加油站埋地储油罐爆炸对盾构隧道影响的数值分析及处理措施.pdf

第37卷第2期 2020年6月 Vo l . 37 No . 2 Jun . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.02.023 加油站埋地储油罐爆炸对盾构隧道影响的 数值分析及处理措施 张志华 （中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉430050） 摘 要以武汉地铁某盾构隧道下穿加油站为背景，采用范登伯格和兰诺伊TNT当量法转换公式，确定了 该加油站油气爆炸当量值为31.0 k g。利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件对加油站埋地储油罐爆 炸进行了仿真数值模拟,得到了油罐爆炸作用在隧道结构上的冲击波压力时程曲线和峰值压力2.7 k Pa。同 时，利用人防相关规范推荐的常规武器地面爆炸动荷载经验计算公式得到压力值为2.4 k Pa。对比两种方 法，结果表明接触爆炸传播至隧道结构上的冲击波超压值小于3 k Pa ,对比结果基本一致，可通过合理结构 设计满足爆炸荷载作用。最后，为降低地铁施工和运营风险,结合工程实际提出了相关保护措施，可为类似 工程案例提供参考。 关键词盾构隧道；储油罐爆炸；动力效应；触地爆炸；数值模拟 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X（2020）02 - 0136 - 05 Numerical Analysis o f Impact fro m Gas Statio n Oil Tank Explo sio n o n Shield Tunnel and Treatment Measures ZHANG Zhi-hua （Chin a Ra il wa y Ma jo r Br idge Rec o n n a issa n c e Eos为初始比内能;V为相对体积。见表1。 土体采用* MAT_SOIL_AND_FOAM材料模型 进行数值模拟，主要材料参数如表2所示。 空气材料采用MAT_NULL材料模型和线性多 项式状态方程EOS_LINEAR_POLYMIAL模拟。 P C0/JL Cj/z C 肘 C3yU,3 C4Ju. C5/j, C6Ju.2 E 3 M p /p o - 1 4 式中Co C6为常数;E为空气的单位体积内 能;p为空气密度，取1-2 g/c m3 o见表3。 2.3计算结果分析计算结果分析 为监测加油站正下方隧道结构上的冲击波引起 的超压变化,在右线隧道拱顶单元设置了监测点 单元2910，如图3所示。 表1炸药的物力力学参数 Table 1 Mechanical parameters o f explo sives 密度/ g c m-3 爆速/ k m s _1 A/GPa B/GPa Rr R2Ct氏/GPa 1.656.9371 3.23 4.15 0.90.157 表2岩土的物力力学参数 Table 2Mechanical parameters o f ro ck and so il 密度/g * c m■3 剪切模MPa 泊松比 弹性模MPa 塑性屈服作用常数 1.81.20.42 3.47.033 x IO7 表3空气的物力力学参数 Table 3 Mechanical parameters o f air 密度/g * c m-3CoClC2C3C4Cs C6E„.,/MPa -m-3 1.200000.40.4 00.25 图3监测单元设置 Fig. 3 Obser va t io n un it 图4为计算输出不同时刻的爆炸冲击波分布 图，从图中可以观察出爆炸冲击波超压形成与发展 过程，在爆炸的瞬间，冲击波以柱面波的形式向外 扩散。 由图5可以看出，爆炸冲击波在隧道结构顶产 生的压力，在很短时间内达到峰值，继而随着时间的 持续不断下降，并趋于平缓。从应力时程曲线可知， 爆源传至隧道顶的爆炸冲击波超压P为2.7 k Pa。 第37卷第2期张志华加油站埋地储油罐爆炸对盾构隧道影响的数值分析及处理措施139 a t -0b仁.5 msc /40 ms d mse 匸240 ms 图4不同时刻冲击波应力云图 Fig- 4Sho c k wa ve c ha r t o f sho c k wa ve in differ en t t ime 图5拱顶监测点应力时程曲线 Fig. 5 St r ess t ime hist o r y c ur ve o va ul t mo n it o r in g p o in t 2.4数值模拟与理论计算的比较数值模拟与理论计算的比较 根据爆炸理论,对于土壤爆炸,当装药深度小于 某一计算值时，属于接触爆炸，否则为封闭爆炸。按 装药深度判断同，本加油站拟定的爆炸工况属于接 触爆炸。人民防空地下室设计规范⑶附录B中 常规武器地面爆炸动荷载计算方法，可得到地面直 接产生的土中压缩波最大压力，该公式来自于美军 TM5-855-1手册也］,是基于大量的试验和分析，具 有较好的可靠度。 P 6. 82 x W3p c 5. 4R/Wi/3 5 式中R为爆心至作用点的距离,m；p为土的质 量密度,k g/m3；c为土的地震波波速,m/s；r武器的 装药量，按TNT当量换算;“土的衰减系数;结合本 拟定场地参数计算得P2.4 k Pa。 2.5爆炸破坏分析爆炸破坏分析 由上述的计算可知，数值模拟与经验公式计算 结果比较接近，得到的冲击波超压均小于3 k Pa ,远 小于隧道结构采用C50钢筋混凝土的轴心抗拉强 度1.89 MPa。表4为1000 k g TNT地面爆炸时冲击 波超压对建筑物的破坏程度准则对照表，可见本 次冲击波超压小于最小等级的5 k Pa ,未对隧道结构 造成破坏,隧道结构设计应将爆炸产生的荷载作为 附加荷载考虑，通过结构合理配筋可满足结构受力 及裂缝控制要求⑴〕。 3处理措施 通过计算分析，储油罐的爆炸对盾构隧道结构 安全影响基本可控，为降低盾构施工阶段及后期地 铁运营阶段的风险，该工程针对地铁隧道下穿加油 站设计采用了以下保护措施 表4建筑物危害压力准则 Table 4 Standard o f injuries to structures judg ed by o verpressure 超压/k Pa破坏作用 5〜6门、窗玻璃部分破碎 6〜15受压面的门窗玻璃大部分破碎 15 〜20窗框损坏 20 〜30墙裂缝 40 〜50墙裂大缝，屋瓦掉落 60 〜70木建筑厂房房柱折断,房架松动 70 〜100砖墙倒塌 100 〜200防震钢筋混凝土破坏,小房屋倒塌 200 〜300大型钢架结构破坏 1 下穿加油站范围轨道结构按高等及特殊减 振设计，采用橡胶隔振垫或钢弹簧浮置板道床，以减 小列车运行振动对油罐渗油的影响。 2 加强隧道的防杂散电流检测，增设道床防 杂散电流措施。 3 按照汽车加油站加气设计与施工规范 GB50156相关要求,对现有加油站储油池及油罐 进行防渗、防爆改造。 4 加强隧道下穿加油站范围管片结构强度, 保证结构本身安全可靠。 5 盾构穿越时加强施工过程控制，包括严格 控制盾构掘进参数，及时进行同步注浆和二次注浆, 加强施工监控量测等。 4结语 1 数值模拟分析得到埋地储油罐爆炸在隧道 结构顶部产生的冲击波超压为2. 7 k Pa ,均未超过混 凝土的轴心抗拉抗、压强度,未对结构造成损坏,监 测的应力时程曲线衰减过程基本符合爆炸冲击波的 一般规律。 2 经验公式计算与数值模拟具有较高的一致 140爆破2020年6月 性,也验证了数值模拟结果的准确性。 3 对比建构筑物的危害压力准则，当冲击 波超压小于5 k Pa时，对结构的影响较小，可通过对 结构合理配筋，保证结构使用安全。 4 该工程采取了相关措施以减小加油站与隧 道工程的相互影响，盾构施工已完成顺利穿越，可为 类似案例提供一定参考。 参考文献参考文献References [1] 康永胜.郑州地铁盾构隧道下穿加油站的沉降分析 [J].隧道建设,2015,358 766-771. 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