摘要：以南水北調(diào)中線京石段工程為例，分析了工程爆破施工區(qū)附近的供水、供氣管線抗振特性，并結(jié)合現(xiàn)場爆破振動試驗和施工監(jiān)測，研究了爆破地震波的傳播衰減規(guī)律和爆破振動對供水管線的安全影響。研究結(jié)果有助于確定地下管線的爆破振動安全標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)類似工程施工。
l 前言
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和城市化建設(shè)中，地下輸送水、油、氣以及通訊、供電等管道設(shè)施分布越加廣泛，常稱之為現(xiàn)代工業(yè)和城鎮(zhèn)生活的大動脈，因而也被稱為生命線工程。在巖土爆破和城市控制爆破中，爆破產(chǎn)生的沖擊振動無疑對地下管線的安全運行帶來影響。大量的地震災(zāi)害也表明，一旦造成地下管線的破壞，將產(chǎn)生嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損傷和次生災(zāi)害。
京石段應(yīng)急供水工程局部地區(qū)橫穿天然液化氣管道、應(yīng)急供水管線等。如北京段PCCP管道工程與張坊應(yīng)急供水管線平行或局部相交，最近距離僅15m，河北段S49標(biāo)段開挖渠道與陜京天然氣管道平行或局部交叉。因此，在工程初期必須制定合理的振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)，采取優(yōu)化的控制爆破技術(shù)和有效的安全監(jiān)測手段，確保工程的順利施工，周邊供水管線、供氣管線等生命線的安全運行。
2 爆破振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)
張坊應(yīng)急供水管線在石方爆破區(qū)，大都位于地下5m左右。管道為PCCP結(jié)構(gòu)，直徑2m。PCCP是由預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼筒、混凝土構(gòu)成的復(fù)合管材，是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PRESTRESSED CONCRETE CYLINDER PIPE)的英文縮寫。它可以承受很高的工作壓力，我國產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工作壓力指標(biāo)為0．4～2．0MPa，國外應(yīng)用的PCCP工作壓力有的高達(dá)3．0MPa以上。陜京天然氣管道為鋼卷板焊接而成，壁厚7mm，工作壓力高達(dá)6．0MPa，對這種長距離的高壓管線結(jié)構(gòu)的安全允許振速，文獻資料與工程經(jīng)驗都極為缺少，尚屬空白。
陜京天然氣管道為西氣東輸重點工程，爆破施工一旦引起天然氣的泄漏，將造成嚴(yán)重的社會環(huán)境危害和影響北京市上千萬人民的正常生活。依據(jù)石油天然氣管道保護條例(國務(wù)院第313號令)，管道兩側(cè)50m內(nèi)禁止爆破，50m～500m范圍內(nèi)進行爆破時應(yīng)事先征得管道企業(yè)同意，在采取安全保護措施后方可進行。為此，在工程初期開展天然氣管道的抗震安全能力研究。
工程所在地為北京房山區(qū)、河北易縣，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0．10g，同時，根據(jù)以往設(shè)計施工經(jīng)驗，及爆破安全規(guī)程、中國地震烈度表以及工程規(guī)定文件要求，制定了地下管線(供水管道、天然氣管線)安全抗振標(biāo)準(zhǔn)：
按V度地震烈度的參考指標(biāo)，振動速度為3．0cm／s的標(biāo)準(zhǔn)控制。
3 爆破振動效應(yīng)試驗研究 、
3．1巖體內(nèi)爆破地震波衰減特性研究
(1)試驗?zāi)康?/p>
如何通過監(jiān)測地面質(zhì)點振速來控制爆破地震波對地下管線的振動安全影響，是工程施工中需要解決的主要問題。為此，在爆破區(qū)附近鉆設(shè)了專門試驗鉆孔，在不同深度處埋設(shè)了雙向速度傳感器，開展了該專項試驗研究。
(2)試驗內(nèi)容
現(xiàn)場試驗孔深19m，分別在地表、地下5m、10m、19m處布設(shè)了4組傳感器，每組均埋設(shè)水平向(垂直管線開挖軸線)和鉛垂向兩臺傳感器。傳感器安放后，試驗孔用鉆孔巖粉填塞并擠壓密實，以保持填塞物與巖土介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)的一致性。
圖1沿深度方向傳感器布置圖
(3)試驗成果分析
現(xiàn)場共進行了9次爆破地震波沿深度方向振速衰減試驗，爆破總藥量1000～5784kg，最大單響藥量分別為35～50kg，爆源位置距離觀測孔24～lOOm。從實際觀測結(jié)果看，爆破地震波傳播至地表時產(chǎn)生強烈的反射波，造成地表振速值明顯地大于地下5m處的振速值，二者相差2～3倍。
爆破地震波在巖體內(nèi)沿深度方向是逐漸衰減的，地表震動由于受表面波和反射稀疏波的影響要大一些，地層深度受巖土體約束作用質(zhì)點振動則要小一些，衰減規(guī)律一般呈負(fù)指數(shù)規(guī)律變化。按負(fù)指數(shù)曲線計算爆破地震波在深度方向的傳播衰減公式為：
v=v0e-kH
式中：1，為深度方向振速，cm／s； v0為地面振速，cm／s，k為衰減系數(shù)；H為距地表深度(取正值)，m。根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)方法計算得出，v(H)沿深度方向的衰減系數(shù)為：鉛垂方向k⊥=0．08～0．09，水平方向(垂直渠道開挖軸線)K∥=0．08～O．12。實測爆破地震波振速在不同深度處的變化規(guī)律見圖2。
圖2振速沿深度衰減變化曲線
3．2地下天然氣管道的爆破振動試驗研究
(1)爆破參數(shù)
爆破試驗地點選擇在爆破施工區(qū)內(nèi)，距管道較遠(yuǎn)的區(qū)域并與正式生產(chǎn)施工地質(zhì)條件基本一致。爆破試驗區(qū)距管道226．2m，爆破總藥量364kg，單孔藥量平均16．5kg，分段單響藥量控制在41．4kg～80．25kg，起爆網(wǎng)路采用孔外毫秒微差起爆技術(shù)，孔間采用MS3和MS5兩段接力起爆雷管，孔內(nèi)采用MS5段雷管。
(2)試驗結(jié)果
試驗從爆源到天然氣管道方向共布置了5個觀測點，最近距離36．1m，最遠(yuǎn)距離226．2m(管道位置)，測點間距大約按對數(shù)等間距分布。單響藥量控制在40kg多段與80kg單段時，距爆源226．2m處的天然氣管道實際最大振速僅為0．29cm／s，小于規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)。爆破試驗結(jié)果表明，采用的爆破方案是可行的，選擇參數(shù)合理，爆破地震效應(yīng)不會危及天然氣管線的安全。根據(jù)實測爆破振動數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計方法回歸擬合得到爆破地震波沿地面?zhèn)鞑ニp規(guī)律為：
V=83.9[R／Q1／3]-1.31
根據(jù)爆破振動速度公式和管道安全控制標(biāo)準(zhǔn)，可計算出距天然氣管道不同距離處的藥量控制標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)后期工程爆破施工。
4 工程施工監(jiān)測
南水北調(diào)中線北京段石方爆破施工歷時16個月，監(jiān)測點數(shù)520點次，張坊供水管線地面振速大都控制在3．Ocm／s以內(nèi)，而大于3．0cm／s的測次有13點次，均位于距爆源50m范圍以內(nèi)，其中一次實測最大振速為7．32cm／s，根據(jù)試驗結(jié)果估算，地下5m處振速在2．44-3．66cm／s，從工程監(jiān)測的總體來看，張坊供水管線是安全，未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。這說明，張坊供水管線的振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)是偏于安全的。
南水北調(diào)中線河北段S49標(biāo)段爆破施工，距離陜京天然氣管線距離均大于50m。工程根據(jù)試驗結(jié)果，制定了優(yōu)化的爆破施工方案，針對距天然氣管道的不同距離，確定了相應(yīng)的爆破規(guī)模，最大單響藥量和分段時差。爆破施工共歷時近一年，爆破次數(shù)上百次，監(jiān)測點次200余次，從監(jiān)測結(jié)果來看，實測天然氣管線地面振速均小于3．0cm／s，管道一直處于正常安全運行狀態(tài)，未出現(xiàn)安全事故。工程表明，天然氣管線的振速3．0cm／s控制標(biāo)準(zhǔn)是可行的。
5 結(jié)論
(1)從現(xiàn)場試驗和大量的實測數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合張坊供水管線和陜京天然氣管線的安全運行狀態(tài)，工程制定的安全標(biāo)準(zhǔn)是合理的，可行的。工程現(xiàn)場資料，對深入研究地下管線的抗震動力特性，抗震安全標(biāo)準(zhǔn)的制定，爆破振動允許振速的控制具有參考意義。
(2)針對地下管道(供水、供氣)受爆破地震的安全影響，進行了巖體內(nèi)不同深度處的地震波傳播特性試驗，研究了爆破地震波在地面處反射作用程度，對比了地面與不同深度處的振速影響大小，分析了爆破振動速度幅值沿深度的傳播衰減規(guī)律，建立了不同深度處振速值與地面振速值的負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系式。
(3)按石油天然氣管道保護條例規(guī)定，河北段$49標(biāo)段渠道開展了爆破對天然氣管線的安全振動試驗研究。試驗爆破規(guī)模、施工方式與實際相同，實測管道附近振速值較小，管道結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)試驗結(jié)果，提出了爆破振速衰減公式，對實際施工提供了參考依據(jù)。
