爆破塌落体对地下管道的冲击作用探讨.pdf

第2 9 卷第1 期爆破V01．29 N o ，l 2 0 1 2 年3 月B L A S T I N G M a r ．2 0 1 2 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 1 3 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 1 ．0 0 6 爆破塌落体对地下管道的冲击作用探讨 谭雪刚’，贺五一2 ，田永良k 3 ，尚军4 1 ．中国人民解放军理- t 大学- I “ 程兵工程学院，南京2 1 0 0 0 7 ；2 ．桂林空军学院，桂林5 4 1 0 0 3 ； 3 ．南京军区7 3 6 6 9 部队，南京2 1 1 1 3 1 ；4 ．江西荣达爆破新技术开发有限公司，南昌3 3 0 0 3 8 摘要城市拆除爆破中，塌落震动会对拆除物地面之下的管道等设施带来巨大危害。首先介绍了地下管 道塌落体冲击力的计算方法，然后针对一座城市高架桥的拆除实例，计算校核塌落体冲击力作用危害程度。 通过采取地形改造、铺设缓冲层以及合理设计起爆顺序等措施，保证在控制拆除爆破中地下管道在塌落冲击 下的安全。 关键词塌落体；地下管道；冲击力 中图分类号T U 7 4 6 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 2 0 1 0 0 2 3 0 4 I m p a c to fB l a s t i n gC o l l a p s eo nU n d e r g r o u n dP i p e l i n e T A NX u e ．g a n g ’，H EW u - y i2 ，T I A NY o n g ．1 i a n 9 1 ”，S H A N GJ u n “ 1 ．E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gC o r p s ，P L AU n i vo fS C I T E C H ，N a n j i n g 2 10 0 0 7 ，C h i n a ； 2 ．G u i l i nA i rF o r c eA c a d e m y ，G u i l i n5 4 1 0 0 3 ，C h i n a ； 3 ．7 3 6 6 9T r o o po fN a n j i n gM i l i t a r yR e g i o n ，N a n j i n g2 1 1 1 3 1 ，C h i n a ； 4 ．J i a n g x iR o n g d aN e wB l a s t i n gT e c h n o l o g yC oL t d ，N a n c h a n g3 3 0 0 3 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o l l a p s e sv i b r a t i o nw o u l dc ．a u eg r e a td a m a g et op i p e l i n ef a c i l i t i e su n d e rt h ed e m o l i s h e db u i l d i n g i nc i t ye x p l o s i v ed e m o l i t i o n ．S o m ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e sa f f e c t e db yt h ee o f l a p s eo fi m p a c t f o r c ew e l ei n t r o d u c e df i r s t l y ．T h e n ，t a k i n gad e m o l i t i o no fc i t yv i a d u c tf o re x a m p l e ，t h ed a ／n a g ed e g r e eo ft h ec o l l a p s e i m p a c tf o r c ew 够c a l c u l a t e d ．t h r o u g ht o p o g r a p h i c a lr e f o r m i n g ，l a y i n gm e a s u r e ss u c ha sb u f f e rl a y e ra n dr a t i o n a ld e s i g - n i n gi n i t i a t i n gs e q u e n c e ，t h es e c u r i t yo fu n d e r g r o u n dp i p e l i n eW a gg u a r a n t e e du n d e rt h ei m p a c t o fc o l l a p s ei nt h ec o n ‘ t r o l l e de x p l o s i v ed e m o l i t i o n ，w h i c ha l s oa c c u m u l a t e de x p e r i e n e ef o rf u t u r es i m i l a rp r o j e c t s ． K e yw o r d s c o l l a p s e ；u n d e r g r o u n dp i p e l i n e ；i m p a c tf o r c e 城市地下管道是城市基础建设设施的重要组成 部分，一般为供暖、气、水管道，关乎人们正常的日常 生活。随着城市改造的加快，城市楼房、桥梁等城市 控制爆破日益增多。在城市控制爆破中保证这些被 拆除物地下的管道安全也是爆破安全的重要组成 部分。 收稿日期2 0 1 l l l 一2 6 作者简介谭丐刚 1 9 7 0 一 ，男。解放军理工大学副教授，江西省工 程爆破协会副理事长，长期从事爆破教学、实践和科研工 作， E m a i l n j g c b n c b s o h u ．c ‘’m 。 1 管道压力计算 1 ．1 管道填埋方式 地下管道铺设方式一般分为沟埋式和上埋式2 种【l 引。 沟埋式是指在天然沟槽或人工沟槽中铺设管道 并回填土体形成的铺埋形式。 上埋式是指在路基、土石坝基中以及一些埋设 于地表之上的管道铺设方式，之后再在管道上直接 覆土。 万方数据 爆破 2 0 1 2 年3 月 1 ．2 地表上方无荷载管顶垂直土压力计算 1 沟埋式通常沟槽开槽宽度较小，管顶垂直 土压力一般小于填土自重。 ⋯磐涫岫川㈩仃t 。露忑而‘r 一叫J I1J 式中D 为管道公称直径，m ；Y 为填土的自重， k N ／m 3 ；‰为静止土压力系数；咖为填土的内摩擦 角；c 为填土粘聚力，k P a ；z 为管顶的深度，m 。 2 上埋式由于直接在管顶覆土，管顶压力一 般大于或等于填土自重。 旷剿”e 一咖母 2 矿土2 瓦i 万‘卜r J L z ， 式中各系数同上。或由简易算法‘3 1 I T 土2 妒 式中y 为填土的自重，k N ／m 3 ；彳为埋深，m 。 1 ．3 地表上方有荷载管顶垂直土压力计算 地表上方有荷载时，管顶承受压力为荷载和土 压力的总和 ． 1 当上部载荷为静载荷时 I T 外 M ／S 3 式中M 为载荷总重，1 0 5N ；J s 为载荷与地表接触面 积，m 2o 此时 I T g2 盯外 仃七 4 式中I T 外为地表上方外部载荷；I T 土为管道上方填土 压力。 2 当上部为冲击载荷时，冲击载荷接触地面， 经过地面传到管道，会产生附加应力 盯外 d 。P 5 式中P 为冲击载荷；a 。为附加应力系数。 此时 矿总 后 矿外 盯土 6 式中盯外为冲击载荷引起的附加应力；盯士为管道上 方填土压力；J i } 为放大系数。 2 工程应用 2 ．1 工程环境及结构 被拆除项目为重庆市江北区聚贤岩高架桥，位 于嘉陵江北岸，桥梁西端6 5 0m 处为南北走向的黄 花园大桥，东端2 6 0m 处为重庆大剧院。东端有正 在施工的取水口和两江大桥工程，取水口管线和大 桥施工钢便桥垂直穿过桥梁下部，两江大桥施工刚 便桥在爆破前予以人工拆除，但从下面穿过的取水 I I 管线是防止爆破塌落冲击的重点 如图1 。 图1 取水口管线环境示意图 单位m F i g ．I S u r r o u n d i n g so ft h ep i p e u n i t m 该桥梁为6 联弯坡桥 每联3 跨 ，桥长5 3 4m ， 具体桥跨布置为 3x3 0 3 3 0 3X3 0 3x3 0 3 3 0 2 3 0 2 4 m 。桥宽1 2m ， 人行道宽2m ，桥墩形式分联处为双柱式，其余为单 柱式，其中，双柱式墩身直径为1 ．8m ，单柱式墩身 直径2 ．2m ，桥墩高度根据地面高程自3 2 8m 不 ● 等。 2 ．2 爆破总体方案 桥梁总体爆破方案为，第1 联落差小，又紧靠高 压线塔，爆破前实施机械拆除；第2 6 联实施爆破 拆除J 。其中第2 联和第6 联实施原地倒塌， 第3 5 联实施定向一侧倾倒的方式。第6 联落差 较大，与地面2 0 ～2 8m 不等，按照方案实施全高度爆 破。两个双桥墩之间有3 跨，组成为 2 3 0 2 4 m ， 其第2 跨正下方地面4m 处有取水口管道，要严防 塌落体冲击对其造成损害。 2 ．3 取水口管道结构及埋设方式 此管道为桥梁北侧中央空调系统进水管，空调 系统供应重庆大剧院和商务区，目前为亚洲最大的 水冷式系统。有2 条进水管，通过取水口从嘉陵江 取水，目前只启用l 条。施工时正处于6 月份，大剧 院演出任务紧凑，需保证中央空调系统运行正常，爆 破时不允许有任何差错。 管道为上埋式，在原路基上直接铺设，管顶距地 表埋深为4m 。管道结构为公称直径咖6 0c m ，厚度 8m m ，材料为Q 2 3 5 A 钢。 2 ．4 管道安全校核 该桥梁落差较大，爆破后塌落体触地会对管道 造成一定影响，需要从理论上计算其影响程度，根据 计算结果确定采取保护措施。 桥梁箱梁塌落触地产生冲击力，再通过土壤传 递产生附加应力作用于钢管，在管壁产生应力。因 此只要计算出触地冲击力和冲击力产生的附加应力 就能判断其对钢管的影响程度。 1 触地冲击力计算 墩柱爆破上部箱梁塌落地面产生冲击力，根据 万方数据 第2 9 卷第1 期谭雪刚，贺五一，田永良，等爆破塌落体对地下管道的冲击作用探讨 2 5 土动力学和H e r t z 碰撞理论，其触地冲击力按照下 面公式计算”1 P 。。 6 ．1 0 8 A ”m ”H o ．6 7 式中P 一为最大冲击作用力，N ；A 为土体拉梅常 数，取8 1 0 9P a ；m 为塌落体质量，k g ；H 为塌落体 下落高度，m 。 按照最不利影响，塌落体平均高度2 4m ，整体 塌落，第6 联全长8 4r n ，宽8m ，塌落体．面积为 6 7 2i n 2 。查图纸计算，第6 联总重量为19 0 0t ，则计 算在地表产生的触地冲击最大作用力为6 ．0 5 1 0 9N ，冲击地压为9 0M P a 。 2 触地冲击力产生的附加应力 地表产生冲击作用力，通过土壤传递到其下的 管道，在管道壁上产生的土体附加应力根据式 5 计算 其中查表附加应力系数”， 铲磊1 【a r c t a n 而寺丽 南 南 南j 』 8 ’ 式中m 1 ／b ；n z ／b ；l 为矩形结构长边8 4m ，b 为 矩形结梅短边8m ，z 为埋深4m 。计算d 。 0 ．1 8 。 将计算结果带入式 5 ，最后得到由冲击载荷 带来的附加应力为1 9 “ 1 6 ．2I d P a 。 3 管顶部承受土体压力 管道为上埋式，桥梁下部为粘性土，查表y 为填 土的自重，1 8k N ／m 3 ；z 为埋深，4m 。由式 2 简易 公式 口 0 ．7 2M P a 4 管道在塌落瞬间承受压力安全判据 ①由公式o n t 9 ” 口I ，k 一般取2 3 ；计 算管道在无任何防护措施的情况下，在塌落瞬问，管 顶部承受的总压力为3 3 ．8 4 ～5 0 ．7 6M P a 。 ②对管材而言，采用Q 2 3 5 钢，查取空调泵房设 计图纸和钢结构设计手册，取水管道屈服强度 2 0M P a 。比对两组数据．需要采取防护措施。 2 ．5 安全防护措施 1 进行地形改造。由于管道上方还有一条施 工道路，有一定的坡度。需要对坡度进行修整，对第 6 联下方管道以下道路进行回填土，与管道标高相 同，降低桥梁塌落体落差。 2 铺设缓冲层材料。一是在管道正上方顺着 管道方向开挖1 条宽2 ．5m ，深1m 的沟，并在其上 铺设3 层废旧汽车轮胎。二是在开挖沟两侧各铺设 2 条宽5m 、高2 ．5m 的沙袋墙。塌落体冲击力首先 有沙袋墙承受，减缓7 申击 如图2 。 沪 图2 缓冲材料示意图 单位m F i g ．2 B u f f e rm a t e r i a l s u n i t m 3 合理布设炮孔。由于第6 联部分是采取全 高度爆破，设计最下面一个炮孔离地表1 ．5m 。爆 破落地时，桥面箱梁部分在触地前可能是完整的，在 箱梁触地前首先冲击留有的1 ．5m 高的桥墩，可减 弱冲击。 4 优化起爆顺序。在桥梁的起爆顺序中，第6 联是最后倒塌。第6 联共有6 根桥柱支撑．最东侧 和最西侧都是双桥柱，中间2 根为单桥柱。经过方 案优化，使第6 联最东侧双桥柱和2 根单桥柱先于 最西侧双桥住爆破，变桥梁整体爆破塌落为梯次塌 落，东侧先于西侧落地，也极大地减弱塌落冲击。 5 成立应急抢险队伍。在爆破前关闭中央空 调系统，关闭管道取水，成立抢险队伍，发生情况立 即组织人员抢修。 2 ．6 爆破效果 起爆瞬问，整座桥梁按照预定起爆顺序和方向 倒塌，经过专业技术人员对空调泵房以及取水管道 进行检查，泵房设备运行正常，取水管道没有造成损 坏，爆破效果良好。见图3 、图4 。 图3 爆后整体场景 F i g ．3 T h es c e n eo ft h eb l a s t e dv i a d u c t 3 体会 本次爆破效果较好，通过事先校核、预先采取多 种防护手段较好地保护了取水E l 管道，保证了空调 系统的正常运转，为爆破的成功提供了前提。此次 万方数据 2 6爆破 ． 2 0 12 年3 月 爆破拆除作业的体会是 [ I ] D UDJ ，I I A N GxY R e s e a r c h 。na e l yt lc a l c u l a t i O i l 1 爆破前一定摸清拆除物地表下的管道填埋方 式，做出校核，采取有效地防护手段，保证管道安全。 2 塌落体触地冲击足一个复杂的力学变化过 程，本文只运用了H e r t z 碰撞理论对冲击情况傲了 很大简化，触地过程中还有质点碰撞理论以及能量 原理等。计算过程也比较理想化，更加精确的计算 校核方式还需进一步研究。 3 影响塌落体触地冲击的主要因索有塌落体 质量、形状、落差以及土体性质。本文只对塌落体塌 落面为矩形的情况做了简要探讨，对圆筒形或多边 形的没有介绍。 l 茎| 4 取水口和取水管道处场景 F i g ．4 T h esceneo ft h eb l a s t e dp i p e 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 】都的箭，梁雪莹．埋地管线爆炸地冲击作用下解析解 计算研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 3 2 1 - 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