高速铁路斜井下穿石油管道施工技术研究

张世文

摘要： 通过对本课题的研究，明确了控制爆破在泥岩砂岩地层和浅埋地层斜井施工技术，避免了爆破设计的不合理，根据实际爆破参数的验证，总结出了适合本工程泥岩砂岩地层的爆破参数计算方法及相关参数，对地震波允许参数的设定提供了参考。针对泥岩砂岩地层和浅埋地层开挖施工常见问题进行分析，提出合理的解决措施，帮助项目提前做好了合理施工方案，避免石油管道泄漏爆炸事故的发生，从而大大降低了工程施工成本和对当地环境不利的影响。

Abstract： Based on the research of this subject， it is clear that the construction technology of blasting control in the mudstone sandstone strata and shallow buried strata avoids the unreasonable blasting design. According to the verification of actual blasting parameters， the calculation method of blasting parameters and related parameters of the mudstone sandstone strata is provided， which provides a reference for the setting of the allowable parameters of the seismic wave. This paper analyzes the common problems of excavation and construction of mudstone sandstone strata and shallow burial strata， and puts forward reasonable measures to help the project make a reasonable construction plan ahead of time， avoid the occurrence of oil pipeline leakage and explosion， thus greatly reducing the construction cost and adverse effects on the local environment.

关键词： 石油管道；地震波速；衰减规律；控制爆破

Key words： oil pipeline；seismic wave velocity；attenuation law；control blasting

中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0099-05

1 工程简况

1.1 位置关系

金家岩隧道1#斜井位于江油市境内，位于线路前进方向的右侧，与线路交点里程DK452+200。该工区施工采用无轨单车道运输组织，永久性工程设计，斜井净空断面尺寸为5.0m×5.9m（宽×高）。金家岩隧道1#斜井下穿兰成渝输油管道，平面投影相交里程为XD1K0+163，1#斜井与输油管道垂直距离为28.42m，？准508兰成渝输油钢管与1#斜井相交纵断面图及平面图如图1、图2。

1.2 地质描述

1#斜井與兰成渝输油管道交叉点，上覆<1-42>6m厚粉质粘土，呈褐黄、紫红色，含少量砂泥岩，中间层为<5-10>W3强风化泥岩夹砂岩，厚度4.1m，质软，属Ⅳ级软石，最底层为<5-10>W2弱风化泥岩夹砂岩。斜井进口为强风化岩石，穿越段区域以泥岩夹砂岩为主，弱风化，岩体较完整，地表水较发育，基岩裂隙水较少。

2 施工方案选择

2.1 常规钻爆施工

由于1#斜井洞顶开挖轴线与在役管线的最小距离为28.42m， 1#斜井爆破施工时必然会对在役输油管道及管道周围环境造成扰动，可能出现的安全隐患归纳为以下几点：

①隧道爆破作业产生的地震波，超出管道设计安全标准值，对管道造成直接伤害；

②隧道爆破作业产生的地震波，没有对管道造成直接伤害，但可能会扰动管线周边土体，造成管道下方隧道内围岩变形及管道周边土体位移导致管道发生超过设计安全值的沉降。

2.2 机械开挖

采用机械开挖可有效减小对在役管道施工扰动，但下穿洞段为弱风化泥岩砂岩互层，岩体强度高，机械不易破碎，施工进度缓慢，工期压力大，成本较高，此方案不宜采用。

2.3 静力爆破

采用静力爆破与传统爆破相比，对在役输油管道产生的施工扰动具有明显的优越性，最安全可靠，但对于隧道洞身开挖不易做到整体同时破碎，洞碴粒径不宜装车运输，且进度缓慢，施工成本高。

2.4 控制爆破

对爆破设计进行试爆，得出与工程地质及爆破条件相符的爆破地震衰减规律，获取符合实际的K和α值，确定爆破设计参数，通过对斜井所穿越地层岩性的分析、爆破试验，调整和优化周边眼、掏槽眼和掘进眼的单孔装药量、周边眼间距、炮眼数量、单段最大装药量，确保施工过程中地震波速可控，达到安全快速、经济合理的目的。

以上四种方案分别从安全、进度、施工成本、技术措施等方面综合比较，下穿在役输油管道采用控制爆破技术为最优方案。

3 控制爆破设计

3.1 控制爆破震动安全标准及要求

为保证金家岩隧道1#斜井下穿过程中输油管道安全，经过专家及输油管道公司共同评审确定到达输油管道处的地震波控制标准为≤1.5cm/s。

3.2 爆破设计方案

3.2.1 单段最大用药量的确定

3.2.4 50m范围内下穿段控制弱爆破设计

为降低单段炸药量，减小因爆破产生的地震波速，斜井采取“短进尺、弱爆破、台阶法”进行开挖，按照最大单段药量不大于的安全标准进行控爆设计，控爆参数见表3。

由表3可见，斜井XD1K0+209～XD1K0+111下穿段一次齐爆最大单段用量为3.6kg，小于计算允许值Qmin （28）=4.3kg，理论上对在役管线不构成直接破坏性，考虑到传播介质的不均匀性，为更加安全起见，该段施工时整段爆破设计按R=28m，最大单段药量Q■4.3kg进行施工，并加强支护、支护紧跟，以能更加有效的保障既有管线及隧道施工的安全。

3.2.5 50m范围外控制爆破设计

爆破产生的地震波速是随距离的增加而加速衰减的，根据上述计算，50m范围以外最大单段药量增加至Qmax （50）=23.31kg，在确保安全的前提下，为加快施工进度，拟采用全断面法施工，爆破设计参数见表4。

由表4可见，当R≥50m斜井洞身段爆破设计一次齐爆最大单段用量为16.2kg<计算允许值Qmax （50）=23.31kg，根据该计算成果，施工钻爆作业按照正常控制爆破设计施工即可满足要求，理论上对在役管线不构成直接破坏性。为更加安全起见，施工中将进一步减少单循环进尺量、不断优化爆破用药量及单循环用药量，以更加有效的保障既有管线及隧道施工的安全。

4 施工过程监测

4.1 爆破作业地震波速监测

4.1.1 监测目的及设备

通过爆破地震波跟踪监测，首先是分析爆破地震波衰减规律及其对周围保护物的影响，并对其进行安全评价；其次是根据爆破地震波监测结果，指导爆破方案的调整和优化，使到达管道的爆破地震波速降低到安全范围内，同时实现隧道开挖快速顺利进展。

爆破振动监测与试验使用L20型爆破测振仪，每台测振仪有三个通道，可以配置3个单向速度传感器或1个三分量速度传感器或1个三分量加速度传感器。该仪器自带液晶显示屏，现场直接设置各种采集参数，能即时显示波形、峰值和频率。具有24位A/D转换，采用自适应量程。通过USB接口与PC电脑进行数据通讯，运用专用软件进行处理分析及成果輸出等，并带有手机报警功能，设制一定振速阀值，若有溢出，自动发出相应短信，进行报警。

4.1.2 监测方法及程序

4.1.2.1 测点布置

临近输油管道的振动强度通常与新建隧道爆源所在位置直线距离成线性关系，等距状态下最直观反映爆破振速。测点布置如图5、图6。

4.1.2.2 测试频率

①微震爆破施工开始后，试验爆破按照测点布置方法每日都进行监测。

②其后，按照测点布置方法每开挖20m测试一次。

4.1.2.3 传感器安装

在爆破前1小时，按预定的位置及要求安装三矢量速度传感器，其中Z方向铅直，X方向指向爆源为水平径向，Y方向为水平切向。对监测点进行编号，测量并记录震源中心及传感器的位置与高程。

4.1.2.4 仪器连接与调试

在爆破前30分种，将采集仪连接各传感器，记录传感器和采集仪编号，设置参数，选择合适的开门阀值，确认仪器连接、调试完好。在爆破现场警戒前撤到安全区域。

4.1.2.5 现场测试

爆破产生的振动超过仪器设定的开门阀值，开始记录爆破振动信号。爆破警戒解除后，进入爆破现场收拾仪器、传感器与连接线。

4.1.2.6 资料整理

通过计算机USB接口与记录仪连接，传输现场记录的振动波形数据。使用振动分析软件对波形进行分析处理，分别读取竖向、水平径向和水平切向的振动峰值、峰值主频等参数。

4.1.2.7 振动影响评价

爆破振动评价按表1爆破振动安全允许振速中交通隧道取低值为控制标准。

①若监测点任一方向的实测最大质点振动速度超过相应的振动控制标准，则爆破质点振动速度超限，可能或已经对所监测的对象造成损伤或破坏。

②若监测点所有方向的實测最大质点振动速度均小于相应的控制标准，则表明监测对象不会受到爆破振动损伤，是安全的。

③若实测振动幅值超限，应对监测对象进行宏观调查，观察监测对象是否出现细微裂缝及已有裂纹宽度及延伸是否发展、起鼓等损伤现象，必要时可利用声波检测等手段对爆破振动影响程度进行评价。

4.1.3 监测结论

在金家岩隧道1#斜井开挖掌子面里程XD1K0+208～XD1K0+150进行施工爆破振动测试；共测试次数为8次，测试情况见表5。

监测结果表明：整个爆破开挖过程中，管道附近爆破振速均小于设置限值1.5cm/s，变化趋势趋于平稳，整个爆破过程中安全可控。

金家岩隧道1#斜井及邻近输油管道工程爆破安全监测结果比较理想，达到了监测大纲规定的预期目的，保证了石油管道在爆破施工期间的安全并对爆破施工后的长期运营不会造成影响，并在西成铁路工程积累了输油管道在爆破地震动作用下的动力响应数据，有益于研究沿线管道在爆破地震动下的动力响应和动力稳定性，并对类似工程具有参考和借鉴作用。

4.2 隧道及管道上方地表位移监测

每个地表下沉量测断面测点横向间距为10m×10m，横断面布点应结合地形，横向布点埋设在隧道开挖影响范围内，共设沉降观测点20个，采用精密水准仪进行量测，每天观测读数2次，变形速率控制标准见表6。

各项监测的数值达到一定范围（即：将产生不可接受的负面影响时）要进行“报警”。报警系数F（F=实测值/安全控制标准值），当F>0.80时，为报警状态，当达到报警值时，应启动应急预案，采取必要的加强措施。

经沉降观测分析，最大变形速率1.5mm/d，最大累计沉降量3.5m。通过对管道周边沉降观测点观测数据统计表分析，充分考虑测量精度、测量误差影响，采用新奥法施工，隧道开挖对管道基本不造成沉降影响。

5 结束语

在我国大规模的高速铁路网建设中，尤其在西南地区油气资源丰富，油气管线密集的区域，必将还会遇到此类情况，本文通过对爆破设计进行试爆，得出与工程地质及爆破条件相符的爆破地震衰减规律，获取符合实际的K，α值，计算出了单段最大药量，进一步优化爆破参数，对隧道爆破作业产生的地震波速进行监测，提出修正和改进方案，严格控制爆破引起的最大地震波速度使之符合石油管道产权单位要求（≤1.5cm/s），节约施工资源，加快施工进度，保证了石油输油管道的安全运行，确保隧道施工顺利完成。

参考文献：

[1]GB6722-2011，爆破安全规程[S].

[2]TB10121-2007，铁路隧道监控量测技术规程[S].

[3]GB50497-2009，建筑基坑工程监测技术规范[S].