CNG加氣站對鄰近輕軌隧洞影響的數值分析

王敬林，李秀地，王曉波

（1后勤工程學院軍事建筑工程系 重慶 400041 2重慶博其樂土木工程技術咨詢有限公司 重慶 400069）

現代城市的快速發展和天然資源的不可重復始終是一個矛盾。壓縮天然氣（CNG）是一種最理想的車用替代能源，它具有成本低、效益高、無污染、使用安全便捷等特點，正日益顯示出強大的發展潛力。當前，由于加氣站數量不足等原因，許多城市均出現車輛“排長隊”加氣的現象，因此都在積極規劃新建加氣站項目。同時，CNG加氣站一般修建在城市交通主干道邊上，有時與輕軌或者地鐵之間相距很近，如果處理不好會給城市帶來一定的安全隱患。近年來，CNG加氣站發生爆炸的事件屢有發生，給人們帶來了深刻的教訓，如2005年10月8日，重慶市九龍坡區石橋鋪白馬凼一加氣站氣井漏氣，并發生爆炸，一人被炸重傷，附近上千人疏散，消防隊出動5輛消防車，耗用5小時才排險成功。為預防事故的發生或者減少事故帶來的損失，2009年8月31日，成都市在三環路外側的通能清江加氣站內進行了最大規模的CNG站事故應急演練。

目前有關CNG加氣站設計、風險安全分析與預防的文獻較多[1][2][3][4]，但針對CNG加氣站的爆炸對鄰近工程的影響的文章卻很少，本文針對重慶市某新建CNG加氣站地處毗鄰的輕軌三號線隧洞安全控制保護線范圍內，利用有限元數值模擬，探討了CNG加氣站在不利工況下發生爆炸對鄰近輕軌隧洞影響的數值分析與評價，為類似工程處理提供借鑒。

1 工程概況

為緩解重慶市公交車加氣難問題，重慶市經濟委員會立項批復同意由重慶燃氣（集團）有限責任公司和重慶市公交站場集團合作建設江北龍頭寺公交站場CNG加氣站。該項目地處龍頭寺公交站場內，距輕軌三號線隧洞邊線31.2m，處于輕軌交通保護控制線內[1]。

龍頭寺公交站場CNG加氣站設計參數如下：進氣壓力：0.2MPa；天然氣日處理量：（8.0～10.0）×104m3/d；儲氣能力：采用儲氣井儲氣方式，分為高、中、低三個壓力段分別儲存天然氣（高壓井1口，中壓井2口，低壓井3口），每口井深150m，儲氣量4500m3，儲氣井共占地9m2。加氣站與輕軌隧洞平面位置關系如圖1所示。

圖1 加氣站與輕軌隧洞平面位置關系示意圖

CNG加氣站方案按照國家標準GB50156《汽車加氣站設計與施工規范》、GB50028《城鎮燃氣設計規范》設計，并采用了一定的技術安全防護措施，如將工藝區改為半地下式，工藝區屋頂上側開設10m×25m寬的框洞，泄壓面積滿足《建筑設計防火規范》的泄壓要求，同時采用500mm厚的鋼筋混凝土防爆隔離墻，上至地表，下至車庫地坪下1m，設備控制線纜采用埋地方式引入等，剖面關系如圖2所示。

圖2 加氣站與輕軌隧洞剖面位置關系示意圖

2 場地巖土工程特性

擬建場地位于重慶市龍頭寺公交站場內，屬構造剝蝕殘丘地貌，地形開闊、平坦。場地地質構造位于龍王洞背斜南西翼，巖層產狀為245°∠17°。巖體中主要發育兩組裂隙，綜合分析基巖裂隙不發育。

地層巖土特征：擬建場地地層主要有第四系素填土、南側分布有粉質粘土、下伏基巖為侏羅系中統沙溪廟組砂巖和砂質泥巖。中風化巖體較完整，基本質量等級為Ⅳ級，巖體為整體塊狀結構。

根據提供的地質報告，計算采用的巖土和材料物理力學參數見表1。

3 CNG等效TNT換算

CNG泄漏出的氣體燃料和空氣混合形成可燃混合物，在無限大氣中擴展，形成很大面積的可燃蒸氣云，一旦遇到點火源，此蒸氣云即可發生大面積的無約束可燃蒸氣云爆炸。要精確計算壓縮天然氣的爆炸能量是比較困難的。雖然容器內可燃氣體的量已知，而且在容器爆炸時又幾乎全部流出，但由于這些氣體一般以球狀或其它形態在空間擴散，只有外圍一部分可燃氣體與大氣中的氧混合形成爆炸性氣體，所以并不是全部可燃氣體都參與反應。參與反應的可燃氣體量的多少與許多因素有關，如容器周圍的氣流情況、氣體的爆炸極限范圍和出現火源的時間等。因此，一般只能是估算，即假定參與爆炸反應氣體所占的百分比，然后按這些可燃氣體的燃燒熱計算其爆炸能量。

表1 巖土物理力學參數計算取值

計算這類蒸氣云爆炸效應有以下幾類方法：第一類是經驗方法，其中最重要的是TNT當量法；第二類是理論方法，其中包括自模擬解及作為其簡化近似的解析方法；第三類是球形和半球形的數值模型；第四類是數值方法，如AUTOREAGAS商用軟件。

經驗方法TNT當量法的爆炸能量是用TNT當量來表示的，其最大優點是簡便易行，因而長期以來在爆炸波效應預報以及爆炸事故調查中一直被廣泛應用。雖然存在一定的誤差，但在稍遠的距離上，相同能量的壓縮天然氣爆炸與TNT爆炸所產生的超壓還是相近似的。其基本概念是將無約束蒸氣云所產生的爆炸波等同于相同能量的TNT爆轟所產生的爆炸波，如式（1）所示：

式中：WTNT為可燃氣體蒸氣云的TNT當量，kg；

α為可燃氣體蒸氣云的TNT當量系數，一般取0.04；

Wf為蒸氣云爆炸中可燃氣體總質量，kg；

Qf為可燃氣體的燃燒熱，本文中取值為55.164MJ/kg；

QTNT為TNT的燃燒熱，一般取4.52MJ/kg。

由于確定安全距離應盡量保守，現假設所儲存的氣體（Vf=4500m3）全部泄漏到敞開空間，與空氣混合形成爆炸混合物，發生蒸氣云地面半球爆炸。

CNG的主要成分是甲烷 （CH4），比重為0.55，密度為0.6875kg/m3。將數據代入上式，則CNG無約束可燃蒸氣云的等效TNT量為式（2）所示：

WTNT=0.04X4500X0.6875X55.164/4.52=1510kg （2）

4 數值分析

采用程序：目前應用較廣的是美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Lab.）的LS-DYNA計算分析程序，LS-DYNA是一個大型通用顯式動力有限元程序，計算功能更為強大，本文即采用該軟件進行數值模擬計算。

4.1 計算條件

計算模型：為建模方便，將等效TNT炸藥看做立方體裝藥，并假設研究對象以處理區中心截面對稱。為保守起見，考慮炸藥在處理區地表面爆炸，并按平面應變問題進行數值計算，計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

計算所采用的單位為g-cm-μs-Mbar（注：1Mbar=105 MPa）。模型尺寸如圖2所示。

單元劃分：單元類型采用SOLID164，單元形狀為規則四邊形。單元尺寸為10cm，共計300155個單元。由于爆炸數值模擬過程中涉及炸藥爆轟產物、空氣、鋼筋混凝土及巖土等介質的大變形響應，為避免炸藥爆轟流體網格在計算過程中的畸變，對炸藥和空氣單元采用歐拉算法，每個時步執行1次輸運計算。采用Van Leer+HIS（二階精度）方法進行輸運計算，該方法是目前LS-DYNA中最為精確的方法。對鋼筋混凝土和巖土采用拉格朗日算法，對歐拉介質和拉格朗日介質采用流固耦合算法。鋼筋混凝土單元、巖土單元之間的接觸采用共節點耦合在一起。

邊界條件：在對稱邊界上采用對稱邊界條件。為模擬半無限巖土介質，在巖土的右邊界和下邊界采用非反射邊界條件，地表采用自由邊界條件。空氣邊界的范圍用這樣的方法確定，即從炸藥起爆開始到沖擊波到達邊界的持續時間，應與所研究點的壓力-時間相比足夠地長。

材料及其參數：本次爆炸數值模擬過程中涉及炸藥、空氣、鋼筋混凝土及巖土等材料。

空氣模型簡化為非粘性理想氣體，沖擊波的膨脹假設為絕熱過程。則空氣的狀態方程為

式中，ρ為密度；γ為絕熱指數；E為內能密度。

用LS-Dyna中的MAT_NULL材料和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程分別表示空氣的本構關系。空氣材料的模型參數，見表2所示。

表2 空氣材料的模型參數

用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料和EOS_JWL狀態方程表示TNT炸藥的本構關系。其中JWL狀態方程模擬炸藥爆轟過程中壓力、內能和比容的關系，表達式為

式中，P為材料壓力，V為相對體積，E為內能密度，A、B、R1、R2、ω為材料常數。

炸藥的爆轟過程采用“Programmed+beta burn”技術模擬，每個炸藥單元的點火時間由該單元形心至起爆點的距離和爆速確定。TNT炸藥材料及JWL狀態方程參數，見表3所示。

表3 TNT炸藥材料及JWL方程參數

鋼筋混凝土、表層覆土及下面的中風化砂巖都采用彈塑性模型。用MAT_PLASTIC_KINEMATIC表示其本構關系。材料物理力學參數，見表1所示。

因為隧道縱向較長，橫向尺寸相對較小，可以按照平面應變問題處理，選取隧道圍巖最不利斷面進行計算。

單元建立和網格劃分，巖（土）體用平面實體單元PLANE2來模擬；錨桿擋墻（肋柱）面板、隧道襯砌結構和基坑邊墻均用梁單元BEAM3來模擬；錨桿采用桿單元LINK1單元模擬。采用三角形節點單元進行有限元網格劃分。

4.2 計算結果及分析

4.2.1 處理區防爆墻的防爆作用模擬

炸藥起爆后，鋼筋混凝土防爆墻及鄰近巖土介質的變形與破壞，見圖4。

圖4 不同時刻的破壞結果

可見，用LS-DYNA軟件可以形象地模擬炸藥爆炸時爆炸波的傳播及介質的破壞過程。數值模擬表明，在本次模擬情況下，炸藥爆炸時處理區的鋼筋混凝土防爆墻被完全炸壞。防爆墻與下穿道之間的覆蓋土被完全破壞，處理區底部在沖擊波的直接沖擊下形成了較深的炸坑。防爆墻及鄰近巖土介質的破壞，會消耗一部分爆炸能量，因此，處理區的鋼筋混凝土防爆墻具有一定的耗能保護作用。

4.2.2 輕軌隧洞的響應分析

現選取隧洞迎爆面的墻面中間作為研究對象，其x向應力、y向應力、有效應力（米塞斯應力）、最大剪應力、最終位移及振速等數值模擬結果，見圖5所示。為節省篇幅，迎爆面的拱腳及墻角處的數值模擬結果略。

圖5 隧道迎爆面墻壁中間處的響應

在LS-DYNA中規定，拉應力為正，壓應力為負。從數值模擬結果可以看出，隧道迎爆面中間處的應力，x向應力的最大壓應力為0.019MPa，最大拉應力為0.015 MPa；y向應力最大壓應力為0.11MPa，最大拉應力為0.22MPa；最大米塞斯應力為0.2MPa，最大剪應力為0.11MPa。最終位移為0.098cm，x向振速（最大振速）為12cm/s。

可見，本次爆炸情況下，隧道迎爆面墻壁中間處的壓應力、拉應力、最大剪應力及最終位移等都較小，材料處于彈性變形狀態。最大振速值（12cm/s）也未超出國家標準《爆破安全規程》（GB6722-2003）中關于交通隧道允許振速15cm/s的規定。因此，在隧道墻壁中間不會產生破壞。

5 結論與建議

通過顯式有限元數值計算分析，得到如下結論：

（1）數值計算結果表明，在充分考慮CNG混合氣體極端爆炸情況下，在鄰近輕軌三號線隧洞周邊產生的應力、位移較小，材料處于彈性變形狀態。隧洞周邊振動速度也小于國家標準《爆破安全規程》（GB6722-2003）規定的交通隧洞的允許振速。因此，本項目CNG加氣站的建設對輕軌三號線隧洞的安全性影響較小，各項指標符合相關規定。

(2)本次爆炸模擬情況下，防爆墻及鄰近巖土介質的破壞，會消耗一部分爆炸能量，因此，處理區的鋼筋混凝土防爆墻具有一定的耗能保護作用。

（3）隧洞迎爆面墻壁中間的最大振速值為12cm/s（允許振速為15cm/s），為提高該隧洞的安全系數，建議將鋼筋混凝土防爆墻適當加厚10～20cm，以進一步提高防爆效果。

（4）用LS-DYNA軟件模擬炸藥爆炸時爆炸波的傳播及介質的破壞過程是可行的。

[1]黃海波，楊建軍，李開國等.CNG加氣站設備失效與爆炸燃燒風險評價[J].西華大學學報（自然科學版），2005，24(4).

[2]姚東，楊明，楊豪.CNG汽車加氣站火災危險性分析與預防[J].工業安全與環保，2007，33(12):42-44.

[3]譚金會，何太碧，楊菡，林秀蘭.CNG加氣站設備安全風險評價的關鍵問題[J].天然氣工業，2008，28(11).

[4]黃鄭華，李建華，張良.壓縮天然氣加氣站的安全設計[J].油氣儲運，2005，24(6)．