胡广霞，段晓瑞

(1.中国劳动关系学院 安全工程系，北京 100048；2.交通运输部水运科学研究院，北京 100088)

0　引言

随着国民经济社会的快速发展，我国处于大规模建设时期，新建项目在选址建设时应考虑对已建成项目的影响。当危险性较大的项目建设选址不合理，就会存在安全隐患，严重时会导致项目被迫停产、搬迁，造成资源严重地浪费。

深刻吸取天津“8.12”火灾爆炸事故教训，本文通过分析某危险货物集装箱堆场建设项目对已建跨海隧道的影响，为该项目建设风险控制提供合理的建议，以便从源头控制风险。

根据现有文献可知[1-5]，爆炸地震效应分析方法、安全影响规律目前尚处于探索阶段，其影响因素较多而且复杂，而地表危险货物集装箱堆场对地下已建交通隧道的影响研究更是现处于空白期，我国相关法律法规还不完善、标准未建立，堆场在选址以及堆存货物类别、数量上的设计与限定上缺少依据，实际已对工程建设带来困扰。

1　项目背景

该集装箱堆场建设于2010年，自建成以来集装箱业务增长迅速，2010-2015 年吞吐量增长率达到51.1%，占全港吞吐量比例上升到39.7%。该港区危险货物集装箱全部由前方码头装卸，为满足危险货物集装箱堆存需要，现拟在码头后方新建危险货物集装箱堆场。

根据调查资料，该项目建设区域正下方约57 m深处为高铁隧道，隧道单条直径12 m，两条并行，隧道中心间距约22 m，采用双层衬砌保护，衬砌最大许可拉应力为2.5 MPa。隧道所处地层渗透性较大，若隧道受损发生透水事故后果不堪设想。因此，集装箱堆场运营过程中确保交通隧道安全非常重要。

危险货物集装箱堆场周边设置有安全隔离区域，拟建区域以外的现有堆场区域与隧道水平距离最大处约为200 m。见图1。

图1　布局与环境Fig.1　Layout and surroundings

2　堆场堆存货种及其危险特性

危险品货物中第1类、第2 类、第7类以及按规定不得在港区堆存的货物除外，其他均考虑在新建堆场堆存，包括各类易燃液体、液态退敏爆炸品、固态退敏爆炸品等危险性较高的物质。堆场拟堆存的典型危险货物举例见表1。

表1　堆场拟堆存的典型危险货物

注：炸药做功能力爆轰产物对周围介质所产生各种作用的总和，也称威力，是评价炸药性能的一个重要参数，也是爆破弹选用炸药的依据之一；本表列举典型货种对应爆炸品相对于TNT的做功能力，其它货种可采用计算和实验方法进行相应的换算。

表1所列货种均为典型固态退敏爆炸品。固态退敏爆炸品是为抑制爆炸性物质的爆炸性能，用水或酒精湿润爆炸性物质，或用其他物质稀释爆炸性物质后，而形成的均匀固态混合物[6]。当货物包装破损，水或酒精等抑制货物爆炸性的物质挥发后，货物均可在一定的条件下发生爆炸。

爆炸物在地表爆炸，瞬时转变为高温高压产物。爆炸产物在空气中膨胀，强烈压缩空气从而形成爆炸空气冲击波，同时对周围介质加载，产生一组向外传播的应力波[7]。在地质介质中传播的应力波会在一定范围内引起地震波[1]。地震波包括：纵向压缩波(P波)，纵向稀疏波(N波)，剪切波(S波)和Ray-Leigh表面波(R波)[1]。

3　隧道壁振动速度可接受的货物限量分析

隧道衬砌结构的稳定性是隧道安全的基础，分析爆炸地震效应影响下隧道壁的动力响应情况，是分析该建设项目对隧道影响的关键。爆炸地震波在岩土介质中的传播和衰减，取决于爆炸源，传递介质和传递路径，数值计算结果与实际情况往往相差较大[8]。目前，实际工程仍以大量实测资料为基础，总结出经验公式，作为计算爆炸地震波传播和衰减的依据[9]。一般情况下，我国采用爆炸地震波的垂直振动速度作为分析的依据[9]，保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频率见表2[10]。

表2　爆破振动安全允许标准

注：露天浅孔爆破f在40～100 Hz之间。堆场危险货物集装箱爆炸与之近似，取f>50 Hz，安全允许质点振动速度近似选取均值17.5 cm/s进行分析评估。

依据萨道夫斯基经验公式计算爆破振动安全允许距离[10-12]：

(1)

式中：R为爆破振动安全允许距离，m；Q为炸药量，kg；V为保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；K，α分别为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，在无试验数据的条件下可参考表3选取。

根据港区地理条件，此处取软岩石，K取均值300，α取均值1.9，并将R=57 m，v=17.5 cm/s，代入式(1)进行计算。

得：Q=2 085 kg=2.085 t，即：当量小于2.085 t TNT的爆炸品在地表爆炸时交通隧道壁振动速度处于安全允许标准范围之内。

表3　爆区不同岩性的K，α值

以下根据表1所列货种特性，换算参与爆炸的爆炸品质量以及对应的退敏措施失效前危险货物质量，见表4。

表4　退敏措施失效前危险货物质量

由表4计算可知，当爆炸点位于隧道正上方时，不足3 t的上列危险货物退敏措施失效产生的爆炸品发生爆炸时，其所引发的地震效应即可使交通隧道壁振动速度超出振动安全允许标准。

4　有限元数值模拟分析

4.1　软件与模型建立

Midas GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)是将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性要求有机结合而开发的岩土与隧道结构有限元分析软件[13]。本文主要利用其动力分析功能进行数值模拟。该功能包含：地震、爆破等任意荷载的动力分析，振型分析、反应谱分析、时程分析，内含地震波数据库、自动生成地震波、与静力分析结果的组合功能[13-15]。

本文考虑在地表进行爆破，因此在模型计算中假定爆破压力垂直于地面，作用面积为标准集装箱底面积(6m×2.5m)。荷载采用美国National Highway Institude里的爆压公式，计算每公斤炸药的爆破压力为[2]：

(2)

式中：Pdet为爆破压力, kPa;Ve为爆破速度，cm/s;ρ为炸药比重，g/cm3；计算爆破炸药为TNT，取炸药爆速为600 000 cm/s，密度为1.6 g/cm3；假定爆破面与地面完全耦合，PB=Pdet，计算可得最大爆破压力PB为108 396 kPa。

爆破荷载属于瞬时荷载，随时间变化，根据工程实践经验和计算经验，爆破荷载采用的时程动压力公式如下[2]：

(3)

式中：B荷载常量取经验值163.38。

图2爆炸压力曲线Fig.2　Explosive pressure curve

假设工程所在区域岩土分布均匀，现令2条隧道分别为隧道1和隧道2，由于所分析评估区域关于2条隧道轴线中间竖直面对称，将爆炸点设置于对称面的一侧，这不影响分析评估的一般性。

在地表堆场设置爆炸点，分别位于：隧道1正上方(爆炸0点)及与隧道1轴线水平距离分别为50，100，200 m处；设隧道上与距离爆炸点最近的点为检测0点，在沿轴线远离0点方向分别在0，10，20，40 m处设置振动与应力检测处，每处设置不少于5个检测点，分别位于隧道象限点和迎波面1/4弧形中点附近。

根据场地与隧道的关系，建立有限元模型，为减少边界效应对计算结果的影响，除地表为自由边界外，其余边界均采用曲面弹簧单元模拟。地层采用实体单元，采用库伦摩尔本构关系，对已建隧道二衬结构采用板单元模拟，模型如图3所示。

图3　隧道模型与检测点设置Fig.3　Tunnel model and detection point setting

根据工程地层资料，隧道所处地层为中等风化泥质砂岩，上部地层主要为粉质黏土，见表5。

表5　岩土物理力学参数

4.2　模拟分析

每个爆炸点分别进行4次当量不同的爆炸，分析爆炸位置、爆炸当量与隧道壁振动速度、应力的关系。

4.2.1爆炸中各检测点振动情况分析

爆炸0点分别进行1.7，2.3，2.8，3.5 t TNT当量的爆炸模拟。经模拟，在各种当量下，各检测处衬砌最大振动速度、最大应力均位于衬砌拱顶。2.3 t TNT爆炸时检测0点衬砌拱顶响应情况见图4。

图4　爆炸响应时程Fig.4　2.3 t TNT explosion response time history diagram

2.3 t TNT爆炸时隧道衬砌主应力云图见图5。

北方游侠出身，担任盟主期间，江湖盟众肖通被秘教左使所杀。当时秘教背景深厚，神秘莫测，左使则是秘教中唯一一位常在江湖中行走的高位人物，武功之高，当世罕见，江湖中人皆避其锋芒，唯有宁燃不辞千里一路追杀，最终斩杀左使，为肖通复仇。

图5　主应力云图Fig.5　Principal stressnephogram

各爆炸当量下，衬砌最大拉应力及各检测处最大振动速度见表6。

表6　最大振动速度与最大拉应力

由表6可知，同一爆炸点，随着爆炸当量增大，隧道轴线方向上各检测点振动速度峰值均相应增大。

爆炸当量相同时，隧道上与爆炸点最近的检测点振动速度峰值最大，且沿着隧道轴线方向随着距离增大而逐步减少。

当爆炸当量为2.3 t时隧道衬砌最大振动速度为18.59 cm/s，与本文初定的允许振动速度较为接近，而此时衬砌最大拉应力为1.92 MPa，处于允许范围内，且留有一定的安全系数，本文初定允许振动速度较为合理；当量达到2.8 t时，衬砌最大振动速度为20.92 cm/s，最大拉应力为2.74 MPa，大于2.5 MPa，振速与应力均超出允许范围。

4.2.2不同爆炸当量与振动速度关系分析

由表6数据，结合萨道夫斯基经验公式形式，采用幂函数进行拟合，检测0点衬砌拱顶处最大振动速度与爆炸当量关系曲线如图6所示，由于曲线在该取值区间内曲率较大，该段曲线近似为直线。

图6　关系曲线Fig.6　Graph of relation

对应函数：

y=0.310 8x0.530 1

(4)

式中：y为隧道壁检测0点衬砌拱顶处最大振动速度，cm/s；x为爆炸当量，kg。

将y=17.5 cm/s代入式(4)得：

x=2 005 kg=2.005 t

即：在模型中，爆炸0点发生爆炸时，隧道壁最大振动速度与爆炸当量关系为式(4)，当隧道壁最大振动速度为临界值17.5 cm/s时，爆炸0点爆炸物TNT当量约为2.005 t，与经验公式计算结果相近。

4.2.3隧道壁最大振动速度处于临界状态时不同爆炸点爆炸TNT当量分析

利用4.2.1和4.2.2中的方法分析爆炸点与隧道1水平距离分别为50，100，200 m时隧道壁最大振动速度所处位置以及最大振动速度处于临界状态时不同爆炸点爆炸TNT当量。

经模拟分析，各爆炸点爆炸时，隧道最大振动速度及最大应力均位于衬砌迎波面1/4弧中间点附近。拟合各爆炸点振速-当量曲线，详见表7。

表7　模拟数值

由表7数据结合4.2.2分析可得各爆炸点振速-当量曲线，由各曲线函数可知：随着地表爆炸点与隧道水平距离逐步增大，使衬砌最大振动速度处于临界值时所需要的爆炸物当量逐步上升。

当易燃易爆集装箱堆存区设置于港区内与隧道距离为100 m处时，发生爆炸后使隧道壁最大振动速度处于临界值，参与爆炸反应的危险货物当量为16 632.5 kg，合16.632 5 t，接近1个标准集装箱的载重量。

易燃易爆集装箱堆存区设置于港区内与隧道最大处时，发生爆炸后使衬砌最大振动速度处于临界值，参与爆炸反应的危险货物当量为97 723 kg，合97.723 t，其规模实际已相当庞大。

根据表7分析结果，各爆炸当量下，衬砌振速峰值为临界值时，其最大应力均处于允许范围内，且留有一定的安全系数，振速临界值取值合理。

5　结论

1)当危险货物集装箱堆场位于隧道正上方时，即使爆炸当量较小，其所引发的地震效应亦可对隧道产生较大的不利影响，鉴于交通隧道的重要性以及其受损修复困难，建设单位申请堆存货种、设计单位设计堆场布置时应予以充分考虑。同时，工程应充分考虑，合理布置危险货物运输通道，合理设置危险货物装卸区。

2)由模拟分析推导出来的公式可知，为确保隧道壁振动速度在许可范围之内，危险货物集装箱堆场应尽可能远离隧道，同时控制参与爆炸反应的危险货物的量。但由于隧道斜穿堆场，危险货物集装箱堆场选址较为困难；若无有效措施避免危险货物发生泄漏并引起火灾爆炸事故，仅采用控制易燃易爆危险货物堆存数量防范风险则将导致堆场失去堆存相关货物的经济价值。

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