爆破振動(dòng)對(duì)管道安全性影響評(píng)估研究

馬偉平，姜旭，李貴榮，李萌

1.中國(guó)石油管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

2.中國(guó)石油天然氣銷售陜西分公司（陜西 西安 710000）

3.中國(guó)石油西南管道天水輸油氣分公司（甘肅 天水 741002）

4.中國(guó)石油管道長(zhǎng)春輸油氣分公司（吉林 長(zhǎng)春 130000）

“十四五”期間，我國(guó)油氣管道仍將處在高速發(fā)展階段，預(yù)防管道事故是管道企業(yè)的重要職責(zé)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，第三方破壞成為導(dǎo)致管道事故的重要因素，爆破是常見的第三方施工活動(dòng)，如安全距離不足或無防護(hù)措施，可能造成管道焊縫斷裂和油氣泄漏事故[1]?！妒吞烊粴夤艿辣Ｗo(hù)法》要求距離管道中心200 m和管道設(shè)施500 m范圍內(nèi)進(jìn)行爆破時(shí)，爆破施工單位和管道企業(yè)共同審定安全作業(yè)方案。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》缺少爆破對(duì)長(zhǎng)輸管道安全影響的判定依據(jù)，管道附近爆破施工方案安全審查存在差異，管道企業(yè)和爆破施工單位矛盾普遍[2]；實(shí)踐證明，稍大于200 m的爆破仍可能威脅管道安全?！妒吞烊粴夤艿辣Ｗo(hù)法》針對(duì)200 m臨界值的爆破未完全禁止，缺少必要防護(hù)措施，可能造成安全隱患。研究爆破施工對(duì)管道的影響程度，確定爆破施工安全距離，是管道行業(yè)關(guān)注的重要問題。

1 爆破對(duì)管道的危害形式

油氣管道采用埋地敷設(shè)，爆破對(duì)管道的破壞作用是爆破產(chǎn)生的地震波。首先爆破地震波沿地面?zhèn)鬟f給管道，管道產(chǎn)生振動(dòng)，造成管道位移和變形，如附加應(yīng)力超過管材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，甚至導(dǎo)致管道斷裂；爆破地震波破壞管道埋設(shè)區(qū)域環(huán)境，引發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害，造成管道彎曲、屈曲和凹陷等。爆破造成的其他危害形式包括毒性氣體、飛石和粉塵等。一般的管道規(guī)劃和勘察選線階段盡可能避開高地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，或者采用彈性敷設(shè)、增加壁厚和換土回填等防護(hù)措施。爆破對(duì)管道的主要危害形式是爆破地震波引起的管道振動(dòng)破壞。

2 爆破地震波傳播機(jī)理

爆破地震波產(chǎn)生過程：預(yù)制炸藥起爆后，能量釋放形成的沖擊荷載瞬間上升到最大值，首先將附近的巖石粉碎，然后爆炸沖擊波強(qiáng)度快速減小，衰變?yōu)閴嚎s應(yīng)力波和爆破地震波。這兩種波形的強(qiáng)度不能繼續(xù)粉碎巖石，只能引起土體和設(shè)施的強(qiáng)烈振動(dòng)，但其能量可傳播至較遠(yuǎn)距離，直至爆炸能量被周圍介質(zhì)吸收、消耗。爆破地震波傳播至管道，引起管道振動(dòng)和發(fā)生位移變形。

爆破地震波傳播規(guī)律：爆破地震波隨著傳播距離增加，能量逐漸衰減。距離起爆點(diǎn)越遠(yuǎn)，管道振動(dòng)幅度和危害程度越小。爆破地震波是由多種波形組成的復(fù)雜波系，包括縱波、橫波、洛夫波和瑞利波。爆炸能量主要取決于炸藥類型和炸藥當(dāng)量，管道敷設(shè)周圍的巖土性質(zhì)不同，其吸收爆炸能量以及爆炸地震波衰變規(guī)律存在差異，這些都是影響爆破地震波強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)[3]。管道工程實(shí)踐表明，低爆速炸藥爆轟壓力上升慢，爆破振動(dòng)相對(duì)較小；斷層、裂隙、河谷、采空區(qū)等特殊地質(zhì)條件可降低爆破振動(dòng)強(qiáng)度；采用微差、淺孔、密孔爆破方法可減小爆破振動(dòng)強(qiáng)度；管道埋設(shè)區(qū)域?yàn)樯巴?、黏土層，相?duì)巖石、凍土層區(qū)域，相同炸藥量級(jí)下爆破振動(dòng)強(qiáng)度較小。

3 爆破對(duì)管道安全影響的判定準(zhǔn)則

為制定爆破對(duì)管道安全影響的判定準(zhǔn)則，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行很多相關(guān)研究。初期階段一般采用單一評(píng)價(jià)參數(shù)極限值作為管道安全判定準(zhǔn)則，如爆破振動(dòng)速度、土體沉降量和管道位移量等參數(shù)。隨著研究深入，確定質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的重要影響因素是爆破振動(dòng)頻率，形成了基于主振頻率—振動(dòng)速度的爆破安全判定準(zhǔn)則。近年來，爆破施工已成為管道沿線重要的第三方活動(dòng)形式，除持續(xù)關(guān)注爆破地震波的破壞作用，管道企業(yè)和社會(huì)公眾開始考慮爆破施工對(duì)管道周圍環(huán)境、人員和建（構(gòu)）筑物的影響，例如計(jì)算爆破安全距離、飛石安全距離和控制爆破噪聲聲壓等。

3.1 峰值振動(dòng)速度

目前較為公認(rèn)的觀點(diǎn)是，研究爆破對(duì)管道安全影響，實(shí)質(zhì)上是研究爆破地震波造成的管道振動(dòng)強(qiáng)弱問題。由于爆破地震波傳遞能量衰減，管體振動(dòng)速度不斷變化。為便于研究和統(tǒng)一判定準(zhǔn)則，選取特定頻率下的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度作為爆破對(duì)管道安全影響的判定準(zhǔn)則。國(guó)內(nèi)外典型的爆破施工案例中，中石化川氣東送管道爆破施工安全評(píng)審報(bào)告中指出不大于3.0 cm/s峰值振動(dòng)速度作為輸氣管道安全判定準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[4]研究了隧道爆破施工對(duì)附近輸油管道安全影響，經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證，爆破對(duì)輸油管道安全影響的最大振動(dòng)速度為3.0 cm/s。文獻(xiàn)[5]梳理了在役油氣管道附近爆破施工的風(fēng)險(xiǎn)因素類型，指出安全的管體振動(dòng)速度范圍是7～15 cm/s。Sadovsky提出管體振動(dòng)速度小于10 cm/s的風(fēng)險(xiǎn)可接受；Langefalls提出管體振動(dòng)速度小于7.1 cm/s可不考慮風(fēng)險(xiǎn)性；Edwards提出管道振動(dòng)速度極限值是5 cm/s。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定管道通過地震動(dòng)峰值加速度大于0.1 g地區(qū)時(shí)應(yīng)進(jìn)行抗震強(qiáng)度校核。根據(jù)GB/T 17742—2008《中國(guó)地震烈度表》地震動(dòng)峰值加速度0.1 g對(duì)應(yīng)地震動(dòng)峰值速度范圍為6～13 cm/s。從管材強(qiáng)度設(shè)計(jì)角度說明管道具備抵抗振動(dòng)速度大于6 cm/s的抗震能力。2008年汶川大地震中蘭成渝、川氣東送、忠武輸氣管道遭受破壞。此外管道通過地震高發(fā)區(qū)采用彈性敷設(shè)、增加壁厚、換土回填等專用的防護(hù)措施。

GB 6722—2014給出了不同主振頻率（f）下各種類型建筑物的爆破安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度（表1），但建筑物類型中未涵蓋長(zhǎng)輸油氣管道。長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)中進(jìn)行抗震強(qiáng)度設(shè)計(jì)和載荷校核，具有一定抗震能力。GB 6722—2014定義的民用建筑物泛指未經(jīng)專門抗震設(shè)計(jì)，推斷長(zhǎng)輸管道的爆破安全判定準(zhǔn)則可參考工業(yè)和商業(yè)建筑物。值得指出，GB 6722—2014中針對(duì)發(fā)電廠控制室的爆破安全標(biāo)準(zhǔn)高于一般民用建筑物。與此類似，油氣站場(chǎng)（控制中心）的爆破安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于管道干線?？紤]長(zhǎng)輸油氣管道屬于國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施，綜合上述研究成果和GB6722—2014的規(guī)定，建議爆破對(duì)管道安全影響的判定準(zhǔn)則選擇3～6 cm/s的峰值振動(dòng)速度范圍比較適宜。

表1 不同主振頻率（f）下爆破振動(dòng)安全點(diǎn)振動(dòng)速度

3.2 爆破飛石安全距離

預(yù)埋炸藥起爆后，爆炸能量大部分破碎周圍巖石，另一部分能量以氣體急劇膨脹形式，推動(dòng)碎石高速運(yùn)動(dòng)，形成飛石。GB 6722—2014規(guī)定了炸藥爆炸形成的飛石對(duì)人員和建筑（構(gòu)）物影響的安全距離。

式中：Rf為飛石安全距離，m；Kf為與地質(zhì)、風(fēng)側(cè)相關(guān)的可靠系數(shù)，一般取值1.1～1.5；W為工程爆破最小抵抗線，m；n為爆破影響指數(shù)。

3.3 爆破噪聲控制

為減緩爆破聲波對(duì)施工人員和附近公眾的健康影響，應(yīng)控制爆破區(qū)域20 m以外噪音分貝不高于90 dB，聲壓級(jí)不高于120 dB。爆破噪聲聲壓級(jí)計(jì)算如下：

式中：S為聲壓級(jí)別，dB；ΔP為爆破噪聲聲壓，美國(guó)環(huán)保局推薦聲壓安全值為0.002 MPa；P0為聲壓有效值，在噪聲測(cè)量技術(shù)中一般取值5～10 MPa。

4 減緩爆破對(duì)管道安全影響的措施

近年來，管道附近爆破施工較為普遍，結(jié)合爆破安全評(píng)審要求，制定科學(xué)、合理爆破方案，主要是選擇合適爆破方法和爆破參數(shù)，包括計(jì)算炸藥當(dāng)量值，設(shè)置炮孔連線和起爆方式、安全起爆及環(huán)境保護(hù)措施等。管道工程實(shí)踐證明，減少爆破地震波強(qiáng)度的有效措施如下[6]。

1）含碎石、石塊較多的管溝宜采用松動(dòng)爆破法（淺孔、密孔爆破）。

2）嚴(yán)格限制管段內(nèi)炸藥裝填量，宜采用多段微差爆破方式。

3）炸藥類型選用低爆速炸藥和不耦合裝藥。

4）為防止爆破破壞邊坡穩(wěn)定性，采取預(yù)裂爆破技術(shù)。

5）若條件允許，在爆破位置與管道之間開挖防振溝，可有效減小地震波強(qiáng)度。

5 管道附近爆破施工安全距離

若已制定爆破技術(shù)方案，爆破安全距離只取決于控制管道振動(dòng)強(qiáng)度。根據(jù)上述爆破對(duì)管道安全影響的判定準(zhǔn)則，峰值振動(dòng)速度范圍控制在3～6 cm/s，即可確定管道附近爆破施工的安全距離

式中：V為管道質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；Q為炸藥當(dāng)量，kg；R為從起爆中心到管道中心線的距離，m；K、α分別是與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的安全系數(shù)和衰減系數(shù)，GB 6722—2014規(guī)定了不同巖性巖石的推薦值。

按照上述爆破對(duì)管道安全影響的判定準(zhǔn)則，計(jì)算了管道附近爆破施工安全距離，見表2和表3?？梢钥闯?，在計(jì)算示例給定范圍內(nèi)（炸藥量小于1 000 kg），管道附近爆破施工安全距離最大值為135.7 m，油氣站場(chǎng)附近爆破施工安全距離最大值為358.1 m，《石油天然氣管道保護(hù)法》中安全距離要求分別是200 m和500 m。因此，針對(duì)實(shí)際爆破工程案例，應(yīng)根據(jù)爆破方案和管道情況，除參考《石油天然氣管道保護(hù)法》的要求，還應(yīng)進(jìn)行爆破安全距離核算。

表2 管道附近爆破施工安全距離

表3 油氣站場(chǎng)附近爆破施工安全距離

6 結(jié)論

爆破對(duì)管道安全性的影響涉及管材特性、爆破方案及周邊地質(zhì)、環(huán)境條件等因素。管道施工過程中的基本原則：合理控制爆破地震波的傳播速度，科學(xué)計(jì)算安全距離、合理控制噪音分貝和聲壓級(jí)。為保障管道本體和人員公眾安全，為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、避免爆破安全評(píng)審差異化，提出下列建議：

1）選擇3～6 cm/s的峰值振動(dòng)速度作為爆破對(duì)管道安全影響的判定準(zhǔn)則，制定和評(píng)審爆破施工技術(shù)方案時(shí)，按照此準(zhǔn)則核算爆破安全距離、飛石安全距離和爆破噪聲聲壓等。修訂GB 6722—2014時(shí)應(yīng)補(bǔ)充爆破對(duì)管道安全影響及防護(hù)措施等內(nèi)容。

2）爆破對(duì)管道安全影響除關(guān)注振動(dòng)破壞，還應(yīng)關(guān)注爆破誘發(fā)次生災(zāi)害對(duì)管道的破壞以及管材和焊縫缺陷等薄弱環(huán)節(jié)，爆破可能促進(jìn)缺陷增長(zhǎng)導(dǎo)致管道事故。建議參照SY/T 7040—2016《油氣輸送管道工程地質(zhì)災(zāi)害防治設(shè)計(jì)規(guī)劃》進(jìn)行分析和 評(píng)估。

3）為減少爆破施工對(duì)管道周圍環(huán)境的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制炸藥量，并采取降震和降噪聲防護(hù)措施。

4）應(yīng)進(jìn)一步研究爆破地震波的能量傳播衰減機(jī)理，特別是研究爆破地震波的破壞演化過程并定量表征破壞程度。