地下管道爆破振动安全允许峰值振速试验研究.pdf

第36卷 第4期 2019年12月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 4  Dec. 2019 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2019. 04. 022 地 下 管 道 爆 破 振 动 安 全 允 许 峰 值 振 速 试 验 研 究 * 张 黎 明 1， 赵 昌 龙2， 池 恩 安1，2， 赵 明 生1，2 （1.贵 州 大 学 矿 业 学 院 ， 贵 阳550025；2.保 利 新 联 爆 破 工 程 集 团 有 限 公 司 ， 贵 阳550002） 摘 要 为 探 究 地 下 管 道 的 安 全 允 许 峰 值 振 速 ， 通 过 现 场 试 验 对 管 道 地 表 的 爆 破 振 动 峰 值 振 速 、 主 振 频 率 、 及 管 道 表 面 轴 向 微 应 变 进 行 监 测 记 录 。分 别 对 不 同 主 频 范 围 的 峰 值 振 速 和 管 道 轴 向 应 变 进 行 拟 合 分 析 ， 发 现 主 频≤35 Hz和 主 频＞35 Hz的 拟 合 结 果 不 同 ， 且 应 变 随 峰 值 振 速 的 增 加 呈 指 数 增 长 。以 管 道 的 最 大 容 许 轴 向 应 变 峰 值 为 管 道 的 破 坏 判 据 ， 得 到 其 安 全 允 许 峰 值 振 速 分 别 为14. 44 cm／ s（主 频≤35 Hz）、17. 21 cm／ s （主 频＞35 Hz）。由 此 可 见 ， 应 根 据 不 同 主 振 频 率 确 定 地 下 管 道 的 爆 破 振 动 安 全 允 许 峰 值 振 速 ， 通 过 现 场 监 测 、 管 道 情 况 制 定 和 优 化 爆 破 施 工 方 案 。 关 键 词 地 下 管 道 ；峰 值 振 速 ；主 振 频 率 ；轴 向 应 变 中 图 分 类 号 TD235 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1001 －487X（2019）04 －0146 －04 Experimental Investigation on allowed Blasting Vibration Velocity of Underground Pipeline ZHANG Li-ming1，ZHAO Chang-long2，CHI En-an1， 2， ZHAO Ming-sheng1， 2 （1. Mining College，Guizhou University，Guiyang 550025，China； 2. Poly Xinlian Blasting Engineering Group Co Ltd，Guiyang 550002，China） Abstract In order to study the allowable peak particle velocity of buried pipelines，the blasting vibration and ax- ial micro-strains were monitored by field test. By fitting the peak particle velocity of blasting vibration and axial strain of the pipeline according to main vibration frequency respectively，it was found that the fitting results were separated by the 35 Hz frequency point. And the strain grows exponentially with the velocitys value. Taking the maximum al- lowable axial strain peak value of the pipeline as the failure criterion，the allowable peak vibration velocity of the pipeline was obtained to be 14. 44 cm／ s（main frequency≤35 Hz）and 17. 21 cm／ s（main frequency ＞35 Hz） ，re- spectively. It can be seen from this that the allowable peak vibration velocity of underground pipeline should be deter- mined according to different main vibration frequencies，and the blasting construction scheme should be ulated and optimized through on-site monitoring and pipeline conditions. Key words buried pipeline；peak particle velocity；vibration frequency；axial strain 收 稿 日 期 2019 －07 －10 作 者 简 介 张 黎 明 （1990 －） ， 女 ， 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）zhanglm17＠163. com。 通 讯 作 者 赵 昌 龙 （1990 －） ， 男 ， 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）654245949＠ qq. com。 基 金 项 目 贵 州 省 科 技 计 划 项 目 （黔 科 合SY字 ［2013］3107号 ） ； 贵 州 省 科 技 计 划 项 目 （ 黔 科 合 平 台 人 才 ［2018］5781号 ） 地 下 管 道 关 系 到 生 产 、 生 活 各 个 方 面 ， 其 重 要 性 毋 庸 置 疑 。地 下 管 道 附 近 进 行 爆 破 作 业 的 情 况 时 常 发 生 。然 而 ， 爆 破 安 全 规 程 （GB67222014）和 管 道 相 关 法 律 法 规 中 十 分 缺 乏 关 于 地 下 管 道 附 近 爆 破 施 工 的 标 准 规 范 ［1，2］。 近 年 来 ， 学 者 们 对 地 下 管 道 受 爆 破 振 动 影 响 规 律 及 其 安 全 允 许 标 准 开 展 了 深 入 的 研 究 。王 敏 、 郑 爽 英 、 夏 宇 磬 等 学 者 利 用 计 算 机 模 拟 方 法 研 究 管 道 的 动 态 响 应 及 峰 值 振 速 安 全 阈 值 ［3-7］； 王 栋 、 张 震 等 学 者 运 用 数 值 模 拟 与 实 测 相 结 合 的 方 法 进 行 研 究 ， 万方数据 输 出 振 动 预 测 值 及 控 制 振 速 ［8，9］； 王 海 涛 等 人 通 过 相 似 模 拟 试 验 研 究 了 管 道 在 爆 破 振 动 下 的 动 力 响 应 规 律 ，提 出 混 凝 土 管 道 安 全 控 制 振 速 为 2. 5 cm／ s［ 10］， 钟 冬 望 等 人 提 出 PE管 道 在 不 同 埋 深 下 ， 应 变 、 装 药 量 、 爆 心 距 三 者 的 关 系 ［11，12］， 郝 郁 清 、 Robert等 人 通 过 现 场 实 测 或 室 内 模 型 试 验 提 出 管 道 安 全 允 许 判 据 ， 前 者 认 为 其 施 工 条 件 下 的 安 全 距 离 为25. 3 m［ 13］， 后 者 认 为 管 道 安 全 振 速 范 围 为 12.5 ～ 25 cm／ s［ 14］； 蒲 传 金 等 人 提 出 地 下 天 然 气 管 道 附 近 的 爆 破 施 工 原 则 和 协 调 管 理 机 制 ［15］， 张 景 华 等 人 认 为 直 接 关 闭 输 油 管 道 周 边 的 爆 破 采 矿 点 是 不 合 理 的 ， 通 过 组 织 现 场 专 家 论 证 ， 确 定 爆 破 对 管 道 的 安 全 质 点 振 速 为7 ～ 10 cm／ s［ 16］。笔 者 通 过 现 场 试 验 对 爆 破 振 动 峰 值 振 速 以 及 地 下 管 道 微 应 变 进 行 了 监 测 、 分 析 ， 提 出 了 管 道 允 许 最 大 峰 值 振 速 ［17-19］。国 内 外 学 者 对 的 地 下 管 道 安 全 允 许 最 大 振 速 的 研 究 方 法 不 尽 相 同 ， 而 现 场 试 验 监 测 方 法 是 更 加 符 合 工 程 实 际 情 况 ， 且 便 于 指 导 实 际 施 工 的 ， 为 避 免 在 役 地 下 管 道 出 现 “ 第 三 方 破 坏 ” ， 本 研 究 采 用 的 是 一 种 可 行 性 较 强 、 易 于 监 测 、 便 于 应 用 的 试 验 方 法 ， 对 地 下 管 道 的 安 全 允 许 振 速 开 展 研 究 。 1 试 验 方 法 1. 1 试 验 工 程 背 景 监 测 试 验 在 某 山 地 场 平 工 程 进 行 ， 该 工 程 地 质 条 件 较 单 一 ， 节 理 、 岩 溶 较 发 育 ， 岩 石 普 氏 系 数f约 8. 0 ～10。爆 破 技 术 参 数 如 下 炮 孔 直 径d ＝90 mm， 梯 段 高 度H ＝ 6 m， 钻 孔 长 度L ＝ 6. 5 m， 填 塞 长 度 h ＝2. 1 m， 底 盘 抵 抗 线W ＝ 3 m， 孔 间 距a ＝ 3 m， 孔 排 距b ＝ 2. 5 ～ 3 m，为 三 角 形 布 孔 ，单 孔 药 量 约 19. 5 kg， 最 大 段 装 药 量 约172. 6 kg，炸 药 单 耗 约 0. 4 kg／ m3， 实 际 参 数 根 据 现 场 施 工 情 况 有 所 浮 动 。 爆 破 器 材 选 用5段 、7段 、15段 的 毫 秒 导 爆 管 雷 管 ， 70 mm直 径 岩 石 乳 化 炸 药 。爆 破 区 域 环 境 较 复 杂 ， 周 边 有 民 房 、 在 建 高 铁 站 等 建 筑 物 。 1. 2 试 验 步 骤 试 验 同 时 监 测 管 道 的 应 变 及 其 地 表 的 振 动 信 号 ， 选 用4根 长 度 均 为3m， 母 材 为Q235钢 的DN100 热 镀 锌 钢 管 ， 编 号 分 别 为① ～ ④号 。首 先 ， 在 每 根 钢 管 表 面 平 行 于 轴 向 方 向 安 装 应 变 片 ， 并 通 过 屏 蔽 线 连 接 至 应 变 测 试 系 统 （ 型 号 DH3820） ； 然 后 ， 在 爆 破 区 域 附 近 开 挖 管 沟 ， 将 其 敷 设 于 地 下1. 2m， 管 道 对 应 的 地 面 安 放 测 振 仪 （型 号 TC4850N）① ～ ④号 。 爆 破 振 动 触 发 测 振 仪 和 应 变 测 试 系 统 自 动 记 录 振 动 、 应 变 数 据 。 图1 试 验 步 骤 Fig. 1 Experimental procedure 图2 试 验 现 场 照 片 Fig. 2 Test scene photo 2 试 验 数 据 试 验 共 获 得15组 爆 破 振 动 和 应 变 数 据 ， 个 别 振 动 仪 和 应 变 通 道 未 能 采 集 到 有 效 数 据 。相 关 规 范 、 文 献 中 常 采 用z方 向 的 峰 值 振 速 作 为 安 全 允 许 标 准 ［20］， 因 此 将 z方 向 振 动 信 号 和 管 道 轴 向 应 变 峰 峰 值 作 为 研 究 对 象 。表1为 主 振 频 率fz、 峰 值 振 速vz、 管 道 轴 向 应 变 峰 峰 值με监 测 结 果 。 3 数 据 分 析 根 据 文 献 ［19］ 的 分 析 结 果 ， 较 大 应 变 峰 峰 值 主 要 在35 Hz以 下 ， 因 此 ， 主 振 频 率 应 作 为 地 下 管 道 爆 破 振 动 安 全 允 许 标 准 的 指 标 之 一 。以 峰 值 振 速vz 为 横 坐 标 ， 轴 向 应 变 峰 峰 值με为 纵 坐 标 ， 主 振 频 率 35 Hz为 分 界 点 ，fz≤35Hz、fz＞ 35Hz的 数 据 分 别 拟 合 分 析 ， 拟 合 曲 线 如 图3所 示 ， 相 关 性 系 数R接 近 1， 拟 合 效 果 较 好 ， 拟 合 方 程 形 式 为y ＝ b ＋ a ex／ t（a、 b、t均 为 常 数 ） 。通 过 拟 合 分 析 发 现 fz≤35 Hz的 拟 合 曲 线 高 于fz＞35 Hz的 曲 线 ， 即 不 同 频 率 段 的 地 下 管 道 受 振 动 影 响 程 度 有 所 差 异 。 根 据 文 献 ［21］ 、 文 献 ［17］中 理 论 计 算 得 到 该 管 道 的 轴 向 最 大 容 许 拉 应 变 为9. 65 10 －3， 最 大 容 许 压 应 变 为1. 25 10 －2， 因 此 最 大 容 许 应 变 峰 峰 值 为 二 者 之 和εmax2. 21 10 －2， 试 验 所 得 微 应 变 是 实 际 应 变 的106倍 ， 将μεmax＝ 106εmax＝ 2. 21 104代 入 741第36卷 第4期 张 黎 明 ， 赵 昌 龙 ， 池 恩 安 ， 等 地 下 管 道 爆 破 振 动 安 全 允 许 峰 值 振 速 试 验 研 究 万方数据 拟 合 方 程 中 ， 拟 合 曲 线 方 程 及 计 算 结 果 列 于 如 表2。 表1 主 振 频 率 、z方 向 峰 值 振 速 、 管 道 轴 向 应 变 峰 峰 值 Table 1 Main vibration frequency and peak particle velocity and peak-to-peak axial strain 编 号fz／ Hz vz／（cms －1） με／ （106） 编 号fz／ Hz vz／（cms －1） με／ （106） 编 号fz／ Hz vz／（cms －1） με／ （106） 1 －138. 535. 2794. 006 －143. 14. 196. 7911 －127. 83. 7617. 54 1 －242. 49. 82／6 －262. 52. 061. 8811 －2／／89. 71 1 －356. 84. 13／6 －364. 13. 69／11 －333. 31. 74 6. 54 1 －453. 21. 69123. 896 －4／／3. 1111 －422. 91. 2019. 59 2 －162. 538. 52257. 517 －129. 42. 2018. 3912 －123. 61. 9516. 37 2 －221. 923. 7631. 387 －232. 52. 514. 8112 －224. 01. 27 4. 24 2 －353. 24. 50／7 －331. 22. 1036. 3812 －330. 11. 4220. 44 2 －456. 82. 52 9. 007 －424. 54. 1423. 9212 －427. 51. 8814. 08 3 －125. 031. 51168. 108 －161. 01. 513. 6913 －155. 60. 5930. 68 3 －219. 521. 3718. 978 －292. 60. 50／13 －241. 70. 37 4. 03 3 －351. 05. 98／8 －346. 30. 921. 5613 －336. 20. 72 4. 40 3 －450. 02. 36 8. 948 －451. 01. 02／13 －441. 70. 4243. 77 4 －132. 95. 0516. 939 －136. 85. 6015. 2014 －124. 55. 6011. 26 4 －222. 77. 0125. 059 －246. 31. 938. 6814 －216. 62. 8911. 61 4 －361. 06. 02／9 －335. 72. 9415. 2414 －335. 23. 1072. 96 4 －4／／12. 999 －439. 73. 0814. 5414 －432. 54. 5616. 96 5 －134. 26. 85 9. 0010 －143. 91. 2111. 0915 －125. 313. 5725. 84 5 －218. 86. 82 8. 7010 －240. 30. 803. 0015 －289. 34. 7516. 55 5 －362. 511. 15／10 －339. 71. 387. 7015 －330. 93. 7879. 23 5 －4／／ 1. 2110 －416. 31. 3356. 6215 －4／／114. 30 表2 拟 合 分 析 计 算 结 果 及 爆 破 振 动 安 全 允 许 峰 值 振 速 Table 2 Fitting analysis results and blasting safety vibration velocity 频 率 段拟 合 方 程计 算 结 果／（cms －1） 安 全 允 许 振 速／（cms －1） fz≤35 Hz y ＝0. 01 ex／3. 31＋20. 5248. 1514. 44 fz＞35 Hz y ＝0. 02 ex／4. 10＋19. 3757. 3817. 21 图3 不 同 频 率 段 峰 值 振 速 与 应 变 峰 峰 值 拟 合 分 析 Fig. 3 Peak velocity and peak-to-peak axial strain fitting analysis in different frequencies 在 实 际 工 程 施 工 中 ， 为 确 保 地 下 管 道 的 安 全 ， 峰 值 振 速 的 取 值 远 低 于 理 论 计 算 结 果 。文 献 ［22］分 析 了 地 下 管 道 受 爆 破 振 动 的 影 响 因 素 主 要 有 四 方 面 爆 破 振 动 剧 烈 程 度 、 施 工 现 场 条 件 、 管 道 自 身 状 态 、 管 道 结 构 ， 其 权 重 分 别 为 0. 3、0. 25、0. 3、0. 15， 其 中 爆 破 振 动 是 以 峰 值 振 速 为 其 剧 烈 程 度 的 判 断 依 据 ， 本 试 验 中 其 他 三 个 因 素 均 未 变 动 ， 因 此 ， 根 据 权 重 计 算 管 道 地 表 的 安 全 允 许 峰 值 振 速 当 主 振 频 率 fz≤35 Hz时 ， 地 下 管 道 的 地 表 最 大 峰 值 振 速 不 超 过 0. 3 48.15 cm／ s ＝14.44 cm／ s； 而 主 振 频 率fz＞35 Hz 时 ， 最 大 峰 值 振 速 不 超 过17. 21 cm／ s， 试 验 条 件 下 的 地 下 管 道 爆 破 振 动 安 全 允 许 峰 值 振 速 如 表2所 示 。 4 结 论 通 过 对 爆 破 区 域 附 近 地 下 管 道 的 现 场 监 测 ， 对 采 集 的 爆 破 振 动 数 据 、 应 变 数 据 进 行 分 析 ， 得 到 以 下 结 论 （1） 随 着 地 表 峰 值 振 速 的 增 加 ， 管 道 轴 向 应 变 基 本 呈 指 数 增 长 ， 根 据 拟 合 分 析 结 果 及 最 大 容 许 应 841爆 破 2019年12月 万方数据 变 可 推 算 出 地 下 管 道 的 最 大 允 许 峰 值 振 速 。 （2）主 振 频 率fz≤35Hz和fz＞ 35Hz的 拟 合 结 果 、 安 全 允 许 振 速 相 差 较 大 ， 因 此 ， 根 据 相 应 主 频 范 围 确 定 地 下 管 道 的 安 全 允 许 振 速 更 为 合 理 。 综 上 所 述 ， 地 下 管 道 爆 破 振 动 安 全 允 许 标 准 涉 及 地 质 条 件 、 爆 破 施 工 情 况 、 地 下 管 道 情 况 、 管 道 失 效 形 式 等 多 方 面 ， 因 此 ， 在 地 下 管 道 附 近 爆 破 施 工 ， 制 定 爆 破 施 工 方 案 时 ， 不 宜 武 断 地 参 考 个 别 法 规 、 规 范 ， 而 需 要 进 行 全 面 的 现 场 监 测 分 析 研 究 ， 因 地 制 宜 的 制 定 爆 破 施 工 方 案 。 参 考 文 献 （References） ［1］ 中 华 人 民 共 和 国 国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局. 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