地铁隧道侧穿加油站安全评估及防护设计

2019-01-04林泽辉

科技与创新 2018年24期

林泽辉

地铁隧道侧穿加油站安全评估及防护设计

林泽辉

（广州地铁地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

为了对长沙地铁5号线侧穿中石化体育新城加油站进行安全评估和防护设计，通过评估风险源等级、计算分析储油罐爆炸对隧道产生的冲击波荷载，以及数值模拟隧道盾构施工加油站地基基础沉降量，从而对地铁隧道侧穿加油站安全影响进行全面的评估和进一步制订防护措施。综合评估可知，地铁隧道施工对加油站施工影响较小，因此，采用注浆加固盾构背部、控制施工顺序以及优化盾构掘进参数等措施来进行防护设计。

地铁；风险源等级；冲击波荷载；数值模拟

1 概述

盾构法广泛应用城市轨道交通建设中，有施工速度快、适应性广、自动化程度高等优点[1]，但其施工过程会引起上覆岩土层产生变形和沉降[2]。尤其是盾构施工近距离穿越既有管线、隧道、高架桥等时，需要全面研究盾构施工的影响和进行施工安全控制。

随着地铁建设越来越密集，经常发生地铁盾构施工下穿加油站工况。比如2011年，郑州地铁1号线下穿西北郊加油站施工；2015年，青岛地铁某区间侧穿加油站施工[3]……由此可见，地铁建设下穿加油站的工况越来越多，因此，对既有加油站的安全影响评估极为重要[4]。

本文以长沙市轨道交通5号线侧穿中石化体育新城加油站为研究对象，提出了从风险源等级、计算分析储油罐爆炸对隧道产生的冲击波荷载以及数值模拟隧道盾构施工加油站地基基础沉降量等方面全面对地铁建设侧穿加油站进行安全评估的方法，并在设计过程中制定了相应的应对措施，从而为长沙市轨道交通5号线建设提供安全保障。

2 工程概况

长沙市轨道交通5号线一期工程从时代阳光大道站到蟠龙路站，线路全长22.5 km，共设18座车站全线推荐采用地下敷设方式。

曲塘路站～劳动东路站区间线路最大坡度为26.609‰线路轨面埋深14～21 m，隧道覆土9～15m，区间隧道主要穿行于全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩层。

长沙市轨道交通5号线侧穿湖南长沙体育新城加油站建于2005年，现设加油机4台，加油枪8支，汽油储罐3个，容积为30 m3；柴油储罐1个，容积为30 m3；总储油量为105 m3（柴油折半计算），属于二级加油站。油罐皆为卧式钢制埋地油罐，各罐均分别设置了高于地面4 m的通气管，通气管管口均安装了阻火器。油罐和加油机均未设置回收系统，卸油区设有静电接地报警仪，站区内设有水封井。卧式钢制埋地油罐设置于万家丽道路东侧绿化带，油罐进行了加强级防腐，符合规范要求。储油罐概况如表1所示。

表1 储油罐概况表

序号油品名称单罐容积/m3台数材质形式 193#汽油302钢板卧式埋地 297#汽油301钢板卧式埋地 30#柴油301钢板卧式埋地

区间隧道右线在YDK26+420～YCK26+420里程处侧穿中石化体育新城加油站。中石化体育新城加油站地下油库位于万家丽路东侧，油罐底板埋深不超过5 m，区间隧道与加油站地下油罐平面投影最小距离为2.9 m，竖向距离约8 m。

3 风险源等级划分

根据《危险化学品重大危险源辨识》[5]（GB 18218—2009）第4.2.2条规定，单元区内存在的危险化学品为多品种时，则按下式计算，若满足下式，则定为重大危险源：

式（1）中：1，2，…，n为每种危险化学品实际存在量；1，2，…，Qn为各种危险化学品相对应的临界量，t。

因此，长沙体育新城加油站依据表1数据和式（1）计算如下：

由此可以判定，中国石油化工股份有限公式湖南长沙体育新城加油站所经营的油品未构成危险化学品重大危险源。

4 储油罐蒸汽云爆炸分析

长沙体育新城加油站根据收集资料如表1所示，其汽油储罐3个，容积为30 m3；柴油储罐1个，容积为30 m3；总储油量为105 m3（柴油折半计算）。

按危险最大化原则考虑油罐爆炸冲击波超压荷载，对处于同一罐室的汽油罐、柴油罐进行统一计算，该站的总储量为105 m3。油罐发生爆炸时放出的能量与油品储量以及放热性有关，依据《综合能耗计算通则》（GBT 2589—2008）附录A按最不利因素[6]，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[7]，将汽油的爆炸转换成相对应的TNT当量爆炸进行分析：

式（3）中：TNT为TNT当量，kg；为蒸汽云当量系数，通常取0.04；0为储罐的公称容积，m3，取105 m3；为油品所占比例，取0.76×103kg/m3；c为油品的平均发热量，取43.73 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（2）求得TNT为31.0 kg。

按照爆炸力学理论，土壤爆炸分为触地爆炸和封闭爆炸：装药埋置深度满足式（4）的爆炸属于触地爆炸，即考虑地面自由面的影响；不满足式（3）时为封闭爆炸，在该爆炸情况下，完全不考虑自由面影响。则：

冲击波超压与距离之间关系式如下式：

式（5）中：为爆炸冲击波超压，kg/cm2，105 Pa；为爆炸中心到所研究点的距离，m；本工程中隧道与油罐的最小净距为8.2 m，经计算爆炸冲击波超压=13 kPa。

5 储油罐地基基础沉降数值模拟

盾构掘进过程储油罐地基基础的变形威胁储油罐的稳定性，利用有限元分析软件MIDAS GTS对区间隧道掘进过程进行数值模拟。为了避免边界条件对分析结果的影响，建立模型大小为40 m×50 m。经过数值模拟可知，该区间盾构施工中，油罐地基基础最大沉降量为0.22 mm，由此可见地铁隧道区间施工对储油罐地基基础影响较小。

6 防护设计

综上所述，长沙轨道交通5号线侧穿体育新城加油站虽然影响较小，但为了保证施工安全进行，进行了以下防护设计[8]：①根据数值模拟结果，建议区间隧道先期施工右线，后期施工左线，可减少盾构隧道施工叠加影响；②针对盾构侧穿加油站段，应进行二次注浆，确保盾构背后充填密实；③优化盾构机配置以及调整盾构掘进施工参数保证安全通过；④侧穿期间应加强对加油站埋地油罐，及加油站相关设备加强监测，根据监测结果信息化施工。