城市地下综合管廊抗震抗爆研究进展

Part 01
管廊抗震性能研究进展
综合管廊承受的永久荷载为土压力、结构主体和内置管线自重，可变荷载为地面车荷载、人群荷载，偶然荷载为地震作用、燃气爆炸等荷载。

管廊由于具有重要的城市运行功能，需对其力学性能进行研究，特别是偶然荷载作用下的动力响应和破坏特征。

我国为地震多发国家，管廊在地震作用下会发生较大破坏，造成严重后果，因此进行管廊抗震性能研究具有重要意义。

部分学者进行共同沟结构体系振动台缩尺模型试验，通过分析加速度、混凝土应变、周围土压力，可知共同沟体系地震反应具有独特性，土体性质、地震动强度、结构形式、埋置深度、材料等的影响显著。

地下综合管廊地震反应分析与抗震可靠性研究结果表明，边界及接触面条件会对结构应变产生较大影响，在结构被视为弹性的情况下，自由边界的结构应变幅值明显较无限单元小，相对误差最大达123.3%，当忽略结构与土体之间的相对滑移时，结构应变增长幅度达1/3，并首次提出近似Ｒayleigh地震波场的概念。

研究发现，地下综合管廊在剪切波作用下呈整体弯曲变形，同土体在剪切波作用下的变形；各种因素中对结构响应影响最大的为边界条件及非一致激励。

部分学者进行非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验，模型场地与模型结构设计合理，为数值模拟奠定良好基础，并将有限元计算结果与试验实测结果从边界效应、加速度响应、位移响应和应变响应角度进行对比分析，得到计算结果与试验结果具有较好规律性的结论。

部分作者对Ｒayleigh波与底部地震加速度共同作用下综合管廊动力响应特征进行研究，建立双仓综合管廊三维动力有限元数值模型，对加速度、管廊结构位移、管廊结构内力进行分析。

综合管廊地震响应研究结果表明，综合管廊变形基本与周围土层一致，侧壁与底板连接部位为损伤最大位置。

为研究地下综合管廊结构边节点和中节点抗震性能，有关学者以体积配箍率和纵筋锚固长度为参数，分析试件破坏形态、弯矩-位移滞回曲线和弯矩-位移骨架曲线等，并探索提高现浇节点受弯承载力的方法。

Part 02
管廊抗爆性能研究进展
2011—2014年我国发生的燃气事故统计结果表明，仅管道爆炸事件就有722起，导致3 000余人受伤，400余人死亡。

典型案例包括2014年7月31日高雄市前镇区发生的燃气管道连环爆炸事故，导致290余人死伤；2014年10月31日河北省唐山市西外环南湖高速口东侧约300m处的地下燃气管道爆炸事故，造成2人死亡、3人重伤；2017年2月17日河北省承德市地下燃气管道泄漏引起的爆炸事故，造成2人受伤。

对地下管廊结构内部燃气爆炸传播过程进行数值模拟分析时，可采用LS-DYNA动力有限元分析软件，通过得到的冲击波压力云
图分析管廊结构动力响应规律。

研究结果表明，冲击波以平面波的形式向外传播，峰值由爆炸中心向两侧逐渐衰减；冲击波发生多次反射，能量衰减迅速；爆炸中心正对的壁面处位移最大，位移呈周期性变化，测点加速度、速度和位移相继抵达峰值。

为进一步分析管廊响应，通过建立密闭和局部开口的综合管廊三维数值模型，研究综合管廊内气云爆炸超压场和温度场分布规律。

由于爆炸荷载作用下钢筋会对结构产生约束作用，为此，部分学者特在模型中加入钢筋进行燃气爆炸荷载作用下管廊动力响应分析，研究结果表明管廊结构损伤破坏具有局部性和弱传递性。

管廊天然气仓内爆炸荷载作用对邻近地铁隧道产生一定影响，主要体现在地铁隧道拱顶及拱腰位置出现较大的振动速度与拉应力。

已有研究通过改变炸药量研究三仓室综合管廊燃气仓内爆炸冲击波衰减规律、管廊结构破坏模式、超压与位移规律，结果表明，在不同爆炸荷载作用下，各点冲击波超压峰值曲线随着爆炸中心距的增大表现出先增大后减小的趋势；炸药量对燃气仓的影响较大，对电气仓的影响小；炸药量越大，管廊破坏越严重，且均在墙板交接与混凝土板中间位置破坏。

在共同沟内燃气泄漏扩散规律数值仿真分析中，对燃气泄漏后的摩尔组分浓度分布进行模拟，结果表明，在一定范围内，标准k-ε湍流计算模型能模拟燃气泄漏，计算得到的燃气浓度满足工程精度要求。

目前，已通过研究地下综合管廊燃气仓爆炸对地面的影响，得到地面冲击波传播规律及毁伤范围。

2.1 爆炸冲击波在建(构)筑物内部的传播特性及爆炸荷载分布规律的研究
挪威分别于1968，1974年开展不同炸药当量下地下隧道内爆炸试验，获得隧道内部爆炸波传播及温度分布数据，并得到超压经验公式。

1975年，美国土木工程实验室进行部分开孔和完全开孔房间中爆炸试验，认为抵抗内爆炸的构筑物须能承受气体压
力和冲击波共同作用。

20世纪90年代，美国陆军工兵水道实验站对地下岩体中的弹药库进行一系列内爆炸试验，完成《地下浅埋隧道/洞室爆炸试验综合报告》。

瑞典国防部针对隧道内爆炸开展一系列研究工作，给出影响隧道压力衰减的主要参数。

国内学者利用数值计算方法模拟封闭直墙拱顶隧道工事内爆炸冲击波传播规律，归纳空气冲击波沿隧道的传播规律。

总参工程兵科研三所进行一系列原型和模型隧道坑口内爆炸试验，给出确定不同爆炸条件下隧道空气冲击波特征参数经验公式。

根据作用于防护结构隧道壁面由内爆炸产生的冲击波荷载大当量爆炸试验结果，拟合得到考虑爆高影响的反射压力峰值衰减曲线。

隧道口常规炸药量爆炸的研究已得到长隧道中冲击波峰值压力衰减规律。

部分学者基于JWL-Miller能量释放模型计算原理，通过与TNT 冲击波的对比，研究温压炸药爆炸冲击波在坑道内的传播特性；通过与空旷地面爆炸冲击波的对比，研究坑道对温压炸药爆炸冲击波的约束作用，研究发现温压炸药具有更大的破坏威力，坑道对温压炸药冲击波的约束作用明显。

为优化仓室抗爆结构设计，进行典型仓室结构内爆炸模型试验，研究仓内爆炸动力响应，并分析仓室板架结构失效形式，试验结果表明，仓室板架除受壁面发射冲击波作用外，还受仓室角隅处强度更大的汇聚冲击波作用；主要失效模式为仓室角隅部位发生撕裂，且出现大挠度外翻变形。

由于隧道、坑道等地下结构内部形式较单一，冲击波在壁面的反射相对简单，应重点关注冲击波沿结构长度方向的衰减规律。

2.2结构在内爆炸冲击荷载作用下动力反应和毁伤效应的研究1975年，美国海军鱼雷站进行防护单元内爆炸试验，得到爆炸后屋顶、墙体、门窗等的破坏情况。

国外学者利用有限元法模拟地下弹药储藏库房间内爆炸对周围岩体的破坏区域，为弹药储藏库埋设深度及储藏库房间最小间距提供参考依据。

国内学者研究大压力平面爆炸加载作用下高抗力复合圆形结构的抗爆特性，探究围岩、回填层和钢筋混凝土衬砌三者的变形、振动特点及相互作用机理。

同时对带端墙隧道内爆炸空气冲击波传播过程进行数值模拟研究，并分析炸药装药形状、引爆位置对爆炸荷载分布的影响。

也有学者研究典型舰船舱室在反舰导弹作用下的毁伤效果，分析爆轰波和冲击波的破坏模式，数值模拟结果表明，舱室角隅部位由于形成汇聚冲击波，其超压作用大于舱室壁面，破坏部位主要出现在甲板中心和角隅处。

为分析舱室板架结构典型破坏模式，开展战斗部舱室内爆炸模型试验，得出战斗部破片对舱室板架产生侵彻穿孔破坏，并形成破口密集区域的结论。

对于典型舰船舱室和典型多舱室结构，学者们采用有限元分析软件对舱室内爆炸毁伤特点及舱室结构破坏机理进行分析，得到毁伤模式和塑性变形等结构损坏特点。

隧道、坑道等地下结构一般与周围土体形成整体，因此，有关研究主要分析结构周边岩体、回填土等约束状态对结构动力响应及破坏情况的影响。

而舰船舱室内爆炸毁伤模式以板架变形与舱壁间的焊缝撕裂为主，抗爆研究重点在于增加迎爆面舱壁厚度、加强焊缝处的焊接强度等。

2.3工程防护技术的研究
已有学者研究单侧隧道内爆炸荷载作用下双线地铁隧道动力响应，并对泡沫铝加固效果进行分析，结果表明泡沫铝具有良好的吸能缓冲效果。

坑道模型爆炸试验结果表明在坑道内爆炸条件下，水具有显著的消波作用。

泡沫铝防护层板加固抗爆间室、新型双层舱壁结构、舷侧防护结构、内嵌钢框架混凝土防爆墙等在爆炸荷载作用下的响应均得到了研究，其中抗爆性能较优的为夹芯双层舱壁，舷侧防护结构中膨胀舱受损最严重，内嵌钢框架混凝土防爆墙具有“隔”“耗”“快”的特点。

已有成果一方面研究如何降低结构表面的爆炸荷载强度(如在结构表面敷设吸能材料、采用新型耗能结构形式)，另一方面从增大结构自身抗力出发(如采用高强混凝土、钢框架混凝土等)，进行结构抗爆设计。

如对于平潭综合试验区环岛路管线工程，通过建立管廊结构和土体三维模型，研究地下管廊内燃气爆炸荷载作用下敷设泡沫铝抗爆结构和钢板-泡沫铝-钢板夹芯抗爆结构的抗爆性能及管廊动力响应，并分析不同抗爆结构对管廊结构应力和变形的影响及抗爆结构吸能能力，研究发现管廊内敷设泡沫铝夹芯结构时吸能和抵抗爆炸冲击波的能力最佳。

由于目前对综合管廊的研究处于起步阶段，对于现浇管廊在内爆炸荷载作用下的试验与模拟研究主要集中于动力响应和破坏特征方面，对于管廊防护的研究较少，对于预制管廊内爆炸的研究更少。

与地下管廊内爆炸相似的船舶舱室、地铁隧道、坑道内爆炸研究成果可为管廊研究提供参考。

Part 03
结语
1）对于管廊抗震性能的研究已通过试验、数值模拟等方法得到大量成果，但涉及预制综合管廊在地震作用下的研究仍较少，且研究较单一。

2）对于管廊结构抗爆性能，主要将舱室、隧道、坑道等相关研究成果进行比较，为管廊内爆炸研究提供参考，综合管廊在爆炸荷载作用下的动力响应与毁伤效应仍以数值模拟分析为主，大尺寸综合管廊爆炸试验较少，对于结构防护抗爆性能的研究亟需开展。

3）由于综合管廊具有特殊的防灾减灾地位，且服役年限较长，所以还需对其耐久性等进行研究。