加油站埋地儲(chǔ)油罐爆炸對(duì)盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值分析及處理措施

張志華

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢430050)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的高速增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的不斷加快，各地城市軌道交通建設(shè)如火如荼，線網(wǎng)建設(shè)越來(lái)越密集，周邊環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)地鐵線路走向的限制因素也越來(lái)越多，因此隧道下穿重要的建(構(gòu))筑物的實(shí)例屢見(jiàn)不鮮，然而隧道正穿加油站的情況卻比較少見(jiàn)。通過(guò)期刊查閱，國(guó)內(nèi)目前對(duì)隧道臨近加油站的案例，大多是圍繞地鐵施工對(duì)加油站的影響展開(kāi)研究，康永盛通過(guò)有限元的數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的方法，對(duì)鄭州地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨近加油站沉降變形控制進(jìn)行了研究[1]；任志亮等通過(guò)合理控制爆破的手段，對(duì)青島地鐵礦山法隧道側(cè)穿加油站施工保護(hù)方案進(jìn)行了研究[2]。然而在加油站對(duì)盾構(gòu)隧道的影響方面研究的比較少。假定加油站爆炸，爆炸空氣沖擊波壓縮地面并將應(yīng)力脈沖傳入地下介質(zhì)時(shí)，會(huì)在土中形成空氣沖擊波感生的地沖擊，變成施加在地下結(jié)構(gòu)上的荷載[3]。結(jié)合相關(guān)工程案例，采用理論分析和數(shù)值模擬兩種方法，分別對(duì)儲(chǔ)油罐地面爆炸作用下，傳至隧道結(jié)構(gòu)上爆炸沖擊波超壓進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析，從而可為盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供爆炸輸入荷載。研究結(jié)論證明儲(chǔ)油罐的爆炸工況對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全影響基本可控，同時(shí)為進(jìn)一步降低隧道施工及后期運(yùn)營(yíng)階段的風(fēng)險(xiǎn)，提出相關(guān)保護(hù)措施，旨在為類(lèi)似工程現(xiàn)象提供參考。

1 工程案例及場(chǎng)景擬定

武漢軌道交通某盾構(gòu)區(qū)間隧道因外界因素限制，隧道需下穿一座加油站。該加油站內(nèi)設(shè)4個(gè)30 m3的臥式油罐，其中3個(gè)為汽油罐，1個(gè)為柴油罐，總儲(chǔ)量105 m3，埋地深度為1.3 m，儲(chǔ)油罐為圓柱形鋼結(jié)構(gòu)，罐體周?chē)捎蒙胺謱犹畛?，按《汽?chē)加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[4]判斷為二級(jí)加油站。儲(chǔ)油罐是加油站的重要組成部分，同時(shí)也是最危險(xiǎn)的部分，一旦發(fā)生爆炸，后果不堪設(shè)想，按照相關(guān)規(guī)范要求，一般汽車(chē)加油站的儲(chǔ)油罐按埋地設(shè)置。

罐室底板與隧道豎向凈距約為10.6 m，油罐外皮與隧道的凈距約為11.45 m。空間關(guān)系如圖1所示。隧道結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土管片，厚度350 mm。

按最不利的工況進(jìn)行組合，即罐室內(nèi)4個(gè)油罐同時(shí)發(fā)生爆炸，參照《綜合能耗計(jì)算通則》范登伯格和蘭諾伊TNT當(dāng)量法轉(zhuǎn)換公式，將油氣的爆炸轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的TNT當(dāng)量爆炸進(jìn)行分析。

QTNT=υV0ρHc/qTNT

(1)

式中：QTNT為T(mén)NT當(dāng)量，單位為kg；υ為蒸汽云當(dāng)量系數(shù)，通常取0.04；V0為儲(chǔ)罐的公稱(chēng)容積，取105 m3；ρ為油品比重，取0.76×103kg/m3；Hc為油品的平均發(fā)熱量，取43.73 kJ/kg；qTNT為T(mén)NT爆炸時(shí)所釋放出的能量，取值范圍4120～4690 kJ/kg，一般計(jì)算時(shí)取其平均值4500 kJ/kg。

本工程中本案例中埋地儲(chǔ)油罐爆炸對(duì)應(yīng)的TNT當(dāng)量依照式(1)計(jì)算QTNT為31.0 kg。

2 數(shù)值分析

2.1 分析模型

本次模擬使用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)炸藥當(dāng)量值為31.0 kg，建模范圍取隧道水平方向兩側(cè)3～5倍洞徑，隧道底面以下取3～5倍洞徑，頂面以上取至地表，于隧道拱頂位置設(shè)置A點(diǎn)做為效應(yīng)的跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)。模型的頂部為自由面，炸藥置于近地表的中間位置，其余面均為無(wú)反射邊界條件。炸藥和空氣定義為ALE單元，土體定義為L(zhǎng)agrange單元，用*CONTROL_ALE關(guān)鍵字進(jìn)行ALE算法控制，使用*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP關(guān)鍵字，進(jìn)行接觸定義。見(jiàn)圖2。

2.2 材料參數(shù)

炸藥炸藥爆炸過(guò)程中壓力Peso和比容V的關(guān)系通過(guò)JWJ狀態(tài)方程描述，表達(dá)如下[5]

Peso=A(1-ω/(R1V))e-R1V+

B(1-ω/(R2V))e-R2V+ωEos/V

(2)

式中：A、B、R1、R2和ω均為試驗(yàn)確定的常數(shù)；Eos為初始比內(nèi)能；V為相對(duì)體積。見(jiàn)表1。

土體采用*MAT_SOIL_AND_FOAM材料模型進(jìn)行數(shù)值模擬，主要材料參數(shù)如表2所示。

空氣材料采用MAT_NULL材料模型和線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程EOS_LINEAR_POLYMIAL模擬。

P=C0μ+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4μ+C5μ+C6μ2)E

(3)

μ=ρ/ρ0-1

(4)

式中：C0～C6為常數(shù)；E為空氣的單位體積內(nèi)能；ρ為空氣密度，取1.2 g/cm3。見(jiàn)表3。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

為監(jiān)測(cè)加油站正下方隧道結(jié)構(gòu)上的沖擊波引起的超壓變化，在右線隧道拱頂單元設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)(單元2910)，如圖3所示。

表1 炸藥的物力力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of explosives

表2 巖土的物力力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock and soil

表3 空氣的物力力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of air

圖4為計(jì)算輸出不同時(shí)刻的爆炸沖擊波分布圖，從圖中可以觀察出爆炸沖擊波超壓形成與發(fā)展過(guò)程，在爆炸的瞬間，沖擊波以柱面波的形式向外擴(kuò)散。

由圖5可以看出，爆炸沖擊波在隧道結(jié)構(gòu)頂產(chǎn)生的壓力，在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，繼而隨著時(shí)間的持續(xù)不斷下降，并趨于平緩。從應(yīng)力時(shí)程曲線可知，爆源傳至隧道頂?shù)谋_擊波超壓p為2.7 kPa。

2.4 數(shù)值模擬與理論計(jì)算的比較

根據(jù)爆炸理論，對(duì)于土壤爆炸，當(dāng)裝藥深度小于某一計(jì)算值時(shí)，屬于接觸爆炸，否則為封閉爆炸。按裝藥深度判斷[6]，本加油站擬定的爆炸工況屬于接觸爆炸?！度嗣穹揽盏叵率以O(shè)計(jì)規(guī)范》[7]附錄B中常規(guī)武器地面爆炸動(dòng)荷載計(jì)算方法，可得到地面直接產(chǎn)生的土中壓縮波最大壓力，該公式來(lái)自于美軍TM5-855-1手冊(cè)[8,9]，是基于大量的試驗(yàn)和分析，具有較好的可靠度。

P=6.82×10-3ρc(5.4R/W1/3)-n

(5)

式中：R為爆心至作用點(diǎn)的距離,m；ρ為土的質(zhì)量密度,kg/m3；c為土的地震波波速,m/s；W武器的裝藥量，按TNT當(dāng)量換算；n土的衰減系數(shù)；結(jié)合本擬定場(chǎng)地參數(shù)計(jì)算得P=2.4 kPa。

2.5 爆炸破壞分析

由上述的計(jì)算可知，數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果比較接近，得到的沖擊波超壓均小于3 kPa，遠(yuǎn)小于隧道結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度1.89 MPa。表4為1000 kg TNT地面爆炸時(shí)沖擊波超壓對(duì)建筑物的破壞程度準(zhǔn)則對(duì)照表[10]，可見(jiàn)本次沖擊波超壓小于最小等級(jí)的5 kPa，未對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成破壞，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)將爆炸產(chǎn)生的荷載作為附加荷載考慮，通過(guò)結(jié)構(gòu)合理配筋可滿足結(jié)構(gòu)受力及裂縫控制要求[11]。

3 處理措施

通過(guò)計(jì)算分析，儲(chǔ)油罐的爆炸對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全影響基本可控，為降低盾構(gòu)施工階段及后期地鐵運(yùn)營(yíng)階段的風(fēng)險(xiǎn)，該工程針對(duì)地鐵隧道下穿加油站設(shè)計(jì)采用了以下保護(hù)措施：

表4 建筑物危害壓力準(zhǔn)則Table 4 Standard of injuries to structures judged by overpressure

(1)下穿加油站范圍軌道結(jié)構(gòu)按高等及特殊減振設(shè)計(jì)，采用橡膠隔振墊或鋼彈簧浮置板道床，以減小列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)對(duì)油罐滲油的影響。

(2)加強(qiáng)隧道的防雜散電流檢測(cè)，增設(shè)道床防雜散電流措施。

(3)按照《汽車(chē)加油站加氣設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(GB50156)相關(guān)要求，對(duì)現(xiàn)有加油站儲(chǔ)油池及油罐進(jìn)行防滲、防爆改造。

(4)加強(qiáng)隧道下穿加油站范圍管片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證結(jié)構(gòu)本身安全可靠。

(5)盾構(gòu)穿越時(shí)加強(qiáng)施工過(guò)程控制，包括嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，及時(shí)進(jìn)行同步注漿和二次注漿，加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)等。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)數(shù)值模擬分析得到埋地儲(chǔ)油罐爆炸在隧道結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生的沖擊波超壓為2.7 kPa，均未超過(guò)混凝土的軸心抗拉抗、壓強(qiáng)度，未對(duì)結(jié)構(gòu)造成損壞，監(jiān)測(cè)的應(yīng)力時(shí)程曲線衰減過(guò)程基本符合爆炸沖擊波的一般規(guī)律。

(2)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與數(shù)值模擬具有較高的一致性，也驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)對(duì)比建(構(gòu))筑物的危害壓力準(zhǔn)則，當(dāng)沖擊波超壓小于5 kPa時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，可通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)合理配筋，保證結(jié)構(gòu)使用安全。

(4)該工程采取了相關(guān)措施以減小加油站與隧道工程的相互影響，盾構(gòu)施工已完成順利穿越，可為類(lèi)似案例提供一定參考。