隧道爆破作用下鄰近輸油管道安全距離

張雨晨，王海亮*，石晨晨，丁新宇，趙軍

(1.山東科技大學安全與環境工程學院，青島 266590； 2.中鐵二局集團成都新技術爆破工程有限公司，成都 610000； 3.中國中鐵爆破安全技術研發中心，成都 610000)

隨著現代經濟的高速發展，管道普遍運用于天然氣、石油、供水、電力以及通信等各個領域。同時，中國的基礎工程不斷進行大規模建設，一些建設項目工程無法完全避免開縱橫交錯的地表及地下管道，而項目施工過程中，往往需要進行爆破作業，有可能造成管道破壞以及更嚴重的后果。國內外學者針對管道的安全性進行了大量的研究。

Mohammad等[1]提出使用玻璃纖維增強塑料(glass fiber-reinforced polymer，GFRP)覆蓋層可以減少埋地管道在爆破荷載作用下的變形問題，并對其效果進行可行性論證。郝郁清等[2]從理論角度建立瑞利波作用時燃氣管道的軸向應變、環向應變與爆破振動速度關系的計算方法，從爆破試驗回歸分析得到了爆破振動速度與爆心距的具體函數關系。Shi等[3]將爆破地震波作用于巖體的加速度時程函數作為作用于管道的外部能量源，并將其與管道的動態和靜態分析相結合，根據埋地管道材料的Von-Mises屈服準則確定了管道在爆破荷載作用下的最大允許振速。管曉明等[4]采用LS-DYNA中任意拉格朗日(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)算法建立隧道-地層-管線三維模型，研究了隧道爆破振動下地下管線的峰值振速與動力響應特征。Jiang等[5]以武漢地鐵8號線二期工程基坑開挖為背景，對現場爆破振動進行監測，提出了地表峰值振速隨基坑開挖深度增加的衰減公式，并建立三維數值模型，分析了不同管道內壓下燃氣管道的動力響應特征。高文樂等[6]利用LS-DYNA流固耦合方法模擬露天爆破振動對管道的影響，通過最小二乘法擬合得到管道斷面最大振速與斷面正上方地表最大振速的關系式。Liu等[7]通過建立三維數值模擬模型分析拱蓋法爆破開挖中上部埋地管道的振動響應，分析了不同位置導洞爆破是管道的振速峰值變化，并討論了二襯對隧道爆破時上部管道的減振作用。Yang等[8]利用LS-DYNA建立數值模型，分析了聯絡通道爆破開挖時上部埋地燃氣管道的動態響應特征，根據管道設計規范提出了地下管道允許的有效應力控制標準，并建立了管道Von-Mises應力與距離之間的數學預測模型。

國內外學者的研究為隧道爆破對管道影響的研究提供了很好的研究基礎及研究方向，但是對于管道的安全評判標準仍存在不同的選擇，無法惠及所有工況條件下的相關工程，且對于振速的預測數學公式多直接使用薩道夫斯基公式進行擬合，對于隧道工程中的振速預測具有一定的偏差性?，F依托于青島膠州灣第二海底隧道黃島端斜井工程，對爆破施工引起的地表振動速度進行監測，通過分析監測數據以獲取振動速度最大位置及頻域分布范圍，建立相應的預測公式模型，參考國家法律法規及工程實例，選取輸油管道安全振速，計算不同單段最大起爆藥量下爆破施工時輸油管道的安全距離，為后續二期工程下穿輸油管道時的爆破方案優化提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

青島市膠州灣第二海底隧道黃島端斜井工程(下文簡稱斜井)起始于黃島區輪渡碼頭東北側約400 m處，向東沿劉公島路下方敷設，下穿黃島岸油港入海。斜井長1 744 m，其中一期工程長264 m，明挖段69 m，暗挖段195 m，斷面為馬蹄形，雙車道無軌運輸，斜井襯砌后底面凈寬度為7.0 m，斜井中線高度為7.7 m，斷面尺寸為48.88 m2(二襯后)。斜井一期工程周邊建筑物如圖1所示。

圖1 斜井一期工程周邊建筑物Fig.1 The surrounding buildings of the first phase of the inclined shaft

斜井一期終點里程X1DK0+294處距油港碼頭內最近的原油管道水平距離為55.0 m，垂直距離為19.8 m，原油管道為DN1000鋼制輸油管道，埋深2 m。同時，斜井二期工程將下穿油港廠區，廠區內存在多條地上和地下輸油管道，是爆破施工的重點保護對象。

1.2 爆破施工方案

監測期間，施工段斜井圍巖等級為Ⅲ級圍巖，開挖斷面寬8.0 m，高8.45 m，斷面面積607 m2，拱頂埋深15～30 m，采用ⅩⅢb斷面設計，全斷面開挖，爆破循環進尺為2.5 m。采用復式楔形掏槽形式，一級掏槽孔單孔裝藥0.9 kg，二級掏槽孔單孔藥量1.5 kg，輔助孔裝藥量為1.2 kg，底板孔裝藥量為1.5 kg，周邊孔裝藥量為0.6 kg。爆破網路一次起爆最大炮孔數約140個，一次爆破最大藥量為140.1 kg，單段最大起爆藥量5.4 kg，爆破單耗為0.92 kg/m3，斜井工作面炮孔布置如圖2所示。

圖2 斜井工作面炮孔布置Fig.2 Blast hole layout in inclined shaft working face

現場爆破器材為2號巖石乳化炸藥，使用工業數碼電子雷管起爆，延期編碼范圍為1～5 000 ms。炮孔均采用反向裝藥結構，雷管塞入炮孔底部的藥卷內部，每個炮孔裝藥后全部用炮泥封堵。

1.3 振動監測方案

采用成都中科測控有限公司生產的TC-4850爆破測振儀，標準量程為0.001～35 cm/s。觸發電平設置為0.05 cm/s，采樣時間設置為5 s，采樣頻率設置為16 kHz。本次監測針對監測目標輸油管道，將地表上對應爆破工作面的位置設為監測起點，沿隧道軸向在工作面前方不同距離處布設11臺測振儀。在實際監測過程中，測點布置大致可連成一條直線，隨著工作面的推進，測點也向前移動對應爆破進尺的距離。測點布置如圖3所示。傳感器通過石膏粘接固定在地面上，傳感器方向分別為水平徑向(x向，指向隧道開挖方向)、水平切向(y向，指向水平面上與水平徑向垂直的方向)和垂直向(z向，指向垂直水平面豎直向上的方向)。

圖3 工作面前方測點布置示意圖Fig.3 Layout of measuring points in front of the work surface

2 監測數據分析

針對斜井一期工程爆破施工，本次測振共對6次爆破施工進行了現場監測。測振期間，11臺測振儀中有1～2臺出現儀器故障，由于測振儀數量變化導致不同次的監測中測點數量不同，測點間距也隨之調整。振動監測詳細數據見表1。

2.1 峰值合振速變化規律分析

為研究工作面前方的振動速度衰減規律，根據表1繪制不同監測序號的峰值合振速在測點到工作面不同水平距離時的變化曲線，見圖4。

表1 工作面前方峰值合振速數據記錄表Table 1 Data of peak combined vibration velocity in front of the working surface

由圖4可知，在工作面前方的6次監測中，監測序號4#中距工作面水平距離5 m處的測點峰值合振速為最大值，其他監測序號中監測到的峰值合振速最大值分布在1.313～2.796 cm/s，均超出斜井工程施工方案中規定的地表安全允許振速v=1 cm/s。因此，將測點振動速度普遍大于1 cm/s的區域視為“高振速區”，根據各測點的峰值合振速，將工作面前方水平距離L=0～40 m范圍內的區域劃為高振速區，峰值合振速分布在0.925～3.087 cm/s。

圖4 測點峰值合振速與距工作面水平距離關系Fig.4 The relationship between the peak combined vibration velocity of the measuring point and the horizontal distance from the working face

從整體上來看，各測點監測到的峰值合振速隨距工作面水平距離增大呈現衰減的趨勢，整體趨勢符合薩道夫斯基公式。但是在高振速區內各監測點的峰值合振速最大值均未出現在工作面正上方，而是分布在工作面前方5～35 m的范圍內，呈現震蕩變化的特征，峰值合振速的最大值是工作面正上方峰值合振速的1.1～2.6倍。這表明在工程的地質和爆破條件下，在高振速區范圍內存在“極振效應”[9]，峰值合振速的變化規律不符合薩道夫斯基公式中體現的爆心距越小、振速越大的規律。各測點峰值合振速在到達最高值后呈冪函數形式衰減，在距工作面水平距離L=0～94 m范圍內衰減至0.5 cm/s以下。當L>120 m時，峰值合振速最低衰減至0.116 cm/s，甚至出現測振儀未觸發的情況(監測序號1#、5#)。

2.2 振動信號頻率分析

為分析工作面前方的爆破振動信號頻率、時間、能量三者之間的分布變化關系，選取監測序號2#中距工作面水平距離L=15 m的監測數據作為研究對象，使用MATLAB對其三向振速數據進行HHT分析[10-11]，繪制三向振速對應的HHT三維時頻圖，如圖5～圖7所示。HHT三維時頻圖中能量為歸一化處理后的能量，全面清晰地描繪了由EMD得到的IMF分量以頻率-時間-振幅的分布，表明了信號能量隨時間-頻率的分布情況。

圖5 L=15 m時x向振速HHT時頻圖Fig.5 Time-frequency diagram of the x-direction vibration velocity HHT when L=15 m

圖6 L=15 m時y向振速HHT時頻圖Fig.6 Time-frequency diagram of the y-direction vibration velocity HHT when L=15 m

圖7 L=15 m時z向振速HHT時頻圖Fig.7 Time-frequency diagram of the z-direction vibration velocity HHT when L=15 m

從圖5～圖7可以看出，測點監測到的爆破振動總持續時間將近4 s。從整體來看，三向振速的頻域分布特征具有一致性，測點振動信號基本都分布在0～200 Hz的低頻帶區域，50 Hz左右為頻率中心。在爆破振動持續時間內，三向振速的Hilbert譜中均存在一個瞬時能量峰值，出現在0～1 s，結合爆破參數孔網布置及數碼電子雷管的延期時間分析，瞬時能量峰值的出現主要對應掏槽孔的第1～8段雷管起爆。這主要是由于掏槽孔起爆時，僅有工作面本身一個自由面，巖石夾制作用大，且掏槽孔的單孔裝藥量較大(1.5 kg)，故0～1 s時間范圍內產生了最大能量峰值。

同時根據現有研究成果[12-13]，一般輸油管道的固有頻率在0～25 Hz的低頻范圍內。分別提取該監測數據中三項振速的0～200 Hz部分進行小波包分解[14]并提取各頻段能量所占比例，如圖8～圖10所示。三向振速中25～75 Hz頻段為主要能量集中范圍，在0～200 Hz頻段中占總能量的比重均超過50%，最高可達80.76%，而0～25 Hz頻段在0～200 Hz總能量中占比均小于15 %，最高占比為y向振速的13.41%，z向振速占比最低，僅占比2.91%，可以認為在該爆破條件下，爆破振動的頻域范圍與管道固有頻率僅存在少量重疊部分，但爆破振動仍有可能會導致輸油管道產生共振現象，所以在后續施工尤其是下穿油港過程中，還需重點監測管道布置區域的爆破振動情況。

圖8 x向振速各頻段能量所占比例Fig.8 The proportion of energy in each frequency band of the x-direction vibration velocity

圖9 y向振速各頻段能量所占比例Fig.9 The proportion of energy in each frequency band of the y-direction vibration velocity

圖10 z向振速各頻段能量所占比例Fig.10 The proportion of energy in each frequency band of the z-direction vibration velocity

2.3 爆破振動公式擬合

2.3.1 薩道夫斯基公式擬合

為進一步研究該工程條件下的振動衰減規律，量化爆破作業藥量、爆心距、振動速度三者之間的關系，使用MATLAB中對監測數據進行回歸分析，得到振動速度衰減的表達式。中國工程爆破界普遍采用薩道夫斯基經驗公式作為振動預測的爆破振動計算公式，表達式為

(1)

式(1)中：v為安全允許的質點振動速度，cm/s；K為與介質和爆破條件因素有關的系數；a為振動衰減系數，可從《爆破安全規程》(GB 6722—2014)提供的參考值選??；Q為單段最大起爆藥量，kg；R為爆心距，m。

由工程爆破參數可知，單段最大起爆藥量Q為5.4 kg，用于周邊孔起爆，但周邊孔起爆時自由面數量多，單孔裝藥量少，產生爆破振動較弱。而峰值合振速往往出現在掏槽孔爆破，且由2.2節中分析可知，該工程爆破時瞬時能量峰值出現在掏槽孔起爆時段，故Q取掏槽爆破時的單段最大起爆藥量，即3.6 kg?，F有研究表明[15]，在爆破振動衰減公式擬合中非線性擬合精度高于線性擬合，故采用非線性擬合方式進行公式回歸?；貧w得到K=9.183，a=0.665，相關系數r=0.771，擬合曲線見圖11。得到本工程條件下工作面前方的薩道夫斯基公式為

圖11 薩道夫斯基公式擬合曲線Fig.11 Fitting curve of Sadowski formula

(2)

2.3.2 修正公式擬合

由2.1節分析可知，在距爆源較近的高振速區存在“極振效應”，峰值合振速的變化規律不符合薩道夫斯基公式中體現的爆心距越小、振速越大的規律，而在高振速區以外的區域，振速符合薩道夫斯基公式衰減規律。這使得薩道夫斯基公式無法準確反映本工程爆破作業引起的地表振速衰減規律。因此需對薩道夫斯基公式進行修正，提高擬合公式預測的準確性。根據實測數據規律及現有研究[16]，引入薩道夫斯基修正公式，表達式為

(3)

式(3)中：L為距工作面的水平距離，m；v、R、Q、K、a與式(1)中的含義相同；m、r0為待定常數。

(4)

式(4)中：H為工作面埋深，m。

根據表1中得數據進行非線性擬合，回歸得到m=9.491，r0=23.03，相關系數r=0.801，擬合曲線見圖12，得到本工程條件下工作面前方的薩道夫斯基修正公式為

圖12 修正公式回歸曲線Fig.12 Revised formula regression curve

(5)

根據修正公式中與薩道夫斯基公式相乘的因式特征，爆心距越大，修正公式與薩道夫斯基公式的振速數值差異就越小，因此判斷此公式模型可以較為準確反映該工程中爆破振動速度的傳播衰減規律，可用于預測爆破施工時輸油管道處的振動速度。

3 輸油管道安全評價

3.1 選取輸油管道安全振速

輸油管道屬于國家能源基礎設施，保障管道的安全正常運行具有重要意義。但是，目前中國現有的法律法規和標準規范中缺少統一、權威的判定依據。

《油氣管道地質災害風險管理技術規范》(SY/T 6828—2011)[17]中規定：在管道附近采用控制爆破和機械振動施工時，采用減震溝減震后，形成的振動波到達管道處的最大爆破振動速度不得超過7 cm/s。《爆破安全規程》(GB 6722—2014)[18]中對保護對象進行了大致分類，規定了保護對象在不同頻率下的安全允許質點振動速度，以此作為爆破振動安全判據，但規程中沒有明確規定管道的爆破振動安全振速。

而目前的工程實踐中，輸油管道主流的安全振速在2.0～3.0 cm/s。例如：2016年，吳銘芳[19]以改建鐵路黔桂線都勻移站工程馬家莊隧道為工程背景，結合《爆破安全規程》(GB 6722—2014)，對輸油管道最大安全振速取2.0 cm/s；2020年，陳宏濤等[20]以南寧市某水利樞紐疏浚爆破為工程背景，研究爆破振動對臨近燃氣管道的影響，提出2.5 cm/s為該工程中管道的安全振速；2021年，梁瑞等[21]以南京地鐵3號線為工程背景，研究地鐵隧道掘進爆破對既有埋地管道的動力影響，參考《爆破安全規程》(GB 6722—2014)認為振速分布于1.0～2.25 cm/s的管道處于安全狀態。

除爆破振動外，地震振動對輸油管道的破壞程度亦可用來判斷管道的抗震能力。在1976年的唐山大地震中，秦京輸油管道區域遭受了地震烈度為Ⅵ～Ⅷ的震害，對應振速5～35 cm/s，管道直埋管段基本完好。1990年，青海海西大地震中，花格原油管道在地震烈度為Ⅶ級以下時未損壞，對應振速10～18 cm/s。2008年的“5.12”汶川大地震中，西氣東輸管道、忠武輸氣管道、蘭成渝成品油管道以及川渝境內其他輸氣管道穿越Ⅵ級以上地震烈度區域，對應振速5～9 cm/s，埋地管道未遭受地震破壞。

綜上所述，主流的安全振速2.0～3.0 cm/s能基本滿足輸油管道的保護要求。在本斜井工程中，為防止輸油管道在爆破地震波作用下產生共振現象，按最不利安全條件考慮，取一定的富裕系數，選取1 cm/s作為本工程爆破施工過程中輸油管道的安全振速。

3.2 輸油管道安全距離

目前斜井一期工程中，終點里程處距最近的輸油管道水平距離55 m，垂直距離19.8 m，由式(2)～式(5)可計算得終點里程處爆破施工時，最近的輸油管道處將會達到最大振速0.935 cm/s，低于所取的安全振速，因此可以判斷在斜井一期工程中目前爆破施工條件下，油港碼頭內的輸油管道的安全性不受影響。

但隨著工程的推進，斜井二期工程將會下穿油港碼頭內的多條地上及地下輸油管道，工作面不斷向前推進的同時，工作面距輸油管道的水平距離不斷減小，爆心距也在不斷減小，需要優化爆破方案并控制掏槽爆破時單段最大起爆藥量，以實現在工作面推進過程中各輸油管道區域處的爆破振動速度控制在安全振速范圍內。因此，將薩道夫斯基修正公式[式(2)～式(5)]進行變形，可得到單段最大起爆藥量Q與安全距離x、工作面埋深H的關系式[式(6)]。

(6)

由于斜井二期工程在油港廠區范圍內掘進時，工作面的埋深H變化較小，故取平均值25 m。在各輸油管道區域振速低于安全振速1.0 cm/s的前提下，得到50 m范圍內斜井工作面的單段最大起爆藥量與安全距離x的關系，如圖13所示。

由圖13可知，在安全振速為1.0 cm/s，埋深H取25 m的前提下，單段最大起爆藥量隨距工作面水平距離的增加大致呈現指數上升的關系，即隨著工作面的推進，需不斷降低隧道爆破施工過程中的單段最大起爆藥量，以保證輸油管道區域處于安全距離范圍以外。在斜井一期工程中，終點里程X1DK0+294處距油港碼頭內最近的原油管道水平距離55.0 m，當前工程采用的爆破方案中掏槽孔單段最大起爆藥量為3.6 kg，參考薩道夫斯基修正公式，并計算輸油管道處最大振速為0.935 cm/s，可以認為輸油管道安全性不受影響。但是在斜井二期工程中，隨著工作面向前推進，為確保輸油管道的安全性，需進一步優化一級掏槽孔與二級掏槽孔的單段起爆藥量，在工作面距輸油管道水平距離15 m范圍內，即爆心距R在25～29 m范圍內時，單段最大起爆藥量Q要控制在0.5～0.7 kg，同時必須重點監測管道布置區域的爆破振速，嚴格規范管理爆破作業，采用更高的安全標準。

圖13 安全距離與單段最大起爆藥量的關系Fig.13 The relationship between the safety distance and the maximum amount of detonating charge in a single segment

4 結論

以青島膠州灣第二海底隧道黃島端斜井工程爆破施工為工程背景，研究了本工程地質條件下工作面方的振動監測數據，得到以下結論。

(1)工作面前方水平距離L=40 m范圍內為峰值合振速高于1 cm/s的高振速區，存在極振效應，振速呈現震蕩變化特征，不符合薩道夫斯基公式呈現的衰減規律；L>40 m時，振速呈指數衰減趨勢；同時峰值合振速的最大值不出現在工作面正上方，而是出現在距工作面一定水平距離處的地表區域。

(2)爆破振動信號基本都分布在0～200 Hz的低頻帶區域，50 Hz左右為頻率中心，爆破振動的瞬時能量峰值出現在0～1 s范圍內，爆破振動能量主要集中在25～75 Hz頻域范圍內，在一般輸油管道固有頻率的0～25 Hz頻域范圍內占比最高達13.41%，在當前爆破條件下，輸油管道有可能會產生共振現象。

(3)根據實測數據的振速變化規律及現有研究，引入薩道夫斯基修正公式并進行回歸擬合，得到適用于本工程條件下的公式模型，相比常用的薩道夫斯基公式更能反映距爆源不同距離的，尤其是爆源正上方的地表振速變化規律。

(4)從法律規范、工程實踐及抗震能力三方面考慮，選取1 cm/s作為爆破施工過程中輸油管道的安全振速，計算得到在50 m范圍內單段最大起爆藥量Q與安全距離x的關系式，在爆心距R為25～29 m范圍內時，單段最大起爆藥量Q要控制在0.5～0.7 kg。