地鐵盾構垂直下穿加油站風險分析及控制措施研究

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司軌道交通院，湖北武漢 430050）

隨著我國各地城市地鐵運營里程不斷增長，軌道線網不斷加密以及城市地下空間不斷開發利用，新建線路將不可避免愈加頻繁穿越各種地上、地下建（構）筑物，地鐵設計、施工風險不斷加大。目前，專家學者對地鐵隧道穿越各種建（構）筑物的風險分析以及相應的控制措施研究較多[1-2]，但對于穿越加油站這類敏感建筑分析仍然較少。已有的穿越案例多為隧道側穿加油站[3-4]，隧道與加油站仍保持一定水平距離，尚無地鐵隧道垂直下穿加油站儲油罐的案例。本文結合武漢市軌道交通7號線盾構區間垂直下穿儲油罐的案例，進行地鐵盾構隧道垂直下穿加油站風險分析以及相應風險控制措施研究。

1 工程概況

武漢市軌道交通7號線某區間受線型控制，右線隧道垂直下穿一座加油站，如圖1所示。隧道采用盾構法施工，盾構外徑6.2 m，內徑5.5 m，管片壁厚0.35 m，管片環寬1.5 m，采用平板型單層鋼筋混凝土通用型管片，每環管片由3塊標準塊+2塊鄰接塊+1塊封頂塊組成，錯縫拼裝。

該加油站為二類加油站，站內設有30 m3臥式油罐4個，其中汽油罐3個，柴油罐1個，總儲量105 m3。儲油罐位于右線隧道下方，油罐室結構底埋深約4.45 m，底板平面尺寸為9.8 m×13.8 m，為0.5 m厚C25混凝土板，下設0.1 m厚C15素混凝土墊層，基礎持力層為砂石墊層，厚1.0 m；罐室側墻采用MU10灰砂磚、M10水泥砂漿砌370墻；儲油罐罐室底板與右線隧道豎向凈距約10.6 m，罐室外皮與左線隧道的水平凈距約6.6 m；油罐為圓柱形鋼結構，直徑2.4 m，長度為7.1 m，油罐間及油罐與側墻間凈距為0.5 m，罐體周圍采用砂分層均勻填實。

2 風險分析

2.1 隧道結構內力分析

加油站地處長江一級階地，隧道洞身主要位于第四系上更新統沖洪積粉質黏土地層，隧頂覆土厚度15.15 m。

圖1 隧道下穿加油站示意圖（單位：m）

盾構隧道管片按最不利工況進行計算（即采用水土合算），采用修正慣用法計算模型[6]，管片采用C50鋼筋混凝土，剛度折減系數取0.75，彎矩調整系數取0.3。隧道結構內力計算結果如表1所示，由表可見，隧道結構最大彎矩為258.3 kN·m，最大軸力為1 443 kN，最大剪力為141.4 kN。盾構隧道斷面為圓形斷面，結構內力受控于截面彎矩，該計算結果滿足管片外側極限承載彎矩370.5 kN·m、內側極限承載彎矩373.3 kN·m承載力控制要求。同時經檢算，按管片配筋由準永久組合工況下裂縫控制，外側、內側裂縫計算值分別為0.024 mm、0.038 mm，滿足管片裂縫0.2 mm控制要求。

2.2 加油站變形分析

2.2.1 經驗方法沉降預測

Peck公式[7]是目前預測地鐵隧道開挖引起地表沉降的經驗方法中最簡便、應用最廣泛的方法之一。Peck假定隧道施工引起的地面沉降是在不排水情況下發生，沉降槽的體積即為地層損失的體積，地層損失沿隧道縱向均勻分布，沿橫向近似正態分布。魏綱[8-11]基于Peck公式，建立了修正二維Peck公式（1）[12]，該公式適用于預測雙線盾構隧道施工引起的地層沉降。

式（1）中，Smax為單線隧道軸線上方最大地面沉降量；f為先行隧道，l為后做隧道；x為距隧道軸線橫向水平距離；z為離地面的豎向距離，向下為正；h為隧道中心埋置深度，本工程隧道中心埋深18.25 m；L為雙線隧道中心線間距，本工程取15.6 m；i為地面沉降槽寬度系數[10]，為地層內摩擦角；η為土體損失率[11]，主要與工程地質與水文地質情況、隧道施工方法、施工技術水平以及工程管理經驗等因素有關，黏性土地區土體損失率在0.20%～2.0%。

針對5種不同地層損失率，分別計算盾構隧道穿越加油站后加油站位置地表最大沉降及油罐沉降，結果如表2、圖2所示。表2、圖2數據表明，按地鐵隧道穿越加油站油罐室控制標準研究成果[3-4]（累計沉降（或隆起）控制值15 mm，傾斜率控制值1‰，橫向位移控制值5 mm），當地層損失率在不超過0.7%時，油罐變形能夠滿足該控制標準。

表1 盾構隧道結構內力

表2 不同地層損失率情況下的地表沉降及油罐沉降 mm

圖2 不同地層損失率情況下的地表沉降

2.2.2 有限差分方法分析

采用Flac3D有限差分軟件建模分析加油站變形，模型計算范圍取隧道水平方向兩側5倍洞徑，隧道底面以下取5倍洞徑，頂面以上取至地表，縱向計算長度取油罐范圍最大邊長的5倍，如圖3所示。模型尺寸為72 m×90 m×30 m（隧道橫向×縱向×豎向），地層、隧道及油罐室均采用實體單元，模型單元共14 672個，節點數16 211個。模型中地層采用莫爾-庫倫本構模型，盾構隧道管片、油罐室采用線彈性模型。盾構管片采用C50鋼筋混凝土，油罐室按C20混凝土簡化，油罐室自重按充填細砂、汽油、柴油后的總重進行等效。

圖3 分析模型

盾構隧道左、右線同時穿越為最不利分析工況，隧道穿越后油罐室變形云圖如圖4所示。由圖4可見，隧道開挖過程中及穿越后下穿油罐處地表最大沉降10.05 mm，油罐室沉降范圍8.16～9.22 mm，最大傾斜率0.11‰，油罐室往左線側偏移的最大橫向位移2.5 mm。

2.3 油罐室爆炸分析

地鐵盾構下穿加油站風險按地鐵公共安全危險最大化原則，考慮油罐室爆炸極端情況對地鐵盾構隧道的影響。

2.3.1 等效 TNT當量計算

根據范登伯格和蘭諾伊TNT當量法轉換公式（2），將汽油的爆炸轉換成相對應的TNT當量[13]進行爆炸分析，計算結果為31 kgTNT當量。

圖4 盾構穿越后油罐室變形云圖（單位：m）

式（2）中，QTNT為TNT當量，kg；υ為蒸汽云當量系數，通常取0.04；V0為油罐室的公稱容積，取105 m3；ρ為油品比重，按汽油取0.76×103kg/m3；Hc為油品的平均發熱量，按汽油取43.73 kJ/kg；qTNT為TNT爆炸發熱量，取值范圍4 120～4 690 kJ/kg，通常取4 500 kJ/kg。

2.3.2 爆炸沖擊波超壓計算

參照G.M.萊克霍夫理論[14]，砂土介質中爆炸沖擊波超壓經驗計算公式為：

式（3）中，ΔP為爆炸沖擊波超壓，kgf/ cm2，即1/ 9.8 MPa；R為爆炸中心到研究點的距離，m，本工程隧道與油罐的最小凈距為11.45 m。

經計算，得到爆炸沖擊波超壓ΔP為0.165 kgf/cm2，即16.84 kPa。

2.3.3 爆炸偶然荷載組合下隧道結構內力計算

按爆炸偶然荷載組合（永久荷載×1.2 +爆炸荷載×1.3）計算隧道結構內力，如圖5所示。由圖5可見，該偶然荷載組合下隧道結構外側、內側最大彎矩分別為161.4 kN·m、227 kN·m，最大軸力為1 342 kN，最大剪力為127 kN。盾構隧道結構內力受控于截面彎矩，該計算結果滿足管片外側極限承載彎矩370.5 kN·m、內側極限承載彎矩373.3 kN·m承載力控制要求。同時經檢算，按管片配筋由準永久組合工況下裂縫控制，外側、內側裂縫計算值分別為0.088 mm、0.045 mm，滿足管片裂縫0.2 mm要求。結果表明，爆炸沖擊不會對盾構管片造成破壞。

3 風險控制措施

根據以上風險分析結果，地鐵盾構下穿加油站區段采取如下控制措施。

（1）考慮到盾構隧道的結構整體性因管片分塊拼裝受到削弱，應依據上述結構內力分析結果適當提高盾構隧道管片配筋率，加強結構設計。

（2）加強盾構施工控制。根據Peck公式，通過增大雙線盾構線間距、加大隧道埋深以及減小地層損失率均可有效控制地面沉降及油罐室變形。地鐵盾構平縱斷面線路受控無法調整時，只能通過施工過程中控制地層損失率來減小下穿產生的變形，主要有：①嚴格控制盾構掘進參數、掘進姿態及軸線偏差，控制地層損失率不超過0.5%；②穿越過程中及時同步注漿，做到盡量填補而不宜劈裂；③盾尾管片應及時突破同步注漿層進行二次注漿，彌補同步注漿的不足，根據實時監測情況在必要時多次注漿，確保管片背后填充密實。

圖5 偶然荷載組合下隧道結構內力云圖

（3）為減小雙線盾構施工的疊加影響，左、右線隧道掌子面間距不應小于250 m。

（4）專項應急措施。油罐室變形接近預警值時，可采取地表補償注漿措施：①地表沉降超限后根據監測數據確定補償性注漿的加固范圍；②油罐室變形超限后，則沿油罐室四周斜向往油罐室基底進行補償注漿。

4 結論

（1）該盾構隧道垂直下穿加油站風險按Peck雙線修正公式，當地層損失率為0.7%時，加油站場地地面最大沉降14.27 mm，油罐室最大沉降10.15 mm，油罐室最大傾斜0.41‰；按FLAC3D有限差分法分析結果，盾構穿越過程中加油站場地地面最大沉降10.05 mm，油罐室最大沉降9.22 mm，油罐室最大傾斜0.11‰。根據 Peck雙線修正公式及數值分析結果，當地層損失率不超過0.7%時，2種方法變形分析結果較為一致。

（2）地鐵下穿加油站必須要考慮油罐室爆炸對隧道的影響。本次分析中將油罐室爆炸按TNT當量轉換公式進行計算，得到該油罐室爆炸TNT當量為31.0 kg，按觸地式爆炸計算得到爆炸沖擊波超壓為16.84 kPa；根據爆炸偶然荷載組合計算得到的隧道結構內力可知，爆炸沖擊不會使隧道結構發生破壞。

（3）針對盾構隧道下穿加油站風險采取了加強管片配筋、加強盾構施工控制等措施，實際下穿實施過程中風險控制較好，加油站運營狀態良好。