盾构隧道垂直下穿加油站的风险分析*

卓旭炀 李立云

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430050；2.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室 北京 100124)

随着城市轨道交通的发展，区间隧道下穿加油站的情况越来越多。目前已经初步形成了比较成熟的处理经验。比如，2015年青岛某区间隧道下穿加油站[1]，郑州地铁1号线03标区间由东往西,下穿中石化西郊北加油站[2]等。

已建成的地铁区间隧道中，基本上是以侧下穿油库的方式下穿加油站，施工及运营过程中对油库的影响较小。武汉地铁纸坊线新路村站～大花岭站区间采用盾构法施工，由于线路条件的限制，右线以垂直下穿的方式通过加油站的储油罐。由于加油站的特殊性，针对隧道垂直下穿地下储油罐的情况，进行隧道施工、运营期的风险分析是十分必要的。

1 工程概况

武汉地铁纸坊线新路村站-大花岭站区间右线隧道与储油罐罐室底板竖向净距约10.6 m，地层从上至下依次为杂填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、强风化泥质砂岩。储油罐罐室结构底埋深约4.45 m，底板平面尺寸为9.8 m×13.8 m，为0.5 m厚C25混凝土板，下设0.1 m厚C15素混凝土垫层，基础持力层为砂石垫层，厚1.0 m，罐室侧墙采用MU10灰砂砖、M10水泥砂浆砌370 mm厚墙。油罐为圆柱形钢结构，直径2.4 m，长度为7.1 m，油罐间及油罐与侧墙间净距为0.5 m，罐体周围采用砂分层均匀填实。隧道与储油罐关系见图1。

图1 隧道与储油罐关系图(单位：m)

该加油站设有30 m3卧式油罐4个，其中汽油罐3个，柴油罐1个，总储量105 m3，为二级加油站。

依据GB 50652-2011 《城市轨道交通地下工程建设风险管理办法》，下穿加油站油库的盾构隧道的环境风险分级为一级。

2 区间盾构隧道施工对加油站的影响

区间隧道在施工过程中的最大环境风险就是引起隧道上方土层沉降或隆起过大，造成储油罐的破坏。

按《周礼》的说法：“以天产作阴德，以中礼防之。以地产作阳德，以和乐防之。以礼乐合天地之化，百物之产，以事鬼神，以谐万民，以致百物。”④意思是，祭天地时，用天产的动物“六牲”之类作为“阴德”即婚礼上的供品，以中礼来防止淫佚；以地产的谷物作为“阳德”即乡射、乡饮酒礼上的供品，以和乐来防止争执。总之，以礼乐来整合天地，侍奉鬼神，谐和万民，实现丰收。良渚时代的祭礼具体如何进行我们不得而知。可以推定的是，它必然也是有许多讲究的，表现为繁缛的礼节。

轨道交通工程中，盾构隧道下穿建(构)筑物的案例较多。张天明[3]结合工程实际对盾构下穿建构筑物时盾构机参数控制做出论述，杨益等[4]分析了富水地区盾构下穿建构筑物的机理及控制措施，谢雄耀[5]、朱合华[6]等论述了盾构下穿老旧建筑物的微沉降的控制技术。综合上述文献可知，施工的关键是要控制好地层变形。施工过程中导致地层变形的主要因素如下。

施工过程中针对地面沉降和储油罐基础沉降制定了监测方案，其监测点布置方案见图2。

1) 盾构施工过程中推力导致土层弹塑性变形形成土层的隆起或沉降。

对实施ERCP的患者，临床护士在围手术期应该注重患者的心理状况，有针对性的放松训练具有稳定患者心率和血压作用，尤其在术前和术后24 h内进行，不仅能保证患者手术得以顺利进行，预防并发症，而且能够平稳患者生命体征，促进康复。

2) 盾构隧道施工过后，土层应力释放导致土层沉降。

3) 土层损失引起土层沉降。

4) 盾构隧道同步注浆、二次注浆对地层扰动引起地面隆起或沉降。

2.1 控制油罐下沉的主要措施

针对以上影响土层变形的主要因素，盾构隧道下穿加油站过程中制定了如下措施。

2.1.1土仓压力管理

土仓压力应选取适中，太小容易导致掌子面不稳和地面沉降过大，过大容易引起地面隆起过大。经过加油站前试验段的反馈，顶部土仓压力设定在0.11～0.13 MPa，土仓压力波动控制在-0.02～0.02 MPa范围内。

2.1.2刀盘扭矩和转速控制

刀盘转矩是保证盾构正常掘进的关键参数，其大小与刀盘大小、刀盘开口率、刀的布置形式、接触压力、切削深度、土层性质等密切相关。根据加油站前试验段的调试，下穿加油站段的刀盘转矩保持恒定且不超过1 800 kN·m，刀盘转速设定为1.1～1.3 r/min。

2.1.3渣土改良

改良渣土可以减少刀具、刀盘的摩擦力；改善渣土的流塑性，增加渣土的流动性、止水性，降低刀盘扭矩；增加螺旋输送机的止水性可防止出土口喷涌。下穿加油站段主要采用泡沫剂改良。泡沫剂原液比例为2.5%，发泡倍率为20倍，单管注入速率为150 L/min。当渣土改良效果较差时，增加泡沫剂注入管路，或增大泡沫剂注入速率；若出现土仓压力快速升高，但渣土改良效果未明显变好时，在持续增加泡沫剂注入的前提下，可适当降低泡沫剂发泡倍率或提高泡沫剂原液比例。

首先对齿面的接触强度进行校核，齿轮分度圆上的切向力Ft=131 995.4 N，接触应力σH和允许范围内接触应力[σH]的计算公式如式(11)所示：

2.1.4同步注浆、二次补浆等措施

同步注浆、二次补浆措施是减小地层损失，控制土层沉降的重要手段。下穿加油站过程中，根据前期试验段经验及现场试验调整注浆量为6.5～7.0 m3/环。

通风散湿，用70%代森锰锌500倍液、50%甲基托布津500倍液、50%多霉灵1000倍液，每5～7天喷1次，连喷2～3次。阴雨天可用百菌清烟剂，每亩350克，或百菌清粉尘剂，每亩1千克。

归纳上述中央和国务院近年内连续出台的关于水问题的各项改革举措，可以说是历史上空前的，客观上讲这也是历史的必然抉择，是国家最高决策层不失时机、实事求是地抓住了水资源这个束缚经济社会发展的核心瓶颈问题。因此，充分认识到水权明晰、界定与交易的重要性和所面临的问题十分重要。

根据美国陆军部技术手册TM5-855-1《常规武器防护设计原理》[8]，土中形成空气冲击波感生的地冲击峰值压力可按照式(3)计算。

2.2 施工监测及分析

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图2 监测点布置图(单位：m)

如图2所示，地面监测点垂直于隧道中心线布设，以3 m间距布置了10个监测点。储油罐监测点布置在基础的4个角上。

经监测1～10号监测点处地面沉降值见图3。

图3 各测点处地面沉降监测图

如图3所示，左、右隧道中心线上的4号、7号测点，位于沉降曲线的波谷。受先掘进的左线隧道沉降叠加的影响，右线隧道顶的7号监测点的沉降值稍大，为7.65 mm。整个隧道上方的地面沉降是满足要求的。

经监测，油罐基础A～D点处地面沉降值见表1。

表1 油罐基础沉降 mm

后来，一边工作，一边断断续续上夜高、夜大——对于念书，似乎有着宗教般的热情与执念，犹如追寻一份精神上的依靠，即便风骤雨狂，想不去，也不行。爸爸看在眼里，开始心痛起来，幡然有了懊悔，有一次向妈妈袒露心迹：当初大丫头要是不停地吵，坚决不去工厂，可能也会咬咬牙再去找找人，给她补习一年，你看吧，第二年户口也就办下来了……

3 油罐发生爆炸对区间隧道的影响

油罐在运营过程中存在爆炸的可能性，因此分析油罐爆炸冲击波对区间隧道的影响对于确保地铁运营安全十分必要。

3.1 油罐TNT等效当量的确定

油罐发生爆炸时放出的能量与油品储量及放热性有关，依据《综合能耗计算通则》，平均发热量取汽油值考虑。根据范登伯格和兰诺伊TNT当量法转换公式将汽油的爆炸转换成相对应的TNT当量为31 kg。

3.2 爆炸引起的土冲击荷载的计算

3.2.1按岩土中触地爆炸理论计算

从结构稳定性、排水效果、滤土效果、材料耐久性、材料经济实用性几个方面综合分析比较，提出的生态植生型渗滤沟道护砌板组合垫层设计方案为：采用生态植生型陶粒混凝土板后设置透水土工布(国标短纤针刺无纺土工布，质量为300 g/m2)、稻草(1 cm厚)组合，作为农田排水沟道渗滤系统的最佳排水、透水、拦截污物垫层(见图2)。

用Galerkin弱形式平衡方程来表示动量方程和边界条件，可写成式(6)形式。

(1)

式中：H为封闭爆炸和触地爆炸的分界埋深，m；QTNT为汽油的TNT当量值，kg。

根据式(1)，本工程装药埋深分界深度为1.96 m，大于实际埋深1.3 m，所以按照触地爆炸考虑。

参照G·M·克莱霍夫理论公式，爆炸冲击波超压与距离之间关系式见式(2)。

服装面料再造设计的方法非常多，在设计过程中不断改变面料的结构。加法和减法设计技法是服装面料再造设计过程中比较常用的方法，指的就是以原有服装面料为基础，通过元素的增补和减少，使原有服装面料的风格得到改变，这种方法比较简单，同时也可以改变服装的面料，实现服装面料再造设计的目标，同时人们也比较喜欢这种方法。通常都是在服装表面上增添刺绣或者贴花等，使服装面料特性由此改变。

(2)

式中：p为爆炸冲击波超压，kg/cm2；R为爆炸中心到研究点的距离，m。

根据式(2)，区间隧道承担的压力峰值为5 kPa。

3.2.2按感生地冲击理论计算

如表1所示，实测罐室底板绝对最大沉降值为3.81 mm，最大局部倾斜为9×10-6，能够满足局部倾斜不大于2×10-3的结构安全需求。

每间隔1环进行1次二次注浆。如发现同步注浆量不足，或管片壁后地质雷达扫描疏松异常情况，通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆，从而减少盾构机通过后土体的后期沉降。

Pmax=0.407fρc(R/w1/3)-n

(3)

式中：Pmax为峰值压力，Pa；f为爆炸耦合系数，f=d/w1/3，d为炸药装药中心的深度，w为炸药重量，kg；ρc为声阻抗，kg/(m2s)；R为传播距离，m；n为衰减系数，黏性土取1.5～2。

根据式(3)，区间隧道承担的压力峰值为35 kPa。

3.2.3利用有限元模拟爆炸过程产生的冲击荷载。

物体的基本运动方程见式(4)。

M(x)=P(x,t)-F(x,x)+H-Cx

(4)

式中：M为物质单元的总体质量矩阵；P为荷载矢量；F为单元应力场的等效节点力矢量合力；H为黏性阻尼力。

时间积分所采用的显式中心差分法计算式如下。

(5)

李翼棋[7]等认为，根据装药埋深的不同，岩土爆炸分为封闭爆炸和触地爆炸。封闭式爆炸不需要考虑自由面的影响，触地爆炸要考虑自由面的影响。2种爆炸的埋深分界深度可按式(1)计算。深度满足式(1)的为触地爆炸，不满足的为封闭爆炸。

(6)

根据上述基本公式(1)～(6)，进行数值模拟可算得隧道承受的应力时程曲线见图4。

图4 隧道顶应力时程曲线

由时程曲线可以看到，油罐爆炸在盾构隧道产生的峰值拉应力为20 kPa，峰值压应力为30 kPa。

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由上面的计算分析可以看出，触地爆炸未考虑岩土的具体参数，计算值偏小，感生地冲击理论计算和有限元计算值比较一致。

3.3 土层冲击荷载对隧道管片内力的影响

经计算，上述几种算法的最不利土层冲击峰值荷载为35 kPa，根据《建筑结构荷载规范》将其作为偶然荷载设计值。通过有限元软件计算，可得偶然荷载组合下盾构隧道内力设计值与荷载基本组合下的盾构隧道内力设计值对比，见表2。

表2 管片内力变化对比表

由表2可见，相对于荷载的基本组合来说，爆炸荷载引起的轴力有效因子约0.86，弯矩有效因子为0.88。对盾构隧道结构安全起控制作用的是荷载基本组合效应设计值。区间盾构隧道管片采用C50混凝土和HRB400受力筋，经核算结构是安全的。

2.5.2 党参总皂苷纳米乳对黑素瘤细胞增殖的影响。MTT法测定党参总皂苷纳米乳对黑素瘤细胞增殖的影响，结果见表2。100～800 μg/mL空白纳米乳对黑素瘤细胞增殖的最大抑制作用为8.56%，按毒性分级法评价，空白纳米乳对细胞的毒性为1级，达到合格要求[12]。100～800 μg/mL党参总皂苷纳米乳对黑素瘤细胞增殖的抑制率大于相同浓度党参总皂苷水溶液，这表明纳米乳能增强党参总皂苷对黑素瘤细胞增殖的抑制作用。

4 结论

1) 盾构隧道施工阶段风险主要为施工引起的沉降、隆起引起储油罐基础破坏，进而威胁储油罐的安全。根据目前国内盾构隧道施工的风险控制水平，在采取与一级环境风险相应的措施后，风险是可控的。

这个精神坐标不止于“廉”与“洁”。剧中陈仲子的每向前一步，都离不开他远远超乎常人的自省能力和践行勇气，凡事反求诸己并付诸实施：大旱天不仅滴水不留更自我惩戒绝食三天；拒绝楚国拜相不算，更搬出原先隐居处甘愿为人灌园，如此种种。环顾上下左右，汲汲营营、熙熙攘攘，赞歌遍野而独缺自省更缺乏言行一致的果敢担当。

由于本文使用的是面板数据，考虑到国家间发展阶段、金融开放程度以及经济增长间的异质性可能会影响估计结果，我们使用固定效应模型进行估计，模型适用性均通过了豪斯曼检验的证实。进一步，考虑到跨国跨时间的样本可能存在较大变化，我们使用稳健标准差估计以避免可能存在的异方差现象影响结果的稳健性。

2) 由于加油站的储油罐埋深较浅，爆炸当量较小，且发生爆炸为触地爆炸，爆炸当量较小，对于正常埋深的盾构隧道来说，荷载基本组合对结构安全起主导作用。

3) 依据GB 50652-2011 《城市轨道交通地下工程建设风险管理办法》对下穿加油站油库的盾构隧道进行环境风险分级，并采取相关措施，是可以保证加油站和盾构隧道在施工过程及运营期的安全的。