爆破振動對管道安全性影響評估研究

馬偉平，姜旭，李貴榮，李萌

1.中國石油管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

2.中國石油天然氣銷售陜西分公司（陜西 西安 710000）

3.中國石油西南管道天水輸油氣分公司（甘肅 天水 741002）

4.中國石油管道長春輸油氣分公司（吉林 長春 130000）

“十四五”期間，我國油氣管道仍將處在高速發展階段，預防管道事故是管道企業的重要職責。隨著國民經濟發展，第三方破壞成為導致管道事故的重要因素，爆破是常見的第三方施工活動，如安全距離不足或無防護措施，可能造成管道焊縫斷裂和油氣泄漏事故[1]。《石油天然氣管道保護法》要求距離管道中心200 m和管道設施500 m范圍內進行爆破時，爆破施工單位和管道企業共同審定安全作業方案。國家標準GB 6722—2014《爆破安全規程》缺少爆破對長輸管道安全影響的判定依據，管道附近爆破施工方案安全審查存在差異，管道企業和爆破施工單位矛盾普遍[2]；實踐證明，稍大于200 m的爆破仍可能威脅管道安全。《石油天然氣管道保護法》針對200 m臨界值的爆破未完全禁止，缺少必要防護措施，可能造成安全隱患。研究爆破施工對管道的影響程度，確定爆破施工安全距離，是管道行業關注的重要問題。

1 爆破對管道的危害形式

油氣管道采用埋地敷設，爆破對管道的破壞作用是爆破產生的地震波。首先爆破地震波沿地面傳遞給管道，管道產生振動，造成管道位移和變形，如附加應力超過管材結構強度，甚至導致管道斷裂；爆破地震波破壞管道埋設區域環境，引發滑坡、崩塌、泥石流等災害，造成管道彎曲、屈曲和凹陷等。爆破造成的其他危害形式包括毒性氣體、飛石和粉塵等。一般的管道規劃和勘察選線階段盡可能避開高地質風險區域，或者采用彈性敷設、增加壁厚和換土回填等防護措施。爆破對管道的主要危害形式是爆破地震波引起的管道振動破壞。

2 爆破地震波傳播機理

爆破地震波產生過程：預制炸藥起爆后，能量釋放形成的沖擊荷載瞬間上升到最大值，首先將附近的巖石粉碎，然后爆炸沖擊波強度快速減小，衰變為壓縮應力波和爆破地震波。這兩種波形的強度不能繼續粉碎巖石，只能引起土體和設施的強烈振動，但其能量可傳播至較遠距離，直至爆炸能量被周圍介質吸收、消耗。爆破地震波傳播至管道，引起管道振動和發生位移變形。

爆破地震波傳播規律：爆破地震波隨著傳播距離增加，能量逐漸衰減。距離起爆點越遠，管道振動幅度和危害程度越小。爆破地震波是由多種波形組成的復雜波系，包括縱波、橫波、洛夫波和瑞利波。爆炸能量主要取決于炸藥類型和炸藥當量，管道敷設周圍的巖土性質不同，其吸收爆炸能量以及爆炸地震波衰變規律存在差異，這些都是影響爆破地震波強度的關鍵指標[3]。管道工程實踐表明，低爆速炸藥爆轟壓力上升慢，爆破振動相對較小；斷層、裂隙、河谷、采空區等特殊地質條件可降低爆破振動強度；采用微差、淺孔、密孔爆破方法可減小爆破振動強度；管道埋設區域為砂土、黏土層，相對巖石、凍土層區域，相同炸藥量級下爆破振動強度較小。

3 爆破對管道安全影響的判定準則

為制定爆破對管道安全影響的判定準則，各國學者進行很多相關研究。初期階段一般采用單一評價參數極限值作為管道安全判定準則，如爆破振動速度、土體沉降量和管道位移量等參數。隨著研究深入，確定質點振動速度的重要影響因素是爆破振動頻率，形成了基于主振頻率—振動速度的爆破安全判定準則。近年來，爆破施工已成為管道沿線重要的第三方活動形式，除持續關注爆破地震波的破壞作用，管道企業和社會公眾開始考慮爆破施工對管道周圍環境、人員和建（構）筑物的影響，例如計算爆破安全距離、飛石安全距離和控制爆破噪聲聲壓等。

3.1 峰值振動速度

目前較為公認的觀點是，研究爆破對管道安全影響，實質上是研究爆破地震波造成的管道振動強弱問題。由于爆破地震波傳遞能量衰減，管體振動速度不斷變化。為便于研究和統一判定準則，選取特定頻率下的質點峰值振動速度作為爆破對管道安全影響的判定準則。國內外典型的爆破施工案例中，中石化川氣東送管道爆破施工安全評審報告中指出不大于3.0 cm/s峰值振動速度作為輸氣管道安全判定準則。文獻[4]研究了隧道爆破施工對附近輸油管道安全影響，經實際數據驗證，爆破對輸油管道安全影響的最大振動速度為3.0 cm/s。文獻[5]梳理了在役油氣管道附近爆破施工的風險因素類型，指出安全的管體振動速度范圍是7～15 cm/s。Sadovsky提出管體振動速度小于10 cm/s的風險可接受；Langefalls提出管體振動速度小于7.1 cm/s可不考慮風險性；Edwards提出管道振動速度極限值是5 cm/s。

國家標準GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》規定管道通過地震動峰值加速度大于0.1 g地區時應進行抗震強度校核。根據GB/T 17742—2008《中國地震烈度表》地震動峰值加速度0.1 g對應地震動峰值速度范圍為6～13 cm/s。從管材強度設計角度說明管道具備抵抗振動速度大于6 cm/s的抗震能力。2008年汶川大地震中蘭成渝、川氣東送、忠武輸氣管道遭受破壞。此外管道通過地震高發區采用彈性敷設、增加壁厚、換土回填等專用的防護措施。

GB 6722—2014給出了不同主振頻率（f）下各種類型建筑物的爆破安全質點振動速度（表1），但建筑物類型中未涵蓋長輸油氣管道。長輸管道設計中進行抗震強度設計和載荷校核，具有一定抗震能力。GB 6722—2014定義的民用建筑物泛指未經專門抗震設計，推斷長輸管道的爆破安全判定準則可參考工業和商業建筑物。值得指出，GB 6722—2014中針對發電廠控制室的爆破安全標準高于一般民用建筑物。與此類似，油氣站場（控制中心）的爆破安全標準應高于管道干線。考慮長輸油氣管道屬于國家基礎設施，綜合上述研究成果和GB6722—2014的規定，建議爆破對管道安全影響的判定準則選擇3～6 cm/s的峰值振動速度范圍比較適宜。

表1 不同主振頻率（f）下爆破振動安全點振動速度

3.2 爆破飛石安全距離

預埋炸藥起爆后，爆炸能量大部分破碎周圍巖石，另一部分能量以氣體急劇膨脹形式，推動碎石高速運動，形成飛石。GB 6722—2014規定了炸藥爆炸形成的飛石對人員和建筑（構）物影響的安全距離。

式中：Rf為飛石安全距離，m；Kf為與地質、風側相關的可靠系數，一般取值1.1～1.5；W為工程爆破最小抵抗線，m；n為爆破影響指數。

3.3 爆破噪聲控制

為減緩爆破聲波對施工人員和附近公眾的健康影響，應控制爆破區域20 m以外噪音分貝不高于90 dB，聲壓級不高于120 dB。爆破噪聲聲壓級計算如下：

式中：S為聲壓級別，dB；ΔP為爆破噪聲聲壓，美國環保局推薦聲壓安全值為0.002 MPa；P0為聲壓有效值，在噪聲測量技術中一般取值5～10 MPa。

4 減緩爆破對管道安全影響的措施

近年來，管道附近爆破施工較為普遍，結合爆破安全評審要求，制定科學、合理爆破方案，主要是選擇合適爆破方法和爆破參數，包括計算炸藥當量值，設置炮孔連線和起爆方式、安全起爆及環境保護措施等。管道工程實踐證明，減少爆破地震波強度的有效措施如下[6]。

1）含碎石、石塊較多的管溝宜采用松動爆破法（淺孔、密孔爆破）。

2）嚴格限制管段內炸藥裝填量，宜采用多段微差爆破方式。

3）炸藥類型選用低爆速炸藥和不耦合裝藥。

4）為防止爆破破壞邊坡穩定性，采取預裂爆破技術。

5）若條件允許，在爆破位置與管道之間開挖防振溝，可有效減小地震波強度。

5 管道附近爆破施工安全距離

若已制定爆破技術方案，爆破安全距離只取決于控制管道振動強度。根據上述爆破對管道安全影響的判定準則，峰值振動速度范圍控制在3～6 cm/s，即可確定管道附近爆破施工的安全距離

式中：V為管道質點峰值振動速度，cm/s；Q為炸藥當量，kg；R為從起爆中心到管道中心線的距離，m；K、α分別是與地形、地質條件有關的安全系數和衰減系數，GB 6722—2014規定了不同巖性巖石的推薦值。

按照上述爆破對管道安全影響的判定準則，計算了管道附近爆破施工安全距離，見表2和表3。可以看出，在計算示例給定范圍內（炸藥量小于1 000 kg），管道附近爆破施工安全距離最大值為135.7 m，油氣站場附近爆破施工安全距離最大值為358.1 m，《石油天然氣管道保護法》中安全距離要求分別是200 m和500 m。因此，針對實際爆破工程案例，應根據爆破方案和管道情況，除參考《石油天然氣管道保護法》的要求，還應進行爆破安全距離核算。

表2 管道附近爆破施工安全距離

表3 油氣站場附近爆破施工安全距離

6 結論

爆破對管道安全性的影響涉及管材特性、爆破方案及周邊地質、環境條件等因素。管道施工過程中的基本原則：合理控制爆破地震波的傳播速度，科學計算安全距離、合理控制噪音分貝和聲壓級。為保障管道本體和人員公眾安全，為統一標準、避免爆破安全評審差異化，提出下列建議：

1）選擇3～6 cm/s的峰值振動速度作為爆破對管道安全影響的判定準則，制定和評審爆破施工技術方案時，按照此準則核算爆破安全距離、飛石安全距離和爆破噪聲聲壓等。修訂GB 6722—2014時應補充爆破對管道安全影響及防護措施等內容。

2）爆破對管道安全影響除關注振動破壞，還應關注爆破誘發次生災害對管道的破壞以及管材和焊縫缺陷等薄弱環節，爆破可能促進缺陷增長導致管道事故。建議參照SY/T 7040—2016《油氣輸送管道工程地質災害防治設計規劃》進行分析和 評估。

3）為減少爆破施工對管道周圍環境的影響，應嚴格控制炸藥量，并采取降震和降噪聲防護措施。

4）應進一步研究爆破地震波的能量傳播衰減機理，特別是研究爆破地震波的破壞演化過程并定量表征破壞程度。