參考點在x方向上的速度和加速度變化曲線如圖11 所示。通過對比安裝復合鋼板襯砌和未安裝條件下的數值模擬結果，在30 kg 的TNT 炸藥當量下，在x方向上1、2、3、4 截面處的速度峰值分別減少了21%、45%、37.5%、37.8%，而加速度峰值分別減少了40%、26%、50%、48%。

圖11 各參考點x 方向速度與加速度變化曲線

因此，在不同炸藥當量條件下，復合鋼板襯砌具有相同的防護特性，但具有不同的防護效果。雖然速度和加速度的變化隨著爆源距離的增大都出現減弱趨勢，但是復合鋼板襯砌在30 kg 的TNT 炸藥當量下的防護效果有所削弱，這也說明在產生更強的爆炸沖擊效應時，復合鋼板要承受更大的動力效應，其防護能力會有一定程度的降低。在較低的炸藥當量條件下，使用復合鋼板作為襯砌結構可以發揮更好的防護效果。

4 結論

采用LS-DYNA 軟件開展了不同炸藥當量下的動力響應分析，分別研究了爆炸沖擊波對安裝復合鋼板襯砌和未安裝情況下的結構動力特性，主要得到以下結論。

基于現有抗爆防護方法，提出了一種新型的復合鋼板襯砌防護結構用于提高地鐵隧道的抗爆能力。該方法可以有效削弱爆炸沖擊波對隧道結構的動力效應，進一步保證隧道的結構強度。

當在隧道內安裝復合鋼板襯砌的情況下，隧道結構的主應力、速度和加速度峰值在爆炸沖擊效應下出現明顯降低的趨勢。在距爆源中心較遠處并且在較低的炸藥當量下，復合鋼板襯砌結構有更好的防護能力，而較大當量炸藥產生的爆炸效應會削弱復合鋼板襯砌結構的防護效果。

在爆炸過程中，爆炸沖擊波在爆炸初期對隧道結構產生較為明顯的動力作用。由于距離和時間因素，爆炸發生時產生的影響較大，距離爆源較近的隧道結構會受到更大的動力沖擊，破壞作用更強。然后爆炸沖擊波對隧道結構動力效應隨著時間增長和距離增大而迅速降低。因此，應重點考慮在隧道結構的下壁位置使用復合鋼板襯砌，進一步提高隧道的抗爆防護能力。