危險貨物集裝箱堆場爆炸地震效應對地下結構的安全影響分析

胡廣霞，段曉瑞

(1.中國勞動關系學院 安全工程系，北京 100048；2.交通運輸部水運科學研究院，北京 100088)

0　引言

隨著國民經濟社會的快速發展，我國處于大規模建設時期，新建項目在選址建設時應考慮對已建成項目的影響。當危險性較大的項目建設選址不合理，就會存在安全隱患，嚴重時會導致項目被迫停產、搬遷，造成資源嚴重地浪費。

深刻吸取天津“8.12”火災爆炸事故教訓，本文通過分析某危險貨物集裝箱堆場建設項目對已建跨海隧道的影響，為該項目建設風險控制提供合理的建議，以便從源頭控制風險。

根據現有文獻可知[1-5]，爆炸地震效應分析方法、安全影響規律目前尚處于探索階段，其影響因素較多而且復雜，而地表危險貨物集裝箱堆場對地下已建交通隧道的影響研究更是現處于空白期，我國相關法律法規還不完善、標準未建立，堆場在選址以及堆存貨物類別、數量上的設計與限定上缺少依據，實際已對工程建設帶來困擾。

1　項目背景

該集裝箱堆場建設于2010年，自建成以來集裝箱業務增長迅速，2010-2015 年吞吐量增長率達到51.1%，占全港吞吐量比例上升到39.7%。該港區危險貨物集裝箱全部由前方碼頭裝卸，為滿足危險貨物集裝箱堆存需要，現擬在碼頭后方新建危險貨物集裝箱堆場。

根據調查資料，該項目建設區域正下方約57 m深處為高鐵隧道，隧道單條直徑12 m，兩條并行，隧道中心間距約22 m，采用雙層襯砌保護，襯砌最大許可拉應力為2.5 MPa。隧道所處地層滲透性較大，若隧道受損發生透水事故后果不堪設想。因此，集裝箱堆場運營過程中確保交通隧道安全非常重要。

危險貨物集裝箱堆場周邊設置有安全隔離區域，擬建區域以外的現有堆場區域與隧道水平距離最大處約為200 m。見圖1。

圖1　布局與環境Fig.1　Layout and surroundings

2　堆場堆存貨種及其危險特性

危險品貨物中第1類、第2 類、第7類以及按規定不得在港區堆存的貨物除外，其他均考慮在新建堆場堆存，包括各類易燃液體、液態退敏爆炸品、固態退敏爆炸品等危險性較高的物質。堆場擬堆存的典型危險貨物舉例見表1。

表1　堆場擬堆存的典型危險貨物

注：炸藥做功能力爆轟產物對周圍介質所產生各種作用的總和，也稱威力，是評價炸藥性能的一個重要參數，也是爆破彈選用炸藥的依據之一；本表列舉典型貨種對應爆炸品相對于TNT的做功能力，其它貨種可采用計算和實驗方法進行相應的換算。

表1所列貨種均為典型固態退敏爆炸品。固態退敏爆炸品是為抑制爆炸性物質的爆炸性能，用水或酒精濕潤爆炸性物質，或用其他物質稀釋爆炸性物質后，而形成的均勻固態混合物[6]。當貨物包裝破損，水或酒精等抑制貨物爆炸性的物質揮發后，貨物均可在一定的條件下發生爆炸。

爆炸物在地表爆炸，瞬時轉變為高溫高壓產物。爆炸產物在空氣中膨脹，強烈壓縮空氣從而形成爆炸空氣沖擊波，同時對周圍介質加載，產生一組向外傳播的應力波[7]。在地質介質中傳播的應力波會在一定范圍內引起地震波[1]。地震波包括：縱向壓縮波(P波)，縱向稀疏波(N波)，剪切波(S波)和Ray-Leigh表面波(R波)[1]。

3　隧道壁振動速度可接受的貨物限量分析

隧道襯砌結構的穩定性是隧道安全的基礎，分析爆炸地震效應影響下隧道壁的動力響應情況，是分析該建設項目對隧道影響的關鍵。爆炸地震波在巖土介質中的傳播和衰減，取決于爆炸源，傳遞介質和傳遞路徑，數值計算結果與實際情況往往相差較大[8]。目前，實際工程仍以大量實測資料為基礎，總結出經驗公式，作為計算爆炸地震波傳播和衰減的依據[9]。一般情況下，我國采用爆炸地震波的垂直振動速度作為分析的依據[9]，保護對象所在地基礎質點峰值振動速度和主振頻率見表2[10]。

表2　爆破振動安全允許標準

注：露天淺孔爆破f在40～100 Hz之間。堆場危險貨物集裝箱爆炸與之近似，取f>50 Hz，安全允許質點振動速度近似選取均值17.5 cm/s進行分析評估。

依據薩道夫斯基經驗公式計算爆破振動安全允許距離[10-12]：

(1)

式中：R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，kg；V為保護對象所在地安全允許質點振速，cm/s；K，α分別為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，在無試驗數據的條件下可參考表3選取。

根據港區地理條件，此處取軟巖石，K取均值300，α取均值1.9，并將R=57 m，v=17.5 cm/s，代入式(1)進行計算。

得：Q=2 085 kg=2.085 t，即：當量小于2.085 t TNT的爆炸品在地表爆炸時交通隧道壁振動速度處于安全允許標準范圍之內。

表3　爆區不同巖性的K，α值

以下根據表1所列貨種特性，換算參與爆炸的爆炸品質量以及對應的退敏措施失效前危險貨物質量，見表4。

表4　退敏措施失效前危險貨物質量

由表4計算可知，當爆炸點位于隧道正上方時，不足3 t的上列危險貨物退敏措施失效產生的爆炸品發生爆炸時，其所引發的地震效應即可使交通隧道壁振動速度超出振動安全允許標準。

4　有限元數值模擬分析

4.1　軟件與模型建立

Midas GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)是將通用的有限元分析內核與巖土結構的專業性要求有機結合而開發的巖土與隧道結構有限元分析軟件[13]。本文主要利用其動力分析功能進行數值模擬。該功能包含：地震、爆破等任意荷載的動力分析，振型分析、反應譜分析、時程分析，內含地震波數據庫、自動生成地震波、與靜力分析結果的組合功能[13-15]。

本文考慮在地表進行爆破，因此在模型計算中假定爆破壓力垂直于地面，作用面積為標準集裝箱底面積(6m×2.5m)。荷載采用美國National Highway Institude里的爆壓公式，計算每公斤炸藥的爆破壓力為[2]：

(2)

式中：Pdet為爆破壓力, kPa;Ve為爆破速度，cm/s;ρ為炸藥比重，g/cm3；計算爆破炸藥為TNT，取炸藥爆速為600 000 cm/s，密度為1.6 g/cm3；假定爆破面與地面完全耦合，PB=Pdet，計算可得最大爆破壓力PB為108 396 kPa。

爆破荷載屬于瞬時荷載，隨時間變化，根據工程實踐經驗和計算經驗，爆破荷載采用的時程動壓力公式如下[2]：

(3)

式中：B荷載常量取經驗值163.38。

圖2爆炸壓力曲線Fig.2　Explosive pressure curve

假設工程所在區域巖土分布均勻，現令2條隧道分別為隧道1和隧道2，由于所分析評估區域關于2條隧道軸線中間豎直面對稱，將爆炸點設置于對稱面的一側，這不影響分析評估的一般性。

在地表堆場設置爆炸點，分別位于：隧道1正上方(爆炸0點)及與隧道1軸線水平距離分別為50，100，200 m處；設隧道上與距離爆炸點最近的點為檢測0點，在沿軸線遠離0點方向分別在0，10，20，40 m處設置振動與應力檢測處，每處設置不少于5個檢測點，分別位于隧道象限點和迎波面1/4弧形中點附近。

根據場地與隧道的關系，建立有限元模型，為減少邊界效應對計算結果的影響，除地表為自由邊界外，其余邊界均采用曲面彈簧單元模擬。地層采用實體單元，采用庫倫摩爾本構關系，對已建隧道二襯結構采用板單元模擬，模型如圖3所示。

圖3　隧道模型與檢測點設置Fig.3　Tunnel model and detection point setting

根據工程地層資料，隧道所處地層為中等風化泥質砂巖，上部地層主要為粉質黏土，見表5。

表5　巖土物理力學參數

4.2　模擬分析

每個爆炸點分別進行4次當量不同的爆炸，分析爆炸位置、爆炸當量與隧道壁振動速度、應力的關系。

4.2.1爆炸中各檢測點振動情況分析

爆炸0點分別進行1.7，2.3，2.8，3.5 t TNT當量的爆炸模擬。經模擬，在各種當量下，各檢測處襯砌最大振動速度、最大應力均位于襯砌拱頂。2.3 t TNT爆炸時檢測0點襯砌拱頂響應情況見圖4。

圖4　爆炸響應時程Fig.4　2.3 t TNT explosion response time history diagram

2.3 t TNT爆炸時隧道襯砌主應力云圖見圖5。

北方游俠出身，擔任盟主期間，江湖盟眾肖通被秘教左使所殺。當時秘教背景深厚，神秘莫測，左使則是秘教中唯一一位常在江湖中行走的高位人物，武功之高，當世罕見，江湖中人皆避其鋒芒，唯有寧燃不辭千里一路追殺，最終斬殺左使，為肖通復仇。

圖5　主應力云圖Fig.5　Principal stressnephogram

各爆炸當量下，襯砌最大拉應力及各檢測處最大振動速度見表6。

表6　最大振動速度與最大拉應力

由表6可知，同一爆炸點，隨著爆炸當量增大，隧道軸線方向上各檢測點振動速度峰值均相應增大。

爆炸當量相同時，隧道上與爆炸點最近的檢測點振動速度峰值最大，且沿著隧道軸線方向隨著距離增大而逐步減少。

當爆炸當量為2.3 t時隧道襯砌最大振動速度為18.59 cm/s，與本文初定的允許振動速度較為接近，而此時襯砌最大拉應力為1.92 MPa，處于允許范圍內，且留有一定的安全系數，本文初定允許振動速度較為合理；當量達到2.8 t時，襯砌最大振動速度為20.92 cm/s，最大拉應力為2.74 MPa，大于2.5 MPa，振速與應力均超出允許范圍。

4.2.2不同爆炸當量與振動速度關系分析

由表6數據，結合薩道夫斯基經驗公式形式，采用冪函數進行擬合，檢測0點襯砌拱頂處最大振動速度與爆炸當量關系曲線如圖6所示，由于曲線在該取值區間內曲率較大，該段曲線近似為直線。

圖6　關系曲線Fig.6　Graph of relation

對應函數：

y=0.310 8x0.530 1

(4)

式中：y為隧道壁檢測0點襯砌拱頂處最大振動速度，cm/s；x為爆炸當量，kg。

將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點發生爆炸時，隧道壁最大振動速度與爆炸當量關系為式(4)，當隧道壁最大振動速度為臨界值17.5 cm/s時，爆炸0點爆炸物TNT當量約為2.005 t，與經驗公式計算結果相近。

4.2.3隧道壁最大振動速度處于臨界狀態時不同爆炸點爆炸TNT當量分析

利用4.2.1和4.2.2中的方法分析爆炸點與隧道1水平距離分別為50，100，200 m時隧道壁最大振動速度所處位置以及最大振動速度處于臨界狀態時不同爆炸點爆炸TNT當量。

經模擬分析，各爆炸點爆炸時，隧道最大振動速度及最大應力均位于襯砌迎波面1/4弧中間點附近。擬合各爆炸點振速-當量曲線，詳見表7。

表7　模擬數值

由表7數據結合4.2.2分析可得各爆炸點振速-當量曲線，由各曲線函數可知：隨著地表爆炸點與隧道水平距離逐步增大，使襯砌最大振動速度處于臨界值時所需要的爆炸物當量逐步上升。

當易燃易爆集裝箱堆存區設置于港區內與隧道距離為100 m處時，發生爆炸后使隧道壁最大振動速度處于臨界值，參與爆炸反應的危險貨物當量為16 632.5 kg，合16.632 5 t，接近1個標準集裝箱的載重量。

易燃易爆集裝箱堆存區設置于港區內與隧道最大處時，發生爆炸后使襯砌最大振動速度處于臨界值，參與爆炸反應的危險貨物當量為97 723 kg，合97.723 t，其規模實際已相當龐大。

根據表7分析結果，各爆炸當量下，襯砌振速峰值為臨界值時，其最大應力均處于允許范圍內，且留有一定的安全系數，振速臨界值取值合理。

5　結論

1)當危險貨物集裝箱堆場位于隧道正上方時，即使爆炸當量較小，其所引發的地震效應亦可對隧道產生較大的不利影響，鑒于交通隧道的重要性以及其受損修復困難，建設單位申請堆存貨種、設計單位設計堆場布置時應予以充分考慮。同時，工程應充分考慮，合理布置危險貨物運輸通道，合理設置危險貨物裝卸區。

2)由模擬分析推導出來的公式可知，為確保隧道壁振動速度在許可范圍之內，危險貨物集裝箱堆場應盡可能遠離隧道，同時控制參與爆炸反應的危險貨物的量。但由于隧道斜穿堆場，危險貨物集裝箱堆場選址較為困難；若無有效措施避免危險貨物發生泄漏并引起火災爆炸事故，僅采用控制易燃易爆危險貨物堆存數量防范風險則將導致堆場失去堆存相關貨物的經濟價值。

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