盾構(gòu)隧道垂直下穿加油站的風(fēng)險分析*

卓旭煬 李立云

(1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司 武漢 430050；2.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗室 北京 100124)

隨著城市軌道交通的發(fā)展，區(qū)間隧道下穿加油站的情況越來越多。目前已經(jīng)初步形成了比較成熟的處理經(jīng)驗。比如，2015年青島某區(qū)間隧道下穿加油站[1]，鄭州地鐵1號線03標(biāo)區(qū)間由東往西,下穿中石化西郊北加油站[2]等。

已建成的地鐵區(qū)間隧道中，基本上是以側(cè)下穿油庫的方式下穿加油站，施工及運(yùn)營過程中對油庫的影響較小。武漢地鐵紙坊線新路村站～大花嶺站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，由于線路條件的限制，右線以垂直下穿的方式通過加油站的儲油罐。由于加油站的特殊性，針對隧道垂直下穿地下儲油罐的情況，進(jìn)行隧道施工、運(yùn)營期的風(fēng)險分析是十分必要的。

1 工程概況

武漢地鐵紙坊線新路村站-大花嶺站區(qū)間右線隧道與儲油罐罐室底板豎向凈距約10.6 m，地層從上至下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。儲油罐罐室結(jié)構(gòu)底埋深約4.45 m，底板平面尺寸為9.8 m×13.8 m，為0.5 m厚C25混凝土板，下設(shè)0.1 m厚C15素混凝土墊層，基礎(chǔ)持力層為砂石墊層，厚1.0 m，罐室側(cè)墻采用MU10灰砂磚、M10水泥砂漿砌370 mm厚墻。油罐為圓柱形鋼結(jié)構(gòu)，直徑2.4 m，長度為7.1 m，油罐間及油罐與側(cè)墻間凈距為0.5 m，罐體周圍采用砂分層均勻填實(shí)。隧道與儲油罐關(guān)系見圖1。

圖1 隧道與儲油罐關(guān)系圖(單位：m)

該加油站設(shè)有30 m3臥式油罐4個，其中汽油罐3個，柴油罐1個，總儲量105 m3，為二級加油站。

依據(jù)GB 50652-2011 《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理辦法》，下穿加油站油庫的盾構(gòu)隧道的環(huán)境風(fēng)險分級為一級。

2 區(qū)間盾構(gòu)隧道施工對加油站的影響

區(qū)間隧道在施工過程中的最大環(huán)境風(fēng)險就是引起隧道上方土層沉降或隆起過大，造成儲油罐的破壞。

按《周禮》的說法：“以天產(chǎn)作陰德，以中禮防之。以地產(chǎn)作陽德，以和樂防之。以禮樂合天地之化，百物之產(chǎn)，以事鬼神，以諧萬民，以致百物?！雹芤馑际?，祭天地時，用天產(chǎn)的動物“六牲”之類作為“陰德”即婚禮上的供品，以中禮來防止淫佚；以地產(chǎn)的谷物作為“陽德”即鄉(xiāng)射、鄉(xiāng)飲酒禮上的供品，以和樂來防止?fàn)巿?zhí)?？傊?，以禮樂來整合天地，侍奉鬼神，諧和萬民，實(shí)現(xiàn)豐收。良渚時代的祭禮具體如何進(jìn)行我們不得而知?？梢酝贫ǖ氖?，它必然也是有許多講究的，表現(xiàn)為繁縟的禮節(jié)。

軌道交通工程中，盾構(gòu)隧道下穿建(構(gòu))筑物的案例較多。張?zhí)烀鱗3]結(jié)合工程實(shí)際對盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物時盾構(gòu)機(jī)參數(shù)控制做出論述，楊益等[4]分析了富水地區(qū)盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物的機(jī)理及控制措施，謝雄耀[5]、朱合華[6]等論述了盾構(gòu)下穿老舊建筑物的微沉降的控制技術(shù)。綜合上述文獻(xiàn)可知，施工的關(guān)鍵是要控制好地層變形。施工過程中導(dǎo)致地層變形的主要因素如下。

施工過程中針對地面沉降和儲油罐基礎(chǔ)沉降制定了監(jiān)測方案，其監(jiān)測點(diǎn)布置方案見圖2。

1) 盾構(gòu)施工過程中推力導(dǎo)致土層彈塑性變形形成土層的隆起或沉降。

對實(shí)施ERCP的患者，臨床護(hù)士在圍手術(shù)期應(yīng)該注重患者的心理狀況，有針對性的放松訓(xùn)練具有穩(wěn)定患者心率和血壓作用，尤其在術(shù)前和術(shù)后24 h內(nèi)進(jìn)行，不僅能保證患者手術(shù)得以順利進(jìn)行，預(yù)防并發(fā)癥，而且能夠平穩(wěn)患者生命體征，促進(jìn)康復(fù)。

2) 盾構(gòu)隧道施工過后，土層應(yīng)力釋放導(dǎo)致土層沉降。

3) 土層損失引起土層沉降。

4) 盾構(gòu)隧道同步注漿、二次注漿對地層擾動引起地面隆起或沉降。

2.1 控制油罐下沉的主要措施

針對以上影響土層變形的主要因素，盾構(gòu)隧道下穿加油站過程中制定了如下措施。

2.1.1土倉壓力管理

土倉壓力應(yīng)選取適中，太小容易導(dǎo)致掌子面不穩(wěn)和地面沉降過大，過大容易引起地面隆起過大。經(jīng)過加油站前試驗段的反饋，頂部土倉壓力設(shè)定在0.11～0.13 MPa，土倉壓力波動控制在-0.02～0.02 MPa范圍內(nèi)。

2.1.2刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速控制

刀盤轉(zhuǎn)矩是保證盾構(gòu)正常掘進(jìn)的關(guān)鍵參數(shù)，其大小與刀盤大小、刀盤開口率、刀的布置形式、接觸壓力、切削深度、土層性質(zhì)等密切相關(guān)。根據(jù)加油站前試驗段的調(diào)試，下穿加油站段的刀盤轉(zhuǎn)矩保持恒定且不超過1 800 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.1～1.3 r/min。

2.1.3渣土改良

改良渣土可以減少刀具、刀盤的摩擦力；改善渣土的流塑性，增加渣土的流動性、止水性，降低刀盤扭矩；增加螺旋輸送機(jī)的止水性可防止出土口噴涌。下穿加油站段主要采用泡沫劑改良。泡沫劑原液比例為2.5%，發(fā)泡倍率為20倍，單管注入速率為150 L/min。當(dāng)渣土改良效果較差時，增加泡沫劑注入管路，或增大泡沫劑注入速率；若出現(xiàn)土倉壓力快速升高，但渣土改良效果未明顯變好時，在持續(xù)增加泡沫劑注入的前提下，可適當(dāng)降低泡沫劑發(fā)泡倍率或提高泡沫劑原液比例。

首先對齒面的接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核，齒輪分度圓上的切向力Ft=131 995.4 N，接觸應(yīng)力σH和允許范圍內(nèi)接觸應(yīng)力[σH]的計算公式如式(11)所示：

2.1.4同步注漿、二次補(bǔ)漿等措施

同步注漿、二次補(bǔ)漿措施是減小地層損失，控制土層沉降的重要手段。下穿加油站過程中，根據(jù)前期試驗段經(jīng)驗及現(xiàn)場試驗調(diào)整注漿量為6.5～7.0 m3/環(huán)。

通風(fēng)散濕，用70%代森錳鋅500倍液、50%甲基托布津500倍液、50%多霉靈1000倍液，每5～7天噴1次，連噴2～3次。陰雨天可用百菌清煙劑，每畝350克，或百菌清粉塵劑，每畝1千克。

歸納上述中央和國務(wù)院近年內(nèi)連續(xù)出臺的關(guān)于水問題的各項改革舉措，可以說是歷史上空前的，客觀上講這也是歷史的必然抉擇，是國家最高決策層不失時機(jī)、實(shí)事求是地抓住了水資源這個束縛經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的核心瓶頸問題。因此，充分認(rèn)識到水權(quán)明晰、界定與交易的重要性和所面臨的問題十分重要。

根據(jù)美國陸軍部技術(shù)手冊TM5-855-1《常規(guī)武器防護(hù)設(shè)計原理》[8]，土中形成空氣沖擊波感生的地沖擊峰值壓力可按照式(3)計算。

2.2 施工監(jiān)測及分析

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圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置圖(單位：m)

如圖2所示，地面監(jiān)測點(diǎn)垂直于隧道中心線布設(shè)，以3 m間距布置了10個監(jiān)測點(diǎn)。儲油罐監(jiān)測點(diǎn)布置在基礎(chǔ)的4個角上。

經(jīng)監(jiān)測1～10號監(jiān)測點(diǎn)處地面沉降值見圖3。

圖3 各測點(diǎn)處地面沉降監(jiān)測圖

如圖3所示，左、右隧道中心線上的4號、7號測點(diǎn)，位于沉降曲線的波谷。受先掘進(jìn)的左線隧道沉降疊加的影響，右線隧道頂?shù)?號監(jiān)測點(diǎn)的沉降值稍大，為7.65 mm。整個隧道上方的地面沉降是滿足要求的。

經(jīng)監(jiān)測，油罐基礎(chǔ)A～D點(diǎn)處地面沉降值見表1。

表1 油罐基礎(chǔ)沉降 mm

后來，一邊工作，一邊斷斷續(xù)續(xù)上夜高、夜大——對于念書，似乎有著宗教般的熱情與執(zhí)念，猶如追尋一份精神上的依靠，即便風(fēng)驟雨狂，想不去，也不行。爸爸看在眼里，開始心痛起來，幡然有了懊悔，有一次向媽媽袒露心跡：當(dāng)初大丫頭要是不停地吵，堅決不去工廠，可能也會咬咬牙再去找找人，給她補(bǔ)習(xí)一年，你看吧，第二年戶口也就辦下來了……

3 油罐發(fā)生爆炸對區(qū)間隧道的影響

油罐在運(yùn)營過程中存在爆炸的可能性，因此分析油罐爆炸沖擊波對區(qū)間隧道的影響對于確保地鐵運(yùn)營安全十分必要。

3.1 油罐TNT等效當(dāng)量的確定

油罐發(fā)生爆炸時放出的能量與油品儲量及放熱性有關(guān)，依據(jù)《綜合能耗計算通則》，平均發(fā)熱量取汽油值考慮。根據(jù)范登伯格和蘭諾伊TNT當(dāng)量法轉(zhuǎn)換公式將汽油的爆炸轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的TNT當(dāng)量為31 kg。

3.2 爆炸引起的土沖擊荷載的計算

3.2.1按巖土中觸地爆炸理論計算

從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、排水效果、濾土效果、材料耐久性、材料經(jīng)濟(jì)實(shí)用性幾個方面綜合分析比較，提出的生態(tài)植生型滲濾溝道護(hù)砌板組合墊層設(shè)計方案為：采用生態(tài)植生型陶?；炷涟搴笤O(shè)置透水土工布(國標(biāo)短纖針刺無紡?fù)凉げ?，質(zhì)量為300 g/m2)、稻草(1 cm厚)組合，作為農(nóng)田排水溝道滲濾系統(tǒng)的最佳排水、透水、攔截污物墊層(見圖2)。

用Galerkin弱形式平衡方程來表示動量方程和邊界條件，可寫成式(6)形式。

(1)

式中：H為封閉爆炸和觸地爆炸的分界埋深，m；QTNT為汽油的TNT當(dāng)量值，kg。

根據(jù)式(1)，本工程裝藥埋深分界深度為1.96 m，大于實(shí)際埋深1.3 m，所以按照觸地爆炸考慮。

參照G·M·克萊霍夫理論公式，爆炸沖擊波超壓與距離之間關(guān)系式見式(2)。

服裝面料再造設(shè)計的方法非常多，在設(shè)計過程中不斷改變面料的結(jié)構(gòu)。加法和減法設(shè)計技法是服裝面料再造設(shè)計過程中比較常用的方法，指的就是以原有服裝面料為基礎(chǔ)，通過元素的增補(bǔ)和減少，使原有服裝面料的風(fēng)格得到改變，這種方法比較簡單，同時也可以改變服裝的面料，實(shí)現(xiàn)服裝面料再造設(shè)計的目標(biāo)，同時人們也比較喜歡這種方法。通常都是在服裝表面上增添刺繡或者貼花等，使服裝面料特性由此改變。

(2)

式中：p為爆炸沖擊波超壓，kg/cm2；R為爆炸中心到研究點(diǎn)的距離，m。

根據(jù)式(2)，區(qū)間隧道承擔(dān)的壓力峰值為5 kPa。

3.2.2按感生地沖擊理論計算

如表1所示，實(shí)測罐室底板絕對最大沉降值為3.81 mm，最大局部傾斜為9×10-6，能夠滿足局部傾斜不大于2×10-3的結(jié)構(gòu)安全需求。

每間隔1環(huán)進(jìn)行1次二次注漿。如發(fā)現(xiàn)同步注漿量不足，或管片壁后地質(zhì)雷達(dá)掃描疏松異常情況，通過管片中部的注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，從而減少盾構(gòu)機(jī)通過后土體的后期沉降。

Pmax=0.407fρc(R/w1/3)-n

(3)

式中：Pmax為峰值壓力，Pa；f為爆炸耦合系數(shù)，f=d/w1/3，d為炸藥裝藥中心的深度，w為炸藥重量，kg；ρc為聲阻抗，kg/(m2s)；R為傳播距離，m；n為衰減系數(shù)，黏性土取1.5～2。

根據(jù)式(3)，區(qū)間隧道承擔(dān)的壓力峰值為35 kPa。

3.2.3利用有限元模擬爆炸過程產(chǎn)生的沖擊荷載。

物體的基本運(yùn)動方程見式(4)。

M(x)=P(x,t)-F(x,x)+H-Cx

(4)

式中：M為物質(zhì)單元的總體質(zhì)量矩陣；P為荷載矢量；F為單元應(yīng)力場的等效節(jié)點(diǎn)力矢量合力；H為黏性阻尼力。

時間積分所采用的顯式中心差分法計算式如下。

(5)

李翼棋[7]等認(rèn)為，根據(jù)裝藥埋深的不同，巖土爆炸分為封閉爆炸和觸地爆炸。封閉式爆炸不需要考慮自由面的影響，觸地爆炸要考慮自由面的影響。2種爆炸的埋深分界深度可按式(1)計算。深度滿足式(1)的為觸地爆炸，不滿足的為封閉爆炸。

(6)

根據(jù)上述基本公式(1)～(6)，進(jìn)行數(shù)值模擬可算得隧道承受的應(yīng)力時程曲線見圖4。

圖4 隧道頂應(yīng)力時程曲線

由時程曲線可以看到，油罐爆炸在盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的峰值拉應(yīng)力為20 kPa，峰值壓應(yīng)力為30 kPa。

提供數(shù)字化決策，實(shí)現(xiàn)科學(xué)校園 智慧校園將打通各個信息孤島，實(shí)現(xiàn)校園信息數(shù)據(jù)的大整合，通過對各種各樣數(shù)據(jù)的抽取、轉(zhuǎn)換和裝載，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，使學(xué)校管理層最大限度地獲得管理資源，明確決策目標(biāo)，論證決策的必要性和可行性，為正確決策提供必要支持，實(shí)現(xiàn)決策的科學(xué)化、民主化和透明化，從而提高管理層決策的科學(xué)化水平。

由上面的計算分析可以看出，觸地爆炸未考慮巖土的具體參數(shù)，計算值偏小，感生地沖擊理論計算和有限元計算值比較一致。

3.3 土層沖擊荷載對隧道管片內(nèi)力的影響

經(jīng)計算，上述幾種算法的最不利土層沖擊峰值荷載為35 kPa，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》將其作為偶然荷載設(shè)計值。通過有限元軟件計算，可得偶然荷載組合下盾構(gòu)隧道內(nèi)力設(shè)計值與荷載基本組合下的盾構(gòu)隧道內(nèi)力設(shè)計值對比，見表2。

表2 管片內(nèi)力變化對比表

由表2可見，相對于荷載的基本組合來說，爆炸荷載引起的軸力有效因子約0.86，彎矩有效因子為0.88。對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全起控制作用的是荷載基本組合效應(yīng)設(shè)計值。區(qū)間盾構(gòu)隧道管片采用C50混凝土和HRB400受力筋，經(jīng)核算結(jié)構(gòu)是安全的。

2.5.2 黨參總皂苷納米乳對黑素瘤細(xì)胞增殖的影響。MTT法測定黨參總皂苷納米乳對黑素瘤細(xì)胞增殖的影響，結(jié)果見表2。100～800 μg/mL空白納米乳對黑素瘤細(xì)胞增殖的最大抑制作用為8.56%，按毒性分級法評價，空白納米乳對細(xì)胞的毒性為1級，達(dá)到合格要求[12]。100～800 μg/mL黨參總皂苷納米乳對黑素瘤細(xì)胞增殖的抑制率大于相同濃度黨參總皂苷水溶液，這表明納米乳能增強(qiáng)黨參總皂苷對黑素瘤細(xì)胞增殖的抑制作用。

4 結(jié)論

1) 盾構(gòu)隧道施工階段風(fēng)險主要為施工引起的沉降、隆起引起儲油罐基礎(chǔ)破壞，進(jìn)而威脅儲油罐的安全。根據(jù)目前國內(nèi)盾構(gòu)隧道施工的風(fēng)險控制水平，在采取與一級環(huán)境風(fēng)險相應(yīng)的措施后，風(fēng)險是可控的。

這個精神坐標(biāo)不止于“廉”與“潔”。劇中陳仲子的每向前一步，都離不開他遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎常人的自省能力和踐行勇氣，凡事反求諸己并付諸實(shí)施：大旱天不僅滴水不留更自我懲戒絕食三天；拒絕楚國拜相不算，更搬出原先隱居處甘愿為人灌園，如此種種。環(huán)顧上下左右，汲汲營營、熙熙攘攘，贊歌遍野而獨(dú)缺自省更缺乏言行一致的果敢擔(dān)當(dāng)。

由于本文使用的是面板數(shù)據(jù)，考慮到國家間發(fā)展階段、金融開放程度以及經(jīng)濟(jì)增長間的異質(zhì)性可能會影響估計結(jié)果，我們使用固定效應(yīng)模型進(jìn)行估計，模型適用性均通過了豪斯曼檢驗的證實(shí)。進(jìn)一步，考慮到跨國跨時間的樣本可能存在較大變化，我們使用穩(wěn)健標(biāo)準(zhǔn)差估計以避免可能存在的異方差現(xiàn)象影響結(jié)果的穩(wěn)健性。

2) 由于加油站的儲油罐埋深較淺，爆炸當(dāng)量較小，且發(fā)生爆炸為觸地爆炸，爆炸當(dāng)量較小，對于正常埋深的盾構(gòu)隧道來說，荷載基本組合對結(jié)構(gòu)安全起主導(dǎo)作用。

3) 依據(jù)GB 50652-2011 《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理辦法》對下穿加油站油庫的盾構(gòu)隧道進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險分級，并采取相關(guān)措施，是可以保證加油站和盾構(gòu)隧道在施工過程及運(yùn)營期的安全的。