爆破地震波作用下燃气管道的安全距离研究.pdf

第３５卷 第２期 ２０１８年６月 爆 破 ＢＬＡＳＴＩＮＧ Ｖｏｌ． ３５ Ｎｏ． ２ Ｊｕｎ． ２０１８ ｄｏｉ１０． ３９６３／ ｊ． ｉｓｓｎ． １００１ －４８７Ｘ． ２０１８． ０２． ０２４ 爆破地震波作用下燃气管道的安全距离研究* 郝郁清 １ａ， 程 康 １ａ， 赵其达拉图２， 吴 杰 ２， 赵 亮 １ｂ （１．武汉理工大学ａ．土木工程与建筑学院；ｂ．资源与环境工程学院， 武汉４３００７０； ２．中交路桥华东工程有限公司， 上海２０１２０３） 摘 要 为了保证爆破施工不会对埋地输气管道造成不良影响， 研究爆破荷载作用对燃气管道的安全判据 非常必要。从理论的角度建立瑞利波作用时燃气管道轴向应变、 环向应变与爆破振动速度关系的计算方法， 从爆破试验回归分析得到爆破振动速度与爆心距的具体函数关系， 进而结合管道最大容许应变计算出在已 知装药量的条件下爆破施工时的最小安全距离。结果表明 管道轴向应变、 环向应变与振速成正比， 结合场 地条件计算出地下管道最小安全距离为２５． ３ ｍ， 说明国家燃气管道安全管理条例规定燃气管道５０ ｍ范围 内禁止爆破施工有较大的安全余地。 关键词 燃气管道；安全判据；计算方法；最小安全距离 中图分类号 ＴＵ４４３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００１ －４８７Ｘ（２０１８）０２ －０１３７ －０７ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓａｆｅｔｙ Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｇａｓ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｕｎｄｅｒ Ａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｗａｖｅ ＨＡＯ Ｙｕ-ｑｉｎｇ１ａ，ＣＨＥＮＧ Ｋａｎｇ１ａ，ＺＨＡＯ Ｑｉｄａｌａｔｕ２，ＷＵ Ｊｉｅ２，ＺＨＡＯ Ｌｉａｎｇ１ｂ （１． ａ． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；ｂ． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｒｏａｄ ＆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｈａｚａｒｄｏｕｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃ- ｔｉｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｌｏａｄ ｏｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ． Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃ ｓｏｌｕ- ｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ ｔｈｅｏｒｙ． Ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｂｕｒｓｔ ｃｅｎｔｅｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｔｅｓｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｉｓ ｃａｌ- ｃｕｌａｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｓａｆｅｔｙ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ａ ｋｎｏｗｎ ｃｈａｒｇｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｈｏｏｐ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ａｒｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ． Ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｓａｆｅｔｙ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒ- ｇｒｏｕｎｄ ｐｉｐｅ ｉｓ ２５． ３ ｍ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｇａｓ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｈｉｂｉｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ５０ ｍ ｏｆ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ｈａｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｓａｆｅｔｙ ｍａｒｇｉｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｓａｆｅｔｙ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ；ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ；ｍｉｎｉｍｕｍ ｓａｆｅｔｙ ｄｉｓｔａｎｃｅ 收稿日期２０１８ －０２ －２０ 作者简介郝郁清（１９９３ －） ， 女， 安徽省安庆人， 硕士， 主要从事岩土 工程方向工作， （Ｅ-ｍａｉｌ）ｈａｏｙｕｑｉｎｇ＠ ｗｈｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ。 通讯作者赵 亮（１９７２ －） ， 男， 硕士， 从事爆破安全研究， （Ｅ-ｍａｉｌ） ４０５７８１５＠ ｑｑ． ｃｏｍ。 基金项目国家自然科学基金自助项目（４０４０２０２４） 工程爆破作为一种重要的施工手段在岩体开挖中的运用越来越广泛。随着国家西部大开发战域不 断深入， 铁路公路路基土石方爆破开挖不可避免地 会威胁到各类地下管道的安全运行， 因此研究爆破 振动荷载作用下埋地管道的动力响应， 确定爆破影 响的安全距离及燃气管道的安全判据十分必要。国 家对燃气管道运行进行了立法， 中华人民共和国 万方数据 石油天然气管道保护法相关条例指出 在管道中 心线两侧各５０ ｍ范围禁止爆破，５０ ｍ到２００ ｍ范 围内进行爆破作业， 应事先征得管道相关部门同意， 进行安全评审， 在采取安全防护措施后方可进行。 然而在 爆破安全规程ＧＢ６７２２２０１４中没有爆破 振动对燃气管道影响的控制标准。目前， 国内外学 者对爆破振动对燃气管道的影响问题进行大量的研 究， 文献［１］ 研究了爆炸应力波作用下， 燃气管道地面 和地下振动速度的相关性； 文献［２］ 研究了爆破对管 道安全的影响判据， 提出以地面质点振动速度为安全 判据； 文献通过实际工程爆破振动监测数据， 分析得 出天然气管线的振速控制标准３．０ ｃｍ／ ｓ； 文献［５-１０］ 认为单一参数的爆破振动安全判据具有明显的局限 性， 应该从振速与管道动力响应两方面出发， 运用数 值模拟的方法模拟分析； 文献［１１］ 利用实验数据进行 拟合， 得到管道应变与振速之间的关系， 通过管道容 许应变求出振速的安全阈值， 此方法值得借鉴。 综上所述， 关于爆炸应力波传播对地下燃气管 道的影响判据， 公开发表的文献主要关注点在于质 点振动速度的大小， 参照爆破安全规程以地面质点 振动速度大小作为安全判据。显然这与实际工程出 入较大， 首先燃气管道通常是埋在地下一定距离， 而 用地面质点振动速度作为控制标准不确切； 其次爆 炸应力波传播对地下燃气管道的影响是变形而不是 振动。为了解决此问题， 以利川城市道路路基爆破 项目为工程背景， 从爆破作用下埋地燃气管道的动 力响应分析的角度出发， 建立爆破地震波作用下埋 地管道轴向应变、 环向应变与爆破相关参数的理论 关系， 结合管道最大容许应变来预测管道的最小安 全距离， 为类似工程提供参考。 １ 爆破地震波作用下管道应变与振速 关系的计算方法 土石方爆破时， 管道与土体的变形与振动主要 是受到爆破地震波的影响。爆破地震波由点源向外 传播， 整个振源输出的能量由Ｐ波、Ｓ波和Ｒ波联合 传播出去， 在这三种波传播过程中， 瑞利波在远场起 主要作用，它的传播速度慢，携带能量最多，达到 ６７％， 是造成地震破环的主要原因［ １２］， 因此主要研 究瑞利波作用下埋地管道的应变。 １． １ 方法假设 本文所采用的计算方法主要用于埋地钢管的设 计， 分析了地表点源爆炸引起的埋地管道应变， 并结 合薄壳理论， 关于管道的行为， 有如下假设［ １３］ （ａ）土体为均质、 各向同性的弹性体， 不考虑埋 地管道与周围土体的相互作用及相对滑动。 （ｂ） 管道假设为三维薄弹性壳体， 且管道假定 为空管。其中， 管道轴向、 环向以及剪应变沿着轴线 和周边发展， 以下主要研究管道的轴向及环向应变。 管道与爆源之间存在高差关系， 且爆破地震波 以球面波的形式在介质中传播， 图１为爆炸地震波 作用于管道的平面示意图， 其中管道距离爆破点源 水平距离为ｄ， 爆破影响范围半径为Ｒ０， 任一地震波 （ 图中Ｒ１方向） 与管道的入射角为φ。 图１ 爆破地震波作用于管道平面示意图 Ｆｉｇ． １ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅ ａｃｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｐｌａｎｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ １． ２ 瑞利波作用下管道的应变分析 瑞利波是表面波， 在岩土表面质点运动轨迹为 长轴垂直于地面的逆时针旋转的椭圆， 如图２所示， 它相当于沿同一路径同时传播的Ｐ波和ＳＶ波的相 互作用， 相位差为 π ２ ， 速度为ＣＲ， 其位移振幅分别为 Ａｍａｘ， Ｈ， Ａｍａｘ， ｖ， 当泊松比为０． ２５时， 这两个分量的振 幅比有以下关系［ １３］ Ａｍａｘ， ｖ Ａｍａｘ， Ｈ ＝ １． ４６８（１） 图２ 瑞利波传播分析示意图 Ｆｉｇ． ２ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｉａｇｒａｍ 假设瑞利波在弹性半空间以平面向前传播， 以 ８３１爆 破 ２０１８年６月 万方数据 任意角度φ入射地下管道， 为了便于计算， 可将瑞 利波分解为Ｐ波和ＳＶ波这两个波分量。以下， 将 分别介绍两个波分量下管道轴向应变、 环向应变的 计算。 １． ２． １ Ｐ波分量作用下管道应变计算 首先估算由于谐波Ｐ波分量引起管道上某一 点处的应变。Ｐ波沿爆破影响范围内的任一方向 Ｒ１传播， 与管道的轴向形成角度为φ， 如图２所示， 相应的地面运动可表示为［ １４］ ＵＲ１＝ Ａｍａｘ， Ｈｓｉｎ ２π Ｌ （Ｒ１－ ＣＲｔ []） （２） 式中，Ｌ ＝ ＣＲＴ为波长，ＣＲ为瑞利波的波速，Ｔ 为波周期，ｔ为波作用在管道的时刻。 将地面位移矢量可分解为沿管轴（ｚ轴）的分量 和垂直于管轴（ｘ轴） 的分量， 此时， 半径为ｒ的管道 上每一点的位移为 ｕｘ＝ Ａｍａｘ， Ｈｓｉｎ φ ｓｉｎ ２π Ｌ （ｘ ｓｉｎφ － ＣＲｔ []） （ ３） ｕｚ＝ Ａｍａｘ， Ｈｃｏｓ φ ｓｉｎ ２π Ｌ （ｚ ｃｏｓφ － ＣＲｔ []） （ ４） ｕｙ＝ ０（５） 具体分析钢管的位移变化， 如图３（ａ）所示， 图 中θ是横截面的极角， 当垂直于管轴（ｘ轴）的分量 作用时， 在与结构轴线重合的圆柱坐标系中， 施加的 位移ｕｘ可以分解为壳位移的径向分量和切向分量 ｕｒ＝ Ａｍａｘ， Ｈｓｉｎ θ ｓｉｎ φ ｓｉｎ ２π Ｌ （ｘ ｓｉｎφ － ＣＲｔ []） （６） ｕθ＝ Ａｍａｘ， Ｈｃｏｓ θ ｓｉｎ φ ｓｉｎ ２π Ｌ （ｘ ｓｉｎφ － ＣＲｔ []） （７） 图３ 瑞利波作用下计算壳应变的圆柱坐标系 Ｆｉｇ． ３ Ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｃｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｓｈｅｌｌ ｓｔｒａｉｎ ｄｕｒｉｎｇ ＳＶ Ｗａｖｅ 又由图知，ｘ ＝ ｒ ｓｉｎ θ， 所以计算出管道中相应的 应变为 εα＝ əｕ ｚ əｚ ＝ ０（８） εｈ＝ １ ｒ əｕ θ əθ ＋ ｕ ｒ ＝ ２πＡｍａｘ， Ｈ Ｌ ｓｉｎ２φ ｃｏｓ２θ ｃｏｓ ２π Ｌ （ｘ ｓｉｎφ － ＣＲｔ [] ）（ ９） 同样的， 在沿着管轴（ｚ轴）的分量作用下， 管道 的轴向应变、 环向应变为 εα＝ ２πＡｍａｘ， Ｈ Ｌ ｃｏｓ２φ ｃｏｓ ２π Ｌ （ｚ ｃｏｓ φ － ＣＲｔ []） （１０） εｈ＝ １ ｒ əｕ θ əθ ＋ ｕ ｒ ＝ ０（１１） 上式叠加可得出在Ｐ波分量作用下， 管道所受 的应变为 εα＝ ２πＡｍａｘ， Ｈ Ｌ ｃｏｓ２φ ｃｏｓ ２π Ｌ （ｚ ｃｏｓ φ － ＣＲｔ []） （１２） εｈ＝ ２πＡｍａｘ， Ｈ Ｌ ｓｉｎ２φ ｃｏｓ２θ ｃｏｓ ２π Ｌ （ｘ ｓｉｎ φ － ＣＲｔ []） （１３） １． ２． ２ ＳＶ波分量作用下管道应变计算 谐波ＳＶ分量沿着Ｒ１轴向前传播， 其位移矢量 位于由Ｒ１轴和ｙ轴定义垂直平面内， 相应的地面运 动为［ １４］ ｕｙ＝ Ａｍａｘ， Ｖｃｏｓ ２π Ｌ （Ｒ１－ ＣＲｔ []） （１４） 在圆柱坐标系中， 如图３（ｂ）所示， 施加的位移 ｕｙ可以分解为壳位移的径向分量和切向分量 ｕｒ＝ ｕｙｃｏｓ θ ＝ Ａｍａｘ， Ｖｃｏｓ θ ｃｏｓ ２π Ｌ （Ｒ１－ ＣＲｔ []） （１５） ｕθ＝ － ｕｙｓｉｎ θ ＝ － Ａｍａｘ， Ｖｓｉｎ θ ｃｏｓ ２π Ｌ （Ｒ１－ ＣＲｔ []） （１６） 因为Ｒ１＝ ｘ ｓｉｎ φ，ｘ ＝ ｒ ｓｉｎ θ， 故有 ｕｒ＝ Ａｍａｘ， Ｖｃｏｓ θ ｃｏｓ ２π Ｌ （ｒ ｓｉｎ θ ｓｉｎ φ － ＣＲｔ []） （１７） ｕθ＝ － Ａｍａｘ， Ｖｓｉｎ θ ｃｏｓ ２π Ｌ （ｒ ｓｉｎ θ ｓｉｎ φ － ＣＲｔ []） （１８） 所以得出分量ＳＶ波作用下管道的轴向应变、 环向应变分别为 εα＝ əｕ ｚ əｚ ＝ ０（１９） ９３１第３５卷 第２期 郝郁清， 程 康， 赵其达拉图， 等 爆破地震波作用下燃气管道的安全距离研究 万方数据 εｈ＝ １ ｒ əｕ θ əθ ＋ ｕ ｒ ＝ πＡ ｍａｘ，Ｖ Ｌ ｓｉｎ φ ｓｉｎ ２θ ｓｉｎ ２π Ｌ （ｘ ｓｉｎφ － ＣＲｔ []） （２０） 上文指出， 峰值位移振幅Ａｍａｘ， Ｖ ＝ １． ４６８Ａｍａｘ， Ｈ， 又因为对于谐波来说， 质点峰值位移振幅与质点峰 值振速的关系为［ １３］Ａ ｍａｘ ＝ ＬＲ ２π Ｖｍａｘ Ｃ Ｒ ，因此，将式 （１２） 、 （１３） 和（２０）叠加可得出瑞利波作用下， 管道 所受轴向应变、 环向应变的最终表达式为 εα＝ Ｖｍａｘ， Ｈ ＣＲ ｃｏｓ２φ ｃｏｓ ２π Ｌ （Ｒ１－ ＣＲｔ []） （ ２１） εｈ＝ Ｖｍａｘ， Ｈ ２ＣＲ ｓｉｎ { φ ２ ｓｉｎ φ ｃｏｓ２θ ｃｏｓ ２π Ｌ （Ｒ１－ ＣＲｔ []）＋ １． ４６８ ｓｉｎ ２θ ｓｉｎ ２π Ｌ （Ｒ１－ ＣＲｔ []}） （２２） 式中，Ｒ１＝ ｘ ｓｉｎ φ ＝ ｚ ｃｏｓ φ对应于爆炸影响范 围内管道的任一横截面。 １． ３ 管道应变与振速关系的建立 一般地， 采用萨道夫斯基公式来计算爆破振动 引起质点振动的峰值速度衰减规律 Ｖｍａｘ＝ ｋ Ｑ １ ３ Ｒ α （２３） 式中Ｑ为装药量；Ｒ为爆心距；ｋ和α为与场 地有关参数。 根据参考文献［１５］ 可知 Ｖｍａｘ＝Ｖｍａｘ， Ｈ ２ ＋ Ｖｍａｘ， ｖ、 ２ 故 Ｖｍａｘ＝Ｖｍａｘ， Ｈ ２ ＋（１． ４６８Ｖｍａｘ， ｖ）、 ２ ＝ １． ７７Ｖｍａｘ， Ｈ （２４） 即 Ｖｍａｘ， Ｈ ＝ １ １． ７７Ｖｍａｘ ＝ １ １． ７７ｋ Ｑ １ ３ Ｒ α 上文推导的管道应变表达式包含了许多变量， 如果利用数学方法求解， 过程将十分繁琐， 往往得不 到正确答案， 因此我们把重点放在分析过程， 具体的 结果计算则必须借助计算机算法， 最终得到管道应 变的简洁表达式为 εα＝ Ｖｍａｘ， Ｈ ＣＲ （２５） εｈ＝ ０． ７３４Ｖｍａｘ， Ｈ ＣＲ （２６） 由此可得管道应变与爆心距之间的关系为 εα＝ １ １． ７７ＣＲｋ Ｑ １ ３ Ｒ α （２７） εｈ＝ １ ２． ４０ＣＲｋ Ｑ １ ３ Ｒ α （２８） ２ 实例分析 ２． １ 工程概况 利川城南大道工程项目全长２． ０２８ ｋｍ。全线 总填方量１１６ ８９９ ｍ３， 总挖方量８７９ ５３０ ｍ３。拟爆 破开挖区路堑高边坡长２００ ｍ，最大开挖深度 ３８． １９７ ｍ， 该区域与忠武燃气管道距离较近， 线路走 向基本与燃气管线平行， 其中燃气管道附近基岩主 要位于桩号ｋ１ ＋７００ ～ ｋ１ ＋９００段， 部分管线与工程 红线用地相互交叉， 从目前出露地层岩石来看主要 为中风化至强风化页岩， 岩体较为坚硬， 爆区周边环 境示意图如图４所示。由于爆破区域邻近燃气管 道， 周边环境极其复杂， 根据爆破安全规程规定， 在正式开展大规模爆破之前有必要选取典型地段进 行爆破试验， 并验证爆破试验是否影响燃气管道的 安全运行。爆破试验时爆源与燃气管道相对位置关 系示意图如图５所示。 图４ 爆区周边环境 Ｆｉｇ． ４ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ａｒｅａｓ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ 图５ 试验炮孔与管道相对位置关系（ 单位ｍ） Ｆｉｇ． ５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｈｏｌｅ ａｎｄ ｐｉｐｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ（ｕｎｉｔｍ） ０４１爆 破 ２０１８年６月 万方数据 ２． ２ 试爆试验 （ａ） 爆破参数 爆破试验采用中深孔爆破方法， 按微差松动爆破考虑， 炮孔直径１００ ｍｍ， 炮孔深度 为８ ｍ。炸药单耗０． ２５ ～０． ３０ ｋｇ／ ｍ３， 本次爆破试 验采用单孔单响逐孔起爆网路， 设计最大单段起爆 药量为２０ ｋｇ。 （ｂ）试验仪器 本次试验采用ＵＢＯＸ-５０１６爆破 振动智能监测仪， 再配合ＢＭＶｉｅｗ通过数据采集设 备控制， 得到爆破振动数据。 （ｃ） 试验步骤１） 测点布置 根据爆源与燃气管 道的相对位置， 以及验证和预测爆破是否会对燃气 管道产生影响， 在爆破区域的一侧选择合适的场所 安置仪器。试验测点布置示意图如图５所示。２） 测振仪安装 用石膏粉将测振仪安装在管道上地表。 ３）数据采集 准备工作完成， 开启仪器， 等待触发， 起爆后， 测量并记录爆破振动数据。 （ｄ） 试验数据 试验进行３次， 测得９组振动数 据， 如表１所示。 表１ 峰值振速Ｖ及相关统计值 Ｔａｂｌｅ １ Ｐｅａｋ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ 测点Ｑ／ ｋｇＲ／ ｍ Ｖ／（ｃｍｓ －１） 垂直１． ３４９ １＃２０５１． ５２纵向０． ８２３ 横向０． ７５４ 垂直１． ２６３ ２＃２０５４． ００纵向０． ７６４ 横向０． ６９９ 垂直１． ２９１ ３＃２０５２． ７８纵向０． ７９３ 横向０． ７３３ 垂直１． ２９３ ４＃１８５１． ５２纵向０． ９８３ 横向０． ４１５ 垂直１． ２１０ ５＃１８５４． ００纵向１． ３２７ 横向０． ８６３ 垂直０． ５４９ ６＃１８５２． ７８纵向／ 横向１． １８８ 垂直１． ２２３ ７＃１６５１． ５２纵向０． ７３６ 横向０． ８７１ 垂直１． ３４１ ８＃１６５４． ００纵向１． ２８３ 横向／ 垂直１． １８３ ９＃１６５２． ７８纵向０． ９０８ 横向０． ６４５ 对试验数据进行回归分析， 当不考虑高程效应 时， 两边取对数ｌｇ Ｖ ＝ ｌｇｋ ＋ α ｌｇρ（ ρ ＝ ３ 、Ｑ Ｒ 为比例药 量） 。令ｙ ＝ ｌｇＶ、ａ ＝ ｌｇｋ、ｂ ＝ α和ｘ ＝ ｌｇρ， 则ｙ ＝ ａｘ ＋ ｂ， 显然， 这是一个一元线性方程， 可以通过解析法或 一元线性回归求得ａ和ｂ， 最终求得垂直方向上ｋ ＝ ８４． ０９７，α ＝１． ４０５。因此通过最小二乘法回归拟合 得到本测试条件下该区域爆破时爆破地震波传播规 律可用下式表示 Ｖ ＝ ８４． ９０７ ２０ １ ３ Ｒ １． ４０５ （２９） 根据试爆试验可知该条件下振速峰值速度为 １． ３４９ ｃｍ／ ｓ，远远小于普遍采用的安全控制标准 ３ ｃｍ／ ｓ。 同时用爆破振动速度公式可求出距管道不 同距离处爆破药量， 以指导后期施工。 ３ 管道受震害影响的风险预测 ３． １ 管道最大容许应变的计算 忠武燃气管道全长１３６４． ５ ｋｍ； 管道外径Ｄ ＝ ７１１ ｍｍ； 管材Ｘ６５； 设计压力Ｐ ＝６． ３ ＭＰａ； 壁厚 δ ＝ ８． ７ ｍｍ； 泊松比μ ＝０． ３； 钢管内径ｄ ＝６９３． ６ ｍｍ； 钢 管的弹性模量为Ｅ ＝ ２． １ １０５ＭＰａ；管道埋深为 １． ８ ｍ。 根据 输油（气）钢质管道抗震设计规范的规 定， 地震波引起管道的应变应进行抗拉伸和抗压缩 校核， 并提供了管道最大容许应变的计算公式。 管道容许压缩应变 ［εｃ］ ｖ ＝ ０． ３５ δ Ｄ ＝ ０． ４３％（３０） 管道容许拉伸应变 ［εｔ］ ｖ ＝ １％（３１） 正常工作时， 管道所受环向应力、 轴向应力分别 为 σｈ＝ Ｐｄ ２δ ＝ ２５１． １３ ＭＰａ（３２） σα＝ μσｈ＋ Ｅα１（ｔ１－ ｔ２）＝ １３８． ３４ ＭＰａ（３３） 式中，α１＝１２ １０ －６℃－１， 工作温度 ｔ１为５０ ℃， 回填温度ｔ２为２５ ℃。 正常工作时管道所受的环向应变、 轴向应变分 别为 εｈ＝ σｈ Ｅ ＝ １１． ９５ １０ －４ （３４） εα＝ σα Ｅ ＝ ６． ５８ １０ －４ （３５） 爆破地震波振动引起管道最大轴向应变εα， ｍａｘ １４１第３５卷 第２期 郝郁清， 程 康， 赵其达拉图， 等 爆破地震波作用下燃气管道的安全距离研究 万方数据 应与操作条件下荷载引起的轴向应变εα组合， 进行 校核［ １１］ 管道产生的拉伸应变 εα， ｍａｘ ＋ ε α ≥０ ，εα， ｍａｘ＋ εα≤［εｔ］ ｖ， 代入相应的数据计算得εα，ｍａｘ≤９． ３４ １０ －３，管道产生的压缩应变 εα， ｍａｘ ＋ εα ≤ ０， εα， ｍａｘ ＋ ε α ≤［εｔ］ ｖ， 计算得εα，ｍａｘ≥ －４． ９５ １０ －３， 由此可知管道轴向容许承受应变范围 － ４． ９５ １０ －３ ≤ εα， ｍａｘ≤ ９． ３４ １０ －３ （３６） 采用同样的方法可计算出管道环向容许承受应 变范围 － ５． ４９ １０ －３ ≤ εｈ， ｍａｘ≤ ８． ８１ １０ －３ （３７） ３． ２ 管道风险预测 试爆试验回归得到的萨道夫斯基公式代入爆破 地震波作用下管道应变与爆心距的关系式， 可得本 工程背景下管道轴向应变、 环向应变与爆心距的函 数关系 εα＝ １ １． ７７ＣＲ ８４． ９０７ ２０ １ ３ Ｒ １． ４０５ （３８） εｈ＝ １ ２． ４０ＣＲ ８４． ９０７ ２０ １ ３ Ｒ １． ４０５ （３９） 上式只考虑应变的数值大小， 不考虑应变的方 向。观察上式可知， 管道容许的应变越小， 则爆心距 越大， 这也符合现场经验。只有当爆心距达到或超 过最小安全距离时， 管道才安全。取瑞利波在页岩 中的传播速度ＣＲ＝ ８００ ｍ／ ｓ，εα取４． ９５ １０ －３， εｈ 取５． ４９ １０ －３， 计算最小安全距离。 代入相应数据计算得， 轴向应变作用下， 最小安 全距离Ｒ为１６． ９ ｍ； 环向应变作用下， 最小安全距 离１２． ３ ｍ。综合可知瑞利波作用下管道与爆源的 最小安全距离应取１６． ９ ｍ。因为瑞利波携带的地 震波能量占６７％， 故本次爆破安全距离Ｒ ＝１６． ９ ６７％ ＝２５． ３ ｍ， 远远小于规范中规定的管道中心线 两侧各５０ ｍ范围内禁止爆破的要求。因此， 当爆破 施工区域存在地下管道时， 应根据实际情况合理选 择爆心距、 装药量等爆破参数， 通过分析现场监测数 据为爆破施工方案提供指导。 ４ 结论 通过提出瑞利波作用下埋地管道应变与爆破振 动速度关系的计算方法， 结合实际工程条件及埋地 管道的容许应变来计算管道与爆源之间的安全距 离， 得到的主要结论如下 （ａ） 通过爆破地震波作用下管道应变的计算方 法， 得到管道应变与质点振动峰值速度成正比， 这表 明质点振动峰值速度是爆破时管道安全判据的一个 重要物理量。同时建立起管道轴向、 环向应变与爆 破安全距离、 装药量之间的函数关系。 （ｂ） 本工程中， 当最大单段起爆药量为２０ ｋｇ 时， 计算出安全距离为２５． ３ ｍ， 远远小于燃气管道 安全管理条例中要求的允许爆破安全距离， 这说明 安全管理条例有关规定有较大安全空间， 需要爆破 工作者不断研究， 以期提出更为合理的安全距离。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］ 张 震， 周传波， 路世伟， 等．爆破振动作用下邻近埋 地混凝土管道动力响应特性［Ｊ］．哈尔滨工业大学学 报，２０１７，４６（９） ７９-８４． ［１］ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎ，ＺＨＯＵ Ｃｈｕａｎ-ｂｏ，ＬＵ Ｓｈｉ-ｗｅｉ，ｅｔ ａｌ． Ｄｙ- ｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ｂｕｒｉｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｐｅｓ ｕｎｄｅｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉ- ｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１７，４６（９） ７９-８４．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［２］ 王振洪， 侯雄飞， 边 明， 等．爆破对天然气长输管道 振动影响的安全判据［Ｊ］．油气储运，２０１６（８） ８１３- ８１８． ［２］ ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎ-ｈｏｎｇ，ＨＯＵ Ｘｉｏｎｇ-ｆｅｉ，ＢＩＡＮ Ｍｉｎｇ，ｅｔ ａｌ． Ｓａｆｅｔｙ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｆｏｒ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｏｎ ｌｏｎｇ-ｄｉｓｔａｎｃｅ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ［Ｊ］． Ｏｉｌ ＆ Ｇａｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１６（８） ８１３-８１８． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［３］ 蒲传金， 郭王林， 廖 涛， 等．桥桩爆破对埋地天然气 管道影响控制措施分析［Ｊ］．爆破，２０１５，３２（３） １７２- １７５，１８２． ［３］ ＰＵ Ｃｈｕａｎ-ｊｉｎ，ＧＵＯ Ｗａｎｇ-ｌｉｎ，ＬＩＡＯ Ｔａｏ，ｅｔ ａｌ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｎ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｏｎ ｂｕｒｉｅｄ ｇａｓ 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ｐｉｐｅ-ｌｉｎｅ［Ｊ］． Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｅａｒｔｈ- ｑｕａｋｅ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，２０１５，１０（３） ５３１-５３８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［８］ 郑爽英， 杨立中．下穿隧道爆破地震作用下埋地输气 管道的动力响应规律研究［Ｊ］．爆破，２０１５，３２（４） ６９- ７６，１０９． ［８］ ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ-ｙｉｎｇ，ＹＡＮＧ Ｌｉ-ｚｈｏｎｇ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｂｕｒｉｅｄ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｕｎｄｅｒ ｕｎｄｅｒｐａｓｓ ｔｕｎｎｅｌ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ［Ｊ］． Ｂｌａｓｔｉｎｇ，２０１５，３２（４） ６９-７６， １０９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［９］ 都的箭， 梁雪莹， 邓正栋， 等．埋地管线爆炸地冲击作 用下解析解计算研究［Ｊ］．爆破，２０１１，２８（３） ２１-２５． ［９］ ＤＵ Ｄｅ-ｊｉａｎ，ＬＩＡＮＧ Ｘｕｅ-ｙｉｎｇ，ＤＥＮＧ Ｚｈｅｎｇ-ｄｏｎｇ，ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ａｎａｌｙｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅ- ｌｉｎｅ ｕｎｄｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｇｒｏｕｎｄ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ［Ｊ］． Ｂｌａｓｔｉｎｇ， ２０１１，２８（３） ２１-２５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１０］ 吴铭芳．邻近隧道爆破施工对输油管道影响范围研 究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１６（１２） ７０３-７０６． ［１０］ ＷＵ Ｍｉｎｇ-ｆａｎｇ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ａｄｊａ- ｃｅｎｔ ｔｕｎｎｅｌ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｎ ｏｉｌ ｐｉｐｅｌｉｎｅ［Ｊ］． Ｃｈｉ- ｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１６（１２） ７０３-７０６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１１］ 张黎明， 赵明生， 池恩安， 等．爆破振动对地下管道影 响试验及风险预测［Ｊ］．振动与冲击，２０１７，３６（１６） ２４１-２４７． ［１１］ ＺＨＡＮＧ Ｌｉ-ｍｉｎｇ，ＺＨＡＯ Ｍｉｎｇ-ｓｈｅｎｇ，ＣＨＩ Ｅｎ-ａｎ，ｅｔ ａｌ． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｎｄ ｒｉｓｋ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ， ２０１７． ３６（１６） ２４１-２４７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１２］ 程 康， 徐学勇， 谢 冰．工程爆破理论基础［Ｍ］．武 汉 武汉理工大学出版社，２００５． ［１３］ Ｇ Ｐ Ｋｏｕｒｅｔｚｉｓ，Ｇ Ｄ Ｂｏｕｃｋｏｖａｌａｓ，Ｃ Ｊ Ｇａｎｔｅｓ． Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔ-ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｔｒａｉｎｓ ｔｏ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｍｐａｃｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７， ３４（１０）１６８３-１７０４． ［１４］ Ｇ Ｐ Ｋｏｕｒｅｔｚｉｓ，Ｇ Ｄ Ｂｏｕｃｋｏｖａｌａｓ，Ｄ Ｋ Ｋａｒａｍｉｔｒｏｓ． Ｓｅｉｓ- ｍｉｃ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ ｅｆｆｅｃｔｓ［Ｊ］． Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｕｎ- ｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，２６（６） ７８９-７９４． ［１５］ Ｇ Ｐ Ｋｏｕｒｅｔｚｉｓ，Ｇ Ｄ Ｂｏｕｃｋｏｖａｌａｓ，Ｃ Ｊ Ｇａｎｔｅｓ． ３-Ｄ ｓｈｅｌｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｎｄｅｒ ｓｅｉｓ- ｍｉｃ ｓｈｅａｒ（Ｓ）ｗａｖｅ ａｃｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｓｏｉｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｅａｒｔｈ- ｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，２６（１０） ９０９-９２１． （上接第１１７页） ［５］ 蒋成荣， 唐春海， 蒙少明， 等．复杂环境下基坑支撑梁 爆破拆除［Ｊ］．爆破，２０１４，３１（２） １１１-１１４． ［５］ ＪＩＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ-ｒｏｎｇ，ＴＡＮＧ Ｃｈｕｎ-ｈａｉ，ＭＥＮＧ Ｓｈａｏ-ｍｉｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｂｅａｍ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｉｎ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ 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