埋地管道爆破振动安全允许判据试验探究*

张紫剑，赵昌龙,，张黎明，赵明生,3

(1.贵州新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002；2.贵州大学 矿业学院，贵阳 550025；3.中国矿业大学(北京)，北京 100083)



埋地管道爆破振动安全允许判据试验探究*

张紫剑1，赵昌龙1,2，张黎明2，赵明生1,3

(1.贵州新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002；2.贵州大学 矿业学院，贵阳 550025；3.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

摘要:为了探究埋地管道的爆破振动安全允许判据而进行现场监测试验，试验利用TC-4850N测振仪和DH3820应变测试系统对埋地管道的爆破振动和管道应变分别进行监测。首先通过不同主振频率下的管道最大轴向应变分析发现最大应变主要集中在35 Hz以下，然后将主振频率小于35 Hz和大于35 Hz的峰值振速统计量分别拟合分析。结果表明：不同频率段的相关参数和萨氏公式有所不同，因此应在一定频率范围内分别确定爆破振动安全允许峰值振速。实际施工过程中应结合具体情况确定爆破施工方案，而不能仅根据模糊的法律规范条款简单决定爆破施工方案。

关键词:爆破振动；埋地管道；主振频率；拟合分析；安全判据

《爆破安全规程》(GB6722—2014)中规定了土坯房、民用建筑、商业建筑、隧洞、巷道等的爆破振动安全允许标准，却缺少埋地管道的安全允许标准，地下管网是城市的生命线，涉及输油、输气、输水、通讯等方方面面，一旦受损会造成重大安全事故，如果爆破施工区域与在役埋地管道毗邻，而《爆破安全规程》(GB6722—2014)和《中华人民共和国石油天然气管道保护法》并没有明确规定管道的安全允许振速[1,2]。在实际施工过程在役管道附近常常需要进行爆破作业，因此，埋地管道的爆破振动峰值振速安全范围仍有待研究。

学者们对管道最大安全峰值振速的研究方向各不相同，蒲传金等人认为桩井爆破对邻近埋地管道影响的主要因素是爆心距和桩井深度，只要采取有效技术措施即可在管道50 m范围内实施桩井爆破[3]。戴联双等人对爆破施工区域周围管道进行风险分析[4]，认为管道安全允许振动速度为7～15 cm/s。彭星煜、Kouretzis GP等人通过计算机模拟分析爆破地震波对地下输气管道的影响，后者得出了爆破地震波对管道的应力应变分布[5,6]。Esparza E等人通过试验检测管道应力应变从而得到地下管道的动力响应[7]。范芝宇等人利用测振仪进行现场监测，从而优化复杂环境爆破施工方案[8]。王振洪等人建议采用一定频率下的爆破振动最大峰值振速为天然气管道的安全判据[9]。国内外学者提出的管道受爆破振动影响的最大安全振速从2.5 cm/s至15 cm/s不等[4,9,10]，由于将管道进行开挖监测极可能造成“第三方破坏”，且监测难度较大，因此采用一种较安全、可行的试验方法对埋地管道的爆破振动安全允许范围进行探究。

1试验概况

试验在大龙经济开发区高铁城棚户区山地场平工程进行。爆破区域岩石以灰岩为主，普氏系数f=8.0～10且节理、岩溶较发育。试验过程中钻孔直径为90 mm，主要采用5段、7段、15段毫秒导爆管雷管，φ 70 mm岩石乳化炸药，相关孔网参数如表1所示。由于直接对在役管道开挖监测存在很大风险，因此管道是试验前直埋敷设于爆区一侧地下，深度1.2 m。

2试验方法

试验将爆破振动监测与埋地钢管应变监测相结合，探究埋地管道的爆破振动安全允许范围。试验步骤如图1所示，选取4根3 m长的DN100热镀锌钢管即管道①～管道④，先在管道表面平行于管道轴向安装应变片，再直埋敷设于地面以下1.2 m深处，管道中部上方地表安装测振仪①～④，起爆后TC-4850N测振仪和DH3820应变测试系统分别记录振动信号和应变信号。

表1　孔网参数

3试验结果分析

试验共进行16次，共得到16组振动信号，其中试验第4、5、6次中仪器④未监测到有效振动信号。16组应变信号，其中通道2和通道3的个别应变信号未监测成功。管道正上方地表的振动监测结果表明，x、y、z三向振动信号中最大峰值振速多为垂直地表方向(即z方向)的振速，相关文献及规范也常使用z方向最大峰值振速作为安全判据[10]。文献[11]对管道轴向、环向应变监测发现：管道受爆破振动产生的轴向应变与环向应变较接近，轴向应变略高于环向应变。综上所述，试验结果主要分析对象是z方向最大峰值振速Vz及其主振频率fz、管道最大轴向应变。

3.1主振频率对管道应变的影响

管道轴向最大拉应变、最大压应变与相应的主振频率列于表2，并按照主振频率由小到大依次排序，应变是长度相对变化量，无量纲，仪器记录的应变为微应变，即实际应变的106，轴向拉应变、轴向压应变分别表示为εtεc。见图3。

表2　主振频率与管道轴向应变

将两个不同频率段的统计量分别进行拟合分析。如图4所示，黑色、红色拟合曲线分别表示fz≤35 Hz、fz>35 Hz两个频率段的统计量拟合曲线，其相关性系数R接近1，拟合效果较好，不同频率段拟合分析结果如表4所示。

表3　主振频率与最大峰值振速的相关统计量

综上所述，埋地管道随主振频率不同，受到爆破振动影响程度也不同。试验证明：埋地管道受爆破振动影响，宜采用一定频率范围的质点峰值振动速度作为安全允许判据。根据文献[11]中理论计算得到该场地下管道的地表可承受最大峰值振速为7.49 cm/s，主振频率较小时安全允许振速也相对较小，则根据表4可得一定频率范围的垂直方向最大峰值振速如表5所示。

表4　相关参数拟合结果

表5　管道地表峰值振速安全允许范围

4结论

通过现场监测试验探究埋地管道的爆破振动安全允许判据，结果表明：第一，埋地管道最大轴向应变主要集中在爆破振动主振频率小于35 Hz时，当主振频率超过45 Hz时，埋地管道轴向应变明显变小，由此证明：确定埋地管道的爆破振动安全允许判据应考虑主振频率的影响，即将一定频率范围的最大峰值振速作为埋地管道的安全允许判据较为合理。第二，分别拟合分析主振频率fz≤35 Hz和fz>35 Hz两个频率段的最大峰值振速，得到两个频率段的相关参数、萨氏公式及最大安全允许峰值振速。综上所述，埋地管道的爆破振动安全允许峰值振速受多方面因素影响：爆破区域地质条件、管道埋设方式、管道自身属性、管道内部载体、管道工作状态等，因此，实际施工过程中不能仅参照个别法律、法规、规范就判断是否可以进行爆破施工或决定爆破施工方案，而应根据施工现场实际情况进行全面监测，还需考虑在役管道工作状态、管道受损风险等因素，从而选择并优化爆破施工，采取有效防震措施。

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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

作者简介:张紫剑(1973-)，男，山东临沂人，工程师、工学学士，主要从事工程爆破及民爆器材生产领域的安全管理工作，(E-mail)sdygzhangzj@163.com。 通讯作者:赵昌龙(1990-)，男，湖北恩施人，助理工程师、硕士研究生，主要从事工程爆破及安全技术研究,(E-mail)hblongyu163@163.com。

基金项目:黔科合重大专项字[2015]6003；黔科合高G字[2015]4004；贵州省工业和信息化发展专项基金计划(2015030)；贵州省优秀青年科技人才培养项目：黔科合人字[2013(30)]

中图分类号:TD235.1

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0012-05