輸水隧洞與石油管道交叉段爆破施工及監(jiān)測(cè)方案分析

路國(guó)娟

(中國(guó)水利水電第六工程局有限公司，沈陽(yáng) 110179)

0 前 言

為確保施工安全，嚴(yán)格按照國(guó)家安全法律法規(guī)及石油管線安全保護(hù)規(guī)定制定切實(shí)可行的施工方案，保證交叉段輸水隧洞施工對(duì)石油管線不造成任何影響。 爆破施工時(shí)，施工中不斷改進(jìn)優(yōu)化爆破參數(shù)，并嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)施工，加強(qiáng)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，確保管線安全?？茖W(xué)合理安排施工順序，緊抓石方爆破、挖運(yùn)關(guān)鍵工序，確保工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)， 配備的機(jī)械設(shè)備及施工人員滿足管線穿越施工要求，保證總工期實(shí)現(xiàn)。

1 交叉影響段概況

該工程位于遼寧鐵嶺縣境內(nèi)，合同主體為輸水隧洞，為有壓洞，開挖斷面為圓拱斜墻形，成洞斷面為圓形，D=3.9m，共布置四條施工支洞。根據(jù)鐵嶺縣石油管線管理站工作人員提供的信息，石油管道直徑為D711mm，壁厚8mm，管線埋深1.5m，附近無(wú)管道附屬設(shè)施。在鐵嶺縣石油管線管理站工作人員的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下，共同測(cè)量了石油管線的走線位置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及輸水工程設(shè)計(jì)圖紙,此施工段輸水隧洞與石油管線存在兩處交叉，一處相鄰。

表1 輸水隧洞與石油管線交叉參數(shù)

整個(gè)隧洞工程其中有896.49m在石油管線兩側(cè)各200m范圍內(nèi)，因此，該標(biāo)段工程存在三處位置必須按《中華人民共和國(guó)石油天然氣管道保護(hù)法》所要求的200m控制范圍進(jìn)行施工控制，根據(jù)《中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法》及鐵嶺縣能源安全生產(chǎn)委員會(huì)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行控制爆破方案的編制，對(duì)支洞控制段在石油管線200m范圍內(nèi)的輸水隧洞開挖施工實(shí)施控制爆破。

2 爆破設(shè)計(jì)安全復(fù)核及控制措施

2.1 Ⅲ類圍巖爆破安全復(fù)核

根據(jù)不同圍巖類別及爆破影響距離進(jìn)行爆破振動(dòng)安全允許距離計(jì)算，爆破振動(dòng)安全允許距離及最大單響藥量計(jì)算。

(1)

式中：Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，單位kg；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，cm/s；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)；R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m。

圖1 輸水隧洞Ⅲ類圍巖開挖炮孔布置示意圖

爆破振動(dòng)復(fù)核：

*#支洞控制段與石油管道交叉段，Ⅲ類圍巖洞段最小距離單響藥量計(jì)算：

(2)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離127.76m，計(jì)算取125m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅲ類圍巖洞段取值150；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅲ類圍巖洞段取值1.3；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，單位cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，單位kg。

計(jì)算施工應(yīng)控制最大單響藥量為140.08kg>22.5kg(原設(shè)計(jì)施工方案Ⅲ類圍巖控制最大單響藥量)。

*#支洞控制段與石油管道交叉段，Ⅲ類圍巖洞段,原設(shè)計(jì)方案Ⅲ類圍巖最大單響藥量爆破安全允許距離計(jì)算：

(3)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅲ類圍巖洞段取值150；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅲ類圍巖洞段取值1.3；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，單位cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，取值22.5kg[1]。

經(jīng)計(jì)算，施工爆破安全允許距離為67.95m<127.76m。

結(jié)論：根據(jù)爆破安全復(fù)核結(jié)果，Ⅲ類圍巖原爆破施工參數(shù)滿足爆破振動(dòng)控制要求可不做調(diào)整。

2.2 Ⅳ類圍巖爆破振動(dòng)復(fù)核

表2 輸水隧洞Ⅳ類圍巖洞挖炮孔特性表

爆破振動(dòng)復(fù)核：

*#支洞控制段與石油管道交叉段，Ⅳ類圍巖洞段最小距離單響藥量核算,根據(jù)公式計(jì)算：

(4)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離36.53m，計(jì)算取36m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值250；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值1.5；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，單位cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，單位kg。

施工應(yīng)控制最大單響藥量為4.3kg<16.9kg(施工原設(shè)計(jì)方案Ⅳ類圍巖控制最大單響藥量)。

*#支洞控制段與石油管道交叉段，Ⅳ類圍巖洞段,原設(shè)計(jì)方案Ⅳ類圍巖最大單響藥量爆破安全允許距離計(jì)算：

(5)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值250；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值1.5；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，單位cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，取值16.9Kg。

經(jīng)計(jì)算，施工爆破安全允許距離為56.81m>36.53m。

結(jié)論：根據(jù)爆破安全復(fù)核結(jié)果，Ⅳ類圍巖原爆破施工參數(shù)不滿足爆破振動(dòng)控制要求，必須進(jìn)行調(diào)整。

2.3 Ⅴ類圍巖爆破振動(dòng)復(fù)核

表3 輸水隧洞Ⅴ類圍巖洞挖炮孔特性表

爆破振動(dòng)復(fù)核：*#支洞控制段與石油管道交叉段，Ⅴ類圍巖洞段最小距離單響藥量計(jì)算：

(6)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離26.68m，計(jì)算取26m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅴ類圍巖洞段取值350；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅴ類圍巖洞段取值1.8；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，單位cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，單位kg。

施工應(yīng)控制最大單響藥量為4.35kg<13.65kg(施工原設(shè)計(jì)方案Ⅴ類圍巖控制最大單響藥量)。

*#支洞控制段與石油管道交叉段，Ⅴ類圍巖洞段,原設(shè)計(jì)方案Ⅴ類圍巖最大單響藥量爆破安全允許距離計(jì)算：

(7)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅴ類圍巖洞段取值350；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅴ為類圍巖洞段取值1.8；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，取值13.65kg。

根據(jù)公式計(jì)算，施工爆破安全允許距離為38.07m>26m。

結(jié)論：根據(jù)爆破安全復(fù)核結(jié)果，Ⅴ類圍巖原爆破施工參數(shù)不滿足爆破振動(dòng)控制要求，必須進(jìn)行調(diào)整最大單響藥量。

2.4 爆破試驗(yàn)調(diào)整參數(shù)、采取的技術(shù)措施

為保證石油管線交叉影響段正常運(yùn)行，根據(jù)各洞段不同部位爆破控制單響藥量進(jìn)行各段影響區(qū)段爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，采取短進(jìn)尺、弱爆破、先導(dǎo)洞開挖、再光爆進(jìn)行布孔控制。導(dǎo)洞鉆孔前準(zhǔn)確測(cè)畫出掏槽孔位置，為使爆破后不留根底形成平整的底部平臺(tái)，故在鉆孔時(shí)要考慮超深。第二次鉆孔前準(zhǔn)確測(cè)畫出周邊光爆孔位置，為使爆破后不留根底形成平整的底部平臺(tái)，故在鉆孔時(shí)要考慮超深。

Ⅳ類圍巖，導(dǎo)洞布置掏槽孔、輔助孔、崩落孔、底孔四種，掏槽孔深1.75m、輔助孔深1.65m、崩落孔深1.5m、底孔深1.55m；再光爆施工布置崩落孔、底孔、周邊孔三種，崩落孔深1.5m、底孔與周邊孔深均為1.55m。

Ⅴ類圍巖，導(dǎo)洞布置掏槽孔、輔助孔、底孔三種，掏槽孔深1.3m、輔助孔與底孔深均為1.1m；再光爆施工布置崩落孔、底孔、周邊孔三種，崩落孔深1m、底孔與周邊孔深均為1.1m。Ⅳ類、Ⅴ類圍巖爆破均采用非電毫秒延時(shí)雷管孔內(nèi)分段，起爆針起爆。

起爆網(wǎng)絡(luò)：為了避免因爆破震動(dòng)造成石油管線被破壞，使用非電塑料導(dǎo)爆管毫秒延時(shí)雷管，采用孔內(nèi)延時(shí)，單孔起爆微差延時(shí)爆破網(wǎng)絡(luò)，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖最大單響起爆藥量分別≤4.3kg、4.35kg。

2.4.1 交叉段，Ⅳ類圍巖洞段最小距離單響藥量算：

(8)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離36.53m，計(jì)算取36m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值250；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值1.5；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，單位cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，單位kg。

施工應(yīng)控制最大單響藥量為4.3kg>4.2kg(調(diào)整設(shè)計(jì)方案Ⅳ類圍巖控制最大單響藥量)。

*#支洞控制段與石油管道交叉段，Ⅳ類圍巖洞段,原設(shè)計(jì)方案Ⅳ類圍巖最大單響藥量爆破安全允許距離計(jì)算：

(9)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值250；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值1.5；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，單位cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，取值4.2kg。

計(jì)算，施工爆破安全允許距離為35.72m<36.53m。

結(jié)論：根據(jù)爆破安全復(fù)核結(jié)果，Ⅳ類圍巖洞段調(diào)整設(shè)計(jì)方案爆破施工參數(shù)滿足爆破振動(dòng)控制要求。

2.4.2 交叉段Ⅴ類圍巖爆破振動(dòng)復(fù)核：

*#支洞控制段與石油管道交叉段，Ⅴ類圍巖洞段最小距離單響藥量計(jì)算：

(10)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離26.68m，計(jì)算取26m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅴ類圍巖洞段取值350；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅴ類圍巖洞段取值1.8；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，單位cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，單位kg。

計(jì)算，施工應(yīng)控制最大單響藥量為4.35Kg>3.9Kg(調(diào)整設(shè)計(jì)方案Ⅴ類圍巖控制最大單響藥量)。

*#支洞控制段與石油管道交叉段，Ⅴ類圍巖洞段,原設(shè)計(jì)方案Ⅴ類圍巖最大單響藥量爆破安全允許距離計(jì)算：

(11)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；K為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件和爆破有關(guān)的系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值350；α為爆破地震隨距離衰減系數(shù)，Ⅳ類圍巖洞段取值1.8；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)速度，單位cm/s,取值2.4cm/s；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，取值3.9kg。

經(jīng)計(jì)算，施工爆破安全允許距離為25.07m<26.68m。

結(jié)論：根據(jù)爆破安全復(fù)核結(jié)果，Ⅴ類圍巖洞段調(diào)整設(shè)計(jì)方案爆破施工參數(shù)滿足爆破振動(dòng)控制要求。

3 施工監(jiān)測(cè)

3.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

施工方案合理分析關(guān)鍵在于爆破參數(shù)的合理性、防護(hù)措施的有效性和管線運(yùn)行的安全性，進(jìn)行爆破試驗(yàn)，根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定和工程試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，采用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)保護(hù)對(duì)象受振動(dòng)是否安全的依據(jù)，確定了本段石油管線的最大允許振速為2.5cm/s,在爆破試驗(yàn)工程中，對(duì)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)振動(dòng)結(jié)果對(duì)爆破方案進(jìn)行調(diào)整，計(jì)劃爆破試驗(yàn)在進(jìn)入管線200m之前進(jìn)行，從震源到石油管線方向共布置4個(gè)振動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)(200m、100m、50m、管線交叉點(diǎn))，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均布置水平和鉛垂向兩臺(tái)監(jiān)測(cè)傳感器。

爆破產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)，在某一點(diǎn)的振速和頻率都是隨空間距離與時(shí)間變化的函數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，可以得到當(dāng)?shù)氐匦螚l件下的爆破地震波傳播衰減規(guī)律。通過(guò)數(shù)據(jù)分析結(jié)論進(jìn)行爆破參數(shù)調(diào)整，提前采取防震措施，為交叉點(diǎn)爆破作業(yè)提供更具操作性的爆破參數(shù)。

成立專門的爆破振動(dòng)量測(cè)小組，進(jìn)行控制段爆破振動(dòng)、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)收集分析。

3.2 監(jiān)控量測(cè)

在交叉段洞室開挖、支護(hù)施工中，布設(shè)收斂測(cè)點(diǎn)及拱頂沉降點(diǎn)觀測(cè)，保證對(duì)已開挖洞段穩(wěn)定變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)了解各施工階段地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果彌補(bǔ)理論分析過(guò)程中存在的不足，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)指導(dǎo)施工，調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)；同時(shí)，根據(jù)量測(cè)及時(shí)掌握洞室穩(wěn)定情況，采取必要的加強(qiáng)支護(hù)措施，防止出現(xiàn)洞室沉降、變形或塌陷等可能危及到輸油管線的情況發(fā)生，確保施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

收斂監(jiān)測(cè)：IV類圍巖在頂拱下沉及水平收斂量測(cè)斷面的間距≤3B(B為開挖洞徑或洞寬)，交叉段圍巖變形變化處適當(dāng)加密，每個(gè)斷面3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

沉降監(jiān)測(cè)：因?yàn)槭諗勘O(jiān)測(cè)斷面的每個(gè)頂拱測(cè)點(diǎn)兼做沉降點(diǎn)，所以收斂監(jiān)測(cè)斷面即為沉降監(jiān)測(cè)斷面。

4 安全技術(shù)控制措施

4.1 空氣沖擊波

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，為進(jìn)一步減弱爆破空氣沖擊波，在炮孔堵塞時(shí)，采用炮泥進(jìn)行炮孔堵塞，炮泥采用炮泥機(jī)制作。

4.2 爆破飛石

洞內(nèi)爆破施工，可以忽略爆破飛石對(duì)管道的影響，但洞內(nèi)施工人員、設(shè)備必須撤離至安全警戒范圍之外，確保人員、設(shè)備安全。

4.3 爆破減震

為了減弱爆破震動(dòng)破壞，在導(dǎo)洞開挖時(shí)周邊孔之外布置一排減震孔。在擴(kuò)挖時(shí)光爆孔間隔設(shè)置減震孔，進(jìn)一步減輕爆破震動(dòng)。

4.4 工序控制要求

4.4.1 造孔要求

鉆孔時(shí)，周邊孔及掏槽孔嚴(yán)格控制周邊孔外插角。每循環(huán)爆破后及時(shí)查看爆破效果，石油管線是否處于安全受控。周邊孔均采用導(dǎo)爆索聯(lián)網(wǎng)起爆。

鉆孔過(guò)程中，嚴(yán)格按照爆破參數(shù)施工，控制炮孔間距、深度和角度，鉆孔完畢，按照炮孔布置圖進(jìn)行檢查并做好記錄，對(duì)不符合要求的炮孔應(yīng)重鉆。

4.4.2 堵孔炮泥要求

采用炮泥機(jī)進(jìn)行制作，炮泥配合比按照1∶3的黏土和砂子，加含有2%-3%食鹽的水制成，炮泥干濕適度。所有裝藥的炮孔均采用炮泥進(jìn)行堵塞，不得要炸藥的包裝材料等代替炮泥進(jìn)行堵塞。

4.4.3 裝藥要求

驗(yàn)孔完成后，爆破工必須按作業(yè)規(guī)程、爆破設(shè)計(jì)規(guī)定的裝藥量、起爆段位進(jìn)行裝藥。裝藥時(shí)要一手抓住雷管的腳線，另一手用木質(zhì)或竹質(zhì)炮棍將放在孔口處的藥卷輕輕推入到孔底，使孔內(nèi)各藥卷間彼此密接，推入時(shí)用力要均勻[2]。

4.4.4 封孔要求

最初填塞得炮泥應(yīng)慢慢用力，輕搗壓實(shí)，以后各段炮泥應(yīng)依次用力一一搗實(shí)。淺孔宜將余孔全部堵塞，周邊孔封泥長(zhǎng)度≥0.3m。

4.5 進(jìn)場(chǎng)道路交叉段安全防護(hù)

重車通行時(shí)，為保證管線正常運(yùn)行，不被重車碾壓破壞，石油管線與進(jìn)場(chǎng)路交叉段采用C30鋼筋混凝土進(jìn)行路面硬化施工，硬化尺寸為10m×7m×0.4m(長(zhǎng)×寬×厚)，內(nèi)置鋼筋網(wǎng)，間距20cm，道路防護(hù)措施在石油管理部門的監(jiān)督下，現(xiàn)已施工完畢，滿足防護(hù)要求。