CNG加气站对邻近轻轨隧洞影响的数值分析

王敬林，李秀地，王晓波

（1后勤工程学院军事建筑工程系 重庆 400041 2重庆博其乐土木工程技术咨询有限公司 重庆 400069）

现代城市的快速发展和天然资源的不可重复始终是一个矛盾。压缩天然气（CNG）是一种最理想的车用替代能源，它具有成本低、效益高、无污染、使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力。当前，由于加气站数量不足等原因，许多城市均出现车辆“排长队”加气的现象，因此都在积极规划新建加气站项目。同时，CNG加气站一般修建在城市交通主干道边上，有时与轻轨或者地铁之间相距很近，如果处理不好会给城市带来一定的安全隐患。近年来，CNG加气站发生爆炸的事件屡有发生，给人们带来了深刻的教训，如2005年10月8日，重庆市九龙坡区石桥铺白马凼一加气站气井漏气，并发生爆炸，一人被炸重伤，附近上千人疏散，消防队出动5辆消防车，耗用5小时才排险成功。为预防事故的发生或者减少事故带来的损失，2009年8月31日，成都市在三环路外侧的通能清江加气站内进行了最大规模的CNG站事故应急演练。

目前有关CNG加气站设计、风险安全分析与预防的文献较多[1][2][3][4]，但针对CNG加气站的爆炸对邻近工程的影响的文章却很少，本文针对重庆市某新建CNG加气站地处毗邻的轻轨三号线隧洞安全控制保护线范围内，利用有限元数值模拟，探讨了CNG加气站在不利工况下发生爆炸对邻近轻轨隧洞影响的数值分析与评价，为类似工程处理提供借鉴。

1 工程概况

为缓解重庆市公交车加气难问题，重庆市经济委员会立项批复同意由重庆燃气（集团）有限责任公司和重庆市公交站场集团合作建设江北龙头寺公交站场CNG加气站。该项目地处龙头寺公交站场内，距轻轨三号线隧洞边线31.2m，处于轻轨交通保护控制线内[1]。

龙头寺公交站场CNG加气站设计参数如下：进气压力：0.2MPa；天然气日处理量：（8.0～10.0）×104m3/d；储气能力：采用储气井储气方式，分为高、中、低三个压力段分别储存天然气（高压井1口，中压井2口，低压井3口），每口井深150m，储气量4500m3，储气井共占地9m2。加气站与轻轨隧洞平面位置关系如图1所示。

图1 加气站与轻轨隧洞平面位置关系示意图

CNG加气站方案按照国家标准GB50156《汽车加气站设计与施工规范》、GB50028《城镇燃气设计规范》设计，并采用了一定的技术安全防护措施，如将工艺区改为半地下式，工艺区屋顶上侧开设10m×25m宽的框洞，泄压面积满足《建筑设计防火规范》的泄压要求，同时采用500mm厚的钢筋混凝土防爆隔离墙，上至地表，下至车库地坪下1m，设备控制线缆采用埋地方式引入等，剖面关系如图2所示。

图2 加气站与轻轨隧洞剖面位置关系示意图

2 场地岩土工程特性

拟建场地位于重庆市龙头寺公交站场内，属构造剥蚀残丘地貌，地形开阔、平坦。场地地质构造位于龙王洞背斜南西翼，岩层产状为245°∠17°。岩体中主要发育两组裂隙，综合分析基岩裂隙不发育。

地层岩土特征：拟建场地地层主要有第四系素填土、南侧分布有粉质粘土、下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组砂岩和砂质泥岩。中风化岩体较完整，基本质量等级为Ⅳ级，岩体为整体块状结构。

根据提供的地质报告，计算采用的岩土和材料物理力学参数见表1。

3 CNG等效TNT换算

CNG泄漏出的气体燃料和空气混合形成可燃混合物，在无限大气中扩展，形成很大面积的可燃蒸气云，一旦遇到点火源，此蒸气云即可发生大面积的无约束可燃蒸气云爆炸。要精确计算压缩天然气的爆炸能量是比较困难的。虽然容器内可燃气体的量已知，而且在容器爆炸时又几乎全部流出，但由于这些气体一般以球状或其它形态在空间扩散，只有外围一部分可燃气体与大气中的氧混合形成爆炸性气体，所以并不是全部可燃气体都参与反应。参与反应的可燃气体量的多少与许多因素有关，如容器周围的气流情况、气体的爆炸极限范围和出现火源的时间等。因此，一般只能是估算，即假定参与爆炸反应气体所占的百分比，然后按这些可燃气体的燃烧热计算其爆炸能量。

表1 岩土物理力学参数计算取值

计算这类蒸气云爆炸效应有以下几类方法：第一类是经验方法，其中最重要的是TNT当量法；第二类是理论方法，其中包括自模拟解及作为其简化近似的解析方法；第三类是球形和半球形的数值模型；第四类是数值方法，如AUTOREAGAS商用软件。

经验方法TNT当量法的爆炸能量是用TNT当量来表示的，其最大优点是简便易行，因而长期以来在爆炸波效应预报以及爆炸事故调查中一直被广泛应用。虽然存在一定的误差，但在稍远的距离上，相同能量的压缩天然气爆炸与TNT爆炸所产生的超压还是相近似的。其基本概念是将无约束蒸气云所产生的爆炸波等同于相同能量的TNT爆轰所产生的爆炸波，如式（1）所示：

式中：WTNT为可燃气体蒸气云的TNT当量，kg；

α为可燃气体蒸气云的TNT当量系数，一般取0.04；

Wf为蒸气云爆炸中可燃气体总质量，kg；

Qf为可燃气体的燃烧热，本文中取值为55.164MJ/kg；

QTNT为TNT的燃烧热，一般取4.52MJ/kg。

由于确定安全距离应尽量保守，现假设所储存的气体（Vf=4500m3）全部泄漏到敞开空间，与空气混合形成爆炸混合物，发生蒸气云地面半球爆炸。

CNG的主要成分是甲烷 （CH4），比重为0.55，密度为0.6875kg/m3。将数据代入上式，则CNG无约束可燃蒸气云的等效TNT量为式（2）所示：

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

4 数值分析

采用程序：目前应用较广的是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Lab.）的LS-DYNA计算分析程序，LS-DYNA是一个大型通用显式动力有限元程序，计算功能更为强大，本文即采用该软件进行数值模拟计算。

4.1 计算条件

计算模型：为建模方便，将等效TNT炸药看做立方体装药，并假设研究对象以处理区中心截面对称。为保守起见，考虑炸药在处理区地表面爆炸，并按平面应变问题进行数值计算，计算模型如图3所示。

图3 计算模型

计算所采用的单位为g-cm-μs-Mbar（注：1Mbar=105 MPa）。模型尺寸如图2所示。

单元划分：单元类型采用SOLID164，单元形状为规则四边形。单元尺寸为10cm，共计300155个单元。由于爆炸数值模拟过程中涉及炸药爆轰产物、空气、钢筋混凝土及岩土等介质的大变形响应，为避免炸药爆轰流体网格在计算过程中的畸变，对炸药和空气单元采用欧拉算法，每个时步执行1次输运计算。采用Van Leer+HIS（二阶精度）方法进行输运计算，该方法是目前LS-DYNA中最为精确的方法。对钢筋混凝土和岩土采用拉格朗日算法，对欧拉介质和拉格朗日介质采用流固耦合算法。钢筋混凝土单元、岩土单元之间的接触采用共节点耦合在一起。

边界条件：在对称边界上采用对称边界条件。为模拟半无限岩土介质，在岩土的右边界和下边界采用非反射边界条件，地表采用自由边界条件。空气边界的范围用这样的方法确定，即从炸药起爆开始到冲击波到达边界的持续时间，应与所研究点的压力-时间相比足够地长。

材料及其参数：本次爆炸数值模拟过程中涉及炸药、空气、钢筋混凝土及岩土等材料。

空气模型简化为非粘性理想气体，冲击波的膨胀假设为绝热过程。则空气的状态方程为

式中，ρ为密度；γ为绝热指数；E为内能密度。

用LS-Dyna中的MAT_NULL材料和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程分别表示空气的本构关系。空气材料的模型参数，见表2所示。

表2 空气材料的模型参数

用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料和EOS_JWL状态方程表示TNT炸药的本构关系。其中JWL状态方程模拟炸药爆轰过程中压力、内能和比容的关系，表达式为

式中，P为材料压力，V为相对体积，E为内能密度，A、B、R1、R2、ω为材料常数。

炸药的爆轰过程采用“Programmed+beta burn”技术模拟，每个炸药单元的点火时间由该单元形心至起爆点的距离和爆速确定。TNT炸药材料及JWL状态方程参数，见表3所示。

表3 TNT炸药材料及JWL方程参数

钢筋混凝土、表层覆土及下面的中风化砂岩都采用弹塑性模型。用MAT_PLASTIC_KINEMATIC表示其本构关系。材料物理力学参数，见表1所示。

因为隧道纵向较长，横向尺寸相对较小，可以按照平面应变问题处理，选取隧道围岩最不利断面进行计算。

单元建立和网格划分，岩（土）体用平面实体单元PLANE2来模拟；锚杆挡墙（肋柱）面板、隧道衬砌结构和基坑边墙均用梁单元BEAM3来模拟；锚杆采用杆单元LINK1单元模拟。采用三角形节点单元进行有限元网格划分。

4.2 计算结果及分析

4.2.1 处理区防爆墙的防爆作用模拟

炸药起爆后，钢筋混凝土防爆墙及邻近岩土介质的变形与破坏，见图4。

图4 不同时刻的破坏结果

可见，用LS-DYNA软件可以形象地模拟炸药爆炸时爆炸波的传播及介质的破坏过程。数值模拟表明，在本次模拟情况下，炸药爆炸时处理区的钢筋混凝土防爆墙被完全炸坏。防爆墙与下穿道之间的覆盖土被完全破坏，处理区底部在冲击波的直接冲击下形成了较深的炸坑。防爆墙及邻近岩土介质的破坏，会消耗一部分爆炸能量，因此，处理区的钢筋混凝土防爆墙具有一定的耗能保护作用。

4.2.2 轻轨隧洞的响应分析

现选取隧洞迎爆面的墙面中间作为研究对象，其x向应力、y向应力、有效应力（米塞斯应力）、最大剪应力、最终位移及振速等数值模拟结果，见图5所示。为节省篇幅，迎爆面的拱脚及墙角处的数值模拟结果略。

图5 隧道迎爆面墙壁中间处的响应

在LS-DYNA中规定，拉应力为正，压应力为负。从数值模拟结果可以看出，隧道迎爆面中间处的应力，x向应力的最大压应力为0.019MPa，最大拉应力为0.015 MPa；y向应力最大压应力为0.11MPa，最大拉应力为0.22MPa；最大米塞斯应力为0.2MPa，最大剪应力为0.11MPa。最终位移为0.098cm，x向振速（最大振速）为12cm/s。

可见，本次爆炸情况下，隧道迎爆面墙壁中间处的压应力、拉应力、最大剪应力及最终位移等都较小，材料处于弹性变形状态。最大振速值（12cm/s）也未超出国家标准《爆破安全规程》（GB6722-2003）中关于交通隧道允许振速15cm/s的规定。因此，在隧道墙壁中间不会产生破坏。

5 结论与建议

通过显式有限元数值计算分析，得到如下结论：

（1）数值计算结果表明，在充分考虑CNG混合气体极端爆炸情况下，在邻近轻轨三号线隧洞周边产生的应力、位移较小，材料处于弹性变形状态。隧洞周边振动速度也小于国家标准《爆破安全规程》（GB6722-2003）规定的交通隧洞的允许振速。因此，本项目CNG加气站的建设对轻轨三号线隧洞的安全性影响较小，各项指标符合相关规定。

(2)本次爆炸模拟情况下，防爆墙及邻近岩土介质的破坏，会消耗一部分爆炸能量，因此，处理区的钢筋混凝土防爆墙具有一定的耗能保护作用。

（3）隧洞迎爆面墙壁中间的最大振速值为12cm/s（允许振速为15cm/s），为提高该隧洞的安全系数，建议将钢筋混凝土防爆墙适当加厚10～20cm，以进一步提高防爆效果。

（4）用LS-DYNA软件模拟炸药爆炸时爆炸波的传播及介质的破坏过程是可行的。

[1]黄海波，杨建军，李开国等.CNG加气站设备失效与爆炸燃烧风险评价[J].西华大学学报（自然科学版），2005，24(4).

[2]姚东，杨明，杨豪.CNG汽车加气站火灾危险性分析与预防[J].工业安全与环保，2007，33(12):42-44.

[3]谭金会，何太碧，杨菡，林秀兰.CNG加气站设备安全风险评价的关键问题[J].天然气工业，2008，28(11).

[4]黄郑华，李建华，张良.压缩天然气加气站的安全设计[J].油气储运，2005，24(6)．