天然氣管線受爆破施工沖擊響應(yīng)研究是一項(xiàng)綜合研究，涉及到工程地質(zhì)、爆炸動(dòng)力學(xué)、損傷力學(xué)、安全系統(tǒng)工程等學(xué)科領(lǐng)域，其研究方法主要是在詳細(xì)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和資料收集的基礎(chǔ)上，建立計(jì)算模型，通過選取合適的材料本構(gòu)模型，運(yùn)用定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，對爆破施工沖擊引起天然氣管線動(dòng)力響應(yīng)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過管道損傷理論對爆炸沖擊引起的天然氣管道損傷失效進(jìn)行了深入探析。

本次模擬的案例：高壓天然氣長輸管道，承擔(dān)著向主城區(qū)供氣的主要任務(wù)，安全性和社會(huì)影響十分巨大，且爆破工程在管道200m范圍內(nèi)需要進(jìn)行爆破施工。根據(jù)《石油天然氣管道保護(hù)法》（中華人民共和國主席令第三十號）的規(guī)定：“第三十五條

進(jìn)行下列施工作業(yè)，施工單位應(yīng)當(dāng)向管道所在地縣級人民政府主管管道保護(hù)工作的部門提出申請：①穿跨越管道的施工作業(yè)；②在管道線路中心線兩側(cè)各五米至五十米和本法第五十八條第一項(xiàng)所列管道附屬設(shè)施周邊一百米地域范圍內(nèi)，新建、改建、擴(kuò)建鐵路、公路、河渠，架設(shè)電力線路，埋設(shè)地下電纜、光纜，設(shè)置安全接地體、避雷接地體；③在管道線路中心線兩側(cè)各二百米和本法第五十八條第一項(xiàng)所列管道附屬設(shè)施周邊五百米地域范圍內(nèi)，進(jìn)行爆破、地震法勘探或者工程挖掘、工程鉆探、采礦?！?/p>

1 允許最大爆破炸藥使用量計(jì)算

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）的有關(guān)規(guī)定，在距天然氣管道中心點(diǎn)兩側(cè)不同距離時(shí)爆破點(diǎn)的最大裝藥量計(jì)算見

表1 不同爆破作業(yè)點(diǎn)最大裝藥量計(jì)算表

模擬數(shù)據(jù)：本次爆破巖性主要為泥巖和砂巖，屬中硬巖石，選取K=250，α=1.8，V=1.0cm/s的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。選取結(jié)果如下：①距離天然氣管道中心線兩側(cè)50m范圍內(nèi)，維持原地貌，不允許爆破作業(yè)；②距離天然氣管道中心線兩側(cè)50-60m范圍內(nèi)的爆破施工，允許使用的最大爆破炸藥量為12.6kg。

2 爆破地震波能量衰減規(guī)律分析

爆破震動(dòng)波對管道產(chǎn)生的影響一般通過爆破震動(dòng)幅值及頻率來描述，這個(gè)過程伴隨著能量的傳遞與轉(zhuǎn)化。具體的影響因素有地形地貌、巖石條件、最大段藥量以及爆源距。

工程上一般用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度來表示爆破振動(dòng)強(qiáng)度，關(guān)于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與裝藥量及爆心距的關(guān)系，目前比較通用的是前蘇聯(lián)的M.A.薩道夫斯基公式。M.A.薩道夫斯基給出的公式為：V=K（Q1/3/R）α，式中：V—質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；Q—單響藥量（齊發(fā)爆破時(shí)為總裝藥量，研發(fā)爆破時(shí)為最大一段裝藥量）；R—質(zhì)點(diǎn)到爆源中心的距離；K—地場系數(shù)，依場地條件選??；α—衰減指數(shù)，與場地系數(shù)有關(guān)。

薩道夫斯基給出公式不能直接反應(yīng)諸如炸藥種類、炸藥結(jié)構(gòu)、鉆孔孔徑及巖性參數(shù)等因素對質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度的影響。盧文波和W.Hustrulid推導(dǎo)了基于柱面波理論和球面波及長柱狀裝藥的子波理論的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度衰減公式。

爆破產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)，在某一點(diǎn)的振速和頻率都是隨空問距離與時(shí)問變化的函數(shù)，根據(jù)實(shí)測的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，可以得到當(dāng)?shù)氐匦螚l件下的爆破地震波傳播衰減規(guī)律為：v=83.9（R/Q1/3）-1.31；根據(jù)公式，驗(yàn)算本次參數(shù)：當(dāng)單響藥量為12.6kg時(shí)，距爆源50m處的地面最大振速為1.0cm/s；管道可處于安全狀態(tài)。

3 埋地天然氣管線安全性分析

埋地天然氣管線安全性分析方法一般分為應(yīng)力判別式和管道張角判別法兩類。剛性地下管線采用材料力學(xué)中的強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。通過計(jì)算地下管線的應(yīng)變，確定地下管線截面最大應(yīng)變，并與材料的容許應(yīng)變進(jìn)行比較、分析、判斷天然氣管線的安全性。

地震波對管道最大軸向應(yīng)變εmax必須與可操作荷載引起的軸向應(yīng)變相結(jié)合，來判斷其對安全性的影響，并可以按照下面的公式計(jì)算：

以天然氣管線為分析對象，爆破施工對天然氣管線的影響進(jìn)行分析，模擬計(jì)算：管線管材為L360NB，管道直徑為508mm，壁厚選取8.8mm，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為4.5Mpa，管線彈性模量為210000Mpa，屈服強(qiáng)度為360MPa，斷裂強(qiáng)度為520MPa。土質(zhì)條件為：K為250，為1.8，場地剪切波速C取140m/s。通過公式進(jìn)行計(jì)算得出，當(dāng)爆破炸藥量和爆破距離滿足式（1）和式（2）時(shí)，天然氣管道因爆破施工產(chǎn)生的應(yīng)變在許用范圍內(nèi)，即管道可安全運(yùn)行。

對比公式可知，爆破震動(dòng)對天然氣管線產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變判別條件比拉伸應(yīng)變判別條件更為苛刻，應(yīng)以壓縮應(yīng)變判別式作為基準(zhǔn)判別式。根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果：

距離天然氣管道中心線兩側(cè)50-60m范圍內(nèi)的平場爆破施工，允許使用的最大爆破炸藥量為 12.6kg。；按模擬數(shù)據(jù)值實(shí)施，管道因?yàn)楸飘a(chǎn)生的應(yīng)變在許用范圍內(nèi)，管道可安全運(yùn)行。

4 爆炸沖擊的ANSYS計(jì)算

4.1 爆炸沖擊計(jì)算模型及計(jì)算工況

模擬計(jì)算：爆破施工點(diǎn)距管線的直線距離為50m，炸藥量為12.6kg。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，本次計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型

4.2 模擬結(jié)果及分析

距離50m，一次爆破炸藥量12.6kg。圖2-圖4為距離50m，12.6kg炸藥爆炸形成的沖擊荷載到達(dá)天然氣管道后不同時(shí)刻的有效應(yīng)力云圖，圖5-圖7為沖擊荷載到達(dá)天然氣管道后不同時(shí)刻的最大剪應(yīng)力云圖。天然氣管線迎爆面單元等效應(yīng)力時(shí)程曲線和最大剪應(yīng)力時(shí)程曲線見圖8-圖9。

從計(jì)算結(jié)果可知：在17399us時(shí)管線受到的有效應(yīng)力最大，大約為0.5966MPa，此后管線的等效應(yīng)力逐漸減小。在17399us時(shí)管線受到的最大剪應(yīng)力最大，大約為0.3262MPa，此后管線的最大剪應(yīng)力逐漸減小。但在整個(gè)爆炸沖擊過程中，天然氣管道最大剪應(yīng)力均小于25MPa，且其等效應(yīng)力均小于天然氣管道的屈服強(qiáng)度360MPa。因此，天然氣管道未產(chǎn)生塑性變形，距離50m，一次爆破炸藥量12.6kg，可保證管道的安全運(yùn)行。

圖2 t=13800us天然氣管道的等效應(yīng)力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖3 t=17399us天然氣管道的等效應(yīng)力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖4 t=19799us天然氣管道的等效應(yīng)力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖5 t=13800us天然氣管道的最大剪應(yīng)力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖6 t=17399us天然氣管道的最大剪應(yīng)力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖7 t=19799us天然氣管道的最大剪應(yīng)力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖8 天然氣管道迎爆面單元等效應(yīng)力時(shí)程曲線

圖9 天然氣管道迎爆面單元最大剪應(yīng)力時(shí)程曲線

4.3 模擬爆炸沖擊計(jì)算小結(jié)

從模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：①天然氣管道均未產(chǎn)生塑性變形，可保證管線的安全運(yùn)行；②爆破作業(yè)對管道的影響與一次爆破用藥量和距離有關(guān)，嚴(yán)格控制不同距離情況下的一次爆破用藥量，可以實(shí)現(xiàn)管道的安全運(yùn)行；③施工單位在距離天然氣管道中心點(diǎn)20m外設(shè)置減振溝，減振溝的規(guī)格按照有關(guān)規(guī)定確定。建議減振溝開挖的深度應(yīng)大于管道埋深0.5m以上，寬度為1m左右。進(jìn)一步提高安全系數(shù)，降低爆破震動(dòng)對管道的影響，保證天然氣管道安全；④為了有效地控制爆破地震的危害，在爆破之前對爆破地震效應(yīng)以估計(jì)，根據(jù)爆破震動(dòng)校核結(jié)果，計(jì)算最大單響起爆量，根據(jù)與天然氣管道的距離來實(shí)施分段起爆等措施，以保證天然氣管道的安全。

［1］婁建武，龍?jiān)矗烊?小波分析在結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)響應(yīng)能量分析法中的應(yīng)用［J］.世界地震工程，2001，17（1）：64-68

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