（中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司軌道交通院，湖北武漢 430050）

隨著我國各地城市地鐵運(yùn)營里程不斷增長，軌道線網(wǎng)不斷加密以及城市地下空間不斷開發(fā)利用，新建線路將不可避免愈加頻繁穿越各種地上、地下建（構(gòu)）筑物，地鐵設(shè)計(jì)、施工風(fēng)險(xiǎn)不斷加大。目前，專家學(xué)者對(duì)地鐵隧道穿越各種建（構(gòu)）筑物的風(fēng)險(xiǎn)分析以及相應(yīng)的控制措施研究較多[1-2]，但對(duì)于穿越加油站這類敏感建筑分析仍然較少。已有的穿越案例多為隧道側(cè)穿加油站[3-4]，隧道與加油站仍保持一定水平距離，尚無地鐵隧道垂直下穿加油站儲(chǔ)油罐的案例。本文結(jié)合武漢市軌道交通7號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間垂直下穿儲(chǔ)油罐的案例，進(jìn)行地鐵盾構(gòu)隧道垂直下穿加油站風(fēng)險(xiǎn)分析以及相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施研究。

1 工程概況

武漢市軌道交通7號(hào)線某區(qū)間受線型控制，右線隧道垂直下穿一座加油站，如圖1所示。隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片壁厚0.35 m，管片環(huán)寬1.5 m，采用平板型單層鋼筋混凝土通用型管片，每環(huán)管片由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊+2塊鄰接塊+1塊封頂塊組成，錯(cuò)縫拼裝。

該加油站為二類加油站，站內(nèi)設(shè)有30 m3臥式油罐4個(gè)，其中汽油罐3個(gè)，柴油罐1個(gè)，總儲(chǔ)量105 m3。儲(chǔ)油罐位于右線隧道下方，油罐室結(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墻；儲(chǔ)油罐罐室底板與右線隧道豎向凈距約10.6 m，罐室外皮與左線隧道的水平凈距約6.6 m；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)。

2 風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

加油站地處長江一級(jí)階地，隧道洞身主要位于第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土地層，隧頂覆土厚度15.15 m。

圖1 隧道下穿加油站示意圖（單位：m）

盾構(gòu)隧道管片按最不利工況進(jìn)行計(jì)算（即采用水土合算），采用修正慣用法計(jì)算模型[6]，管片采用C50鋼筋混凝土，剛度折減系數(shù)取0.75，彎矩調(diào)整系數(shù)取0.3。隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表1所示，由表可見，隧道結(jié)構(gòu)最大彎矩為258.3 kN·m，最大軸力為1 443 kN，最大剪力為141.4 kN。盾構(gòu)隧道斷面為圓形斷面，結(jié)構(gòu)內(nèi)力受控于截面彎矩，該計(jì)算結(jié)果滿足管片外側(cè)極限承載彎矩370.5 kN·m、內(nèi)側(cè)極限承載彎矩373.3 kN·m承載力控制要求。同時(shí)經(jīng)檢算，按管片配筋由準(zhǔn)永久組合工況下裂縫控制，外側(cè)、內(nèi)側(cè)裂縫計(jì)算值分別為0.024 mm、0.038 mm，滿足管片裂縫0.2 mm控制要求。

2.2 加油站變形分析

2.2.1 經(jīng)驗(yàn)方法沉降預(yù)測

Peck公式[7]是目前預(yù)測地鐵隧道開挖引起地表沉降的經(jīng)驗(yàn)方法中最簡便、應(yīng)用最廣泛的方法之一。Peck假定隧道施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生，沉降槽的體積即為地層損失的體積，地層損失沿隧道縱向均勻分布，沿橫向近似正態(tài)分布。魏綱[8-11]基于Peck公式，建立了修正二維Peck公式（1）[12]，該公式適用于預(yù)測雙線盾構(gòu)隧道施工引起的地層沉降。

式（1）中，Smax為單線隧道軸線上方最大地面沉降量；f為先行隧道，l為后做隧道；x為距隧道軸線橫向水平距離；z為離地面的豎向距離，向下為正；h為隧道中心埋置深度，本工程隧道中心埋深18.25 m；L為雙線隧道中心線間距，本工程取15.6 m；i為地面沉降槽寬度系數(shù)[10]，為地層內(nèi)摩擦角；η為土體損失率[11]，主要與工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況、隧道施工方法、施工技術(shù)水平以及工程管理經(jīng)驗(yàn)等因素有關(guān)，黏性土地區(qū)土體損失率在0.20%～2.0%。

針對(duì)5種不同地層損失率，分別計(jì)算盾構(gòu)隧道穿越加油站后加油站位置地表最大沉降及油罐沉降，結(jié)果如表2、圖2所示。表2、圖2數(shù)據(jù)表明，按地鐵隧道穿越加油站油罐室控制標(biāo)準(zhǔn)研究成果[3-4]（累計(jì)沉降（或隆起）控制值15 mm，傾斜率控制值1‰，橫向位移控制值5 mm），當(dāng)?shù)貙訐p失率在不超過0.7%時(shí)，油罐變形能夠滿足該控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力

表2 不同地層損失率情況下的地表沉降及油罐沉降 mm

圖2 不同地層損失率情況下的地表沉降

2.2.2 有限差分方法分析

采用Flac3D有限差分軟件建模分析加油站變形，模型計(jì)算范圍取隧道水平方向兩側(cè)5倍洞徑，隧道底面以下取5倍洞徑，頂面以上取至地表，縱向計(jì)算長度取油罐范圍最大邊長的5倍，如圖3所示。模型尺寸為72 m×90 m×30 m（隧道橫向×縱向×豎向），地層、隧道及油罐室均采用實(shí)體單元，模型單元共14 672個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)16 211個(gè)。模型中地層采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，盾構(gòu)隧道管片、油罐室采用線彈性模型。盾構(gòu)管片采用C50鋼筋混凝土，油罐室按C20混凝土簡化，油罐室自重按充填細(xì)砂、汽油、柴油后的總重進(jìn)行等效。

圖3 分析模型

盾構(gòu)隧道左、右線同時(shí)穿越為最不利分析工況，隧道穿越后油罐室變形云圖如圖4所示。由圖4可見，隧道開挖過程中及穿越后下穿油罐處地表最大沉降10.05 mm，油罐室沉降范圍8.16～9.22 mm，最大傾斜率0.11‰，油罐室往左線側(cè)偏移的最大橫向位移2.5 mm。

2.3 油罐室爆炸分析

地鐵盾構(gòu)下穿加油站風(fēng)險(xiǎn)按地鐵公共安全危險(xiǎn)最大化原則，考慮油罐室爆炸極端情況對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道的影響。

2.3.1 等效 TNT當(dāng)量計(jì)算

根據(jù)范登伯格和蘭諾伊TNT當(dāng)量法轉(zhuǎn)換公式（2），將汽油的爆炸轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的TNT當(dāng)量[13]進(jìn)行爆炸分析，計(jì)算結(jié)果為31 kgTNT當(dāng)量。

圖4 盾構(gòu)穿越后油罐室變形云圖（單位：m）

式（2）中，QTNT為TNT當(dāng)量，kg；υ為蒸汽云當(dāng)量系數(shù)，通常取0.04；V0為油罐室的公稱容積，取105 m3；ρ為油品比重，按汽油取0.76×103kg/m3；Hc為油品的平均發(fā)熱量，按汽油取43.73 kJ/kg；qTNT為TNT爆炸發(fā)熱量，取值范圍4 120～4 690 kJ/kg，通常取4 500 kJ/kg。

2.3.2 爆炸沖擊波超壓計(jì)算

參照G.M.萊克霍夫理論[14]，砂土介質(zhì)中爆炸沖擊波超壓經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

式（3）中，ΔP為爆炸沖擊波超壓，kgf/ cm2，即1/ 9.8 MPa；R為爆炸中心到研究點(diǎn)的距離，m，本工程隧道與油罐的最小凈距為11.45 m。

經(jīng)計(jì)算，得到爆炸沖擊波超壓ΔP為0.165 kgf/cm2，即16.84 kPa。

2.3.3 爆炸偶然荷載組合下隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

按爆炸偶然荷載組合（永久荷載×1.2 +爆炸荷載×1.3）計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力，如圖5所示。由圖5可見，該偶然荷載組合下隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)最大彎矩分別為161.4 kN·m、227 kN·m，最大軸力為1 342 kN，最大剪力為127 kN。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力受控于截面彎矩，該計(jì)算結(jié)果滿足管片外側(cè)極限承載彎矩370.5 kN·m、內(nèi)側(cè)極限承載彎矩373.3 kN·m承載力控制要求。同時(shí)經(jīng)檢算，按管片配筋由準(zhǔn)永久組合工況下裂縫控制，外側(cè)、內(nèi)側(cè)裂縫計(jì)算值分別為0.088 mm、0.045 mm，滿足管片裂縫0.2 mm要求。結(jié)果表明，爆炸沖擊不會(huì)對(duì)盾構(gòu)管片造成破壞。

3 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

根據(jù)以上風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，地鐵盾構(gòu)下穿加油站區(qū)段采取如下控制措施。

（1）考慮到盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)整體性因管片分塊拼裝受到削弱，應(yīng)依據(jù)上述結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果適當(dāng)提高盾構(gòu)隧道管片配筋率，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）加強(qiáng)盾構(gòu)施工控制。根據(jù)Peck公式，通過增大雙線盾構(gòu)線間距、加大隧道埋深以及減小地層損失率均可有效控制地面沉降及油罐室變形。地鐵盾構(gòu)平縱斷面線路受控?zé)o法調(diào)整時(shí)，只能通過施工過程中控制地層損失率來減小下穿產(chǎn)生的變形，主要有：①嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、掘進(jìn)姿態(tài)及軸線偏差，控制地層損失率不超過0.5%；②穿越過程中及時(shí)同步注漿，做到盡量填補(bǔ)而不宜劈裂；③盾尾管片應(yīng)及時(shí)突破同步注漿層進(jìn)行二次注漿，彌補(bǔ)同步注漿的不足，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測情況在必要時(shí)多次注漿，確保管片背后填充密實(shí)。

圖5 偶然荷載組合下隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖

（3）為減小雙線盾構(gòu)施工的疊加影響，左、右線隧道掌子面間距不應(yīng)小于250 m。

（4）專項(xiàng)應(yīng)急措施。油罐室變形接近預(yù)警值時(shí)，可采取地表補(bǔ)償注漿措施：①地表沉降超限后根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定補(bǔ)償性注漿的加固范圍；②油罐室變形超限后，則沿油罐室四周斜向往油罐室基底進(jìn)行補(bǔ)償注漿。

4 結(jié)論

（1）該盾構(gòu)隧道垂直下穿加油站風(fēng)險(xiǎn)按Peck雙線修正公式，當(dāng)?shù)貙訐p失率為0.7%時(shí)，加油站場地地面最大沉降14.27 mm，油罐室最大沉降10.15 mm，油罐室最大傾斜0.41‰；按FLAC3D有限差分法分析結(jié)果，盾構(gòu)穿越過程中加油站場地地面最大沉降10.05 mm，油罐室最大沉降9.22 mm，油罐室最大傾斜0.11‰。根據(jù) Peck雙線修正公式及數(shù)值分析結(jié)果，當(dāng)?shù)貙訐p失率不超過0.7%時(shí)，2種方法變形分析結(jié)果較為一致。

（2）地鐵下穿加油站必須要考慮油罐室爆炸對(duì)隧道的影響。本次分析中將油罐室爆炸按TNT當(dāng)量轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行計(jì)算，得到該油罐室爆炸TNT當(dāng)量為31.0 kg，按觸地式爆炸計(jì)算得到爆炸沖擊波超壓為16.84 kPa；根據(jù)爆炸偶然荷載組合計(jì)算得到的隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力可知，爆炸沖擊不會(huì)使隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

（3）針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿加油站風(fēng)險(xiǎn)采取了加強(qiáng)管片配筋、加強(qiáng)盾構(gòu)施工控制等措施，實(shí)際下穿實(shí)施過程中風(fēng)險(xiǎn)控制較好，加油站運(yùn)營狀態(tài)良好。