鉆爆法施工對鄰近埋地管道影響的現場監測分析

杜安矞

（中交一公局第二工程有限公司， 江蘇 蘇州 215000）

在進行隧道鉆爆施工時，所產生的爆破地震波將在一定程度上對周邊區域的埋地管線造成影響，甚至會加劇管道的劣化速度，從而大幅提升了隧道工程的施工難度。對此，出于降低隧道爆破對周邊區域影響的基本目的，應明確爆破荷載對周邊區域管道的影響機制，同時進一步分析圍巖管道之間的相互作用，在此基礎上設計出可行的方案。文章圍繞鉆爆法施工對鄰近埋地管道影響展開了現場監測及其分析。

1 工程概況

栗樹樟隧道進口位于永嘉縣上塘鎮李家村，出口位于黃田鎮上白巖村，采用上、下行分離的隧道形式。項目所在區域為典型的冰碩丘陵地形，整體起伏較大，具有南北低中間高的基本分布特點。經勘察后可知，地面高程介于 37.71～48.66m范圍內，隧道沿線埋設有大量的管線。

2 埋地管道的變形與爆破振動監測

2.1 管道監測方案

（1）變形監測方案。考慮到隧道周邊存在大量的埋地管道，為了提升對各類管道的掌握程度，工程人員選取了其中一些具有代表性的管道，在此基礎上展開了密切的監測，由此獲悉其變形規律。實際操作過程中采用了直接與間接這兩種監測方法。

（2）爆破振動監測方案。工程中引入了型號為TC-4850的爆破測振儀，在其作用下可以進行高效的爆破振動監測，充分涉及到速度、頻率以及持續時間等多項參數。在進行爆破開挖施工時，應將三矢量傳感器安裝在指定的區域，而后從遠程獲悉到各類監測數據，在其作用下可以展開相應研究，明確地震波在地表所表現出的衰減規律。對石膏的狀態進行檢測，當其達到風干硬化狀態后方可進行爆破并展開檢測[1]。關于檢測方案的具體內容如圖1所示。

圖1 地表爆破振動監測方案示意圖

2.2 管道監控報警值的確定

（1）變形監控報警值。以區域內的管道分布狀況為指導，在此基礎上將變形以及變形速率作為衡量安全性能的基本指標。對于天然氣以及電纜管道而言，二者的變形量應控制在10mm以內，所對應的變形速度應控制在2mm/d范圍內；對于排水管道而言，允許的變形量稍大，但也應控制在 20mm以內，同時變形速度應在5mm/d以內。

（2）爆破振動效應安全判據。不同的結構類型所對應的指標也存在一定差異，諸如土窯洞其應控制在 0.9～1.5cm/s范圍內，大型砌塊建筑物而言其應控制在2～3cm/s范圍內，相比之下鋼筋混凝土框架的指標稍稍有上升，以5cm/s為宜。但行業內并未涉及到關于地下管道的具體標準，對此工程參考了《大連地鐵爆破振動監測》這一資料，考慮到區域內管線分部具有高度復雜性的特征，最終將其安全控制標準設置為2.5cm/s。

3 鉆爆法施工對鄰近埋地管道振動影響的數值模擬分析

3.1 有限元模型的建立

（1）工程中需要建立出 Mohr-coulomb理想彈塑性模型，而要想得到此結果就必須依賴于FLAC3d軟件，在其作用下可以展開關于非線性爆破動力的相關計算與分析。

（2）動力計算邊界條件及相關參數的選取。FLAC3d是此類工程中最為常見的一款軟件，其以某一特定模型為基礎，由此生成一維以及二維網格，在其作用下可以模擬出自由場邊界條件，加之阻尼器的耦合作用，最終得到了主體網格的側邊界，同時會獲得來自于自由場網格的不平衡力[2]。事實上，自由場邊界可以理解為是一塊具有無限大特性的場地，這意味著向上的面波并不會在邊界區域發生反射現象。為了提升動荷載作用下阻尼值模擬結果的精確性，在進行動力計算時應充分考慮到力學阻尼這一參數。關于阻尼的來源，其主要由材料內部接觸面的滑動以及摩擦而產生，而在本工程中采用的是瑞利阻尼法，加之FLAC3D軟件的計算分析功能，可以計算出模型的自振頻率，經數據對比后可知模型的自振頻率為6.11Hz。

3.2 數值模擬結果與實測數據對比分析

（1）以得到的數值模擬結果為基礎，重點圍繞地表垂直豎向質點所具有的振動速度展開分析，將所得到的模擬結果與現場實際狀況進行對比。具體內容如圖2和圖3所示。

圖2 實測地表質點垂直振速

圖3 模擬地表質點垂直振速圖

對上述兩組資料進行對比分析，可以得出如下幾點內容：

①就最大質點振速這一指標而言，二者所得到的結果差異并不明顯，數值模擬與實測結果所對應的數值分別為2.22m/s和1.84cm/s。之所以出現此現象，是因為在實際施工過程中，爆破振動效應的復雜性較高；反之，在進行數值模擬時，則對爆破荷載進行了簡化處理，由此形成一個三角形脈沖波。

②就地表質點所對應的爆破振動波這一指標而言，二者存在一定的區別，具體體現在最大波速這一方面。之所以出現此現象，其原因在于：當爆破地震波在圍巖內進行傳播時，所產生的縱波波速要明顯大于橫波波速，加之縱波所具有的振幅相對更小，因此在尚未達到最大振幅狀態時便會受到縱波小振幅的影響。

③對上述兩組曲線進行綜合對比分析，對于現場實測數據而言可以良好的發現微差爆破中各個區段的衰減狀態，而對于數值模擬而言在此方面則顯得不夠明朗，即只能觀察到小幅度波動后的衰減情況。之所以出現此現象，其原因在于：在模擬過程中所考慮的內容不夠全面，即僅僅局限于某一區段的爆破數值模擬。

（2）爆破地震波地表衰減規律分析。為了進一步研究地震波在地表范圍內所具有的傳播特性，工程人員在地表處選取了若干個監測點，由此展開針對性分析。區域內單段裝藥量最大值達到了3kg，由此進一步獲悉地表質點的振速，在此基礎上可以對地表質點振速的衰減情況做進一步分析，關于所得到的具體內容如圖 4所示。

圖4 地表質點垂直振速隨爆心距的變化

對以上結果進行分析可以得知，現場實測與數值模擬所對應的結果具有高度的相似性，伴隨著爆心距的增加，所帶來的地表垂直振速均表現出減小的趨勢。

（3）最大段藥量的控制。伴隨著隧道鉆爆施工的持續進行，對爆破峰值振速的影響因素也逐步增多，常見的有爆心距以及單段最大裝藥量等。在所有影響因素中，當屬單段最大裝藥量的可控性最高，即可以通過對人為因素的控制便可將影響降到最低。

4 結論

無論是管道還是地表沉降均表現出指數分布的特性，對于管道沉降而言可以采取直接與間接兩種方式，二者得到的規律具有一定的差值關系，相比之下直接監測得到的結果略大一些。二者的差值可以在一定程度上反映出管道與土體的分離程度，當開挖進行到管道正下方區域時產生的分離現象最為明顯，伴隨著掌子面距離的增加，此現象又得到了進一步緩解。從成因上考慮，造成管土分離的影響因素較多，諸如地層條件、開挖支護技術等，均會對其產生影響。在實際施工過程中，應綜合考慮預測結果以及現場實測結果，在二者的基礎上對爆破參數進行優化處理，由此展開后續階段的施工作業。

5 結束語

綜上所述，本文將栗樹樟隧道工程為基本背景，圍繞其爆破施工對周邊管線的影響機制展開分析，從而得出相關結論，可為今后類似工程提供參考。