爆炸载荷下水下隧道的压力分布和动力响应

摘要： 为了研究隧道结构在水中爆炸冲击下的荷载分布和动力响应，设计并制作了1/10 缩尺隧道模型，进行了3 次水下爆炸试验，对隧道模型的压力、冲量和位移进行了研究。研究结果表明：冲击波在浅水区会产生明显的水面截断效应，该效应会使近水面的冲量减小；自由场冲击波峰值压力的试验值与理论值吻合良好，误差在20% 以内；圆形截面隧道迎爆面峰值压力为自由场峰值压力的1.626～1.716 倍，顶面峰值压力为自由场峰值压力的54.3%～65.2%，背爆面峰值压力为自由场峰值压力的25.5%～31.3%；水中爆炸作用下的冲量时程曲线呈明显的阶梯状，每一次的气泡脉动都伴随着相应的冲量增加；水下爆炸会引起隧道结构产生振动，其振动过程可分为结构急速变形、结构大幅振动和结构颤振3 个阶段，隧道结构的最大位移发生在结构大幅振动阶段。

关键词： 水下隧道；水下爆炸；峰值压力；动态响应；缩尺试验

中图分类号： O382 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

水下隧道经过近百年的发展，在世界范围内得到了广泛的应用，已经成为跨水交通的重要方式之一。相较于轮渡和大桥，水下隧道不受台风、浓雾等恶劣天气的影响，有稳定的通行能力，且不对水上航运造成影响，仅在20 世纪全球范围内就已通过盾构技术开挖了100 多条水底隧道[1]。在现代战争中，水工结构已经成为爆炸攻击的重点目标，例如在俄乌战争中北溪一号管道[2]、克里米亚大桥[3] 和卡霍夫卡大坝[4] 均遭受到了严重的爆炸袭击，水工结构一旦损毁，将会导致巨大的伤亡和重大的经济损失。因此，对水下隧道结构开展抗爆研究非常必要。

目前，学者们对水下隧道的抗爆性能已经开展了相关研究。Xu 等[5] 以港珠澳大桥沉管隧道管节为原型，通过缩尺模型试验研究了车辆在隧道内部发生爆炸后隧道结构的毁伤效应，以炸药到隧道顶板的比例距离进行分类，将爆炸破坏划分为4 个等级。Kristoffersen 等[6] 基于挪威海岸的一个悬浮隧道工程方案，建立了圆形和矩形截面两种隧道管节的有限元模型，对隧道内部车辆爆炸的工况进行了研究，发现圆形横截面的隧道具有更好的抗爆性能。Yang 等[7-8] 基于数值模拟的方法，评估了水下沉管隧道在爆炸荷载作用下的损伤特征，提出了基于药量和爆炸距离的经验关系来预测隧道损伤水平的方法，并确定了CFRP（carbon fiber reinforced polymer）布最佳厚度用以加固沉管隧道的方案。De 等[9-10] 通过离心机模型试验和数值模拟相结合的方法，研究了不同比例爆距对水底沉埋隧道的影响，并以此评估了0.9 t 炸药对直径5.5 m 水底隧道的影响。虽然学者们对爆炸作用下水下隧道结构进行了一定的研究，但由于在爆炸荷载作用下水下隧道结构受力复杂，隧道结构上的荷载分布规律和动力响应尚不明确，需要进一步开展相关试验研究。

本文中，以水下隧道管节为研究对象，浇筑1/10 缩尺模型，进行3 次水下爆炸试验，研究水中近场非接触爆炸下隧道管节的荷载分布特征和结构的动力响应规律，以期为水下隧道的抗爆设计提供参考。