中国安全科学学报 ›› 2026, Vol. 36 ›› Issue (4): 123-131.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.04.0085
王睿1(
), 张讯1, 邓祥辉1,**(
), 王平安2, 王旭1, 张巍3
收稿日期:2025-11-14
修回日期:2026-02-05
出版日期:2026-04-28
通信作者:
作者简介:![]() |
王 睿 (1981—),男,河北饶阳人,博士,副教授,主要从事隧道与城市地下工程施工技术及风险评估方面的研究。E-mail:wangrui@xatu.edu.cn。 |
王平安, 教授级高级工程师
张巍, 高级工程师
基金资助:
Wang Rui1(
), Zhang Xun1, Deng Xianghui1,**(
), Wang Ping'an2, Wang Xu1, Zhang Wei3
Received:2025-11-14
Revised:2026-02-05
Published:2026-04-28
摘要:
为保障地铁运行及结构安全,开展爆炸作用下地铁盾构隧道韧性评估。建立爆炸作用下地铁盾构隧道的韧性评估体系和韧性等级划分标准,提出基于反向传播(BP)神经网络的3输入层-5隐藏层-单输出层的地铁盾构隧道韧性预测模型,并依托西安地铁一号线完成韧性评估和预测。结果表明:爆心距减小、炸药当量增大、爆炸次数增加均会加速地铁盾构隧道韧性下降;首次爆炸后地铁盾构隧道韧性降幅最为明显,之后韧性降速较为缓慢,直至第5次爆炸后,韧性降低速度大大加快,地铁盾构隧道进入低韧性,需及时修复以满足运行要求,而第7次爆炸后降为极低韧性,已不能满足运行安全。所建立的韧性评估体系和预测模型可用于连续外爆作用下地铁盾构隧道安全状况的评估。
中图分类号:
王睿, 张讯, 邓祥辉, 王平安, 王旭, 张巍. 爆炸作用下地铁盾构隧道韧性评估与预测[J]. 中国安全科学学报, 2026, 36(4): 123-131.
Wang Rui, Zhang Xun, Deng Xianghui, Wang Ping'an, Wang Xu, Zhang Wei. Resilience assessment and prediction of metro shield tunnels under explosive conditions[J]. China Safety Science Journal, 2026, 36(4): 123-131.
表1
地铁盾构隧道韧性指标
| 指标名称 | 表达式 | 注释 |
|---|---|---|
| 直径变形 | ${q}_{1}\left(t\right)=\frac{{\lambda }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-\lambda \left(t\right)}{{\lambda }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}$ | λmax为隧道结构允许的最大直径变形率,取为9‰;λ(t)为随时间隧道结构直径变形率 |
| 竖向位移 | ${q}_{2}\left(t\right)=\frac{{V}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-V\left(t\right)}{{V}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}$ | Vmax为隧道结构允许的最大竖向位移,取为20 mm;V(t)为随时间隧道结构竖向位移量 |
| 水平位移 | ${q}_{3}\left(t\right)=\frac{{H}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-H\left(t\right)}{{H}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}$ | Hmax为隧道结构允许的最大水平位移,取为20 mm;H(t)为随时间隧道结构水平位移 |
| 接缝张开量 | ${q}_{4}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Delta }{L}_{1\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-\Delta {L}_{1}\left(t\right)}{2\mathrm{\Delta }{L}_{1\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}+\frac{\mathrm{\Delta }{L}_{2\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-\Delta {L}_{2}\left(t\right)}{2\mathrm{\Delta }{L}_{2\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}$ | ΔL1max为隧道结构允许的最大纵缝张开量;ΔL2max为隧道结构允许的最大环缝张开量,均取3 mm;ΔL1(t)为随时间隧道结构纵缝张开量;ΔL2(t)为随时间隧道结构环缝张开量 |
| 错台量 | ${q}_{5}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Delta }{S}_{1\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-\Delta {S}_{1}\left(t\right)}{2\mathrm{\Delta }{S}_{1\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}+\frac{\mathrm{\Delta }{S}_{2\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-\Delta {S}_{2}\left(t\right)}{2\mathrm{\Delta }{S}_{2\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}$ | ΔS1max为隧道结构允许的最大纵缝错台量;ΔS2max为隧道结构允许的最大环缝错台量,均取10 mm;ΔS1(t)为随时间隧道结构纵缝错台量;ΔS2(t)为随时间隧道结构环缝错台量 |
表2
峰值压力的经验公式预测值与数值模拟值的对比
| 管片 | Z | 经验公式预 测值/MPa | 数值模拟 值/MPa | 误差/ % |
|---|---|---|---|---|
| H1 | 0.2 | 23.508 | 21.206 | -9.79 |
| 0.4 | 3.494 | 3.169 | -9.30 | |
| 0.6 | 1.146 | 1.041 | -9.16 | |
| 0.8 | 0.519 | 0.468 | -9.83 | |
| H2 | 0.2 | 23.508 | 21.351 | -9.18 |
| 0.4 | 3.494 | 3.189 | -8.73 | |
| 0.6 | 1.146 | 1.037 | -9.51 | |
| 0.8 | 0.519 | 0.472 | -9.06 | |
| H3 | 0.2 | 23.508 | 21.428 | -8.85 |
| 0.4 | 3.494 | 3.291 | -5.81 | |
| 0.6 | 1.146 | 1.248 | 8.90 | |
| 0.8 | 0.519 | 0.482 | -7.13 | |
| H4 | 0.2 | 23.508 | 21.917 | -6.77 |
| 0.4 | 3.494 | 3.765 | 7.76 | |
| 0.6 | 1.146 | 1.206 | 5.24 | |
| 0.8 | 0.519 | 0.479 | -7.71 | |
| H5 | 0.2 | 23.508 | 25.641 | 9.07 |
| 0.4 | 3.494 | 3.798 | 8.70 | |
| 0.6 | 1.146 | 1.247 | 8.81 | |
| 0.8 | 0.519 | 0.533 | 2.70 | |
| H6 | 0.2 | 23.508 | 25.846 | 9.95 |
| 0.4 | 3.494 | 3.822 | 9.39 | |
| 0.6 | 1.146 | 1.254 | 9.42 | |
| 0.8 | 0.519 | 0.566 | 9.06 |
表3
不同炸药当量5次爆炸后各管片韧性
| 爆炸 次数 | 炸药当 量/kg | 管片编号 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H1 | H2 | H3 | H4 | H5 | H6 | |||
| 1 | 500 | 0.951(I) | 0.952(I) | 0.947(I) | 0.947(I) | 0.928(I) | 0.937(I) | |
| 1 000 | 0.942(I) | 0.942(I) | 0.931(I) | 0.931(I) | 0.907(I) | 0.913(I) | ||
| 1 500 | 0.939(I) | 0.939(I) | 0.923(I) | 0.908(I) | 0.897(I) | 0.902(I) | ||
| 2 000 | 0.941(I) | 0.939(I) | 0.921(I) | 0.913(I) | 0.903(I) | 0.901(I) | ||
| 2 500 | 0.934(I) | 0.928(I) | 0.911(I) | 0.902(I) | 0.874(I) | 0.881(I) | ||
| 2 | 500 | 0.922(I) | 0.921(I) | 0.913(I) | 0.914(I) | 0.884(I) | 0.895(I) | |
| 1 000 | 0.910(I) | 0.907(I) | 0.889(I) | 0.890(I) | 0.852(I) | 0.861(I) | ||
| 1 500 | 0.906(I) | 0.904(I) | 0.880(I) | 0.856(I) | 0.840(I) | 0.847(I) | ||
| 2 000 | 0.909(I) | 0.905(I) | 0.878(I) | 0.864(I) | 0.852(I) | 0.846(I) | ||
| 2 500 | 0.900(I) | 0.887(I) | 0.860(I) | 0.845(I) | 0.804(I) | 0.813(I) | ||
| 3 | 500 | 0.890(I) | 0.887(I) | 0.875(I) | 0.876(I) | 0.839(I) | 0.848(I) | |
| 1 000 | 0.875(I) | 0.867(I) | 0.844(I) | 0.844(I) | 0.797(Ⅱ) | 0.804(I) | ||
| 1 500 | 0.870(I) | 0.863(I) | 0.834(I) | 0.803(I) | 0.782(Ⅱ) | 0.787(Ⅱ) | ||
| 2 000 | 0.874(I) | 0.863(I) | 0.831(I) | 0.811(I) | 0.794(Ⅱ) | 0.784(Ⅱ) | ||
| 2 500 | 0.863(I) | 0.840(I) | 0.805(I) | 0.779(Ⅱ) | 0.730(Ⅱ) | 0.742(Ⅱ) | ||
| 4 | 500 | 0.863(I) | 0.857(I) | 0.839(I) | 0.839(I) | 0.797(Ⅱ) | 0.803(I) | |
| 1 000 | 0.844(I) | 0.830(I) | 0.803(I) | 0.799(Ⅱ) | 0.745(Ⅱ) | 0.751(Ⅱ) | ||
| 1 500 | 0.834(I) | 0.822(I) | 0.790(Ⅱ) | 0.751(Ⅱ) | 0.725(Ⅱ) | 0.728(Ⅱ) | ||
| 2 000 | 0.833(I) | 0.819(I) | 0.785(Ⅱ) | 0.757(Ⅱ) | 0.733(Ⅱ) | 0.720(Ⅱ) | ||
| 2 500 | 0.821(I) | 0.790(Ⅱ) | 0.748(Ⅱ) | 0.714(Ⅱ) | 0.660(Ⅱ) | 0.670(Ⅱ) | ||
| 5 | 500 | 0.837(I) | 0.829(I) | 0.806(I) | 0.804(I) | 0.757(Ⅱ) | 0.760(Ⅱ) | |
| 1 000 | 0.816(I) | 0.797(Ⅱ) | 0.764(Ⅱ) | 0.756(Ⅱ) | 0.695(Ⅱ) | 0.701(Ⅱ) | ||
| 1 500 | 0.797(Ⅱ) | 0.782(Ⅱ) | 0.746(Ⅱ) | 0.702(Ⅱ) | 0.671(Ⅱ) | 0.671(Ⅱ) | ||
| 2 000 | 0.789(Ⅱ) | 0.774(Ⅱ) | 0.738(Ⅱ) | 0.704(Ⅱ) | 0.670(Ⅱ) | 0.655(Ⅱ) | ||
| 2 500 | 0.777(Ⅱ) | 0.740(Ⅱ) | 0.691(Ⅱ) | 0.650(Ⅱ) | 0.592(Ⅲ) | 0.599(Ⅲ) | ||
| [1] |
张建设, 黄艳龙, 李瑚均, 等. 基于改进N-K模型的地铁盾构掘进安全风险耦合研究[J]. 中国安全科学学报, 2024, 34(2): 67-75.
doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.02.0385 |
|
doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.02.0385 |
|
| [2] |
doi: 10.1038/nature16948 |
| [3] |
doi: 10.1016/j.landurbplan.2015.11.011 |
| [4] |
doi: 10.1016/j.tust.2015.10.044 |
| [5] |
doi: 10.1016/j.ress.2011.09.002 |
| [6] |
李剑. 盾构公路隧道结构性能检测评估指标及应用研究[J]. 地下空间与工程学报, 2012, 8(3): 549-556,665.
|
|
|
|
| [7] |
乔小雷, 董飞, 李奥, 等. 地铁大直径盾构隧道运营期结构安全状态评价研究[J]. 铁道勘察, 2023, 49(1): 119-125.
|
|
|
|
| [8] |
doi: 10.21595/jve |
| [9] |
|
| [10] |
|
| [11] |
doi: 10.1016/j.ress.2016.08.013 |
| [12] |
|
| [13] |
路德春, 马超, 杜修力, 等. 城市地下结构抗震韧性研究进展[J]. 中国科学(技术科学), 2022, 52(10): 1469-1483.
|
|
|
|
| [14] |
|
| [15] |
|
| [16] |
魏琳, 李丽华, 秦立强, 等. 城市地铁恐怖袭击事件应急能力综合评价[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(7): 213-221.
doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2023.07.2285 |
|
doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2023.07.2285 |
|
| [17] |
朱旻, 陈湘生, 夏长青, 等. 地面堆载下盾构隧道结构韧性演化规律研究[J]. 岩土工程学报, 2024, 46(1): 35-44.
|
|
|
|
| [18] |
林星涛, 陈湘生, 苏栋, 等. 考虑多次扰动影响的盾构隧道结构韧性评估方法及其应用[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(4): 591-601.
|
|
|
|
| [19] |
|
| [20] |
|
| [21] |
樊燕燕, 韩诗雨, 江旭, 等. 基于组合赋权-欧氏距离的高原铁路运营期安全系统韧性评价[J]. 铁道科学与工程学报, 2023, 20(9):3536-3546.
|
|
|
|
| [22] |
李心熙, 禹海涛. 沉管隧道纵向抗震韧性评价方法研究[J]. 震灾防御技术, 2023, 18(1):37-43.
|
|
|
|
| [23] |
|
| [24] |
邓鹏, 杨文汐, 胡世君, 等. 二次内爆作用下钢筋混凝土结构累积毁伤研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2025, 52(3): 119-128.
|
|
|
|
| [25] |
杨广栋, 王高辉, 卢文波, 等. 地表爆炸荷载作用下大型输水箱涵的毁伤评估及防护效应分析[J]. 振动与冲击, 2019, 38(5): 28-37.
|
|
|
|
| [26] |
doi: 10.1046/j.1468-8123.2003.00046.x |
| [1] | 王丽, 王喆, 关文玲, 张嘉琪, 刘超林, 孟玉莹. 面向应急救援的BP神经网络人员定位-追踪-静止报警系统[J]. 中国安全科学学报, 2026, 36(4): 204-210. |
| [2] | 谢尊贤, 马浩浩, 江松, 武潇云. 基于GA-BP神经网络的露天矿山排土场边坡失稳预测[J]. 中国安全科学学报, 2026, 36(3): 81-88. |
| [3] | 于振江. 基于IPSO-BP的消防通信指挥系统效能评价[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(9): 1-7. |
| [4] | 吕淑然, 田江雪, 党鑫宇. 基于改进灰狼优化BP网络的城中村火灾预测[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(8): 196-204. |
| [5] | 陈剑锋, 赵佳虹, 刘思雨. 基于四维风险预测的城市医疗废物运输网络优化[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(4): 152-157. |
| [6] | 王兴隆, 邱鑫, 赵俊妮. 机场飞行区运行安全韧性评估与提升[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(4): 18-27. |
| [7] | 许慧, 叶泽鸿, 周启琳, 张日芬. 中国大陆核心城市韧性发展预测及动态空间分异研究[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(3): 179-186. |
| [8] | 王兴隆, 邱鑫, 魏奕雯. 机场飞行区CPS网络建模及韧性评估[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(2): 49-56. |
| [9] | 王起全, 冯炜翔, 杨松立. 基于SD-MEE模型的地铁拥挤踩踏事故韧性评估[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(12): 187-195. |
| [10] | 汤青慧, 刘硕, 张瑾. 基于WSR-可拓云理论的地铁车站火灾安全韧性评估[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(1): 154-162. |
| [11] | 李崔茜, 王义保, 刘志翔. 居民感知视角下城市公共安全韧性评估及提升路径研究:以南京市为例[J]. 中国安全科学学报, 2024, 34(9): 209-216. |
| [12] | 陈长坤, 王思琪, 孙凤琳, 余荣付. 城市关联基础设施多层网络韧性评估模型[J]. 中国安全科学学报, 2024, 34(5): 204-213. |
| [13] | 詹伟, 程春鑫. 基于GWO-BP的震后过渡安置阶段应急物资需求预测[J]. 中国安全科学学报, 2024, 34(10): 17-23. |
| [14] | 陈娜, 郭浩然, 张志鹏, 赵军. 基于H-OWA算子和投影寻踪的地铁站水灾安全韧性评估[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(4): 148-154. |
| [15] | 马飞, 苟慧艳, 杨梦楠, 刘擎, 委笑琳, 敖誉芸. 考虑灰色攻击的多制式区域轨道交通网络韧性评估[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33(12): 148-159. |
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