爆破振動對地下管道影響試驗(yàn)及風(fēng)險預(yù)測

張黎明， 趙明生， 池恩安,2， 黃 波， 何興貴

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴陽 550025； 2. 貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴陽 550002； 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

爆破振動對地下管道影響試驗(yàn)及風(fēng)險預(yù)測

張黎明1， 趙明生2,3， 池恩安1,2， 黃 波1， 何興貴1

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴陽 550025； 2. 貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴陽 550002； 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

為了降低爆破振動有害效應(yīng)，探究爆破振動對地下管道的影響，需基于管道破壞的應(yīng)變準(zhǔn)則，建立爆破振動質(zhì)點(diǎn)峰值速度與管道破壞的對應(yīng)關(guān)系。利用TC-4850N爆破振動測試儀、DH3820靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)在大龍經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)高鐵城棚戶區(qū)山地場平工程進(jìn)行爆破現(xiàn)場試驗(yàn)；對獲得不同爆心距、不同最大段裝藥量時管道地表振動峰值速度及相應(yīng)管道軸向、環(huán)向應(yīng)變，進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明合成峰值振速與地下管道軸向、環(huán)向應(yīng)變呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；結(jié)合該場地條件下爆破振動衰減規(guī)律及管道最大容許應(yīng)變，預(yù)測出試驗(yàn)條件下管道所能承受的地表最大峰值振速及此爆破條件下管道爆破施工安全距離。分析表明，燃?xì)夤艿?0 m范圍內(nèi)禁止爆破施工的規(guī)定有待改進(jìn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況分析預(yù)測地下管道安全距離。

爆破振動；峰值振速；應(yīng)變；擬合分析；安全判據(jù)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)行的發(fā)展，工程爆破的環(huán)境日益復(fù)雜，雖然《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)明確了對地面建筑物、設(shè)備及地下構(gòu)筑物的爆破振動判據(jù)，但對爆破振動下地下管道的安全判據(jù)尚未建立[1]。在生產(chǎn)實(shí)際中經(jīng)常遇到各類的地下管道，很多學(xué)者對此做了大量研究。如文獻(xiàn)[2]對在役油氣管道周邊爆破作業(yè)進(jìn)行了風(fēng)險分析，提出了定量計(jì)算爆破振動等有害效應(yīng)對管道的影響；文獻(xiàn)[3]基于SIMQKE_GR程序模擬爆破地震波，分析其對地下輸氣管道的影響；文獻(xiàn)[4]利用三維薄圓柱模型模擬，結(jié)合解析法得出爆破地震波對管道形成的應(yīng)力分布表達(dá)式；文獻(xiàn)[5]根據(jù)TC-4850爆破振動測試儀現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對周邊存在埋地輸油管道的爆破施工方案進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[6]提出了爆炸地沖擊作用對埋地管線應(yīng)力計(jì)算的解析解算法；文獻(xiàn)[7]基于現(xiàn)場試驗(yàn)檢測爆炸作用下，埋地管道應(yīng)力應(yīng)變，得到巖石中管道的動力響應(yīng)；文獻(xiàn)[8]分析了自然地震的地震波對地下管道的影響；文獻(xiàn)[9]根據(jù)地下管道地震響應(yīng)的振動臺試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析；文獻(xiàn)[10-11]利用計(jì)算機(jī)軟件分析有效降低爆破振動的合理延時間隔。大多研究主要借助數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)模擬分析爆破振動對管道影響，而較少運(yùn)用現(xiàn)場直接監(jiān)測的方法進(jìn)行研究，數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)模擬是在較為理想條件下進(jìn)行的，現(xiàn)場試驗(yàn)可以更直接反映出爆破振動對管道的影響且更貼近工程實(shí)際。因此，本研究利用TC-4850N爆破振動測試儀和DH3820靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)分別對爆破振動、地下管道應(yīng)變進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分析爆破振動對地下管道應(yīng)變的影響規(guī)律。并結(jié)合管道最大容許應(yīng)變預(yù)測管道的地表最大峰值振速。

1 試驗(yàn)方法

大龍經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)高鐵城棚戶區(qū)山地場平工程爆破施工區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較簡單，節(jié)理、巖溶較發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)斷層。巖石普氏系數(shù)f=8.0～10。鉆孔直徑d=90 mm；梯段高度H=6 m；底板抵抗線Wmax為3 m；實(shí)際鉆孔長度L=6.5 m；填塞長度h0=2.1 m；孔間距a=3 m；孔排距b為2.5～3 m；單耗約為0.40 kg/m3。爆破器材：非電毫秒導(dǎo)爆管雷管(5段、7段、15段毫秒導(dǎo)爆管雷管)；直徑70 mm2#巖石乳化炸藥。

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

試驗(yàn)旨在探究爆破振動對地下管道的影響規(guī)律。即最大段裝藥量、測點(diǎn)距離、爆破振動振速、地下管道應(yīng)變四者之間的關(guān)系。試驗(yàn)確定因素(條件)：爆破區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件、管道類型、管道埋深及敷設(shè)方式、最大容許應(yīng)變等。變化因素(條件)：最大段裝藥量、管道與爆區(qū)中心的距離等。

1.2 試驗(yàn)儀器

(1)爆破振動測試儀(TC-4850N)，爆破振動監(jiān)測采用TC-4850N爆破測振儀。如圖1所示。

(2)靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)(DH3820)，DH3820是高速靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀(見圖2)，能捕捉材料應(yīng)力應(yīng)變整個過程的緩變信號。

1.1 試驗(yàn)步驟

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備。選用DN100熱鍍鋅鋼管4根，3 m/根，鋼管母材為Q235鋼。選材原因：①根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，小口徑地下管道較大口徑管道更易受震害影響[12-13]；②DN100鋼管使用范圍廣，材料主流；③管道長達(dá)3 m，應(yīng)變片貼于鋼管中部，可近似忽略管道兩端影響。

圖1 TC-4850N測試儀 圖2 DH3820應(yīng)變測試系統(tǒng)Fig.1 TC-4850N vibration meter Fig.2 DH3820 strain test system

(2)應(yīng)變片安裝。應(yīng)變片先與端子焊接，再采用120R三線制1/4橋的橋路連接方式與屏蔽線焊，最后貼于管道中部表明。每根管道貼兩個應(yīng)變片，分別與管道軸向、環(huán)向平行，如表1所示。

(3)測點(diǎn)布置。根據(jù)爆破區(qū)域地形環(huán)境、施工情況選擇管道埋設(shè)位置。在爆破區(qū)域的一側(cè)選擇符合敷設(shè)條件、可安放測振儀、應(yīng)變儀的測點(diǎn)，布置如圖3所示，相關(guān)信息列于表1。

(4)管道埋設(shè)。管道填埋方式為直埋式，利用大型挖掘機(jī)械開挖管溝并填埋。填埋過程中注意保護(hù)應(yīng)變片完好，并標(biāo)記好每根屏蔽線對應(yīng)的管道軸向或環(huán)向。

(5)應(yīng)變儀安裝。DH3820控制器與電源、電腦、數(shù)據(jù)采集器連接，然后進(jìn)行調(diào)試。打開8個檢測通道分別對應(yīng)1號、2號、3號、4號管軸向、徑向應(yīng)變。

(6)測振儀安裝。用石膏粉將三向速度傳感器固定于地下管道中部的地表，x方向?qū)?zhǔn)爆區(qū)中心。

(7)數(shù)據(jù)采集。準(zhǔn)備就緒后，TC-4850N保持開機(jī)狀態(tài)等待觸發(fā)。起爆前點(diǎn)擊DH3820軟件開始采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。起爆后，TC-4850N記錄下爆破振動信號，DH3820收集管道應(yīng)變信號。

表1 測點(diǎn)布置相關(guān)信息

圖3 試驗(yàn)測點(diǎn)及儀器布置圖Fig.3 Measuring point and instrument distribution

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)進(jìn)行6次，測得6組振動數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)，每組4臺測振數(shù)據(jù)及7個應(yīng)變數(shù)據(jù)(3號管道軸向應(yīng)變片受損，未檢測到有效應(yīng)變數(shù)據(jù))，一共24個三向振動信號和42個應(yīng)變數(shù)據(jù)，管道應(yīng)變是管道受振動影響而發(fā)生的微小形變，相較于應(yīng)力可直接描述管道形狀的變化程度，因此試驗(yàn)用管道應(yīng)變而非應(yīng)力表示管道受振動影響程度。

2.1 測振數(shù)據(jù)

圖4 試驗(yàn)1 1號測振儀振動波形圖Fig.1 Vibration waveform of No.1 vibration meter of test 1

試驗(yàn)編號儀器編號V/(cm·s-1)R/mQ/kgx=lnQ13Ry=lnV123456135．766．48212．7112．934．7528．8143．7833．09139．095．75225．4512．5535．5328．6544．8832．95131．539．79225．7010．0537．8526．1544．4230．4515．4113．1528．6218．6939．5226．154/30．618．5720．8826．9420．61313．6326．624/30．8614．777．7222．3612．2535．9327．074/31．24162427．232489．6-0．943．58-1．632．54-2．441．56-2．571．33-0．693．67-1．473．24-2．301．71-2．441．59-1．183．45-1．213．25-2．162．06-2．321．49-1．421．69-1．772．15-2．112．25//-1．752．15-1．742．94-1．992．61//-1．291．56-1．750．85-2．541．78//

2.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)

DH3820記錄相應(yīng)通道微應(yīng)變με即應(yīng)變ε的106倍。曲線中正值表示拉應(yīng)變，負(fù)值表示壓應(yīng)變，應(yīng)變實(shí)時曲線因電磁干擾，出現(xiàn)均勻的上下波動屬于正?，F(xiàn)象，因此對均勻干擾部分進(jìn)行處理。試驗(yàn)1通道2(1號環(huán)向)應(yīng)變曲線如圖5所示。統(tǒng)計(jì)軸向、環(huán)向應(yīng)變最大值、最小值列于表3。試驗(yàn)中3號管軸向應(yīng)變通道無法檢測平衡，未檢測到有效數(shù)據(jù)。

圖5 試驗(yàn)1通道2(1號環(huán)向)應(yīng)變曲線Fig.5 Strain curve of No.1 circumferential strain of Test 1

試驗(yàn)編號管道編號軸向拉應(yīng)變軸向壓應(yīng)變環(huán)向拉應(yīng)變環(huán)向壓應(yīng)變123456128．5965．4141．5751．442////3//270．77415．01415．23108．668．7328．581124．40133．1177．67105．43220．6810．695．887．493//2．867．5643．825．176．81．12190．8577．2540．5879．5326．9412．024．306．693//0．836．6143．695．254．963．265113．853．078．776．33210．4614．5813．6610．993//22．4915．2849．983．014．530．9916．172．8310．2813．5125．802．895．203．803//26．0716．0540．260．954．022．1114．322．464．144．4921．280．601．630．833//4．368．8142．630．493．400．27

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 基于薩道夫斯基公式的振動數(shù)據(jù)線性回歸分析

圖6 峰值振速線性回歸分析Fig.6 Linear regression of peak velocity

3.2 合成峰值振速與各應(yīng)變的擬合分析

以峰值振速為自變量，應(yīng)變?yōu)橐蜃兞?，對峰值振速與應(yīng)變進(jìn)行擬合分析，去掉一個偏差較大點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)指數(shù)增長關(guān)系。峰值振速與軸向拉應(yīng)變、軸向壓應(yīng)變關(guān)系如圖7、圖8所示；與環(huán)向拉應(yīng)變、環(huán)向壓應(yīng)變關(guān)系如圖9、圖10所示。

如圖7～圖10所示：①管道最大軸向拉應(yīng)變?yōu)?.24×10-4、最大軸向壓應(yīng)變?yōu)?.33×10-4，最大環(huán)向拉應(yīng)變?yōu)?.77×10-5、最大環(huán)向壓應(yīng)變?yōu)?.04×10-4，根據(jù)4.1節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，軸向環(huán)向應(yīng)變均未超過管道最大容許應(yīng)變，管道試驗(yàn)過程中應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)；②相同振速條件下軸向應(yīng)變大于環(huán)向應(yīng)變；③管道受破壞程度與爆破振動振速成正相關(guān)，隨著峰值振速的增大，管道應(yīng)變成指數(shù)增長趨勢；④當(dāng)振速較小時，管道形變較?。划?dāng)振速超過一定范圍時，管道應(yīng)變隨之突然增大，由此可見爆破振動安全振速范圍的重要性。

圖7 合成峰值振速V與最大軸向拉應(yīng)變擬曲線圖8 峰值振速V與最大軸向壓應(yīng)變擬合曲線圖9 峰值振速V與最大環(huán)向拉應(yīng)變擬合曲線圖10 峰值振速V與最大環(huán)向壓應(yīng)變擬合曲線Fig．7VandaxialtensilestrainfittingrelationshipFig．8VandaxialcompressivestrainfittingrelationshipFig．9VandcircumferentialtensilestrainfittingrelationshipFig．10Vandcircumferentialcompressivestrainfittingrelationship

4 地下管道受震害影響風(fēng)險預(yù)測

4.1 計(jì)算管道最大容許應(yīng)變

(1)試驗(yàn)采用DN100的熱鍍鋅Q235鋼管，外徑D=114.3 mm；壁厚δn=4 mm；泊松比μ=0.3；回填溫度t1=25℃；管道彈性屈服強(qiáng)度和塑性屈服強(qiáng)度分別為：σ1= 282 MPa、σ2=425 MPa；彈性模量E=2.0×105Mpa；彈性區(qū)應(yīng)變ε=0.001 4；伸長率20%。管道、管材參數(shù)如表5所示。

(2)計(jì)算管道應(yīng)變[14]

根據(jù)《輸油(氣)鋼質(zhì)管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，取相當(dāng)于設(shè)計(jì)疲勞曲線應(yīng)變循環(huán)總數(shù)為40～50次的應(yīng)變值為埋地管道的容許拉伸應(yīng)變[εt] =1%[16]。假定埋地管道的直管段在地震波中所產(chǎn)生的應(yīng)變是全截面均勻的拉伸或壓縮。

管道容許壓縮應(yīng)變

管道正常工作條件下的應(yīng)力應(yīng)變

軸向應(yīng)力為

σL=μσh+E1α(t1-t2)=69.778MPa

式中：管材線膨脹系數(shù)α=12.68×10-6℃-1;工作溫度t2=50 ℃。

環(huán)向應(yīng)力為

式中：d為管道內(nèi)徑;工作壓力P=1.6 Mpa。

軸向應(yīng)變?yōu)?/p>

環(huán)向應(yīng)變?yōu)?/p>

(3)軸向應(yīng)變組合

假定爆破地震波沒有破壞與管道接觸介質(zhì)的完整性和連續(xù)性，振動引起的最大軸向應(yīng)變與管道工作狀態(tài)下引起的應(yīng)變組合計(jì)算如下所示。

若管道產(chǎn)生拉伸應(yīng)變：εmax+εL≥0，εmax+εL≤[εt]v，其中[εt]v=1%，εL=3.49×10-4，故εmax≤ 9.65×10-3。

綜上所述，-1.25×10-2≤εmax≤ 9.65×10-3為管道軸向容許承受應(yīng)變范圍。

(4)環(huán)向應(yīng)變組合

若管道產(chǎn)生拉伸應(yīng)變：εmax+εh≥0，εmax+εh≤[εt]v，其中[εt]v=1%，εh=1.06×10-4，故εmax≤9.89×10-3。

綜上所述，-1.23×10-2≤εmax≤9.89×10-3為管道環(huán)向容許承受應(yīng)變范圍。

因此，管道軸向和環(huán)向容許應(yīng)變值如表4所示。

表4 管道軸向和環(huán)向最大容許應(yīng)變

4.2 風(fēng)險預(yù)測

地下管道應(yīng)變y隨峰值振速V的變化趨勢呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，二者擬合曲線列于表5。

表5 峰值振速與應(yīng)變擬合曲線

據(jù)此進(jìn)行爆破振動對地下管道的風(fēng)險預(yù)測。用峰值振速表示應(yīng)變，且應(yīng)在軸向拉應(yīng)變、軸向壓應(yīng)變、環(huán)向拉應(yīng)變、環(huán)向壓應(yīng)變的最大容許范圍內(nèi)

表6 不同最大段裝藥量Qmax下的安全距離R

地下管道與爆破區(qū)域距離較近時，須嚴(yán)格控制最大段裝藥量，根據(jù)該工程爆破施工實(shí)際情況，最大段裝藥量控制在300 kg以下，因此管道的安全距離為25.25 m，而《石油天然氣管道保護(hù)條例》規(guī)定“管道中心線兩側(cè)或者管道設(shè)施場區(qū)外各50 m范圍內(nèi)禁止爆破”。因此，爆破施工區(qū)域附近存在地下管道，應(yīng)根據(jù)爆區(qū)地質(zhì)地形條件、爆區(qū)周圍環(huán)境、地下管道分布等實(shí)際情況控制爆破振動效應(yīng)，可根據(jù)現(xiàn)場爆破振動、管道應(yīng)變監(jiān)測，分析監(jiān)測結(jié)果為合理優(yōu)化爆破施工設(shè)計(jì)方案提供可靠依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1)通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，地表合成峰值振速與地下管道軸向、環(huán)向應(yīng)變呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(2)地下管道附近進(jìn)行爆破施工時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件預(yù)測管道地表最大峰值振速及爆破施工安全距離從而指導(dǎo)爆破施工。因而，僅僅規(guī)定“50 m范圍禁止爆破施工”是不科學(xué)的。

本文提供了一種切實(shí)可行的試驗(yàn)監(jiān)測方法：基于管道相關(guān)資料和管道破壞應(yīng)變準(zhǔn)則，建立峰值速度與管道破壞的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)地表振動信號預(yù)測地下管道最大允許峰值振速，進(jìn)而預(yù)測地下管道的爆破施工安全距離。實(shí)際生產(chǎn)中，地質(zhì)條件、管道填埋方式、埋深、失效形式不同的情況下，爆破振動對管道的影響有待進(jìn)一步深入研究。

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Experiments for effect of blasting vibration on underground pipeline and risk prediction

ZHANG Liming1, ZHAO Mingsheng2,3, CHI En’an1,2, HUANG Bo1, HE Xinggui1

(1. Mining College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Xinlian Blasting Engineering Limited Company, Guiyang 550002, China; 3. China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

To explore the influence of blasting vibration on underground pipelines, the peak particle velocity was used as a criterion of blasting vibration and the strain was used as a criterion of underground pipeline affected by vibration. A TC-4850N blasting vibration measurer and a DH3820 static strain test system were used to monitor the blasting construction of a project. They measured surface vibration signal and the axial and circumferential strain of the pipe. Fitting analysis of peak particle velocity and pipeline strain shows that there is exponential relationship between blasting vibration peak particle velocity and axial and circumferential strain of corresponding underground pipelines. The fitting relationship was combined with the attenuation law of blasting vibration to predict the maximum ground peak velocity that the pipeline can support. The safe distance was 25.25 m. Thus it needs to improve the 50 m prohibiting range in blasting and forecast the safe distance of underground pipeline according to the actual situation.

blasting vibration; peak particle velocity; strain; fitting analysis; safety criterion

國家自然科學(xué)基金(51664007)；黔科合高G字[2015]4004；貴州省工業(yè)和信息化發(fā)展專項(xiàng)基金計(jì)劃(2015030)；貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)黔科合人才(2016)4030號

2016-02-14 修改稿收到日期： 2016-07-01

張黎明 女，碩士生，工程師，1990年生

趙明生 男，博士后，研究員，1982年生

TD235

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.038