張志華

(中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，武漢430050)

隨著我國經(jīng)濟水平的高速增長和城市化進程的不斷加快，各地城市軌道交通建設(shè)如火如荼，線網(wǎng)建設(shè)越來越密集，周邊環(huán)境越來越復雜，對地鐵線路走向的限制因素也越來越多，因此隧道下穿重要的建(構(gòu))筑物的實例屢見不鮮，然而隧道正穿加油站的情況卻比較少見。通過期刊查閱，國內(nèi)目前對隧道臨近加油站的案例，大多是圍繞地鐵施工對加油站的影響展開研究，康永盛通過有限元的數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)控量測的方法，對鄭州地鐵1號線盾構(gòu)隧道施工對臨近加油站沉降變形控制進行了研究[1]；任志亮等通過合理控制爆破的手段，對青島地鐵礦山法隧道側(cè)穿加油站施工保護方案進行了研究[2]。然而在加油站對盾構(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力脈沖傳入地下介質(zhì)時，會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，分別對儲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行計算和對比分析，從而可為盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)設(shè)計提供爆炸輸入荷載。研究結(jié)論證明儲油罐的爆炸工況對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全影響基本可控，同時為進一步降低隧道施工及后期運營階段的風險，提出相關(guān)保護措施，旨在為類似工程現(xiàn)象提供參考。

1 工程案例及場景擬定

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30 m3的臥式油罐，其中3個為汽油罐，1個為柴油罐，總儲量105 m3，埋地深度為1.3 m，儲油罐為圓柱形鋼結(jié)構(gòu)，罐體周圍采用砂分層填充，按《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》[4]判斷為二級加油站。儲油罐是加油站的重要組成部分，同時也是最危險的部分，一旦發(fā)生爆炸，后果不堪設(shè)想，按照相關(guān)規(guī)范要求，一般汽車加油站的儲油罐按埋地設(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?？臻g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。

按最不利的工況進行組合，即罐室內(nèi)4個油罐同時發(fā)生爆炸，參照《綜合能耗計算通則》范登伯格和蘭諾伊TNT當量法轉(zhuǎn)換公式，將油氣的爆炸轉(zhuǎn)換成相對應的TNT當量爆炸進行分析。

QTNT=υV0ρHc/qTNT

(1)

式中：QTNT為TNT當量，單位為kg；υ為蒸汽云當量系數(shù)，通常取0.04；V0為儲罐的公稱容積，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TNT爆炸時所釋放出的能量，取值范圍4120～4690 kJ/kg，一般計算時取其平均值4500 kJ/kg。

本工程中本案例中埋地儲油罐爆炸對應的TNT當量依照式(1)計算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有限元分析軟件進行計算，設(shè)計炸藥當量值為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點做為效應的跟蹤監(jiān)測點。模型的頂部為自由面，炸藥置于近地表的中間位置，其余面均為無反射邊界條件。炸藥和空氣定義為ALE單元，土體定義為Lagrange單元，用*CONTROL_ALE關(guān)鍵字進行ALE算法控制，使用*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP關(guān)鍵字，進行接觸定義。見圖2。

2.2 材料參數(shù)

炸藥炸藥爆炸過程中壓力Peso和比容V的關(guān)系通過JWJ狀態(tài)方程描述，表達如下[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均為試驗確定的常數(shù)；Eos為初始比內(nèi)能；V為相對體積。見表1。

土體采用*MAT_SOIL_AND_FOAM材料模型進行數(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。見表3。

2.3 計算結(jié)果分析

為監(jiān)測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)測點(單元2910)，如圖3所示。

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

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

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

圖4為計算輸出不同時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)展過程，在爆炸的瞬間，沖擊波以柱面波的形式向外擴散。

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，在很短時間內(nèi)達到峰值，繼而隨著時間的持續(xù)不斷下降，并趨于平緩。從應力時程曲線可知，爆源傳至隧道頂?shù)谋_擊波超壓p為2.7 kPa。

2.4 數(shù)值模擬與理論計算的比較

根據(jù)爆炸理論，對于土壤爆炸，當裝藥深度小于某一計算值時，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)計規(guī)范》[7]附錄B中常規(guī)武器地面爆炸動荷載計算方法，可得到地面直接產(chǎn)生的土中壓縮波最大壓力，該公式來自于美軍TM5-855-1手冊[8,9]，是基于大量的試驗和分析，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當量換算；n土的衰減系數(shù)；結(jié)合本擬定場地參數(shù)計算得P=2.4 kPa。

2.5 爆炸破壞分析

由上述的計算可知，數(shù)值模擬與經(jīng)驗公式計算結(jié)果比較接近，得到的沖擊波超壓均小于3 kPa，遠小于隧道結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土的軸心抗拉強度1.89 MPa。表4為1000 kg TNT地面爆炸時沖擊波超壓對建筑物的破壞程度準則對照表[10]，可見本次沖擊波超壓小于最小等級的5 kPa，未對隧道結(jié)構(gòu)造成破壞，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計應將爆炸產(chǎn)生的荷載作為附加荷載考慮，通過結(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

通過計算分析，儲油罐的爆炸對盾構(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營階段的風險，該工程針對地鐵隧道下穿加油站設(shè)計采用了以下保護措施：

表4 建筑物危害壓力準則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，采用橡膠隔振墊或鋼彈簧浮置板道床，以減小列車運行振動對油罐滲油的影響。

(2)加強隧道的防雜散電流檢測，增設(shè)道床防雜散電流措施。

(3)按照《汽車加油站加氣設(shè)計與施工規(guī)范》(GB50156)相關(guān)要求，對現(xiàn)有加油站儲油池及油罐進行防滲、防爆改造。

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

(5)盾構(gòu)穿越時加強施工過程控制，包括嚴格控制盾構(gòu)掘進參數(shù)，及時進行同步注漿和二次注漿，加強施工監(jiān)控量測等。

4 結(jié)語

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

(2)經(jīng)驗公式計算與數(shù)值模擬具有較高的一致性，也驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

(3)對比建(構(gòu))筑物的危害壓力準則，當沖擊波超壓小于5 kPa時，對結(jié)構(gòu)的影響較小，可通過對結(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，可為類似案例提供一定參考。