加油站埋地储油罐爆炸对盾构隧道影响的数值分析及处理措施

2020-06-23张志华

爆破 2020年2期

张志华

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉430050)

随着我国经济水平的高速增长和城市化进程的不断加快，各地城市轨道交通建设如火如荼，线网建设越来越密集，周边环境越来越复杂，对地铁线路走向的限制因素也越来越多，因此隧道下穿重要的建(构)筑物的实例屡见不鲜，然而隧道正穿加油站的情况却比较少见。通过期刊查阅，国内目前对隧道临近加油站的案例，大多是围绕地铁施工对加油站的影响展开研究，康永盛通过有限元的数值模拟和现场监控量测的方法，对郑州地铁1号线盾构隧道施工对临近加油站沉降变形控制进行了研究[1]；任志亮等通过合理控制爆破的手段，对青岛地铁矿山法隧道侧穿加油站施工保护方案进行了研究[2]。然而在加油站对盾构隧道的影响方面研究的比较少。假定加油站爆炸，爆炸空气冲击波压缩地面并将应力脉冲传入地下介质时，会在土中形成空气冲击波感生的地冲击，变成施加在地下结构上的荷载[3]。结合相关工程案例，采用理论分析和数值模拟两种方法，分别对储油罐地面爆炸作用下，传至隧道结构上爆炸冲击波超压进行计算和对比分析，从而可为盾构管片结构设计提供爆炸输入荷载。研究结论证明储油罐的爆炸工况对盾构隧道结构安全影响基本可控，同时为进一步降低隧道施工及后期运营阶段的风险，提出相关保护措施，旨在为类似工程现象提供参考。

1 工程案例及场景拟定

武汉轨道交通某盾构区间隧道因外界因素限制，隧道需下穿一座加油站。该加油站内设4个30 m3的卧式油罐，其中3个为汽油罐，1个为柴油罐，总储量105 m3，埋地深度为1.3 m，储油罐为圆柱形钢结构，罐体周围采用砂分层填充，按《汽车加油加气站设计与施工规范》[4]判断为二级加油站。储油罐是加油站的重要组成部分，同时也是最危险的部分，一旦发生爆炸，后果不堪设想，按照相关规范要求，一般汽车加油站的储油罐按埋地设置。

罐室底板与隧道竖向净距约为10.6 m，油罐外皮与隧道的净距约为11.45 m。空间关系如图1所示。隧道结构采用C50钢筋混凝土管片，厚度350 mm。

按最不利的工况进行组合，即罐室内4个油罐同时发生爆炸，参照《综合能耗计算通则》范登伯格和兰诺伊TNT当量法转换公式，将油气的爆炸转换成相对应的TNT当量爆炸进行分析。

QTNT=υV0ρHc/qTNT

(1)

式中：QTNT为TNT当量，单位为kg；υ为蒸汽云当量系数，通常取0.04；V0为储罐的公称容积，取105 m3；ρ为油品比重，取0.76×103kg/m3；Hc为油品的平均发热量，取43.73 kJ/kg；qTNT为TNT爆炸时所释放出的能量，取值范围4120～4690 kJ/kg，一般计算时取其平均值4500 kJ/kg。

本工程中本案例中埋地储油罐爆炸对应的TNT当量依照式(1)计算QTNT为31.0 kg。

2 数值分析

2.1 分析模型

本次模拟使用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件进行计算，设计炸药当量值为31.0 kg，建模范围取隧道水平方向两侧3～5倍洞径，隧道底面以下取3～5倍洞径，顶面以上取至地表，于隧道拱顶位置设置A点做为效应的跟踪监测点。模型的顶部为自由面，炸药置于近地表的中间位置，其余面均为无反射边界条件。炸药和空气定义为ALE单元，土体定义为Lagrange单元，用*CONTROL_ALE关键字进行ALE算法控制，使用*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP关键字，进行接触定义。见图2。

2.2 材料参数

炸药炸药爆炸过程中压力Peso和比容V的关系通过JWJ状态方程描述，表达如下[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均为试验确定的常数；Eos为初始比内能；V为相对体积。见表1。

土体采用*MAT_SOIL_AND_FOAM材料模型进行数值模拟，主要材料参数如表2所示。

空气材料采用MAT_NULL材料模型和线性多项式状态方程EOS_LINEAR_POLYMIAL模拟。

P=C0μ+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4μ+C5μ+C6μ2)E

(3)

μ=ρ/ρ0-1

(4)

式中：C0～C6为常数；E为空气的单位体积内能；ρ为空气密度，取1.2 g/cm3。见表3。

2.3 计算结果分析

为监测加油站正下方隧道结构上的冲击波引起的超压变化，在右线隧道拱顶单元设置了监测点(单元2910)，如图3所示。

表1 炸药的物力力学参数Table 1 Mechanical parameters of explosives

表2 岩土的物力力学参数Table 2 Mechanical parameters of rock and soil

表3 空气的物力力学参数Table 3 Mechanical parameters of air

图4为计算输出不同时刻的爆炸冲击波分布图，从图中可以观察出爆炸冲击波超压形成与发展过程，在爆炸的瞬间，冲击波以柱面波的形式向外扩散。

由图5可以看出，爆炸冲击波在隧道结构顶产生的压力，在很短时间内达到峰值，继而随着时间的持续不断下降，并趋于平缓。从应力时程曲线可知，爆源传至隧道顶的爆炸冲击波超压p为2.7 kPa。

2.4 数值模拟与理论计算的比较

根据爆炸理论，对于土壤爆炸，当装药深度小于某一计算值时，属于接触爆炸，否则为封闭爆炸。按装药深度判断[6]，本加油站拟定的爆炸工况属于接触爆炸。《人民防空地下室设计规范》[7]附录B中常规武器地面爆炸动荷载计算方法，可得到地面直接产生的土中压缩波最大压力，该公式来自于美军TM5-855-1手册[8,9]，是基于大量的试验和分析，具有较好的可靠度。

P=6.82×10-3ρc(5.4R/W1/3)-n

(5)

式中：R为爆心至作用点的距离,m；ρ为土的质量密度,kg/m3；c为土的地震波波速,m/s；W武器的装药量，按TNT当量换算；n土的衰减系数；结合本拟定场地参数计算得P=2.4 kPa。

2.5 爆炸破坏分析

由上述的计算可知，数值模拟与经验公式计算结果比较接近，得到的冲击波超压均小于3 kPa，远小于隧道结构采用C50钢筋混凝土的轴心抗拉强度1.89 MPa。表4为1000 kg TNT地面爆炸时冲击波超压对建筑物的破坏程度准则对照表[10]，可见本次冲击波超压小于最小等级的5 kPa，未对隧道结构造成破坏，隧道结构设计应将爆炸产生的荷载作为附加荷载考虑，通过结构合理配筋可满足结构受力及裂缝控制要求[11]。