基于超压值地铁上覆管道爆炸对隧道及人员安全影响研究*

石杰红,史聪灵,刘晶晶

(1.中国安全生产科学研究院,北京 100012; 2.地铁火灾与客流疏运安全北京市重点实验室，北京 100012)

0 引言

我国地铁建设始于20世纪60年代，截止2019年12月，全国已有40个城市开通地铁轨道交通，运营线路总长6 882.13 km。我国轨道建设目前处于高速发展阶段，北京、上海、成都等城市规划地铁建设规模较大,线路总长均超过1 000 km。

实际工程中，地铁线路可能邻近或下穿油气管道，油气管道泄漏易引发爆炸事故，且泄漏方式及原因多样。前人针对油气管道泄漏方式展开研究：李强等[1]采用当量计算法和应力计算法分析法兰泄漏方式；孙博等[2]对管道泄漏原因进行分析。部分学者对埋地管道泄漏后果展开研究[3-18]，霍成索等[19]应用三维CFD模拟软件KFX研究海底输气管道泄漏对邻近海上平台影响；肖华华[20]研究管道气体爆炸动力学模型。目前研究主要集中于管道泄漏原因、泄漏方式及泄漏对地面物体影响，针对管线泄漏爆炸给地下建筑，尤其是地下空间人员安全影响方面研究较少。本文结合实际工程案例，重点研究地铁上覆燃气管道爆炸对隧道及人员安全影响，研究结果可为地下工程下穿油气管线安全影响分析提供理论支撑。

1 分析方法

1.1 泄漏尺寸确定

油气管道泄漏模式主要包括瞬时泄漏与连续泄漏，其中，泄漏口尺寸、形状与泄漏源严重性直接相关，是计算事故后果影响范围、确定事故发生概率的关键指标，需根据装置中各重要设备设施、管道及附属装置等接口实际尺寸分布情况，确定合适的典型性泄漏尺寸。管道典型泄漏尺寸等级主要包括小型、中型、大型及特大型。世界银行推荐以管道20%及100%破裂作为典型泄漏尺寸，该划分方法主要考虑管道大型泄漏与灾难性破裂等情况，忽视管道日常运行中因密封不严、腐蚀、缺陷、不规则裂纹等原因造成的小型泄漏；挪威船级社在QRA研究中推荐的典型泄漏尺寸范围与代表性孔径，更贴近实际工程情况，见表1。

表1 典型泄漏孔径分类及代表性孔径Table 1 Classification of typical leakage diameter and representative hole diameter mm

1.2 泄漏速率

根据气体流动状态不同将气体管道泄漏分为临界流与亚临界流:最大出口速度等于声速为临界流；反之为亚临界流。根据判断准则[21]，可知音速流动与亚音速流动如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：P0为环境大气压力，Pa；P为容器压力，Pa；k为气体绝热指数，即定压比热CP与定容比热Cv比值。

研究过程中，设定环境温度20 ℃，k=1.3，管道内气体压力8.5 MPa，经计算可知燃气管道泄漏属于音速流动。

临界流质量泄漏速率如式(3)所示：

(3)

式中：Q为气体泄漏速率，kg/s；Cd为气体泄漏系数；A为裂口面积，m2；M为气体相对分子质量；R为普适气体常数；T为气体储存温度，K。

1.3 事故后果计算模型

基于泄漏尺寸与泄漏速率，确定泄漏后果模型。燃气管道可能发生的重大事故后果主要包括蒸气云爆炸(VCE)、火灾、物理爆炸等，其中，蒸汽云爆炸后果最严重。蒸气云爆炸会产生冲击波超压、热辐射、破片作用等多种破坏效应，冲击波超压最危险且破坏力最强。

爆炸冲击波经上覆土层、隧道、空气、地铁车辆外壳作用于乘客。因此，本文采用蒸气云爆炸超压评判事故后果对乘客的影响。

燃气蒸气云爆炸能量通过TNT当量法确定。

1.4 事故后果伤害准则

采用超压模型界定冲击波伤害区域。冲击伤害区域依据后果严重程度划分为死亡区域、重伤区域、轻伤区域、财产损失半径4种，冲击波超压影响半径见表2。

表2 冲击波超压影响半径Table 2 Influence radius of shock wave overpressure

2 工程实例

2.1 概况

以某市地铁下穿既有高压燃气管道为研究对象，分析燃气管道泄漏爆炸对地铁隧道及乘客安全影响。地铁隧道埋深10 m，管道埋深1.04 m，直径0.6 m，运行压力8.5 MPa，隧道顶距离管道底部约8.4 m。隧道主要穿越可塑、硬塑砂质黏性土。

裸露状态高压燃气管道泄漏特点为：气体浓度随高度增加逐渐降低，近地面浓度可达95%，且分布范围窄；随高度增加，分布范围逐渐增大，燃气分布呈倒三角；管道压力为0.4 MPa～1.6 MPa时，高浓度区域主要分布于距地面3～6 m处；达到爆炸极限浓度燃气主要分布在30 m以上高空[22]。本文研究燃气管道压力为8.5 MPa，埋深1.04 m，土体无法提供稀释空间，高压气体突破土体释放至空中进行泄压，视为燃气发生空中爆炸。其中，空气、土壤对爆炸超压均有阻挡作用，结合土体泄压与燃气爆炸浓度分布特点，等效TNT可近似视为近地面爆炸，从而建立爆炸超压计算模型如图1所示。

图1 爆炸超压计算模型Fig.1 Computational model

2.2 泄漏方式及泄漏强度

依据挪威船级社推荐方法，并结合实际工况，选择代表性孔径进行分析，见表3。

表3 典型泄漏孔径分类及代表性孔径Table 3 Classification of typical leakage hole diameter and representative hole diameter mm

物料泄漏速率按照式(3)计算，得到不同管道泄漏模式对应泄漏速率，见表4。

表4 管道泄漏模式及泄漏速率Table 4 Pipeline leakage mode and leakage rate

考虑燃气管道自动断气装置，本文仅考虑燃气泄漏300 s及相邻截断阀间燃气泄漏爆炸对地铁隧道内人员安全影响，则TNT当量如式(4)所示：

(4)

式中：A为蒸气云TNT当量系数，取4%；WTNT为蒸气云TNT当量，kg；Wf为蒸气云燃料总质量，kg；Qf为燃料燃烧热，MJ/kg，根据管道输送介质特性，取值70.72 MJ/kg；QTNT为TNT爆炸热，取4 520 kJ/kg；TNT密度1.63 g/cm3。

TNT当量换算结果见表5。

表5 TNT当量换算结果Table 5 TNT equivalent conversion result

2.3 数值模拟分析结果

为研究管道泄漏爆炸冲击波超压对地铁隧道及乘客影响，以距离隧道顶部约2.2 m处为测点位置，利用LS-DYNA模拟软件，得到不同泄漏模式下，炸药上方隧道超压曲线，如图2～8所示。由图2～8可知，泄漏孔径越大，爆炸能量越大，产生冲击波传递速度越快，测点位置超压值达到峰值时间越短，时间跨度分布在爆炸后0.027～0.035之间；超压值峰值随泄漏孔径减小而减小，由150 mm孔径27 Pa降至2 mm孔径1.7 Pa，但均远小于爆炸时人体可承受阈值。说明在该种工况下，管道泄漏爆炸经地面空气、上覆土体及隧道结构缓冲后，不会造成区域内人员伤亡。

图2 管道大孔泄漏(150 mm)超压曲线Fig.2 Overpressure curve of large hole leakage (150 mm)

图3 管道中孔泄漏(120 mm)超压曲线Fig.3 Overpressure curve of hole leakage (120 mm)

图4 管道中孔泄漏(80 mm)超压曲线Fig.4 Overpressure curve of hole leakage (80 mm)

图5 管道小孔泄漏(50 mm)超压曲线Fig.5 Overpressure curve of pipeline small hole leakage (50 mm)

图6 管道小孔泄漏(20 mm)超压曲线Fig.6 Overpressure curve of pipeline small hole leakage (20 mm)

图7 管道微小孔泄漏(6 mm)超压曲线Fig.7 Overpressure curve of pipeline small hole leakage (6 mm)

图8 管道针孔泄漏(2 mm)超压曲线Fig.8 Pipeline pinhole leakage (2 mm) overpressure curve

3 结论

1)埋地管道发生泄漏导致爆炸事故，采用TNT当量法计算爆炸冲击超压值，分析管道泄漏爆炸对地铁隧道及乘客影响。

2)天然气管道一旦发生蒸气云爆炸(小孔以上泄漏模式)，影响范围会波及到地铁区间隧道，但经地面空气、上覆土体及隧道结构缓冲，管道爆炸冲击波不会造成人员伤亡。