CNG加氣站對鄰近輕軌隧洞影響的數(shù)值分析

王敬林，李秀地，王曉波

（1后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系 重慶 400041 2重慶博其樂土木工程技術(shù)咨詢有限公司 重慶 400069）

現(xiàn)代城市的快速發(fā)展和天然資源的不可重復(fù)始終是一個矛盾。壓縮天然氣（CNG）是一種最理想的車用替代能源，它具有成本低、效益高、無污染、使用安全便捷等特點，正日益顯示出強大的發(fā)展?jié)摿?。?dāng)前，由于加氣站數(shù)量不足等原因，許多城市均出現(xiàn)車輛“排長隊”加氣的現(xiàn)象，因此都在積極規(guī)劃新建加氣站項目。同時，CNG加氣站一般修建在城市交通主干道邊上，有時與輕軌或者地鐵之間相距很近，如果處理不好會給城市帶來一定的安全隱患。近年來，CNG加氣站發(fā)生爆炸的事件屢有發(fā)生，給人們帶來了深刻的教訓(xùn)，如2005年10月8日，重慶市九龍坡區(qū)石橋鋪白馬凼一加氣站氣井漏氣，并發(fā)生爆炸，一人被炸重傷，附近上千人疏散，消防隊出動5輛消防車，耗用5小時才排險成功。為預(yù)防事故的發(fā)生或者減少事故帶來的損失，2009年8月31日，成都市在三環(huán)路外側(cè)的通能清江加氣站內(nèi)進行了最大規(guī)模的CNG站事故應(yīng)急演練。

目前有關(guān)CNG加氣站設(shè)計、風(fēng)險安全分析與預(yù)防的文獻較多[1][2][3][4]，但針對CNG加氣站的爆炸對鄰近工程的影響的文章卻很少，本文針對重慶市某新建CNG加氣站地處毗鄰的輕軌三號線隧洞安全控制保護線范圍內(nèi)，利用有限元數(shù)值模擬，探討了CNG加氣站在不利工況下發(fā)生爆炸對鄰近輕軌隧洞影響的數(shù)值分析與評價，為類似工程處理提供借鑒。

1 工程概況

為緩解重慶市公交車加氣難問題，重慶市經(jīng)濟委員會立項批復(fù)同意由重慶燃?xì)猓瘓F）有限責(zé)任公司和重慶市公交站場集團合作建設(shè)江北龍頭寺公交站場CNG加氣站。該項目地處龍頭寺公交站場內(nèi)，距輕軌三號線隧洞邊線31.2m，處于輕軌交通保護控制線內(nèi)[1]。

龍頭寺公交站場CNG加氣站設(shè)計參數(shù)如下：進氣壓力：0.2MPa；天然氣日處理量：（8.0～10.0）×104m3/d；儲氣能力：采用儲氣井儲氣方式，分為高、中、低三個壓力段分別儲存天然氣（高壓井1口，中壓井2口，低壓井3口），每口井深150m，儲氣量4500m3，儲氣井共占地9m2。加氣站與輕軌隧洞平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 加氣站與輕軌隧洞平面位置關(guān)系示意圖

CNG加氣站方案按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB50156《汽車加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》、GB50028《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》設(shè)計，并采用了一定的技術(shù)安全防護措施，如將工藝區(qū)改為半地下式，工藝區(qū)屋頂上側(cè)開設(shè)10m×25m寬的框洞，泄壓面積滿足《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的泄壓要求，同時采用500mm厚的鋼筋混凝土防爆隔離墻，上至地表，下至車庫地坪下1m，設(shè)備控制線纜采用埋地方式引入等，剖面關(guān)系如圖2所示。

圖2 加氣站與輕軌隧洞剖面位置關(guān)系示意圖

2 場地巖土工程特性

擬建場地位于重慶市龍頭寺公交站場內(nèi)，屬構(gòu)造剝蝕殘丘地貌，地形開闊、平坦。場地地質(zhì)構(gòu)造位于龍王洞背斜南西翼，巖層產(chǎn)狀為245°∠17°。巖體中主要發(fā)育兩組裂隙，綜合分析基巖裂隙不發(fā)育。

地層巖土特征：擬建場地地層主要有第四系素填土、南側(cè)分布有粉質(zhì)粘土、下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖和砂質(zhì)泥巖。中風(fēng)化巖體較完整，基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，巖體為整體塊狀結(jié)構(gòu)。

根據(jù)提供的地質(zhì)報告，計算采用的巖土和材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3 CNG等效TNT換算

CNG泄漏出的氣體燃料和空氣混合形成可燃混合物，在無限大氣中擴展，形成很大面積的可燃蒸氣云，一旦遇到點火源，此蒸氣云即可發(fā)生大面積的無約束可燃蒸氣云爆炸。要精確計算壓縮天然氣的爆炸能量是比較困難的。雖然容器內(nèi)可燃?xì)怏w的量已知，而且在容器爆炸時又幾乎全部流出，但由于這些氣體一般以球狀或其它形態(tài)在空間擴散，只有外圍一部分可燃?xì)怏w與大氣中的氧混合形成爆炸性氣體，所以并不是全部可燃?xì)怏w都參與反應(yīng)。參與反應(yīng)的可燃?xì)怏w量的多少與許多因素有關(guān)，如容器周圍的氣流情況、氣體的爆炸極限范圍和出現(xiàn)火源的時間等。因此，一般只能是估算，即假定參與爆炸反應(yīng)氣體所占的百分比，然后按這些可燃?xì)怏w的燃燒熱計算其爆炸能量。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)計算取值

計算這類蒸氣云爆炸效應(yīng)有以下幾類方法：第一類是經(jīng)驗方法，其中最重要的是TNT當(dāng)量法；第二類是理論方法，其中包括自模擬解及作為其簡化近似的解析方法；第三類是球形和半球形的數(shù)值模型；第四類是數(shù)值方法，如AUTOREAGAS商用軟件。

經(jīng)驗方法TNT當(dāng)量法的爆炸能量是用TNT當(dāng)量來表示的，其最大優(yōu)點是簡便易行，因而長期以來在爆炸波效應(yīng)預(yù)報以及爆炸事故調(diào)查中一直被廣泛應(yīng)用。雖然存在一定的誤差，但在稍遠(yuǎn)的距離上，相同能量的壓縮天然氣爆炸與TNT爆炸所產(chǎn)生的超壓還是相近似的。其基本概念是將無約束蒸氣云所產(chǎn)生的爆炸波等同于相同能量的TNT爆轟所產(chǎn)生的爆炸波，如式（1）所示：

式中：WTNT為可燃?xì)怏w蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg；

α為可燃?xì)怏w蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù)，一般取0.04；

Wf為蒸氣云爆炸中可燃?xì)怏w總質(zhì)量，kg；

Qf為可燃?xì)怏w的燃燒熱，本文中取值為55.164MJ/kg；

QTNT為TNT的燃燒熱，一般取4.52MJ/kg。

由于確定安全距離應(yīng)盡量保守，現(xiàn)假設(shè)所儲存的氣體（Vf=4500m3）全部泄漏到敞開空間，與空氣混合形成爆炸混合物，發(fā)生蒸氣云地面半球爆炸。

CNG的主要成分是甲烷 （CH4），比重為0.55，密度為0.6875kg/m3。將數(shù)據(jù)代入上式，則CNG無約束可燃蒸氣云的等效TNT量為式（2）所示：

WTNT=0.04X4500X0.6875X55.164/4.52=1510kg （2）

4 數(shù)值分析

采用程序：目前應(yīng)用較廣的是美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Lab.）的LS-DYNA計算分析程序，LS-DYNA是一個大型通用顯式動力有限元程序，計算功能更為強大，本文即采用該軟件進行數(shù)值模擬計算。

4.1 計算條件

計算模型：為建模方便，將等效TNT炸藥看做立方體裝藥，并假設(shè)研究對象以處理區(qū)中心截面對稱。為保守起見，考慮炸藥在處理區(qū)地表面爆炸，并按平面應(yīng)變問題進行數(shù)值計算，計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

計算所采用的單位為g-cm-μs-Mbar（注：1Mbar=105 MPa）。模型尺寸如圖2所示。

單元劃分：單元類型采用SOLID164，單元形狀為規(guī)則四邊形。單元尺寸為10cm，共計300155個單元。由于爆炸數(shù)值模擬過程中涉及炸藥爆轟產(chǎn)物、空氣、鋼筋混凝土及巖土等介質(zhì)的大變形響應(yīng)，為避免炸藥爆轟流體網(wǎng)格在計算過程中的畸變，對炸藥和空氣單元采用歐拉算法，每個時步執(zhí)行1次輸運計算。采用Van Leer+HIS（二階精度）方法進行輸運計算，該方法是目前LS-DYNA中最為精確的方法。對鋼筋混凝土和巖土采用拉格朗日算法，對歐拉介質(zhì)和拉格朗日介質(zhì)采用流固耦合算法。鋼筋混凝土單元、巖土單元之間的接觸采用共節(jié)點耦合在一起。

邊界條件：在對稱邊界上采用對稱邊界條件。為模擬半無限巖土介質(zhì)，在巖土的右邊界和下邊界采用非反射邊界條件，地表采用自由邊界條件?？諝膺吔绲姆秶眠@樣的方法確定，即從炸藥起爆開始到?jīng)_擊波到達邊界的持續(xù)時間，應(yīng)與所研究點的壓力-時間相比足夠地長。

材料及其參數(shù)：本次爆炸數(shù)值模擬過程中涉及炸藥、空氣、鋼筋混凝土及巖土等材料。

空氣模型簡化為非粘性理想氣體，沖擊波的膨脹假設(shè)為絕熱過程。則空氣的狀態(tài)方程為

式中，ρ為密度；γ為絕熱指數(shù)；E為內(nèi)能密度。

用LS-Dyna中的MAT_NULL材料和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程分別表示空氣的本構(gòu)關(guān)系?？諝獠牧系哪Ｐ蛥?shù)，見表2所示。

表2 空氣材料的模型參數(shù)

用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料和EOS_JWL狀態(tài)方程表示TNT炸藥的本構(gòu)關(guān)系。其中JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆轟過程中壓力、內(nèi)能和比容的關(guān)系，表達式為

式中，P為材料壓力，V為相對體積，E為內(nèi)能密度，A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)。

炸藥的爆轟過程采用“Programmed+beta burn”技術(shù)模擬，每個炸藥單元的點火時間由該單元形心至起爆點的距離和爆速確定。TNT炸藥材料及JWL狀態(tài)方程參數(shù)，見表3所示。

表3 TNT炸藥材料及JWL方程參數(shù)

鋼筋混凝土、表層覆土及下面的中風(fēng)化砂巖都采用彈塑性模型。用MAT_PLASTIC_KINEMATIC表示其本構(gòu)關(guān)系。材料物理力學(xué)參數(shù)，見表1所示。

因為隧道縱向較長，橫向尺寸相對較小，可以按照平面應(yīng)變問題處理，選取隧道圍巖最不利斷面進行計算。

單元建立和網(wǎng)格劃分，巖（土）體用平面實體單元PLANE2來模擬；錨桿擋墻（肋柱）面板、隧道襯砌結(jié)構(gòu)和基坑邊墻均用梁單元BEAM3來模擬；錨桿采用桿單元LINK1單元模擬。采用三角形節(jié)點單元進行有限元網(wǎng)格劃分。

4.2 計算結(jié)果及分析

4.2.1 處理區(qū)防爆墻的防爆作用模擬

炸藥起爆后，鋼筋混凝土防爆墻及鄰近巖土介質(zhì)的變形與破壞，見圖4。

圖4 不同時刻的破壞結(jié)果

可見，用LS-DYNA軟件可以形象地模擬炸藥爆炸時爆炸波的傳播及介質(zhì)的破壞過程。數(shù)值模擬表明，在本次模擬情況下，炸藥爆炸時處理區(qū)的鋼筋混凝土防爆墻被完全炸壞。防爆墻與下穿道之間的覆蓋土被完全破壞，處理區(qū)底部在沖擊波的直接沖擊下形成了較深的炸坑。防爆墻及鄰近巖土介質(zhì)的破壞，會消耗一部分爆炸能量，因此，處理區(qū)的鋼筋混凝土防爆墻具有一定的耗能保護作用。

4.2.2 輕軌隧洞的響應(yīng)分析

現(xiàn)選取隧洞迎爆面的墻面中間作為研究對象，其x向應(yīng)力、y向應(yīng)力、有效應(yīng)力（米塞斯應(yīng)力）、最大剪應(yīng)力、最終位移及振速等數(shù)值模擬結(jié)果，見圖5所示。為節(jié)省篇幅，迎爆面的拱腳及墻角處的數(shù)值模擬結(jié)果略。

圖5 隧道迎爆面墻壁中間處的響應(yīng)

在LS-DYNA中規(guī)定，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，隧道迎爆面中間處的應(yīng)力，x向應(yīng)力的最大壓應(yīng)力為0.019MPa，最大拉應(yīng)力為0.015 MPa；y向應(yīng)力最大壓應(yīng)力為0.11MPa，最大拉應(yīng)力為0.22MPa；最大米塞斯應(yīng)力為0.2MPa，最大剪應(yīng)力為0.11MPa。最終位移為0.098cm，x向振速（最大振速）為12cm/s。

可見，本次爆炸情況下，隧道迎爆面墻壁中間處的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力及最終位移等都較小，材料處于彈性變形狀態(tài)。最大振速值（12cm/s）也未超出國家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）中關(guān)于交通隧道允許振速15cm/s的規(guī)定。因此，在隧道墻壁中間不會產(chǎn)生破壞。

5 結(jié)論與建議

通過顯式有限元數(shù)值計算分析，得到如下結(jié)論：

（1）數(shù)值計算結(jié)果表明，在充分考慮CNG混合氣體極端爆炸情況下，在鄰近輕軌三號線隧洞周邊產(chǎn)生的應(yīng)力、位移較小，材料處于彈性變形狀態(tài)。隧洞周邊振動速度也小于國家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）規(guī)定的交通隧洞的允許振速。因此，本項目CNG加氣站的建設(shè)對輕軌三號線隧洞的安全性影響較小，各項指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)定。

(2)本次爆炸模擬情況下，防爆墻及鄰近巖土介質(zhì)的破壞，會消耗一部分爆炸能量，因此，處理區(qū)的鋼筋混凝土防爆墻具有一定的耗能保護作用。

（3）隧洞迎爆面墻壁中間的最大振速值為12cm/s（允許振速為15cm/s），為提高該隧洞的安全系數(shù)，建議將鋼筋混凝土防爆墻適當(dāng)加厚10～20cm，以進一步提高防爆效果。

（4）用LS-DYNA軟件模擬炸藥爆炸時爆炸波的傳播及介質(zhì)的破壞過程是可行的。

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