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中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司

1 問(wèn)題的提出

中俄原油管道二線工程呼瑪河隧道與中俄原油管道一線斜交，斜交最小夾角為38°，當(dāng)隧道穿越至一線正下方時(shí)，隧道頂部與管道的最近距離為16m。地質(zhì)資料顯示，隧道穿越該區(qū)域巖石等級(jí)為III~IV級(jí)圍巖，受圍巖條件、工期要求及經(jīng)濟(jì)性限制，隧道掘進(jìn)最有效地施工方法是鉆爆法。呼瑪河隧道穿越的凈斷面尺寸為3.0m×3.0m，按常規(guī)的隧道單循環(huán)進(jìn)尺藥量計(jì)算，每個(gè)循環(huán)的爆破總用藥量通常不超過(guò)100kg，最大單響藥量一般＜20kg。

隧道掘進(jìn)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)是否會(huì)對(duì)已投入運(yùn)營(yíng)的漠大石油管道隧道產(chǎn)生危害，其危害范圍及程度如何（即能否達(dá)到爆破振動(dòng)安全值10cm/s、拾振器振幅最大值所在軸主振頻率能否達(dá)到運(yùn)行管道結(jié)構(gòu)體系的自振頻率8Hz~13Hz），隧道掘進(jìn)通過(guò)這一地段時(shí)是否需要采用特殊方法進(jìn)行爆破掘進(jìn)等問(wèn)題，只有通過(guò)爆破振動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)才能確定。根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工生產(chǎn)計(jì)劃，擬在2017年7月20日~9月10日穿越漠大石油管道隧道，需在此階段同步實(shí)施檢測(cè)工作，由檢測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)，以保證施工過(guò)程中漠大石油管道隧道的運(yùn)營(yíng)安全。

2 檢測(cè)方案的確定

根據(jù)上述檢測(cè)目的，檢測(cè)方案需要明確監(jiān)測(cè)點(diǎn)選用類型及布置方式、檢測(cè)設(shè)備選用與檢測(cè)頻率等內(nèi)容。

檢測(cè)要點(diǎn)：（1）根據(jù)一線準(zhǔn)確的軸線位置確定質(zhì)點(diǎn)振速傳感器的布設(shè)位置；（2）根據(jù)漠大石油管道與呼瑪河隧道的空間幾何關(guān)系，結(jié)合以往類似條件的測(cè)試數(shù)據(jù)，當(dāng)掘進(jìn)爆破點(diǎn)與一線的空間最小距離＜70m時(shí)需進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)；（3）隧道掘進(jìn)爆破施工班組提供每個(gè)循環(huán)的爆破總藥量、穿孔進(jìn)尺尺寸、雷管段位及各個(gè)延時(shí)段位藥量，給出每循環(huán)掘進(jìn)斷面與一線管道的直線距離及傳感器與爆破斷面的位置關(guān)系尺寸；（4）隧道掘進(jìn)爆破每個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)的正上方地表位置設(shè)置一組（3臺(tái)）測(cè)振設(shè)備，以便預(yù)報(bào)掘進(jìn)點(diǎn)在管道正下方時(shí)產(chǎn)生的最大質(zhì)點(diǎn)振速；（5）按照掘進(jìn)爆破點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的位置尺寸關(guān)系，近距離（≤20m）傳感器的Z軸波形數(shù)據(jù)通常會(huì)產(chǎn)生異常波形，即霍普金斯效應(yīng)波形（Hopkinson Ef?fect），需要進(jìn)行人工濾波。

檢測(cè)點(diǎn)形式及平面布置。單次管線振動(dòng)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度＜50m，于管道正上方1.6m~3.4m（即地表）設(shè)置兩組（6臺(tái)）振速監(jiān)測(cè)儀加一臺(tái)預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)儀（間隔10m）；因此設(shè)10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。鑒于監(jiān)測(cè)區(qū)域表層為堆積粉質(zhì)黏土及卵石層，難以使用常規(guī)方法固定基座，且本次跟蹤監(jiān)測(cè)的保護(hù)主體一線管道并不隨隧道掘進(jìn)進(jìn)度移動(dòng)，故于地表采用水泥/石膏/AB膠固定基座的方式，共架設(shè)10個(gè)穩(wěn)定基座，其中4個(gè)因雨水沉積引起的河漫灘沼澤水位上升放棄使用。

檢測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)頻率?，F(xiàn)場(chǎng)采用ZH-20A質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)試儀10套，監(jiān)測(cè)工作組常規(guī)使用9套（三組），備用1套；IBMW530一臺(tái)，計(jì)算機(jī)小型工作站Ultra LAB V600一臺(tái)；掃描、復(fù)印、打印一體機(jī)1臺(tái)；傳感器基座的穩(wěn)定性很大程度影響測(cè)試結(jié)果，按測(cè)試點(diǎn)數(shù)及基座使用壽命計(jì)算，加工制作60~80個(gè)。

隧道受工期的影響需24h掘進(jìn)施工，晝夜循環(huán)次數(shù)為2~3次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境、氣候、測(cè)試條件、設(shè)置2個(gè)測(cè)試工作組，并在現(xiàn)場(chǎng)成立數(shù)據(jù)處理中心。每個(gè)測(cè)試工作組配備人員如表1所示。

表1 測(cè)試工作組人員配備及工作內(nèi)容

3 檢測(cè)結(jié)果分析

2017年7月21日正式開(kāi)始監(jiān)測(cè)，歷時(shí)50天時(shí)間，至9月9日完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；對(duì)應(yīng)隧道掘進(jìn)爆源里程為k0+142.5~k0+286.4，參與且獲得有效監(jiān)測(cè)結(jié)果50次，整個(gè)爆破監(jiān)測(cè)區(qū)域中，爆源與一線管道高程差范圍9.82m~23.61m，斜距范圍16.69m~49.44m。全區(qū)段內(nèi)使用的炸藥為2號(hào)巖石乳化炸藥，爆速標(biāo)稱值為≥3200m/s。裝藥結(jié)構(gòu)為單層耦合裝藥，掏槽、常規(guī)、周邊、底腳孔分段起爆延時(shí)為半秒和毫秒雷管。監(jiān)測(cè)作業(yè)測(cè)試環(huán)境溫度為2℃~27℃?，F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析如下。

檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)得的呼瑪河隧道掘進(jìn)面與漠大石油管道的最近距離變化、管道質(zhì)點(diǎn)最大振速變化、振幅最大值所在軸主振頻率變化如圖1所示。需要說(shuō)明的是，呼瑪河隧道掘進(jìn)面與漠大石油管道的最近距離達(dá)到最小值時(shí)，就是漠大石油管道與呼瑪河隧道處于水平交叉點(diǎn)位置。從中可知：（1）管道受呼瑪河隧道爆破影響的范圍是最近距離在＜25m之內(nèi)；（2）管道處垂直振速最大值為9.9cm/s，低于《油氣輸送管道并行敷設(shè)技術(shù)規(guī)范》（SY/T 7365—2017）[1]要求的10cm/s；（3）拾振器振幅最大值所在軸主振頻率多分布于40Hz~80Hz，最高125Hz，最低13.61Hz，未達(dá)到在運(yùn)行管道結(jié)構(gòu)體系的自振頻率8Hz~13Hz。

圖1 管道質(zhì)點(diǎn)最大振速、振幅最大時(shí)主頻率與隧道掘進(jìn)面距離的曲線圖

位于漠大石油管道與呼瑪河隧道交匯點(diǎn)附近的測(cè)點(diǎn)b3、b4、b5、b6，在檢測(cè)過(guò)程中分析質(zhì)點(diǎn)最大振速在不同方向上的檢測(cè)值隨呼瑪河隧道掘進(jìn)的變化可知：（1）不同檢測(cè)點(diǎn)在不同方向上的管道振速與最大質(zhì)點(diǎn)振速的變化趨勢(shì)一致，受呼瑪河隧道爆破影響的范圍是最近距離在＜25m之內(nèi)；（2）同一檢測(cè)點(diǎn)，豎向方向上的管道振速較其他方向的強(qiáng)烈一些，但無(wú)明顯的數(shù)值相關(guān)關(guān)系。

監(jiān)測(cè)振波傳播地質(zhì)不均勻。在跟蹤監(jiān)測(cè)作業(yè)過(guò)程中，觀察到爆破對(duì)漠大石油管道產(chǎn)生的振動(dòng)大小與掏槽形式、單段藥量、起爆網(wǎng)絡(luò)、段間隔和爆破規(guī)模（總藥量）等因素均有關(guān)聯(lián)，其中單段齊爆藥量與掏槽方式為關(guān)鍵影響因素，具體表現(xiàn)為單段齊爆藥量與爆破產(chǎn)生的振速正相關(guān)，相同段藥量下直掏爆破造成的管體振速明顯低于斜掏爆破。將波形數(shù)據(jù)按當(dāng)次施工掏槽形式進(jìn)行分類，得到直眼掏槽波形數(shù)據(jù)176組，斜眼掏槽波形數(shù)據(jù)50組。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）[2]，在不產(chǎn)生爆破飛濺和共振的情況下，應(yīng)采用前蘇聯(lián)M.A薩道夫斯基根據(jù)彈性力學(xué)的牛頓動(dòng)力相似定律提出的方程，即薩氏公式，來(lái)推算管溝爆破作業(yè)中產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振速。

式中：

V——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，cm/s；

Q——一次齊爆炸藥量，kg，當(dāng)采用毫秒微差爆破時(shí)，取折算藥量，根據(jù)爆源與被保護(hù)目標(biāo)間的地形、地貌及地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況確定折算計(jì)算方法；通常折算方法是采用各微差段藥量的平方和的開(kāi)方值，取最大段藥量；

R——測(cè)點(diǎn)離爆心的距離，m；

K——與爆源及介質(zhì)特性有關(guān)的系數(shù)；

Α——衰減指數(shù)。

本次檢測(cè)為持續(xù)跟蹤爆破監(jiān)測(cè)作業(yè)，單次作業(yè)設(shè)置傳感器為4~6臺(tái)，單次采集樣本數(shù)為60~180個(gè)，故采用牛頓迭代法進(jìn)行非線性回歸計(jì)算。經(jīng)過(guò)擬合分析，按兩種掏槽方式分別給出質(zhì)點(diǎn)振速、單段藥量和爆心距之間的經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)，即斜眼掏槽爆破對(duì)應(yīng)的薩氏公式參數(shù)為K=259.1，α=1.549；直眼掏槽爆破對(duì)應(yīng)的參數(shù)為K=66.6，α=1.549；可進(jìn)行反演計(jì)算用于預(yù)測(cè)類似地質(zhì)條件下的爆破震波傳播情況。

因此掏槽鉆孔方式作為本次監(jiān)測(cè)結(jié)論中影響振速的主要因素之一，成為控制性施工過(guò)程中的重點(diǎn)控制變量，在距離一線管道25m范圍內(nèi)禁止使用斜眼掏槽法。

另外，所有波形文件中未見(jiàn)波疊加現(xiàn)象，在掘進(jìn)里程經(jīng)過(guò)交叉點(diǎn)的過(guò)程中，儀器未捕捉到明顯的高程放大效應(yīng)，即垂向分量霍普金森效應(yīng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)呼瑪河隧道通過(guò)漠大石油管道交叉點(diǎn)的爆破檢測(cè)，根據(jù)薩氏經(jīng)驗(yàn)公式原理，總結(jié)出漠大石油管線受隧道爆破影響的范圍和管道振速、管道振動(dòng)頻率、監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同方向上振速的特征，得到了影響管道振速的主要干擾因素—掏槽鉆孔方式，對(duì)類似穿越石油管道的項(xiàng)目具有借鑒價(jià)值。