胡廣霞，段曉瑞

(1.中國勞動關(guān)系學(xué)院 安全工程系，北京 100048；2.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088)

0　引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，我國處于大規(guī)模建設(shè)時期，新建項目在選址建設(shè)時應(yīng)考慮對已建成項目的影響。當(dāng)危險性較大的項目建設(shè)選址不合理，就會存在安全隱患，嚴(yán)重時會導(dǎo)致項目被迫停產(chǎn)、搬遷，造成資源嚴(yán)重地浪費(fèi)。

深刻吸取天津“8.12”火災(zāi)爆炸事故教訓(xùn)，本文通過分析某危險貨物集裝箱堆場建設(shè)項目對已建跨海隧道的影響，為該項目建設(shè)風(fēng)險控制提供合理的建議，以便從源頭控制風(fēng)險。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)可知[1-5]，爆炸地震效應(yīng)分析方法、安全影響規(guī)律目前尚處于探索階段，其影響因素較多而且復(fù)雜，而地表危險貨物集裝箱堆場對地下已建交通隧道的影響研究更是現(xiàn)處于空白期，我國相關(guān)法律法規(guī)還不完善、標(biāo)準(zhǔn)未建立，堆場在選址以及堆存貨物類別、數(shù)量上的設(shè)計與限定上缺少依據(jù)，實際已對工程建設(shè)帶來困擾。

1　項目背景

該集裝箱堆場建設(shè)于2010年，自建成以來集裝箱業(yè)務(wù)增長迅速，2010-2015 年吞吐量增長率達(dá)到51.1%，占全港吞吐量比例上升到39.7%。該港區(qū)危險貨物集裝箱全部由前方碼頭裝卸，為滿足危險貨物集裝箱堆存需要，現(xiàn)擬在碼頭后方新建危險貨物集裝箱堆場。

根據(jù)調(diào)查資料，該項目建設(shè)區(qū)域正下方約57 m深處為高鐵隧道，隧道單條直徑12 m，兩條并行，隧道中心間距約22 m，采用雙層襯砌保護(hù)，襯砌最大許可拉應(yīng)力為2.5 MPa。隧道所處地層滲透性較大，若隧道受損發(fā)生透水事故后果不堪設(shè)想。因此，集裝箱堆場運(yùn)營過程中確保交通隧道安全非常重要。

危險貨物集裝箱堆場周邊設(shè)置有安全隔離區(qū)域，擬建區(qū)域以外的現(xiàn)有堆場區(qū)域與隧道水平距離最大處約為200 m。見圖1。

圖1　布局與環(huán)境Fig.1　Layout and surroundings

2　堆場堆存貨種及其危險特性

危險品貨物中第1類、第2 類、第7類以及按規(guī)定不得在港區(qū)堆存的貨物除外，其他均考慮在新建堆場堆存，包括各類易燃液體、液態(tài)退敏爆炸品、固態(tài)退敏爆炸品等危險性較高的物質(zhì)。堆場擬堆存的典型危險貨物舉例見表1。

表1　堆場擬堆存的典型危險貨物

注：炸藥做功能力爆轟產(chǎn)物對周圍介質(zhì)所產(chǎn)生各種作用的總和，也稱威力，是評價炸藥性能的一個重要參數(shù)，也是爆破彈選用炸藥的依據(jù)之一；本表列舉典型貨種對應(yīng)爆炸品相對于TNT的做功能力，其它貨種可采用計算和實驗方法進(jìn)行相應(yīng)的換算。

表1所列貨種均為典型固態(tài)退敏爆炸品。固態(tài)退敏爆炸品是為抑制爆炸性物質(zhì)的爆炸性能，用水或酒精濕潤爆炸性物質(zhì)，或用其他物質(zhì)稀釋爆炸性物質(zhì)后，而形成的均勻固態(tài)混合物[6]。當(dāng)貨物包裝破損，水或酒精等抑制貨物爆炸性的物質(zhì)揮發(fā)后，貨物均可在一定的條件下發(fā)生爆炸。

爆炸物在地表爆炸，瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏寒a(chǎn)物。爆炸產(chǎn)物在空氣中膨脹，強(qiáng)烈壓縮空氣從而形成爆炸空氣沖擊波，同時對周圍介質(zhì)加載，產(chǎn)生一組向外傳播的應(yīng)力波[7]。在地質(zhì)介質(zhì)中傳播的應(yīng)力波會在一定范圍內(nèi)引起地震波[1]。地震波包括：縱向壓縮波(P波)，縱向稀疏波(N波)，剪切波(S波)和Ray-Leigh表面波(R波)[1]。

3　隧道壁振動速度可接受的貨物限量分析

隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是隧道安全的基礎(chǔ)，分析爆炸地震效應(yīng)影響下隧道壁的動力響應(yīng)情況，是分析該建設(shè)項目對隧道影響的關(guān)鍵。爆炸地震波在巖土介質(zhì)中的傳播和衰減，取決于爆炸源，傳遞介質(zhì)和傳遞路徑，數(shù)值計算結(jié)果與實際情況往往相差較大[8]。目前，實際工程仍以大量實測資料為基礎(chǔ)，總結(jié)出經(jīng)驗公式，作為計算爆炸地震波傳播和衰減的依據(jù)[9]。一般情況下，我國采用爆炸地震波的垂直振動速度作為分析的依據(jù)[9]，保護(hù)對象所在地基礎(chǔ)質(zhì)點峰值振動速度和主振頻率見表2[10]。

表2　爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

注：露天淺孔爆破f在40～100 Hz之間。堆場危險貨物集裝箱爆炸與之近似，取f>50 Hz，安全允許質(zhì)點振動速度近似選取均值17.5 cm/s進(jìn)行分析評估。

依據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式計算爆破振動安全允許距離[10-12]：

(1)

式中：R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，kg；V為保護(hù)對象所在地安全允許質(zhì)點振速，cm/s；K，α分別為與爆破點至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，在無試驗數(shù)據(jù)的條件下可參考表3選取。

根據(jù)港區(qū)地理條件，此處取軟巖石，K取均值300，α取均值1.9，并將R=57 m，v=17.5 cm/s，代入式(1)進(jìn)行計算。

得：Q=2 085 kg=2.085 t，即：當(dāng)量小于2.085 t TNT的爆炸品在地表爆炸時交通隧道壁振動速度處于安全允許標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

表3　爆區(qū)不同巖性的K，α值

以下根據(jù)表1所列貨種特性，換算參與爆炸的爆炸品質(zhì)量以及對應(yīng)的退敏措施失效前危險貨物質(zhì)量，見表4。

表4　退敏措施失效前危險貨物質(zhì)量

由表4計算可知，當(dāng)爆炸點位于隧道正上方時，不足3 t的上列危險貨物退敏措施失效產(chǎn)生的爆炸品發(fā)生爆炸時，其所引發(fā)的地震效應(yīng)即可使交通隧道壁振動速度超出振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

4　有限元數(shù)值模擬分析

4.1　軟件與模型建立

Midas GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)是將通用的有限元分析內(nèi)核與巖土結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求有機(jī)結(jié)合而開發(fā)的巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件[13]。本文主要利用其動力分析功能進(jìn)行數(shù)值模擬。該功能包含：地震、爆破等任意荷載的動力分析，振型分析、反應(yīng)譜分析、時程分析，內(nèi)含地震波數(shù)據(jù)庫、自動生成地震波、與靜力分析結(jié)果的組合功能[13-15]。

本文考慮在地表進(jìn)行爆破，因此在模型計算中假定爆破壓力垂直于地面，作用面積為標(biāo)準(zhǔn)集裝箱底面積(6m×2.5m)。荷載采用美國National Highway Institude里的爆壓公式，計算每公斤炸藥的爆破壓力為[2]：

(2)

式中：Pdet為爆破壓力, kPa;Ve為爆破速度，cm/s;ρ為炸藥比重，g/cm3；計算爆破炸藥為TNT，取炸藥爆速為600 000 cm/s，密度為1.6 g/cm3；假定爆破面與地面完全耦合，PB=Pdet，計算可得最大爆破壓力PB為108 396 kPa。

爆破荷載屬于瞬時荷載，隨時間變化，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗和計算經(jīng)驗，爆破荷載采用的時程動壓力公式如下[2]：

(3)

式中：B荷載常量取經(jīng)驗值163.38。

圖2爆炸壓力曲線Fig.2　Explosive pressure curve

假設(shè)工程所在區(qū)域巖土分布均勻，現(xiàn)令2條隧道分別為隧道1和隧道2，由于所分析評估區(qū)域關(guān)于2條隧道軸線中間豎直面對稱，將爆炸點設(shè)置于對稱面的一側(cè)，這不影響分析評估的一般性。

在地表堆場設(shè)置爆炸點，分別位于：隧道1正上方(爆炸0點)及與隧道1軸線水平距離分別為50，100，200 m處；設(shè)隧道上與距離爆炸點最近的點為檢測0點，在沿軸線遠(yuǎn)離0點方向分別在0，10，20，40 m處設(shè)置振動與應(yīng)力檢測處，每處設(shè)置不少于5個檢測點，分別位于隧道象限點和迎波面1/4弧形中點附近。

根據(jù)場地與隧道的關(guān)系，建立有限元模型，為減少邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，除地表為自由邊界外，其余邊界均采用曲面彈簧單元模擬。地層采用實體單元，采用庫倫摩爾本構(gòu)關(guān)系，對已建隧道二襯結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，模型如圖3所示。

圖3　隧道模型與檢測點設(shè)置Fig.3　Tunnel model and detection point setting

根據(jù)工程地層資料，隧道所處地層為中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，上部地層主要為粉質(zhì)黏土，見表5。

表5　巖土物理力學(xué)參數(shù)

4.2　模擬分析

每個爆炸點分別進(jìn)行4次當(dāng)量不同的爆炸，分析爆炸位置、爆炸當(dāng)量與隧道壁振動速度、應(yīng)力的關(guān)系。

4.2.1爆炸中各檢測點振動情況分析

爆炸0點分別進(jìn)行1.7，2.3，2.8，3.5 t TNT當(dāng)量的爆炸模擬。經(jīng)模擬，在各種當(dāng)量下，各檢測處襯砌最大振動速度、最大應(yīng)力均位于襯砌拱頂。2.3 t TNT爆炸時檢測0點襯砌拱頂響應(yīng)情況見圖4。

圖4　爆炸響應(yīng)時程Fig.4　2.3 t TNT explosion response time history diagram

2.3 t TNT爆炸時隧道襯砌主應(yīng)力云圖見圖5。

北方游俠出身，擔(dān)任盟主期間，江湖盟眾肖通被秘教左使所殺。當(dāng)時秘教背景深厚，神秘莫測，左使則是秘教中唯一一位常在江湖中行走的高位人物，武功之高，當(dāng)世罕見，江湖中人皆避其鋒芒，唯有寧燃不辭千里一路追殺，最終斬殺左使，為肖通復(fù)仇。

圖5　主應(yīng)力云圖Fig.5　Principal stressnephogram

各爆炸當(dāng)量下，襯砌最大拉應(yīng)力及各檢測處最大振動速度見表6。

表6　最大振動速度與最大拉應(yīng)力

由表6可知，同一爆炸點，隨著爆炸當(dāng)量增大，隧道軸線方向上各檢測點振動速度峰值均相應(yīng)增大。

爆炸當(dāng)量相同時，隧道上與爆炸點最近的檢測點振動速度峰值最大，且沿著隧道軸線方向隨著距離增大而逐步減少。

當(dāng)爆炸當(dāng)量為2.3 t時隧道襯砌最大振動速度為18.59 cm/s，與本文初定的允許振動速度較為接近，而此時襯砌最大拉應(yīng)力為1.92 MPa，處于允許范圍內(nèi)，且留有一定的安全系數(shù)，本文初定允許振動速度較為合理；當(dāng)量達(dá)到2.8 t時，襯砌最大振動速度為20.92 cm/s，最大拉應(yīng)力為2.74 MPa，大于2.5 MPa，振速與應(yīng)力均超出允許范圍。

4.2.2不同爆炸當(dāng)量與振動速度關(guān)系分析

由表6數(shù)據(jù)，結(jié)合薩道夫斯基經(jīng)驗公式形式，采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，檢測0點襯砌拱頂處最大振動速度與爆炸當(dāng)量關(guān)系曲線如圖6所示，由于曲線在該取值區(qū)間內(nèi)曲率較大，該段曲線近似為直線。

圖6　關(guān)系曲線Fig.6　Graph of relation

對應(yīng)函數(shù)：

y=0.310 8x0.530 1

(4)

式中：y為隧道壁檢測0點襯砌拱頂處最大振動速度，cm/s；x為爆炸當(dāng)量，kg。

將y=17.5 cm/s代入式(4)得：

x=2 005 kg=2.005 t

即：在模型中，爆炸0點發(fā)生爆炸時，隧道壁最大振動速度與爆炸當(dāng)量關(guān)系為式(4)，當(dāng)隧道壁最大振動速度為臨界值17.5 cm/s時，爆炸0點爆炸物TNT當(dāng)量約為2.005 t，與經(jīng)驗公式計算結(jié)果相近。

4.2.3隧道壁最大振動速度處于臨界狀態(tài)時不同爆炸點爆炸TNT當(dāng)量分析

利用4.2.1和4.2.2中的方法分析爆炸點與隧道1水平距離分別為50，100，200 m時隧道壁最大振動速度所處位置以及最大振動速度處于臨界狀態(tài)時不同爆炸點爆炸TNT當(dāng)量。

經(jīng)模擬分析，各爆炸點爆炸時，隧道最大振動速度及最大應(yīng)力均位于襯砌迎波面1/4弧中間點附近。擬合各爆炸點振速-當(dāng)量曲線，詳見表7。

表7　模擬數(shù)值

由表7數(shù)據(jù)結(jié)合4.2.2分析可得各爆炸點振速-當(dāng)量曲線，由各曲線函數(shù)可知：隨著地表爆炸點與隧道水平距離逐步增大，使襯砌最大振動速度處于臨界值時所需要的爆炸物當(dāng)量逐步上升。

當(dāng)易燃易爆集裝箱堆存區(qū)設(shè)置于港區(qū)內(nèi)與隧道距離為100 m處時，發(fā)生爆炸后使隧道壁最大振動速度處于臨界值，參與爆炸反應(yīng)的危險貨物當(dāng)量為16 632.5 kg，合16.632 5 t，接近1個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的載重量。

易燃易爆集裝箱堆存區(qū)設(shè)置于港區(qū)內(nèi)與隧道最大處時，發(fā)生爆炸后使襯砌最大振動速度處于臨界值，參與爆炸反應(yīng)的危險貨物當(dāng)量為97 723 kg，合97.723 t，其規(guī)模實際已相當(dāng)龐大。

根據(jù)表7分析結(jié)果，各爆炸當(dāng)量下，襯砌振速峰值為臨界值時，其最大應(yīng)力均處于允許范圍內(nèi)，且留有一定的安全系數(shù)，振速臨界值取值合理。

5　結(jié)論

1)當(dāng)危險貨物集裝箱堆場位于隧道正上方時，即使爆炸當(dāng)量較小，其所引發(fā)的地震效應(yīng)亦可對隧道產(chǎn)生較大的不利影響，鑒于交通隧道的重要性以及其受損修復(fù)困難，建設(shè)單位申請堆存貨種、設(shè)計單位設(shè)計堆場布置時應(yīng)予以充分考慮。同時，工程應(yīng)充分考慮，合理布置危險貨物運(yùn)輸通道，合理設(shè)置危險貨物裝卸區(qū)。

2)由模擬分析推導(dǎo)出來的公式可知，為確保隧道壁振動速度在許可范圍之內(nèi)，危險貨物集裝箱堆場應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離隧道，同時控制參與爆炸反應(yīng)的危險貨物的量。但由于隧道斜穿堆場，危險貨物集裝箱堆場選址較為困難；若無有效措施避免危險貨物發(fā)生泄漏并引起火災(zāi)爆炸事故，僅采用控制易燃易爆危險貨物堆存數(shù)量防范風(fēng)險則將導(dǎo)致堆場失去堆存相關(guān)貨物的經(jīng)濟(jì)價值。

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