埋地管道爆破振動安全允許判據(jù)試驗探究*

張紫劍，趙昌龍,，張黎明，趙明生,3

(1.貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002；2.貴州大學 礦業(yè)學院，貴陽 550025；3.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

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埋地管道爆破振動安全允許判據(jù)試驗探究*

張紫劍1，趙昌龍1,2，張黎明2，趙明生1,3

(1.貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002；2.貴州大學 礦業(yè)學院，貴陽 550025；3.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

摘要:為了探究埋地管道的爆破振動安全允許判據(jù)而進行現(xiàn)場監(jiān)測試驗，試驗利用TC-4850N測振儀和DH3820應變測試系統(tǒng)對埋地管道的爆破振動和管道應變分別進行監(jiān)測。首先通過不同主振頻率下的管道最大軸向應變分析發(fā)現(xiàn)最大應變主要集中在35 Hz以下，然后將主振頻率小于35 Hz和大于35 Hz的峰值振速統(tǒng)計量分別擬合分析。結(jié)果表明：不同頻率段的相關參數(shù)和薩氏公式有所不同，因此應在一定頻率范圍內(nèi)分別確定爆破振動安全允許峰值振速。實際施工過程中應結(jié)合具體情況確定爆破施工方案，而不能僅根據(jù)模糊的法律規(guī)范條款簡單決定爆破施工方案。

關鍵詞:爆破振動；埋地管道；主振頻率；擬合分析；安全判據(jù)

《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)中規(guī)定了土坯房、民用建筑、商業(yè)建筑、隧洞、巷道等的爆破振動安全允許標準，卻缺少埋地管道的安全允許標準，地下管網(wǎng)是城市的生命線，涉及輸油、輸氣、輸水、通訊等方方面面，一旦受損會造成重大安全事故，如果爆破施工區(qū)域與在役埋地管道毗鄰，而《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)和《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》并沒有明確規(guī)定管道的安全允許振速[1,2]。在實際施工過程在役管道附近常常需要進行爆破作業(yè)，因此，埋地管道的爆破振動峰值振速安全范圍仍有待研究。

學者們對管道最大安全峰值振速的研究方向各不相同，蒲傳金等人認為樁井爆破對鄰近埋地管道影響的主要因素是爆心距和樁井深度，只要采取有效技術措施即可在管道50 m范圍內(nèi)實施樁井爆破[3]。戴聯(lián)雙等人對爆破施工區(qū)域周圍管道進行風險分析[4]，認為管道安全允許振動速度為7～15 cm/s。彭星煜、Kouretzis GP等人通過計算機模擬分析爆破地震波對地下輸氣管道的影響，后者得出了爆破地震波對管道的應力應變分布[5,6]。Esparza E等人通過試驗檢測管道應力應變從而得到地下管道的動力響應[7]。范芝宇等人利用測振儀進行現(xiàn)場監(jiān)測，從而優(yōu)化復雜環(huán)境爆破施工方案[8]。王振洪等人建議采用一定頻率下的爆破振動最大峰值振速為天然氣管道的安全判據(jù)[9]。國內(nèi)外學者提出的管道受爆破振動影響的最大安全振速從2.5 cm/s至15 cm/s不等[4,9,10]，由于將管道進行開挖監(jiān)測極可能造成“第三方破壞”，且監(jiān)測難度較大，因此采用一種較安全、可行的試驗方法對埋地管道的爆破振動安全允許范圍進行探究。

1試驗概況

試驗在大龍經(jīng)濟開發(fā)區(qū)高鐵城棚戶區(qū)山地場平工程進行。爆破區(qū)域巖石以灰?guī)r為主，普氏系數(shù)f=8.0～10且節(jié)理、巖溶較發(fā)育。試驗過程中鉆孔直徑為90 mm，主要采用5段、7段、15段毫秒導爆管雷管，φ 70 mm巖石乳化炸藥，相關孔網(wǎng)參數(shù)如表1所示。由于直接對在役管道開挖監(jiān)測存在很大風險，因此管道是試驗前直埋敷設于爆區(qū)一側(cè)地下，深度1.2 m。

2試驗方法

試驗將爆破振動監(jiān)測與埋地鋼管應變監(jiān)測相結(jié)合，探究埋地管道的爆破振動安全允許范圍。試驗步驟如圖1所示，選取4根3 m長的DN100熱鍍鋅鋼管即管道①～管道④，先在管道表面平行于管道軸向安裝應變片，再直埋敷設于地面以下1.2 m深處，管道中部上方地表安裝測振儀①～④，起爆后TC-4850N測振儀和DH3820應變測試系統(tǒng)分別記錄振動信號和應變信號。

表1　孔網(wǎng)參數(shù)

3試驗結(jié)果分析

試驗共進行16次，共得到16組振動信號，其中試驗第4、5、6次中儀器④未監(jiān)測到有效振動信號。16組應變信號，其中通道2和通道3的個別應變信號未監(jiān)測成功。管道正上方地表的振動監(jiān)測結(jié)果表明，x、y、z三向振動信號中最大峰值振速多為垂直地表方向(即z方向)的振速，相關文獻及規(guī)范也常使用z方向最大峰值振速作為安全判據(jù)[10]。文獻[11]對管道軸向、環(huán)向應變監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：管道受爆破振動產(chǎn)生的軸向應變與環(huán)向應變較接近，軸向應變略高于環(huán)向應變。綜上所述，試驗結(jié)果主要分析對象是z方向最大峰值振速Vz及其主振頻率fz、管道最大軸向應變。

3.1主振頻率對管道應變的影響

管道軸向最大拉應變、最大壓應變與相應的主振頻率列于表2，并按照主振頻率由小到大依次排序，應變是長度相對變化量，無量綱，儀器記錄的應變?yōu)槲?，即實際應變的106，軸向拉應變、軸向壓應變分別表示為εtεc。見圖3。

表2　主振頻率與管道軸向應變

將兩個不同頻率段的統(tǒng)計量分別進行擬合分析。如圖4所示，黑色、紅色擬合曲線分別表示fz≤35 Hz、fz>35 Hz兩個頻率段的統(tǒng)計量擬合曲線，其相關性系數(shù)R接近1，擬合效果較好，不同頻率段擬合分析結(jié)果如表4所示。

表3　主振頻率與最大峰值振速的相關統(tǒng)計量

綜上所述，埋地管道隨主振頻率不同，受到爆破振動影響程度也不同。試驗證明：埋地管道受爆破振動影響，宜采用一定頻率范圍的質(zhì)點峰值振動速度作為安全允許判據(jù)。根據(jù)文獻[11]中理論計算得到該場地下管道的地表可承受最大峰值振速為7.49 cm/s，主振頻率較小時安全允許振速也相對較小，則根據(jù)表4可得一定頻率范圍的垂直方向最大峰值振速如表5所示。

表4　相關參數(shù)擬合結(jié)果

表5　管道地表峰值振速安全允許范圍

4結(jié)論

通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗探究埋地管道的爆破振動安全允許判據(jù)，結(jié)果表明：第一，埋地管道最大軸向應變主要集中在爆破振動主振頻率小于35 Hz時，當主振頻率超過45 Hz時，埋地管道軸向應變明顯變小，由此證明：確定埋地管道的爆破振動安全允許判據(jù)應考慮主振頻率的影響，即將一定頻率范圍的最大峰值振速作為埋地管道的安全允許判據(jù)較為合理。第二，分別擬合分析主振頻率fz≤35 Hz和fz>35 Hz兩個頻率段的最大峰值振速，得到兩個頻率段的相關參數(shù)、薩氏公式及最大安全允許峰值振速。綜上所述，埋地管道的爆破振動安全允許峰值振速受多方面因素影響：爆破區(qū)域地質(zhì)條件、管道埋設方式、管道自身屬性、管道內(nèi)部載體、管道工作狀態(tài)等，因此，實際施工過程中不能僅參照個別法律、法規(guī)、規(guī)范就判斷是否可以進行爆破施工或決定爆破施工方案，而應根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況進行全面監(jiān)測，還需考慮在役管道工作狀態(tài)、管道受損風險等因素，從而選擇并優(yōu)化爆破施工，采取有效防震措施。

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[11]ZHANG Li-ming.Research on effect of the medium-length hole bench blasting vibration on underground pipelines[D].Guiyang:Guizhou University,2015.(in Chinese)

Experimental Investigation of Blasting Vibration Safety Criterion on Buried Pipeline

ZHANGZi-jian1,ZHAOChang-long1,2,ZHANGLi-ming2,ZHAOMing-sheng1,3

(1.Guizhou Xinlian Blasting Engineering Group Co Ltd,Guiyang 550002,China;2.School of Mining,Guizhou University,Guiyang 550025,China;3.China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China)

Abstract:The site monitoring was taken to explore the blasting vibration safety criterion of the buried pipeline,and the blasting vibration and strain of the pipeline buried was tested respectively by TC-4850N vibrometer and DH3820 strain testing system.Firstly,the maximum axial strains were found to be no more than 35 Hz by anglicizing different main vibration frequencies.The peak velocity statistics with different vibration frequencies,less than 35 Hz and more than 35 Hz,were taken to fit and analyze respectively.The results show that the related parameters and Sadaovsk formula were different in the different frequency bands.Therefore,the blasting vibration safety peak velocity should be determined separately within a certain frequency range.The blasting construction program should be determined according to specific actual situation,but not based on vague legal norms provisions only.

Key words:blasting vibration; peak particle velocity; buried pipeline; fitting analysis; safety criterion

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.003

收稿日期:2016-05-19

作者簡介:張紫劍(1973-)，男，山東臨沂人，工程師、工學學士，主要從事工程爆破及民爆器材生產(chǎn)領域的安全管理工作，(E-mail)sdygzhangzj@163.com。 通訊作者:趙昌龍(1990-)，男，湖北恩施人，助理工程師、碩士研究生，主要從事工程爆破及安全技術研究,(E-mail)hblongyu163@163.com。

基金項目:黔科合重大專項字[2015]6003；黔科合高G字[2015]4004；貴州省工業(yè)和信息化發(fā)展專項基金計劃(2015030)；貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)項目：黔科合人字[2013(30)]

中圖分類號:TD235.1

文獻標識碼:A

文章編號:1001-487X(2016)02-0012-05