中硬岩管沟爆破对近距离既有管道的影响.pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１８. ０２. ０１１ 中硬岩管沟爆破对近距离既有管道的影响 ❋ 费鸿禄 谭文华 周健华 蒋安俊 辽宁工程技术大学爆破技术研究院辽宁阜新，１２３０００ [摘 要] 为研究中硬岩管沟爆破时 １０ ２０ ｍ 范围内既有并行管道所受到的影响，进行现场爆破试验，并采用 ＡＮＳＹＳ/ ＬＳ-ＤＹＮＡ 数值模拟软件来研究既有管道的地表质点振速峰值和管沟成型效果，得出适用于中硬岩地段管 沟开挖的爆破参数，并分析了既有管道迎爆面和背爆面的振动响应。 研究表明管沟爆破试验的振速均能保证既 有管道的安全，试验 ２＃的爆破参数更适合中硬岩岩石；垂直地表方向Ｙ 方向的质点振速峰值最大，且振动速度随 着爆心距的增大呈非线性减小；既有管道在迎爆面受到的扰动大于背爆面，迎爆面 Ｙ 方向的应力、振速均最大。 [关键词] 中硬岩；管沟爆破；既有管道；地震波传播；振速 [分类号] ＴＤ２３５；Ｏ３８２ ＋ . ２ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｉｐｅ Ｔｒｅｎｃｈ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｍｅｄｉｕｍ Ｈａｒｄ Ｒｏｃｋ ｏｎ Ｃｌｏｓｅ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｅｘｉｓｔｉｎｇ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ＦＥＩ Ｈｏｎｇｌｕ，ＴＡＮ Ｗｅｎｈｕａ， ＺＨＯＵ Ｊｉａｎｈｕａ， ＪＩＡＮＧ Ａｎｊｕｎ Ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｆｕｘｉｎ， １２３０００ [ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｉｐｅ ｔｒｅｎｃｈ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ａ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ １０-２０ ｍ， ｆｉｅｌｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ａｎｄ ＡＮＳＹＳ/ ＬＳ-ＤＹＮＡ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｇｒｏｏｖｅ. Ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ， ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ. Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｔｅｓｔ ｃａｎ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｂｌａｓ- ｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｔｅｓｔ ２＃ａｒｅ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ. Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｅａｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃ- ｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ， ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｄｉｓｔａｎｃｅ. Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ａｔ ａｔｔａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ａｔ ｔｈｅ ｂａｃｋｐｌａｎｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｉｎ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｔ ａｔｔａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ. [ＫＥＹＷＯＲＤＳ] ｍｅｄｉｕｍ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ； ｐｉｐｅ ｔｒｅｎｃｈ ｂｌａｓｔｉｎｇ； ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅ； ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅｓ； ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅ- ｌｏｃｉｔｙ 引言 随着我国天然气工业的迅速发展和能源需求的 不断增长，传统单条管道的运输能力已经不能满足 需求 [１-２]。 在既有管道附近增建新的输送管道可以 满足输送能力的不足，同时也方便施工与维护，能有 效提高输送能力。 于是近年来，新建管道与原有管 道并行或交叉的现象逐渐增多，比如西二线和涩宁 兰复线[３]。 管道途经石方地段时，爆破开挖作为一 种高效、经济的施工方法，在实际建设工程中的作用 无以替代。 特别是随着爆破器材、钻孔机具、爆破工 艺的改进以及爆破技术的创新，都带来石方管沟爆 破技术的发展[４-５]。 中国石油天然气集团公司于 ２０１０ 年发布的 Ｑ/ ＳＹ １３５８２０１０ 油气管道并行敷设技术规范规定 石方地段新建管沟开挖与既有管道并行间距大于 １０ ｍ 且小于或等于 ２０ ｍ 时，若采用爆破方式开挖， 应论证爆破方案的可行性，若既有管道处的质点振 速峰值小于 １０ ｃｍ/ ｓ，即视为既有管道安全[６-８]。 本文中，以现场爆破试验为依据，对１０ ２０ ｍ 第 ４７ 卷 第 ２ 期 爆 破 器 材 Ｖｏｌ. ４７ Ｎｏ. ２ ２０１８ 年 ４ 月 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ａｐｒ. ２０１８ ❋ 收稿日期２０１７-１０-２７ 作者简介费鸿禄１９６３ － ，男，教授，博导，主要从事工程爆破、地下工程教学和科研工作。 Ｅ-ｍａｉｌｆｅｉｈｏｎｇｌｕ＠１６３. ｃｏｍ 通信作者谭文华１９９４ － ，男，硕士，主要从事爆破方面的研究。 Ｅ-ｍａｉｌ１７１５００１８４２＠ ｑｑ. ｃｏｍ 万方数据 近距离范围内中硬岩管沟爆破开挖方案的可行性进 行研究，在保证近距离既有管道安全的前提下，分析 管沟爆破的成型效果，为今后类似工程提供参考。 １ 爆破参数设计及单孔爆破试验 １. １ 试验场地概况 试验场地位于辽宁省阜新市建设镇的新德石灰 石矿。 该石灰石矿资源丰富，矿物主要成分是方解 石，此外还含有白云石、菱铁矿、石英、长石、云母等 矿物质，其主要化学成分是碳酸钙。 通过对现场实 地考察，发现石灰石的普氏硬度系数为 ６ １５，有属 于中硬岩范畴的岩石，而且新德石灰石矿地势平坦， 场地面积足够大，方便现场试验和仪器监测。 １. ２ 爆破参数设计 １. ２. １ 炮孔直径及深度 考虑管沟爆破尺寸和钻孔机具的因素，钻孔直 径取 ８９ ｍｍ。 管沟炮孔深度为 Ｌ ＝ Ｈ ＋ ｈ。１ 式中Ｌ 为炮孔深度；Ｈ 为管沟的设计深度，Ｈ ＝３ ｍ； ｈ 为超深，一般情况下 ｈ ＝ ０. １０ ０. １５ Ｈ，这里取 ｈ ＝０. ３ ｍ。 故炮孔深度为 ３. ３ ｍ。 １. ２. ２ 最小抵抗线 Ｗ 在中硬岩管沟爆破中，通常选取最小抵抗线 Ｗ ＝２５φ。２ 式中φ 为钻孔直径；Ｗ 为最小抵抗线。 １. ２. ３ 孔距及排距 管沟爆破中，炮孔密集系数 ｍ 通常取 ０. ８。 ａ ＝ ｍ Ｗ 。３ 式中 ａ 为孔距。 计算得出孔距为１. ７８４ ｍ，取 ａ ＝２ ｍ 进行计算。 ｂ ＝０. ８ａ。４ 式中ｂ 为排距。 通过计算得出排距为 １. ６ ｍ。 １. ２. ４ 炸药单耗 查阅文献得知，管沟爆破所需最小单耗 ｑ ＝０. ５ ｋｇ/ ｍ３，实际单耗取值还需通过管沟爆破试验获得。 １. ２. ５ 单孔装药量 单孔装药量 Ｑ 的计算式 Ｑ ＝ ｑ Ｈ ａ ｂ。５ 由计算可得，管沟爆破的最小单孔装药量为４. ８ ｋｇ，实际药量需依据爆破试验确定。 １. ３ 单孔爆破试验 采用 ＴＣ-４８５０ 型号测振仪，监测距离爆破中心 １０、１２、１４、１６、１８ ｍ 和 ２０ ｍ 处地表质点振速。 结合 理论计算进行 ３ 次单孔爆破试验，爆破参数见表 １， 仪器布设见图 １，测得的垂直地表方向Ｙ 方向的 振速峰值见表 ２。 表 １ 单孔爆破参数 Ｔａｂ. １ Ｓｉｎｇｌｅ-ｈｏｌｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 爆破试验 钻孔深 度/ ｍ 单孔装 药量/ ｋｇ 装药高 度/ ｍ 填塞高 度/ ｍ １＃３. ０５１. ０２. ０ ２＃３. ３６１. ２２. １ ３＃３. ５７１. ４２. １ 图 １ 试验测点布置单位ｍ Ｆｉｇ. １ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ Ｕｎｉｔ ｍ 表 ２ 单孔爆破试验监测数据Ｙ 方向 Ｔａｂ. ２ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ-ｈｏｌｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｔｅｓｔ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 仪器 编号 爆心距/ ｍ 振速峰值/ ｃｍｓ －１ 试验 １＃试验 ２＃试验 ３＃ Ａ１０７. ９３１ ７９. ２１２ ８１０. ３９８ ６ Ｂ１２５. １１２ ３６. ３８９ ４７. ４２１ ２ Ｃ１４５. ００２ ０５. ４８６ ８５. ８５７ ３ Ｄ１６４. ０６５ ８４. １６５ ８４. ６０８ ４ Ｅ１８３. １２８ １３. ５３７ ４３. ８２６ ９ Ｆ２０２. ２５７ ４２. ８１７ １２. ８８５ １ 管沟爆破产生的地震波主要有 ３ 个传播方向 Ｘ 方向平行地表面并垂直于管沟方向；Ｙ 方向垂直 于地面；Ｚ 方向与管沟走向一致并平行于地面。 由试验测得，地表质点的振速峰值出现在垂直 于地表的 Ｙ 方向上。 采用萨道夫斯基式[９] ｖ ＝ Ｋ Ｑ １ ３ Ｒ α 。６ 式中ｖ 为爆破质点振速峰值，ｃｍ/ ｓ；Ｑ 为最大单段 起爆药量，ｋｇ；Ｒ 为并行间距，ｍ；Ｋ、α 为与爆破场地、 地质条件相关的系数。 令 ｐ ＝ ３ Ｑ Ｒ ，７ 对式６等号两端取以 ｅ 为底数的对数得 ｌｎｖ ＝ ｌｎＫ ＋ αｌｎｐ。８ ５５２０１８ 年 ４ 月 中硬岩管沟爆破对近距离既有管道的影响研究 费鸿禄，等 万方数据 利用式８的线性关系，运用 Ｏｒｉｇｉｎ ８. ５ 软件， 将表 ２ 中的数据进行线性拟合，结果如图 ２ 所示。 图 ２ Ｙ 方向振速峰值的拟合曲线 Ｆｉｇ. ２ Ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｅａｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 图 ２ 中的拟合方程为ｙ ＝ １. ７２５ｘ ＋ ５. １５，结合 式６、式７，可得场地相关系数 α ＝ １. ７２５、Ｋ ＝ １７２. ４３。 查阅岩性参数表，中硬岩岩性的 Ｋ ＝１５０ ２５０，α ＝１. ５ １. ８，此次求得的 Ｋ、α 值属于中硬岩 岩性，说明选取的试验场地符合研究要求。 ２ 近距离管沟爆破试验及地震波的传 播规律 ２. １ 管沟爆破试验设计 设计管沟逐孔爆破试验。 以外径 １ ２１９ ｍｍ 的 常用管材为例，以管沟沟底宽度 ２. ８ ｍ、沟深 ３. ０ ｍ 为设计尺寸，展开试验研究。 采用 ２＃岩石乳化炸 药，为了降低爆破对既有管道的振动影响，选择毫秒 延期雷管，孔内选用 １０ 段，孔外选用 ３ 段，依次逐孔 起爆，时间间隔为 ０. ０５ ｓ。 ２. ２ 管沟爆破试验研究 ２. ２. １ 管沟爆破参数设计 管沟爆破设计 ３ 组试验，具体参数如表 ３ 所示。 结合文献[１０-１２]和单孔爆破试验可知对既有 管道影响最大的是垂直地表方向的振动，故着重研 究 Ｙ 方向的爆破振速对既有管道的影响，而对 Ｘ 和 Ｚ 方向只进行分析对比。 ２. ２. ２ 管沟试验布置方案 管沟爆破试验均布设 ６ 个监测点，第一个测振 仪布置在距爆源中心１０ ｍ 处，然后每相隔２ ｍ 依次 布置一台测振仪器，仪器布置在炮孔走向中心线的 中垂线上，具体布置方案如图 ３ 所示。 ２. ２. ３ 管沟爆破试验对比分析 试验后，从管沟成型尺寸和质点振速峰值两方 面进行分析。 表 ３ 管沟爆破参数 Ｔａｂ. ３ Ｐｉｐｅ ｔｒｅｎｃｈ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 试验１＃２＃３＃ 管沟深度/ ｍ３. ００３. ００３. ００ 超深/ ｍ００. ３００. ５０ 钻孔深度/ ｍ３. ００３. ３０３. ５０ 孔距/ ｍ２. ００２. ００２. ００ 排距/ ｍ１. ６０１. ６０１. ６０ 爆破面积/ ｍ２３. ２０３. ２０３. ２０ 爆破体积/ ｍ３９. ６０９. ６０９. ６０ 单孔药量/ ｋｇ５. ００５. ５０６. ００ 单耗/ ｋｇｍ －３ ０. ５２０. ５７０. ６３ 延米药量/ ｋｇｍ －１ ５. ００５. ００５. ００ 装药高度/ ｍ１. ００１. １０１. ２０ 堵塞长度/ ｍ２. ００２. ２０２. ３０ 图 ３ 试验 ２＃炮孔及测点的布置单位ｍ Ｆｉｇ. ３ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｂｌａｓｔ ｈｏｌｅｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ Ｔｅｓｔ ２＃ １在爆破区域采用机械手段挖开管沟，查看其 爆破成型效果，整理管沟成型的参数，如表 ４ 所示。 表 ４ 中硬岩管沟爆破参数测试值 Ｔａｂ. ４ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ｐｉｐｅ ｔｒｅｎｃｈ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ ｈａｒｄ ｒｏｃｋｍ 爆破 试验 沟底中 心宽 沟底 左深 沟底 右深 沟底中 心深 １＃２. ５５２. ８４２. ８２２. ８６ ２＃２. ８６３. ０６３. ０８３. ０９ ３＃３. １２３. ３０３. ２８３. ３６ 由表 ４ 可以看出，３ 组试验中试验 １＃的管沟平 均深度为 ２. ８４ ｍ，比设计值小 ５. ３３％；沟底的宽度 为２. ５５ ｍ，比设计值小８. ９３％。 试验２＃的管沟平均 深度为 ３. ０８ ｍ，比设计值大 ２. ６７％；沟底的宽度为 ２. ８６ ｍ，比设计值大 ２. １４％。 试验 ３＃的管沟平均深 度为 ３. ３１ ｍ，比设计值大 １０. ３３％；沟底的宽度为 ３. １２ ｍ，比设计值大 １１. ４３％。 ６５ 爆 破 器 材 第 ４７ 卷第 ２ 期 万方数据 综合比较，试验 ２＃与设计最符。 ２分析监测数据，绘制 Ｙ 方向的振速峰值曲线 如图 ４ 所示。 图 ４ Ｙ 方向的质点振速峰值曲线 Ｆｉｇ. ４ Ｐｅａｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｕｒｖｅｓ ｉｎ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 从图 ４ 中可以看出３ 组爆破试验的质点振速 峰值均小于 １０ ｃｍ/ ｓ，由规范可知，３ 组爆破参数均 能保证既有管道的安全。 试验 １＃的质点振速峰值 小于试验 ２＃和试验 ３＃的振速峰值，衰减程度优于试 验 ２＃；试验 ２＃与试验 ３＃的衰减曲线比较相似，在爆 心距 １０ １２ ｍ 范围内，质点振速迅速减小，之后由 于地震波的叠加呈现反增长的趋势，但总体上，试验 ３＃的振速衰减程度优于试验 ２＃。 将图 ４ 中的质点振速峰值与单孔试验的质点振 速峰值比较可以看出管沟逐孔微差爆破试验的质 点振速峰值小于单孔爆破试验，说明逐孔微差爆破 方式能够有效地控制爆破振速峰值，减小爆破振动 对既有管道造成的损伤。 试验 ３＃的单孔药量虽大 于试验 ２＃，但其质点振速峰值有几处小于试验 ２＃， 分析原因有二一是单孔药量加大后，增加了岩石的 节理裂隙，导致第一孔爆破后振速峰值衰减较多；二 是增加单孔药量意味着同时也加大了炮孔深度，从 而导致了振速峰值的减小。 将爆破成型参数和质点振速峰值进行综合考虑 可得出，试验 ２＃的爆破参数最适合中硬岩管沟爆 破。 图５ 为由 ＴＣ-４８５０ 型号测振仪监测到试验２＃各 测点 Ｘ、Ｙ、Ｚ 方向的质点振速。 从图 ５ 中可以看出３ 个方向的质点振速峰值 都是随距离增大而减小，在爆心距 １０ １２ ｍ 范围内 质点振速峰值衰减较快，尤其是 Ｙ 方向，在 １２ １８ ｍ 范围内振速峰值衰减较快，１８ ２０ ｍ 振速峰值衰 减较慢。 爆心距在 １０ ２０ ｍ 范围内，Ｘ 方向的质点 振速峰值衰减率为 ８３. ４３％，Ｙ 方向的衰减率为 ８０. ６０％，Ｚ 方向衰减率为 ９０. ０４％。 从峰值方面来 看，Ｙ 方向质点振速峰值最大，且大大高于 Ｘ 和 Ｚ 方 向的质点振速峰值，Ｘ 方向的振速峰值略大于 Ｚ 方 向。 这与规范中规定的以垂直方向的振速作为管道 安全的判据相符，也验证了本爆破试验的正确性。 图 ５ 试验 ２＃中 ３ 个方向的质点振速峰值 Ｆｉｇ. ５ Ｐｅａｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｔｅｓｔ ２＃ ３ 近距离管沟爆破对既有管道的数值 模拟研究 采用 ＡＮＳＹＳ/ ＬＳ-ＤＹＮＡ 对管沟爆破进行模拟分 析，根据管沟爆破试验 ２＃，以管沟尺寸和测点实际 位置建立模型，采用 Ｓｏｌｉｄ１６４ 三维实体单元[１３]，采 用爆破岩体模型材料∗Ｍａｔ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ、炸药 模型材料∗Ｍａｔ Ｈｉｇｈ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｂｕｒｎ、既有管道模 型材料∗Ｍａｔ Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｃｏｏｋ、既有管道回填模型材 料∗Ｍａｔ Ｐｐａｓｔｉｃ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ 以及空气模型材料∗ Ｍａｔ Ｎｕｌｌ 所构建的模型如图 ６ 所示。 材料参数如表 ５ 表 ９ 所示。 图 ６ 模型图 Ｆｉｇ. ６ Ｍｅｓｈ ｇｒａｐｈ 表 ５ 岩体材料参数 Ｔａｂ. ５ Ｒｏｃｋ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 密度/ ｋｇｍ －３ 弹性模量/ ＧＰａ 泊松比 屈服强度/ ＧＰａ 切线模量/ ＧＰａ ２ ０００１５０. ２００. ０８１. ５ 表 ６ 炸药材料参数 Ｔａｂ. ６ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 炸药类型 密度/ ｋｇｍ －３ 爆速/ ｍｓ －１ ｐＣＪ/ ＧＰａ ２＃岩石 乳化炸药 １ ０００３ ２００５. ３ ７５２０１８ 年 ４ 月 中硬岩管沟爆破对近距离既有管道的影响研究 费鸿禄，等 万方数据 表 ７ 既有管道材料参数 Ｔａｂ. ７ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅ 密度/ ｋｇｍ －３ 弹性模量/ ＧＰａ 剪切模量/ ＧＰａ 泊松比 ７ ８００２１０８２. ６８０. ２７ 表 ８ 回填材料参数 Ｔａｂ. ８ Ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 密度/ ｋｇｍ －３ 弹性模量/ ＧＰａ 泊松比 屈服强度/ ＧＰａ 切线模量/ ＧＰａ １ ０００１００. １００. ０４１. ０ 表 ９ 空气材料参数 Ｔａｂ. ９ Ａｉｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 密度/ ｋｇｍ －３ 材料内能/ ｋＪ相对体积 １. ２９０. ２５１. ０ ３. １ 管沟爆破地表振速模拟分析 由于现场爆破试验并没有埋设既有管道，为了 方便对比分析质点振速的传播规律，此次模拟不设 置管道模型、回填模型以及空气模型等。 模拟 Ｘ、Ｙ、 Ｚ ３ 个方向地表质点振速峰值随距离的变化规律， 如图 ７ 所示。 图 ７ 模拟的地表质点振速峰值衰减曲线 Ｆｉｇ. ７ Ｄｅｃａｙ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｐｅａｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 从图 ７ 可见距离爆源中心处 １０ ｍ 位置，Ｘ 方 向的质点振速峰值为 ７. ９６ ｃｍ/ ｓ，Ｙ 方向质点振速峰 值为９. ６８ ｃｍ/ ｓ，Ｚ 方向质点振速峰值为６. ５１ ｃｍ/ ｓ， 最大振速小于规范值。 比较可知质点振速峰值衰 减率在模拟中小于试验中的衰减率，质点振速峰值 衰减率在 Ｘ 方向模拟比试验值低 １. ３９％，在 Ｙ 方向 模拟比试验值低 ０. １２％，在 Ｚ 方向模拟比试验值低 ５. ２５％。 模拟结果与试验结果存在的误差较小，尤 其 Ｙ 方向，说明此模拟是可靠的。 Ｙ 方向模拟和试 验振速峰值如图 ８ 所示。 图 ８ 中硬岩模拟试验 Ｙ 方向质点振速峰值对比 Ｆｉｇ. ８ Ｐｅａｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｉｎ Ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｔｅｓｔ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ 从图 ８ 可以看出，模拟的质点振速比试验的质 点振速要大，并且模拟的质点振速衰减波形没有试 验振速的波动大。 出现以上现象的原因是建立的 模型是均质的，而自然界的岩石内部会有一定的裂 隙，以至于试验测得的质点振速小于模拟值。 从两 条曲线的走势上可以看出，模拟的爆破振速和试验 测得的振速具有较高的相似度，走势基本相同。 ３. ２ 既有管道的应力分析 由于管道迎爆面会因为受到较大的冲击压力而 破坏；且钢材质的输气管道抗拉强度低，背爆面也容 易因为产生较大的拉应力而产生破坏，于是选择管 道受影响较大的迎爆面和背爆面两个位置进行研 究。 将面对药包中心面的 ５ 行网格区域定义为迎爆 面，背爆面为与迎爆面相对应的位置。 既有管道迎爆面、背爆面 ３ 个方向的应力云图 分别如图 ９、图 １０ 所示。 ３. ２. １ 管道迎爆面的应力分析 迎爆面 Ｘ 方向的最大应力为 ２. ３３ ＭＰａ，此刻红 色代表最大应力颜色，管道迎爆面面积约 １/５ 的区 域呈现了红橙色，红色位置表明 Ｘ 方向的应力较 大；迎爆面 Ｙ 方向的最大应力为 ２. ３９ ＭＰａ，此刻蓝 色代表最大应力颜色，迎爆面面积约 ２/５ 的区域呈 现了蓝色，蓝色位置表明 Ｙ 方向的应力很大；迎爆 面 Ｚ 方向的最大应力为 １. ９６ ＭＰａ，此刻红色代表最 大应力颜色，而迎爆面主要呈现黄绿色，说明 Ｚ 方 向的最大应力位置较少。 ３. ２. ２ 管道背爆面的应力分析 背爆面 Ｘ 方向的最大应力为 １. ６４ ＭＰａ，此刻蓝 色代表最大应力颜色，管道背爆面面积大部分的区 域呈现了蓝色，表明 Ｘ 方向的应力分布较大；背爆 面 Ｙ 方向的最大应力为 １. ６８ ＭＰａ，此刻红色代表最 大应力颜色，而背爆面面积约３ / ５的区域呈现出黄 绿色，说明Ｙ方向的最大应力分布较小；背爆面Ｚ ８５ 爆 破 器 材 第 ４７ 卷第 ２ 期 万方数据 ａＸ 方向 ｂＹ 方向 ｃＺ 方向 图 ９ 迎爆面 ３ 个方向应力分布云图 Ｆｉｇ. ９ Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｔ ａｔｔａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ａＸ 方向 ｂＹ 方向 ｃＺ 方向 图 １０ 背爆面 ３ 个方向应力分布云图 Ｆｉｇ. １０ Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｔ ｂａｃｋ ｂｌａｓｔ 方向的最大应力为 １. ９０ ＭＰａ，此刻红色代表最大应 力颜色，背爆面主要呈现出黄绿色，说明背爆面 Ｚ 方向局部的应力较大。 从背爆面的应力数值可知 背爆面 Ｚ 方向的应力最大，Ｙ 方向的应力次之，Ｘ 方 向的应力相比较小。 通过分析距离爆源 １０ ｍ 处既有管道迎爆面和 背爆面 Ｘ、Ｙ 和 Ｚ ３ 个方向上的应力云图可知既有 管道在迎爆面位置 Ｙ 方向应力最大，同时 Ｘ 方向的 应力较大。 背爆面 Ｚ 方向应力最大，但是仍小于迎 爆面的 Ｚ 方向。 管道 Ｘ、Ｙ 方向的应力较大，但其应 力峰值远远小于管道的屈服强度。 ３. ３ 既有管道的振动响应分析 为了更好地分析既有管道的质点振速情况，选 取既有管道的迎爆面中心质点和背爆面中心质点以 及地表中心质点在 Ｘ、Ｙ 和 Ｚ ３ 个方向上距离爆源 １０ ｍ 处的质点振速峰值进行研究，其质点振速峰值 对比见表 １０。 从表 １０ 可知管道迎爆面主要受 Ｘ 和 Ｙ 方向 的振速影响，管道背爆面主要受 Ｚ 方向的振速影 响，地表振速峰值在 Ｘ、Ｙ、Ｚ ３ 个方向上均大于迎爆 面和背爆面振速峰值，但质点振速峰值均小于 １０ ｃｍ/ ｓ。 分析可知管道的迎爆面在爆破荷载作用下 受到较大的压应力作用，所以 Ｘ 方向的质点振速较 大；背爆面在爆破荷载的作用下主要受拉应力作用， 表 １０ 不同位置处的质点振速峰值 Ｔａｂ. １０ Ｐｅａｋ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｐｅａｋ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｃｍ/ ｓ 部位Ｘ 方向Ｙ 方向Ｚ 方向 迎爆面４. ５６３ ６４. ７１９ ２４. ２７１ ５ 背爆面３. ０９１ ３３. ２１５ ６３. ４９８ ６ 地表处５. ２１３ ５５. ８３１ ５４. ９６２ ３ 所以受到的 Ｚ 方向的质点振速较大。 模拟结果可 知，采用地表质点振速峰值判断地下管道的安全是 合理的。 ４ 结 论 通过现场爆破试验和数值模拟，研究了中硬岩 管沟爆破对近距离既有管道的影响，可得如下结论 １中硬岩的场地系数 Ｋ ＝１７２. ４３、α ＝１. ７２５，单 孔药量理论计算取值为 ４. ８ ７. ０ ｋｇ，可以满足管沟 尺寸设计要求；而管沟爆破试验得出单孔药量为５. ５ ｋｇ，超深 ０. ３ ｍ 时，管沟成型效果较好。 管沟逐孔微 差爆破试验的质点振速峰值小于单孔爆破试验，说 明逐孔微差爆破方式能够有效地控制爆破振速峰 值，减小爆破振动对既有管道造成的损伤。 同时，设 置一定的炮孔超深有利于管沟爆破成型。 ９５２０１８ 年 ４ 月 中硬岩管沟爆破对近距离既有管道的影响研究 费鸿禄，等 万方数据 ２管沟爆破 Ｙ 方向的地表质点振速峰值最大， 其次是 Ｘ 方向，Ｚ 方向最小，即垂直方向的质点振速 对既有管道的影响最大；在 １０ ２０ ｍ 的爆心距范围 内，试验 ２＃的质点振速峰值的衰减率Ｘ 方向为 ８３. ４３％ ，Ｙ 方向为 ８０. ６０％，Ｚ 方向为 ９０. ０４％，从 衰减程度可知 Ｚ 方向的衰减最快，Ｘ 方向居中，Ｙ 方 向最慢。 ３模拟结果表明当既有管道埋深与炮孔深度 接近时，迎爆面的 Ｘ 和 Ｙ 方向的峰值振速、应力均 较大，背爆面相比之下所受振动影响较小，既有管道 地表 ３ 个方向的质点振速峰值均大于迎爆面。 结合 试验结果，可得出用地表的质点振速峰值来判断既 有管道的安全是可行的，既有管道所受振动影响均 在安全允许范围内。 参 考 文 献 [１] 赵龙，王博. 石油天然气生产储运中安全管理策略研 究[Ｊ]. 化工管理，２０１５２２１３５-１３６. 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