一種基于火災場景的隧道襯砌安全性評估裝置及計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于火災場景的隧道襯砌安全性評估裝置及計算方法，該評估裝置包括隧道基礎數據模塊、火災場景仿真模塊、襯砌火災特性模塊、圍巖壓力計算模塊、直剛法程序模塊、襯砌安全性計算模塊，計算步驟如下：(1)隧道基礎數據模塊收集相關資料；(2)火災場景模擬模塊對不同火災場景進行仿真；(3)襯砌火災特性模塊獲得不同部位的力學性能，圍巖壓力模塊計算圍巖壓力；(4)直剛法程序模塊計算不同部位的力學特性和內力；(5)襯砌安全性計算模塊計算得到相應的安全系數。本發(fā)明為不同火災場景下隧道內襯砌不同部位的安全性分析提供了一種可行性的計算方法，為隧道火災后襯砌修復提供理論依據。
【專利說明】一種基于火災場景的隧道襯砌安全性評估裝置及計算方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及火災下襯砌安全性評估裝置及計算方法，特別適用于不同火災場景下 隧道不同里程不同部位的襯砌安全評估。

【背景技術】
[0002] 目前我國修建的隧道座數和總里程數均居世界第一，一大批隧道投入運營。而運 營階段的安全管理最大的問題則是火災下的安全管理。自20世紀90年代以來，由于交通 隧道的迅速發(fā)展，行車速度和密度的加大，車輛在隧道中的故障及相互撞擊、貨物的點燃和 自燃、恐怖主義、縱火等原因，不論是公路隧道還是鐵路隧道都發(fā)生數起重大火災事故，如 國外1996年的英國一法國的Channel Tunnel (鐵路隧道）的火災，1999年的法國一意大利 的Mont Blanc (公路隧道）火災，2001年瑞士的Gotthard (公路隧道）火災；我國的1993 年西延線藺家川隧道鐵路隧道火災，2002年的浙江貓貍嶺公路隧道火災。隧道火災除了造 成人員傷亡、巨大的經濟損失和不良的社會影響外，還對運營設備、隧道襯砌造成嚴重的破 壞。
[0003] 襯砌在火災下會受到不同程度的損傷，如果損傷過大，安全性不滿足，則會發(fā)生坍 塌；另外襯砌損傷后，如何根據其損傷程度，制定不同的治理措施也是急需解決的問題。目 前研究的主要集中在襯砌試塊在火災下受力性能研究，未考慮火災在隧道受限空間內傳播 的特性。因此，如何根據隧道空間內火災場景特點，分析隧道襯砌在不同里程不同部位的受 熱特點，進而分析不同里程、不同部位襯砌的安全性，從而為有針對性的襯砌修復加固提供 理論依據，是急需解決的問題。


【發(fā)明內容】

[0004] 針對現有技術存在的上述技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠根據隧道空間 內火災場景特點，分析隧道襯砌在不同里程不同部位的受熱特點，進而分析不同里程、不同 部位襯砌的安全性，為襯砌修復加固提供理論依據的隧道襯砌安全性評估裝置，及使用該 裝置進行計算的方法。
[0005] 本發(fā)明的一種基于火災場景的隧道襯砌安全性評估裝置，包括隧道基礎數據模 塊、火災場景仿真模塊、襯砌火災特性模塊、圍巖壓力計算模塊、直剛法程序模塊、襯砌安全 性計算模塊；隧道基礎數據模塊經圍巖壓力計算模塊與直剛法程序模塊相連；所述隧道基 礎數據模塊經火災場景仿真模塊、襯砌安全性計算模塊分別與所述直剛法程序模塊、襯砌 安全性計算模塊相連；所述直剛法程序模塊與襯砌安全性計算模塊相連。
[0006] -種采用上所述裝置進行評估的方法，包括以下步驟：
[0007] (1)隧道基礎數據|旲塊收集相關資料；
[0008] (2)火災場景模擬模塊根據隧道基礎數據模塊的資料，確定火災場景，設定不同火 災場景進行仿真；
[0009] 其中火災場景仿真的基本控制方程組分別為：
[0010] a.質量守恒方程

【權利要求】
1. 一種基于火災場景的隧道襯砌安全性評估裝置，其特征在于，包括隧道基礎數據模 塊、火災場景仿真模塊、襯砌火災特性模塊、圍巖壓力計算模塊、直剛法程序模塊、襯砌安全 性計算模塊；隧道基礎數據模塊經圍巖壓力計算模塊與直剛法程序模塊相連；所述隧道基 礎數據模塊經火災場景仿真模塊、襯砌安全性計算模塊分別與所述直剛法程序模塊、襯砌 安全性計算模塊相連；所述直剛法程序模塊與襯砌安全性計算模塊相連。
2. -種采用權利要求1所述裝置進行評估的方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 隧道基礎數據模塊收集相關資料； (2) 火災場景模擬模塊根據隧道基礎數據模塊的資料，確定火災場景，設定不同火災場 景進行仿真； 其中火災場景仿真的基本控制方程組分別為： a. 質量守恒方程
式中：P為密度，kg/m3;t為時間，s; ▽為Hulmilton算子，V+ +7灸；u為 οχ(.:νVZ 速度矢量，m/s; b. 動量守恒方程
式中：P為壓力，pa;g為當地的重力加速度，m/s2;f為浮力，Ν;τ為層間剪切應力，pa; c. 氣體組分方程
式中：K= ^"，為質量相對散發(fā)率；Dl為組分氣體1的擴散通量；為組分1的反應 速率，kg/s; d. 能量守恒方程
式中：h為總j：含，J/kg;q,為化學反應項；k為導熱系數，kw/(K·m) ;T為溫度，K;hA組分氣體的洽，J/kg; Ω 與彳太件太古網
式中：R為氣體常數W1為組分氣體的質量分數，g/mol;Μ為組分氣體的平均質量分數，g/mol； 通過耦合上述質量守恒方程、動量守恒方程、氣體組分方程、能量守恒方程、氣體狀態(tài) 方程，可以得到速度的散度方程為：
式中：Cp為空氣的比熱系數，JAkg·K) ;ClU為組分氣體的比熱系數，X/(kg·K); 進一步對方程進行化簡：
對整個區(qū)域進行積分，得到參考壓力方程：
動量方程的最終求解形式為：
(3) 襯砌火災特性模塊結合上述火災場景仿真模塊，得到不同部位的溫度，從而獲得不 同部位的力學性能； (4) 圍巖壓力模塊計算圍巖壓力，根據基礎數據模塊，分析隧道所在斷面位置，分淺埋 和深埋情況，計算圍巖壓力； (5) 直剛法程序模塊根據荷載-結構力學原理，編制直剛法程序，用矩陣位移法求解， 把上述圍巖壓力及不同部位的力學特性代入，即可獲得相應的內力； (6) 考慮襯砌受火災損傷后，強度降低和截面損傷的影響，襯砌安全性計算模塊計算得 到相應的安全系數。
【文檔編號】G06F19/00GK104462835SQ201410784617
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權日:2014年12月16日
【發(fā)明者】安永林, 彭立敏, 賀建清, 王志斌, 陳偉 申請人:湖南科技大學