高速鐵路斜井下穿石油管道施工技術(shù)研究

張世文

摘要： 通過對(duì)本課題的研究，明確了控制爆破在泥巖砂巖地層和淺埋地層斜井施工技術(shù)，避免了爆破設(shè)計(jì)的不合理，根據(jù)實(shí)際爆破參數(shù)的驗(yàn)證，總結(jié)出了適合本工程泥巖砂巖地層的爆破參數(shù)計(jì)算方法及相關(guān)參數(shù)，對(duì)地震波允許參數(shù)的設(shè)定提供了參考。針對(duì)泥巖砂巖地層和淺埋地層開挖施工常見問題進(jìn)行分析，提出合理的解決措施，幫助項(xiàng)目提前做好了合理施工方案，避免石油管道泄漏爆炸事故的發(fā)生，從而大大降低了工程施工成本和對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境不利的影響。

Abstract： Based on the research of this subject， it is clear that the construction technology of blasting control in the mudstone sandstone strata and shallow buried strata avoids the unreasonable blasting design. According to the verification of actual blasting parameters， the calculation method of blasting parameters and related parameters of the mudstone sandstone strata is provided， which provides a reference for the setting of the allowable parameters of the seismic wave. This paper analyzes the common problems of excavation and construction of mudstone sandstone strata and shallow burial strata， and puts forward reasonable measures to help the project make a reasonable construction plan ahead of time， avoid the occurrence of oil pipeline leakage and explosion， thus greatly reducing the construction cost and adverse effects on the local environment.

關(guān)鍵詞： 石油管道；地震波速；衰減規(guī)律；控制爆破

Key words： oil pipeline；seismic wave velocity；attenuation law；control blasting

中圖分類號(hào)：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）21-0099-05

1 工程簡(jiǎn)況

1.1 位置關(guān)系

金家?guī)r隧道1#斜井位于江油市境內(nèi)，位于線路前進(jìn)方向的右側(cè)，與線路交點(diǎn)里程DK452+200。該工區(qū)施工采用無(wú)軌單車道運(yùn)輸組織，永久性工程設(shè)計(jì)，斜井凈空斷面尺寸為5.0m×5.9m（寬×高）。金家?guī)r隧道1#斜井下穿蘭成渝輸油管道，平面投影相交里程為XD1K0+163，1#斜井與輸油管道垂直距離為28.42m，？準(zhǔn)508蘭成渝輸油鋼管與1#斜井相交縱斷面圖及平面圖如圖1、圖2。

1.2 地質(zhì)描述

1#斜井與蘭成渝輸油管道交叉點(diǎn)，上覆<1-42>6m厚粉質(zhì)粘土，呈褐黃、紫紅色，含少量砂泥巖，中間層為<5-10>W3強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖，厚度4.1m，質(zhì)軟，屬Ⅳ級(jí)軟石，最底層為<5-10>W2弱風(fēng)化泥巖夾砂巖。斜井進(jìn)口為強(qiáng)風(fēng)化巖石，穿越段區(qū)域以泥巖夾砂巖為主，弱風(fēng)化，巖體較完整，地表水較發(fā)育，基巖裂隙水較少。

2 施工方案選擇

2.1 常規(guī)鉆爆施工

由于1#斜井洞頂開挖軸線與在役管線的最小距離為28.42m， 1#斜井爆破施工時(shí)必然會(huì)對(duì)在役輸油管道及管道周圍環(huán)境造成擾動(dòng)，可能出現(xiàn)的安全隱患?xì)w納為以下幾點(diǎn)：

①隧道爆破作業(yè)產(chǎn)生的地震波，超出管道設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)管道造成直接傷害；

②隧道爆破作業(yè)產(chǎn)生的地震波，沒有對(duì)管道造成直接傷害，但可能會(huì)擾動(dòng)管線周邊土體，造成管道下方隧道內(nèi)圍巖變形及管道周邊土體位移導(dǎo)致管道發(fā)生超過設(shè)計(jì)安全值的沉降。

2.2 機(jī)械開挖

采用機(jī)械開挖可有效減小對(duì)在役管道施工擾動(dòng)，但下穿洞段為弱風(fēng)化泥巖砂巖互層，巖體強(qiáng)度高，機(jī)械不易破碎，施工進(jìn)度緩慢，工期壓力大，成本較高，此方案不宜采用。

2.3 靜力爆破

采用靜力爆破與傳統(tǒng)爆破相比，對(duì)在役輸油管道產(chǎn)生的施工擾動(dòng)具有明顯的優(yōu)越性，最安全可靠，但對(duì)于隧道洞身開挖不易做到整體同時(shí)破碎，洞碴粒徑不宜裝車運(yùn)輸，且進(jìn)度緩慢，施工成本高。

2.4 控制爆破

對(duì)爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行試爆，得出與工程地質(zhì)及爆破條件相符的爆破地震衰減規(guī)律，獲取符合實(shí)際的K和α值，確定爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，通過對(duì)斜井所穿越地層巖性的分析、爆破試驗(yàn)，調(diào)整和優(yōu)化周邊眼、掏槽眼和掘進(jìn)眼的單孔裝藥量、周邊眼間距、炮眼數(shù)量、單段最大裝藥量，確保施工過程中地震波速可控，達(dá)到安全快速、經(jīng)濟(jì)合理的目的。

以上四種方案分別從安全、進(jìn)度、施工成本、技術(shù)措施等方面綜合比較，下穿在役輸油管道采用控制爆破技術(shù)為最優(yōu)方案。

3 控制爆破設(shè)計(jì)

3.1 控制爆破震動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)及要求

為保證金家?guī)r隧道1#斜井下穿過程中輸油管道安全，經(jīng)過專家及輸油管道公司共同評(píng)審確定到達(dá)輸油管道處的地震波控制標(biāo)準(zhǔn)為≤1.5cm/s。

3.2 爆破設(shè)計(jì)方案

3.2.1 單段最大用藥量的確定

3.2.4 50m范圍內(nèi)下穿段控制弱爆破設(shè)計(jì)

為降低單段炸藥量，減小因爆破產(chǎn)生的地震波速，斜井采取“短進(jìn)尺、弱爆破、臺(tái)階法”進(jìn)行開挖，按照最大單段藥量不大于的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控爆設(shè)計(jì)，控爆參數(shù)見表3。

由表3可見，斜井XD1K0+209～XD1K0+111下穿段一次齊爆最大單段用量為3.6kg，小于計(jì)算允許值Qmin （28）=4.3kg，理論上對(duì)在役管線不構(gòu)成直接破壞性，考慮到傳播介質(zhì)的不均勻性，為更加安全起見，該段施工時(shí)整段爆破設(shè)計(jì)按R=28m，最大單段藥量Q■4.3kg進(jìn)行施工，并加強(qiáng)支護(hù)、支護(hù)緊跟，以能更加有效的保障既有管線及隧道施工的安全。

3.2.5 50m范圍外控制爆破設(shè)計(jì)

爆破產(chǎn)生的地震波速是隨距離的增加而加速衰減的，根據(jù)上述計(jì)算，50m范圍以外最大單段藥量增加至Qmax （50）=23.31kg，在確保安全的前提下，為加快施工進(jìn)度，擬采用全斷面法施工，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

由表4可見，當(dāng)R≥50m斜井洞身段爆破設(shè)計(jì)一次齊爆最大單段用量為16.2kg<計(jì)算允許值Qmax （50）=23.31kg，根據(jù)該計(jì)算成果，施工鉆爆作業(yè)按照正?？刂票圃O(shè)計(jì)施工即可滿足要求，理論上對(duì)在役管線不構(gòu)成直接破壞性。為更加安全起見，施工中將進(jìn)一步減少單循環(huán)進(jìn)尺量、不斷優(yōu)化爆破用藥量及單循環(huán)用藥量，以更加有效的保障既有管線及隧道施工的安全。

4 施工過程監(jiān)測(cè)

4.1 爆破作業(yè)地震波速監(jiān)測(cè)

4.1.1 監(jiān)測(cè)目的及設(shè)備

通過爆破地震波跟蹤監(jiān)測(cè)，首先是分析爆破地震波衰減規(guī)律及其對(duì)周圍保護(hù)物的影響，并對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)；其次是根據(jù)爆破地震波監(jiān)測(cè)結(jié)果，指導(dǎo)爆破方案的調(diào)整和優(yōu)化，使到達(dá)管道的爆破地震波速降低到安全范圍內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)隧道開挖快速順利進(jìn)展。

爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)使用L20型爆破測(cè)振儀，每臺(tái)測(cè)振儀有三個(gè)通道，可以配置3個(gè)單向速度傳感器或1個(gè)三分量速度傳感器或1個(gè)三分量加速度傳感器。該儀器自帶液晶顯示屏，現(xiàn)場(chǎng)直接設(shè)置各種采集參數(shù)，能即時(shí)顯示波形、峰值和頻率。具有24位A/D轉(zhuǎn)換，采用自適應(yīng)量程。通過USB接口與PC電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，運(yùn)用專用軟件進(jìn)行處理分析及成果輸出等，并帶有手機(jī)報(bào)警功能，設(shè)制一定振速閥值，若有溢出，自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)短信，進(jìn)行報(bào)警。

4.1.2 監(jiān)測(cè)方法及程序

4.1.2.1 測(cè)點(diǎn)布置

臨近輸油管道的振動(dòng)強(qiáng)度通常與新建隧道爆源所在位置直線距離成線性關(guān)系，等距狀態(tài)下最直觀反映爆破振速。測(cè)點(diǎn)布置如圖5、圖6。

4.1.2.2 測(cè)試頻率

①微震爆破施工開始后，試驗(yàn)爆破按照測(cè)點(diǎn)布置方法每日都進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

②其后，按照測(cè)點(diǎn)布置方法每開挖20m測(cè)試一次。

4.1.2.3 傳感器安裝

在爆破前1小時(shí)，按預(yù)定的位置及要求安裝三矢量速度傳感器，其中Z方向鉛直，X方向指向爆源為水平徑向，Y方向?yàn)樗角邢颉?duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，測(cè)量并記錄震源中心及傳感器的位置與高程。

4.1.2.4 儀器連接與調(diào)試

在爆破前30分種，將采集儀連接各傳感器，記錄傳感器和采集儀編號(hào)，設(shè)置參數(shù)，選擇合適的開門閥值，確認(rèn)儀器連接、調(diào)試完好。在爆破現(xiàn)場(chǎng)警戒前撤到安全區(qū)域。

4.1.2.5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

爆破產(chǎn)生的振動(dòng)超過儀器設(shè)定的開門閥值，開始記錄爆破振動(dòng)信號(hào)。爆破警戒解除后，進(jìn)入爆破現(xiàn)場(chǎng)收拾儀器、傳感器與連接線。

4.1.2.6 資料整理

通過計(jì)算機(jī)USB接口與記錄儀連接，傳輸現(xiàn)場(chǎng)記錄的振動(dòng)波形數(shù)據(jù)。使用振動(dòng)分析軟件對(duì)波形進(jìn)行分析處理，分別讀取豎向、水平徑向和水平切向的振動(dòng)峰值、峰值主頻等參數(shù)。

4.1.2.7 振動(dòng)影響評(píng)價(jià)

爆破振動(dòng)評(píng)價(jià)按表1爆破振動(dòng)安全允許振速中交通隧道取低值為控制標(biāo)準(zhǔn)。

①若監(jiān)測(cè)點(diǎn)任一方向的實(shí)測(cè)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度超過相應(yīng)的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，則爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度超限，可能或已經(jīng)對(duì)所監(jiān)測(cè)的對(duì)象造成損傷或破壞。

②若監(jiān)測(cè)點(diǎn)所有方向的實(shí)測(cè)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均小于相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，則表明監(jiān)測(cè)對(duì)象不會(huì)受到爆破振動(dòng)損傷，是安全的。

③若實(shí)測(cè)振動(dòng)幅值超限，應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行宏觀調(diào)查，觀察監(jiān)測(cè)對(duì)象是否出現(xiàn)細(xì)微裂縫及已有裂紋寬度及延伸是否發(fā)展、起鼓等損傷現(xiàn)象，必要時(shí)可利用聲波檢測(cè)等手段對(duì)爆破振動(dòng)影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1.3 監(jiān)測(cè)結(jié)論

在金家?guī)r隧道1#斜井開挖掌子面里程XD1K0+208～XD1K0+150進(jìn)行施工爆破振動(dòng)測(cè)試；共測(cè)試次數(shù)為8次，測(cè)試情況見表5。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：整個(gè)爆破開挖過程中，管道附近爆破振速均小于設(shè)置限值1.5cm/s，變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，整個(gè)爆破過程中安全可控。

金家?guī)r隧道1#斜井及鄰近輸油管道工程爆破安全監(jiān)測(cè)結(jié)果比較理想，達(dá)到了監(jiān)測(cè)大綱規(guī)定的預(yù)期目的，保證了石油管道在爆破施工期間的安全并對(duì)爆破施工后的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)不會(huì)造成影響，并在西成鐵路工程積累了輸油管道在爆破地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，有益于研究沿線管道在爆破地震動(dòng)下的動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力穩(wěn)定性，并對(duì)類似工程具有參考和借鑒作用。

4.2 隧道及管道上方地表位移監(jiān)測(cè)

每個(gè)地表下沉量測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)橫向間距為10m×10m，橫斷面布點(diǎn)應(yīng)結(jié)合地形，橫向布點(diǎn)埋設(shè)在隧道開挖影響范圍內(nèi)，共設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)20個(gè)，采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行量測(cè)，每天觀測(cè)讀數(shù)2次，變形速率控制標(biāo)準(zhǔn)見表6。

各項(xiàng)監(jiān)測(cè)的數(shù)值達(dá)到一定范圍（即：將產(chǎn)生不可接受的負(fù)面影響時(shí)）要進(jìn)行“報(bào)警”。報(bào)警系數(shù)F（F=實(shí)測(cè)值/安全控制標(biāo)準(zhǔn)值），當(dāng)F>0.80時(shí)，為報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，采取必要的加強(qiáng)措施。

經(jīng)沉降觀測(cè)分析，最大變形速率1.5mm/d，最大累計(jì)沉降量3.5m。通過對(duì)管道周邊沉降觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表分析，充分考慮測(cè)量精度、測(cè)量誤差影響，采用新奧法施工，隧道開挖對(duì)管道基本不造成沉降影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)建設(shè)中，尤其在西南地區(qū)油氣資源豐富，油氣管線密集的區(qū)域，必將還會(huì)遇到此類情況，本文通過對(duì)爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行試爆，得出與工程地質(zhì)及爆破條件相符的爆破地震衰減規(guī)律，獲取符合實(shí)際的K，α值，計(jì)算出了單段最大藥量，進(jìn)一步優(yōu)化爆破參數(shù)，對(duì)隧道爆破作業(yè)產(chǎn)生的地震波速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提出修正和改進(jìn)方案，嚴(yán)格控制爆破引起的最大地震波速度使之符合石油管道產(chǎn)權(quán)單位要求（≤1.5cm/s），節(jié)約施工資源，加快施工進(jìn)度，保證了石油輸油管道的安全運(yùn)行，確保隧道施工順利完成。

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