林澤輝

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地鐵隧道側(cè)穿加油站安全評(píng)估及防護(hù)設(shè)計(jì)

林澤輝

（廣州地鐵地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

為了對(duì)長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線側(cè)穿中石化體育新城加油站進(jìn)行安全評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)，通過(guò)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)、計(jì)算分析儲(chǔ)油罐爆炸對(duì)隧道產(chǎn)生的沖擊波荷載，以及數(shù)值模擬隧道盾構(gòu)施工加油站地基基礎(chǔ)沉降量，從而對(duì)地鐵隧道側(cè)穿加油站安全影響進(jìn)行全面的評(píng)估和進(jìn)一步制訂防護(hù)措施。綜合評(píng)估可知，地鐵隧道施工對(duì)加油站施工影響較小，因此，采用注漿加固盾構(gòu)背部、控制施工順序以及優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等措施來(lái)進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

地鐵；風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)；沖擊波荷載；數(shù)值模擬

1 概述

盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用城市軌道交通建設(shè)中，有施工速度快、適應(yīng)性廣、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[1]，但其施工過(guò)程會(huì)引起上覆巖土層產(chǎn)生變形和沉降[2]。尤其是盾構(gòu)施工近距離穿越既有管線、隧道、高架橋等時(shí)，需要全面研究盾構(gòu)施工的影響和進(jìn)行施工安全控制。

隨著地鐵建設(shè)越來(lái)越密集，經(jīng)常發(fā)生地鐵盾構(gòu)施工下穿加油站工況。比如2011年，鄭州地鐵1號(hào)線下穿西北郊加油站施工；2015年，青島地鐵某區(qū)間側(cè)穿加油站施工[3]……由此可見(jiàn)，地鐵建設(shè)下穿加油站的工況越來(lái)越多，因此，對(duì)既有加油站的安全影響評(píng)估極為重要[4]。

本文以長(zhǎng)沙市軌道交通5號(hào)線側(cè)穿中石化體育新城加油站為研究對(duì)象，提出了從風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)、計(jì)算分析儲(chǔ)油罐爆炸對(duì)隧道產(chǎn)生的沖擊波荷載以及數(shù)值模擬隧道盾構(gòu)施工加油站地基基礎(chǔ)沉降量等方面全面對(duì)地鐵建設(shè)側(cè)穿加油站進(jìn)行安全評(píng)估的方法，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中制定了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，從而為長(zhǎng)沙市軌道交通5號(hào)線建設(shè)提供安全保障。

2 工程概況

長(zhǎng)沙市軌道交通5號(hào)線一期工程從時(shí)代陽(yáng)光大道站到蟠龍路站，線路全長(zhǎng)22.5 km，共設(shè)18座車站全線推薦采用地下敷設(shè)方式。

曲塘路站～勞動(dòng)?xùn)|路站區(qū)間線路最大坡度為26.609‰線路軌面埋深14～21 m，隧道覆土9～15m，區(qū)間隧道主要穿行于全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。

長(zhǎng)沙市軌道交通5號(hào)線側(cè)穿湖南長(zhǎng)沙體育新城加油站建于2005年，現(xiàn)設(shè)加油機(jī)4臺(tái)，加油槍8支，汽油儲(chǔ)罐3個(gè)，容積為30 m3；柴油儲(chǔ)罐1個(gè)，容積為30 m3；總儲(chǔ)油量為105 m3（柴油折半計(jì)算），屬于二級(jí)加油站。油罐皆為臥式鋼制埋地油罐，各罐均分別設(shè)置了高于地面4 m的通氣管，通氣管管口均安裝了阻火器。油罐和加油機(jī)均未設(shè)置回收系統(tǒng)，卸油區(qū)設(shè)有靜電接地報(bào)警儀，站區(qū)內(nèi)設(shè)有水封井。臥式鋼制埋地油罐設(shè)置于萬(wàn)家麗道路東側(cè)綠化帶，油罐進(jìn)行了加強(qiáng)級(jí)防腐，符合規(guī)范要求。儲(chǔ)油罐概況如表1所示。

表1 儲(chǔ)油罐概況表

序號(hào)油品名稱單罐容積/m3臺(tái)數(shù)材質(zhì)形式 193#汽油302鋼板臥式埋地 297#汽油301鋼板臥式埋地 30#柴油301鋼板臥式埋地

區(qū)間隧道右線在YDK26+420～YCK26+420里程處側(cè)穿中石化體育新城加油站。中石化體育新城加油站地下油庫(kù)位于萬(wàn)家麗路東側(cè)，油罐底板埋深不超過(guò)5 m，區(qū)間隧道與加油站地下油罐平面投影最小距離為2.9 m，豎向距離約8 m。

3 風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)劃分

根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》[5]（GB 18218—2009）第4.2.2條規(guī)定，單元區(qū)內(nèi)存在的危險(xiǎn)化學(xué)品為多品種時(shí)，則按下式計(jì)算，若滿足下式，則定為重大危險(xiǎn)源：

式（1）中：1，2，…，n為每種危險(xiǎn)化學(xué)品實(shí)際存在量；1，2，…，Qn為各種危險(xiǎn)化學(xué)品相對(duì)應(yīng)的臨界量，t。

因此，長(zhǎng)沙體育新城加油站依據(jù)表1數(shù)據(jù)和式（1）計(jì)算如下：

由此可以判定，中國(guó)石油化工股份有限公式湖南長(zhǎng)沙體育新城加油站所經(jīng)營(yíng)的油品未構(gòu)成危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源。

4 儲(chǔ)油罐蒸汽云爆炸分析

長(zhǎng)沙體育新城加油站根據(jù)收集資料如表1所示，其汽油儲(chǔ)罐3個(gè)，容積為30 m3；柴油儲(chǔ)罐1個(gè)，容積為30 m3；總儲(chǔ)油量為105 m3（柴油折半計(jì)算）。

按危險(xiǎn)最大化原則考慮油罐爆炸沖擊波超壓荷載，對(duì)處于同一罐室的汽油罐、柴油罐進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，該站的總儲(chǔ)量為105 m3。油罐發(fā)生爆炸時(shí)放出的能量與油品儲(chǔ)量以及放熱性有關(guān)，依據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》（GBT 2589—2008）附錄A按最不利因素[6]，平均發(fā)熱量取汽油值考慮。

根據(jù)范登伯格和蘭諾伊TNT當(dāng)量法轉(zhuǎn)換公式[7]，將汽油的爆炸轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的TNT當(dāng)量爆炸進(jìn)行分析：

式（3）中：TNT為TNT當(dāng)量，kg；為蒸汽云當(dāng)量系數(shù)，通常取0.04；0為儲(chǔ)罐的公稱容積，m3，取105 m3；為油品所占比例，取0.76×103kg/m3；c為油品的平均發(fā)熱量，取43.73 kJ/kg。

本工程中本案例中埋地儲(chǔ)油罐爆炸對(duì)應(yīng)的TNT當(dāng)量依照式（2）求得TNT為31.0 kg。

按照爆炸力學(xué)理論，土壤爆炸分為觸地爆炸和封閉爆炸：裝藥埋置深度滿足式（4）的爆炸屬于觸地爆炸，即考慮地面自由面的影響；不滿足式（3）時(shí)為封閉爆炸，在該爆炸情況下，完全不考慮自由面影響。則：

沖擊波超壓與距離之間關(guān)系式如下式：

式（5）中：為爆炸沖擊波超壓，kg/cm2，105 Pa；為爆炸中心到所研究點(diǎn)的距離，m；本工程中隧道與油罐的最小凈距為8.2 m，經(jīng)計(jì)算爆炸沖擊波超壓=13 kPa。

5 儲(chǔ)油罐地基基礎(chǔ)沉降數(shù)值模擬

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程儲(chǔ)油罐地基基礎(chǔ)的變形威脅儲(chǔ)油罐的穩(wěn)定性，利用有限元分析軟件MIDAS GTS對(duì)區(qū)間隧道掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。為了避免邊界條件對(duì)分析結(jié)果的影響，建立模型大小為40 m×50 m。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬可知，該區(qū)間盾構(gòu)施工中，油罐地基基礎(chǔ)最大沉降量為0.22 mm，由此可見(jiàn)地鐵隧道區(qū)間施工對(duì)儲(chǔ)油罐地基基礎(chǔ)影響較小。

6 防護(hù)設(shè)計(jì)

綜上所述，長(zhǎng)沙軌道交通5號(hào)線側(cè)穿體育新城加油站雖然影響較小，但為了保證施工安全進(jìn)行，進(jìn)行了以下防護(hù)設(shè)計(jì)[8]：①根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，建議區(qū)間隧道先期施工右線，后期施工左線，可減少盾構(gòu)隧道施工疊加影響；②針對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿加油站段，應(yīng)進(jìn)行二次注漿，確保盾構(gòu)背后充填密實(shí)；③優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)配置以及調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)保證安全通過(guò)；④側(cè)穿期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)加油站埋地油罐，及加油站相關(guān)設(shè)備加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果信息化施工。

7 結(jié)論

文章研究了長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線側(cè)穿中石化體育新城加油站安全性影響和防護(hù)設(shè)計(jì)。通過(guò)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)、計(jì)算分析儲(chǔ)油罐爆炸對(duì)隧道產(chǎn)生的沖擊波荷載以及數(shù)值模擬隧道盾構(gòu)施工加油站地基基礎(chǔ)沉降量全面的評(píng)估地鐵隧道側(cè)穿加油站安全影響，進(jìn)而制訂防護(hù)措施。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可知：①根據(jù)計(jì)算可知，中石化體育新城加油站危險(xiǎn)系數(shù)為0.342 1，為一級(jí)危險(xiǎn)源；②盾構(gòu)區(qū)間隧道與油罐的最小凈距為8.2 m，爆炸沖擊波超壓荷載為13 kPa，對(duì)隧道影響較?。虎弁ㄟ^(guò)數(shù)值模擬，盾構(gòu)施工造成油罐地基基礎(chǔ)沉降約0.22 mm。

綜合評(píng)估可知，地鐵隧道施工對(duì)加油站施工影響較小，因此，采用注漿加固盾構(gòu)背部和控制施工順序以及優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等措施來(lái)進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

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2095－6835（2018）24－0119－02

U231.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.119

〔編輯：張思楠〕