管溝爆破方案FAHP優(yōu)選及在役管道動(dòng)力響應(yīng)研究

袁旺小

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222)

1 引言

伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，地下工程、隧道、管溝等建設(shè)量迅猛增加。由于規(guī)劃、設(shè)計(jì)要求的限制，出現(xiàn)了大量管溝開(kāi)挖工程與在役管道并行甚至交叉的現(xiàn)象[1]。由于爆破施工具有成本低、工期短、設(shè)備簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]，鉆爆法仍然廣泛應(yīng)用于隧道、管溝等工程領(lǐng)域，由此管溝爆破開(kāi)挖問(wèn)題越來(lái)越凸顯。

FAHP法在工程爆破領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3-6]。王丹丹[7]將FAHP應(yīng)用于樓房拆除爆破的安全評(píng)價(jià)分析，通過(guò)尋找主要影響因素并加強(qiáng)安全管理，有效控制各個(gè)因素的危險(xiǎn)程度，從而提高樓房拆除爆破的安全性；孫可[8]針對(duì)盾構(gòu)隧道健康監(jiān)測(cè)的典型傳感器布置形式，提出了一類專用的模糊層次分析法綜合評(píng)價(jià)模型，構(gòu)建了健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的6層指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，實(shí)例證明該模型能夠快速定量評(píng)價(jià)盾構(gòu)隧道的健康狀態(tài)并可以實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)的智能化管理；汪明武[9]將模糊層次分析法與實(shí)碼加速遺傳算法相結(jié)合應(yīng)用于工程爆破領(lǐng)域，實(shí)例應(yīng)用表明該方法可以合理確定指標(biāo)權(quán)重，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的精度和優(yōu)度值的離散度。除此之外，在管溝爆破開(kāi)挖方面，鄭爽英[10]基于非線性動(dòng)力有限元模擬方法和正交試驗(yàn)原理進(jìn)行輸氣管道動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值試驗(yàn)，按照極差分析方法確定了管道運(yùn)行參數(shù)對(duì)管道應(yīng)力與振速特性的影響次序；張震[11]對(duì)超淺埋地鐵站通道爆破開(kāi)挖鄰近埋地混凝土管道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，通過(guò)建立管道拉應(yīng)力峰值和振動(dòng)速度峰值的函數(shù)關(guān)系，得出由最大拉應(yīng)力強(qiáng)度理論控制管道爆破振速的結(jié)論；彭星煜[12]采用期望反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜，基于SIMQKE-GR程序模擬了地震加速度波形，建立了基于有限單元法地基梁-土彈簧模型的爆破振動(dòng)作用下管道振動(dòng)響應(yīng)有限元模型，得出管道在爆破載荷作用下應(yīng)力和位移的變化特性。但是針對(duì)管溝爆破施工對(duì)在役管道的影響卻鮮有報(bào)道。

本文依據(jù)管溝爆破開(kāi)挖試驗(yàn)、成型尺寸以及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值數(shù)據(jù)，采用FAHP法優(yōu)選管溝爆破方案，進(jìn)行爆破荷載作用下在役管道的動(dòng)力響應(yīng)研究。

2 工程概況

新建鐵路福州至平潭段鼓山隧道位于福州市境內(nèi)，其中管溝爆破開(kāi)挖處礦物組成以方解石為主，同時(shí)含有白云石、菱鐵礦、石英、長(zhǎng)石、云母等礦物質(zhì)，巖石的普氏系數(shù)為6～15。管溝爆破開(kāi)挖尺寸為溝底寬2.8 m，溝深3 m，并且要求管溝順直，溝壁和溝底平整，無(wú)溝坎階梯，無(wú)銳器物，溝內(nèi)無(wú)塌方、無(wú)雜物。

鄰近在役管道進(jìn)行爆破工程時(shí)，要求垂直方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值應(yīng)控制在10 cm/s范圍內(nèi)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及爆破漏斗試驗(yàn)，初步確定3種管溝爆破開(kāi)挖方案，如表1所示。此次爆破試驗(yàn)統(tǒng)一使用2號(hào)巖石乳化炸藥，進(jìn)行逐孔起爆網(wǎng)路連接，孔外采用3段毫秒導(dǎo)爆管雷管，延期時(shí)間為50 ms；孔內(nèi)采用10段毫秒導(dǎo)爆管雷管，延期時(shí)間為380 ms。

表1 管溝爆破方案及參數(shù)

3 管溝爆破方案FAHP優(yōu)選

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

管溝爆破開(kāi)挖層次結(jié)構(gòu)模型以爆破方案為目標(biāo)層，以少指標(biāo)、全信息、考慮定性因素和定量因素為原則，進(jìn)行準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的確定，如圖1所示。

圖1 爆破方案優(yōu)化層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 判斷矩陣及權(quán)重計(jì)算

在層次結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，依據(jù) T.L.Saaty教授[13]提出的1～9及其倒數(shù)標(biāo)度法，將指標(biāo)層兩因素之間的比值構(gòu)成判斷矩陣，具體見(jiàn)表2。

表2 判斷矩陣標(biāo)度值

根據(jù)判斷矩陣，進(jìn)行因素權(quán)重計(jì)算，步驟如下:

(5)為防止判斷矩陣偏離一致性以致影響最終決策，需要對(duì)λmax進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

計(jì)算一致性比率CR:

式中，CI為一致性指標(biāo)，CI＝ (λmax-n)/(n-1)；RI為平均一致性指標(biāo)，按表3選取。

表3 平均一致性指標(biāo)RI值

(6)判斷矩陣滿足一致性的判定標(biāo)準(zhǔn)為:CR＜0.1。否則重新調(diào)整判斷矩陣因素標(biāo)度值，直到滿足一致性要求為止。

根據(jù)以上步驟，確定層次判斷矩陣，計(jì)算權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4～表7。指標(biāo)層各因素的總權(quán)重見(jiàn)表8。

表4 A-B判斷矩陣、權(quán)重及一致性檢驗(yàn)

表5 B1-C判斷矩陣、權(quán)重及一致性檢驗(yàn)

表6 B2-C判斷矩陣、權(quán)重及一致性檢驗(yàn)

表7 B3-C判斷矩陣、權(quán)重及一致性檢驗(yàn)

表8 指標(biāo)總權(quán)重

3.3 確定指標(biāo)隸屬度

管溝爆破開(kāi)挖試驗(yàn)過(guò)程中，采用TC-4850測(cè)振儀在距離爆源10 m處布點(diǎn)測(cè)試，收集垂直方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，如圖2～圖4所示。在管溝爆破開(kāi)挖試驗(yàn)結(jié)束后，立即對(duì)管溝的成型尺寸進(jìn)行測(cè)量，具體指標(biāo)及評(píng)價(jià)見(jiàn)表9。

表9 管溝成型尺寸及質(zhì)點(diǎn)振速峰值

圖2 方案1爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

圖3 方案2爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

圖4 方案3爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，隸屬度的確定需要考慮指標(biāo)的特性。

對(duì)于定性指標(biāo)，按照5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)賦值:當(dāng)為“優(yōu)”時(shí)，賦值為 0.95；當(dāng)為“良”時(shí)，賦值為 0.75；當(dāng)為“中”時(shí)，賦值為0.55；當(dāng)為“及”時(shí)，賦值為 0.35；當(dāng)為“差”時(shí)，賦值為0.15。

對(duì)于定量指標(biāo)，規(guī)定指標(biāo)數(shù)值越大越好，為正指標(biāo)，反之為負(fù)指標(biāo)。利用rij＝xij/ximax計(jì)算正指標(biāo)隸屬度，利用rij＝1-xij/ximax計(jì)算負(fù)指標(biāo)隸屬度。由此可得模糊評(píng)價(jià)矩陣為:

3.4 FAHP方案優(yōu)選

根據(jù)指標(biāo)總權(quán)重以及模糊評(píng)價(jià)矩陣，利用加權(quán)平均模型進(jìn)行計(jì)算:

根據(jù)最大隸屬度原則，確定方案2為管溝爆破開(kāi)挖的最優(yōu)方案。

4 在役管道爆破動(dòng)力響應(yīng)研究

4.1 數(shù)值模型建立

采用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，應(yīng)用ALE算法，采用掃掠劃分網(wǎng)格方式，根據(jù)在役管道的尺寸進(jìn)行實(shí)際比例建模。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將模型尺寸設(shè)置為14 m×9 m×4 m，如圖5所示。由于簡(jiǎn)化了數(shù)值模型，因此需要在底面及四周施加固定約束以及無(wú)反射邊界條件。為分析在役管道動(dòng)力響應(yīng)的極限情況，在數(shù)值模型建立過(guò)程中，只考慮與管道相距10 m的情況，且爆破參數(shù)依據(jù)FAHP的最優(yōu)方案選取。

圖5 數(shù)值模型

4.2 材料模型及狀態(tài)方程

數(shù)值模型包含4種材料，分別為炸藥材料模型、空氣材料模型、管道材料模型和巖體材料模型。炸藥材料模型采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN且定義JWL狀態(tài)方程；空氣模型采用NULL材料，且應(yīng)用LINERPOLYNOMIAL狀態(tài)方程描述；管道材料模型采用JOHNSON-COOK且定義Gruneisen方程；采用PLASTIC-KINEMATIC作為巖體材料模型，見(jiàn)表10。

表10 材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)

4.3 在役管道應(yīng)力分析

在役管道X、Y、Z方向的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

由圖6可知，在役管道X方向所受的高應(yīng)力狀態(tài)比較集中，主要位于管道的側(cè)壁位置處，最大值為2.33 MPa，而且管道的頂部及底部所受的應(yīng)力影響也不可忽視；相比于X方向，Y方向所受應(yīng)力有所減小，但仍然位于管道的側(cè)壁處；Z方向所受應(yīng)力比較均勻，對(duì)在役管道影響較小。

4.4 在役管道應(yīng)變分析

在役管道X、Y、Z方向的應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖7。由圖7可知，在役管道X方向所受應(yīng)變的最大值為8.19×105，且大應(yīng)變分布區(qū)域較廣，主要出現(xiàn)在管道的側(cè)壁位置處；相比于X方向，Y方向所受大應(yīng)變的區(qū)域范圍減小，但管道頂部及底部范圍的最值不降反升，而且比較集中；Z方向所受應(yīng)變比較均勻，對(duì)在役管道影響較小。

圖6 在役管道應(yīng)力云圖

圖7 在役管道應(yīng)變?cè)茍D

5 結(jié)論

(1)通過(guò)建立層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，按照最大隸屬度原則進(jìn)行管溝爆破開(kāi)挖方案的優(yōu)選，可以為類似管溝爆破工程提供參考。

(2)采用FAHP法確定方案2為管溝爆破開(kāi)挖的最優(yōu)方案，其管溝成型尺寸最接近標(biāo)準(zhǔn)尺寸，而且其垂向質(zhì)點(diǎn)振速峰值為9.065 6 cm/s。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬分析爆破開(kāi)挖對(duì)在役管道的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明，在役管道X方向所受的影響最為顯著，并且高應(yīng)力及大應(yīng)變主要集中在管道的側(cè)壁位置處，管道的頂部及底部也應(yīng)該加強(qiáng)防護(hù)。