地鐵隧道側(cè)穿加油站安全評估及防護設計

林澤輝

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地鐵隧道側(cè)穿加油站安全評估及防護設計

林澤輝

（廣州地鐵地鐵設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

為了對長沙地鐵5號線側(cè)穿中石化體育新城加油站進行安全評估和防護設計，通過評估風險源等級、計算分析儲油罐爆炸對隧道產(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沉降量，從而對地鐵隧道側(cè)穿加油站安全影響進行全面的評估和進一步制訂防護措施。綜合評估可知，地鐵隧道施工對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)掘進參數(shù)等措施來進行防護設計。

地鐵；風險源等級；沖擊波荷載；數(shù)值模擬

1 概述

盾構(gòu)法廣泛應用城市軌道交通建設中，有施工速度快、適應性廣、自動化程度高等優(yōu)點[1]，但其施工過程會引起上覆巖土層產(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，需要全面研究盾構(gòu)施工的影響和進行施工安全控制。

隨著地鐵建設越來越密集，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，地鐵建設下穿加油站的工況越來越多，因此，對既有加油站的安全影響評估極為重要[4]。

本文以長沙市軌道交通5號線側(cè)穿中石化體育新城加油站為研究對象，提出了從風險源等級、計算分析儲油罐爆炸對隧道產(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沉降量等方面全面對地鐵建設側(cè)穿加油站進行安全評估的方法，并在設計過程中制定了相應的應對措施，從而為長沙市軌道交通5號線建設提供安全保障。

2 工程概況

長沙市軌道交通5號線一期工程從時代陽光大道站到蟠龍路站，線路全長22.5 km，共設18座車站全線推薦采用地下敷設方式。

曲塘路站～勞動東路站區(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化泥質(zhì)粉砂巖、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖層。

長沙市軌道交通5號線側(cè)穿湖南長沙體育新城加油站建于2005年，現(xiàn)設加油機4臺，加油槍8支，汽油儲罐3個，容積為30 m3；柴油儲罐1個，容積為30 m3；總儲油量為105 m3（柴油折半計算），屬于二級加油站。油罐皆為臥式鋼制埋地油罐，各罐均分別設置了高于地面4 m的通氣管，通氣管管口均安裝了阻火器。油罐和加油機均未設置回收系統(tǒng)，卸油區(qū)設有靜電接地報警儀，站區(qū)內(nèi)設有水封井。臥式鋼制埋地油罐設置于萬家麗道路東側(cè)綠化帶，油罐進行了加強級防腐，符合規(guī)范要求。儲油罐概況如表1所示。

表1 儲油罐概況表

序號油品名稱單罐容積/m3臺數(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位于萬家麗路東側(cè)，油罐底板埋深不超過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 風險源等級劃分

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

式（1）中：1，2，…，n為每種危險化學品實際存在量；1，2，…，Qn為各種危險化學品相對應的臨界量，t。

因此，長沙體育新城加油站依據(jù)表1數(shù)據(jù)和式（1）計算如下：

由此可以判定，中國石油化工股份有限公式湖南長沙體育新城加油站所經(jīng)營的油品未構(gòu)成危險化學品重大危險源。

4 儲油罐蒸汽云爆炸分析

長沙體育新城加油站根據(jù)收集資料如表1所示，其汽油儲罐3個，容積為30 m3；柴油儲罐1個，容積為30 m3；總儲油量為105 m3（柴油折半計算）。

按危險最大化原則考慮油罐爆炸沖擊波超壓荷載，對處于同一罐室的汽油罐、柴油罐進行統(tǒng)一計算，該站的總儲量為105 m3。油罐發(fā)生爆炸時放出的能量與油品儲量以及放熱性有關，依據(jù)《綜合能耗計算通則》（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當量法轉(zhuǎn)換公式[7]，將汽油的爆炸轉(zhuǎn)換成相對應的TNT當量爆炸進行分析：

式（3）中：TNT為TNT當量，kg；為蒸汽云當量系數(shù)，通常取0.04；0為儲罐的公稱容積，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油罐爆炸對應的TNT當量依照式（2）求得TNT為31.0 kg。

按照爆炸力學理論，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)計算爆炸沖擊波超壓=13 kPa。

5 儲油罐地基基礎沉降數(shù)值模擬

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

6 防護設計

綜上所述，長沙軌道交通5號線側(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行，進行了以下防護設計[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針對盾構(gòu)側(cè)穿加油站段，應進行二次注漿，確保盾構(gòu)背后充填密實；③優(yōu)化盾構(gòu)機配置以及調(diào)整盾構(gòu)掘進施工參數(shù)保證安全通過；④側(cè)穿期間應加強對加油站埋地油罐，及加油站相關設備加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果信息化施工。

7 結(jié)論

文章研究了長沙地鐵5號線側(cè)穿中石化體育新城加油站安全性影響和防護設計。通過評估風險源等級、計算分析儲油罐爆炸對隧道產(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沉降量全面的評估地鐵隧道側(cè)穿加油站安全影響，進而制訂防護措施。

經(jīng)過計算分析可知：①根據(jù)計算可知，中石化體育新城加油站危險系數(shù)為0.342 1，為一級危險源；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，對隧道影響較小；③通過數(shù)值模擬，盾構(gòu)施工造成油罐地基基礎沉降約0.22 mm。

綜合評估可知，地鐵隧道施工對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)掘進參數(shù)等措施來進行防護設計。

［1］衡朝陽，滕延京，陳希泉.地鐵盾構(gòu)隧道周邊建筑物地基基礎變形控制研究［J］.地下空間與工程學報，2006（Suppl 2）：1336-1340.

［2］康永勝.鄭州地鐵盾構(gòu)隧道下穿加油站的沉降分析［J］.隧道建設，2015，35（08）：766-771.

［3］任志亮，張暉.地鐵區(qū)間側(cè)穿既有加油站處理方案研究［J］.鐵道勘察，2016（02）：100-102.

［4］夏金春.地鐵盾構(gòu)正交下穿隧道施工風險控制措施［J］.隧道建設，2017（Suppl 1）：111-115.

［5］中石化青島安全工程研究院.GB 1821—2009危險化學品重大危險源辨識［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［6］國家發(fā)展和改革委員會能源研究所，中國標準化研究院，中國技能監(jiān)察信息網(wǎng).GBT 2589—2008綜合能耗計算通則［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［7］于志鵬.城市重大危險源風險評估及預警系統(tǒng)研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學，2008.

［8］張新金，劉維寧，路美麗，等.北京地鐵盾構(gòu)法施工問題及解決方案［J］.土木工程學報，2008，41（10）：93-99.

2095－6835（2018）24－0119－02

U231.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.119

〔編輯：張思楠〕