南水北調(diào)中線京石段爆破振動(dòng)安全問題研究

1、南水北調(diào)中線京石段爆破振動(dòng)安全問題研究梁向前(中國水利水電科學(xué)研究院，北京100044) 摘 要：南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程爆破施工區(qū)緊鄰村莊民房、地下天然氣管道、應(yīng)急供水管線等建(構(gòu))筑物。為確保工程的順利建設(shè)和周圍環(huán)境安全，工程采用了較為嚴(yán)格的安全控制標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)和施工；同時(shí)進(jìn)行了爆破地震波地面?zhèn)鞑ヌ匦浴r體內(nèi)爆破地震波衰減特性等爆破振動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析了爆破地震波的傳播衰減規(guī)律。京石段的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果，有效地指導(dǎo)了現(xiàn)場爆破安全施工。關(guān)鍵詞：京石段；工程爆破；安全標(biāo)準(zhǔn)；振動(dòng)效應(yīng)；試驗(yàn)與監(jiān)測(cè) 1 工程概況南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程南起河北省石家莊，北至北京團(tuán)城湖，是向北

2、京應(yīng)急供水優(yōu)先安排的工程。工程建成后，可聯(lián)合調(diào)度河北省崗南、黃壁莊、王快、西大洋4座水庫向北京供水，2008年奧運(yùn)會(huì)前具備每年向北京應(yīng)急供水4億m3的能力。京石段應(yīng)急供水工程按行政區(qū)域分為北京段和河北段，分屬北京市南水北調(diào)工程建設(shè)管理中心和河北省南水北調(diào)工程指揮部管理。北京段涉及到石方爆破開挖的工程為PCCP管道工程土建第一標(biāo)段土建第四標(biāo)段、西甘池隧洞和崇青隧洞共六個(gè)施工標(biāo)段(以下統(tǒng)稱PCCP管道工程)，歸屬于PCCP現(xiàn)場項(xiàng)目管理部統(tǒng)一管理。河北段承擔(dān)石方爆破振動(dòng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)的標(biāo)段有代建第標(biāo)段、S31標(biāo)段、S34標(biāo)段、S49標(biāo)段共四個(gè)渠道施工標(biāo)段。京石段應(yīng)急供水工程全長307.46km，石方爆破

3、區(qū)地形地質(zhì)條件多變，渠道爆破工作面寬度窄、深度大、延線長，爆破施工條件差，施工質(zhì)量控制難度較大。工程區(qū)域周邊環(huán)境復(fù)雜，渠道邊線50m外即為村莊民房，局部地區(qū)橫穿天然液化氣管道、應(yīng)急供水管線等。如北京段PCCP管道工程與張坊應(yīng)急供水管線平行或局部相交，最近距離僅15m；河北段S49標(biāo)段渠道與陜京天然氣管道相交。 2 爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)京石段工程區(qū)分布的建筑物、構(gòu)筑物、地下設(shè)施較多，須根據(jù)周圍保護(hù)對(duì)象的抗震能力，制定嚴(yán)格的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)、監(jiān)督爆破安全施工。安全控制標(biāo)準(zhǔn)需根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)抗震特性、區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)條件等綜合確定。爆破安全規(guī)程(GB 67222003)

4、第6.2.2款規(guī)定了被保護(hù)目標(biāo)物的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)制定工程爆破對(duì)地面設(shè)施的安全振速控制值有較好的參考作用。對(duì)于張坊應(yīng)急供水管線(直徑2000mm的PCCP管道)、陜京石油天然氣管道(直徑700mm的鋼管)及其他低下設(shè)施，且內(nèi)部均承受較大的作用壓力，這類結(jié)構(gòu)尚缺少明確的安全允許振速值。為保護(hù)地下設(shè)施的安全，開展了爆破地震波沿深度傳播規(guī)律研究和爆破振動(dòng)對(duì)石油天然氣管道的安全試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)成果，并依據(jù)爆破安全規(guī)程、中國地震烈度表以及工程規(guī)定文件要求，制定了京石段石方爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)。北京段PCCP管道工程爆破施工時(shí)，因?qū)芫€100m范圍內(nèi)建筑物進(jìn)行了拆遷或補(bǔ)償處理，周圍建(構(gòu))筑物、地下

5、管線設(shè)施的安全允許振速規(guī)定為：(1)地面設(shè)施，按距爆源100m處的爆破振動(dòng)速度1.0cm/s的標(biāo)準(zhǔn)控制；(2)地下設(shè)施，按V度地震烈度的參考指標(biāo)，地面振動(dòng)速度3.Ocm/s的標(biāo)準(zhǔn)控制。河北段安全控制對(duì)象主要是村莊民房結(jié)構(gòu)和陜京天然氣管道。根據(jù)各標(biāo)段施工區(qū)的環(huán)境條件和爆破施工特點(diǎn)，制定爆破安全允許振速為：(1)地面設(shè)施，房屋結(jié)構(gòu)的安全允許振速以爆破安全規(guī)程GB 67222003中規(guī)定為依據(jù)，并考慮具體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行安全評(píng)價(jià)；(2)地下設(shè)施，石油天然氣管道地面安全允許振速按3.0cm/s控制。 3 爆破振動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)研究3.1 爆破地震波地面?zhèn)鞑ヌ匦匝芯磕纤闭{(diào)北京段爆破開挖區(qū)巖石為大理巖，抗壓

6、強(qiáng)度為93146MP，節(jié)理較發(fā)育，穩(wěn)定性較差，無活動(dòng)性斷裂通過。爆破施工采用梯段爆破，段間毫秒延期，孔內(nèi)、孔外延時(shí)相結(jié)合的起爆網(wǎng)路技術(shù)。工程共進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)264次，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)520個(gè)，獲得了大量的現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理得到的爆破地震波的傳播衰減規(guī)律為： v=52.1RQ13-1.41 (1)式中: 為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；Q為藥量，kg；R為爆源中心到觀測(cè)點(diǎn)距離，m。3.2 巖體內(nèi)爆破地震波衰減特性研究3.2.1 試驗(yàn)?zāi)康谋频卣鸩ㄔ趥鞑ミ^程中引起周圍巖土介質(zhì)的振動(dòng)，遇到地下和地面的建筑物和構(gòu)筑物時(shí)，將與其發(fā)生相互作用，直接威脅到爆區(qū)周圍建(構(gòu))筑物的安全。在京石段工程爆

7、破中多處涉及地下管線的爆破抗振安全問題。如何通過監(jiān)測(cè)地面質(zhì)點(diǎn)振速來控制爆破地震波對(duì)地下管線的振動(dòng)安全影響，是工程施工中需要解決的主要問題。為此，在爆區(qū)附近布設(shè)了專門試驗(yàn)鉆孔，在不同深度處埋設(shè)了雙向速度傳感器，開展了專項(xiàng)試驗(yàn)研究。3.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容現(xiàn)場試驗(yàn)孔深19m，分別在地表、地下5m、地下10m、地下19m處布設(shè)了4組傳感器(圖1)，圖1 沿深度方向傳感器布置圖Fig.1 Sensor general arrangement along depth direction每組均埋設(shè)水平向(垂直管線開挖軸線)和鉛垂向兩臺(tái)傳感器。傳感器安放后，試驗(yàn)孔用鉆孔巖粉填塞并擠壓密實(shí)，以保持填塞物與巖土介質(zhì)

8、物理力學(xué)參數(shù)的一致性。3.2.3 試驗(yàn)成果分析現(xiàn)場共進(jìn)行了9次爆破地震波沿深度方向振速衰減試驗(yàn)，爆破總藥量10005784kg，最大單響藥量為3550kg，爆源位置距離觀測(cè)孔24lOOm。從實(shí)際觀測(cè)結(jié)果看，爆破地震波傳播至地表時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射波，造成地表振速值明顯地大于地下5m處的振速值，地下5m處的振速值大于地下lOm、19m處的振速值。爆破地震波在巖體內(nèi)沿深度方向是逐漸衰減的，地表震動(dòng)由于受表面波和反射波的影響要大一些，地層深度受巖土體約束作用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)則要小一些，衰減規(guī)律一般呈負(fù)指數(shù)規(guī)律變化。按負(fù)指數(shù)曲線計(jì)算爆破地震波在深度方向的傳播衰減公式為：v=v0e-kH (2)式中: 為深度方向振

9、速，cms；o為地面振速，cms;k為衰減系數(shù)；H為距地表深度(取正值)，m。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得出，(H)沿深度方向的衰減系數(shù)為：鉛垂方向k=0.080.09，水平方向(垂直渠道開挖軸線)K/=0.080.12。3.3 地下天然氣管道爆破振動(dòng)試驗(yàn)研究3.3.1 試驗(yàn)?zāi)康年兙┨烊粴夤艿罏槲鳉鈻|輸重點(diǎn)工程，依據(jù)石油天然氣管道保護(hù)條例(國務(wù)院第313號(hào)令)，管道兩側(cè)50m內(nèi)禁止爆破，50500m范圍內(nèi)進(jìn)行爆破時(shí)應(yīng)事先征得管道企業(yè)同意，在采取安全保護(hù)措施后方可進(jìn)行。為此，在工程建設(shè)初期開展了天然氣管道的爆破振動(dòng)試驗(yàn)研究。3.3.2 試驗(yàn)爆破參數(shù)爆破試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在爆破施工區(qū)內(nèi)，距管

10、道較遠(yuǎn)的區(qū)域并與正式生產(chǎn)施工地質(zhì)條件基本一致。爆破試驗(yàn)區(qū)距管道226.2m，爆破總藥量364kg，單孔藥量平均16.5kg，分段單響藥量控制在41.480.25kg，起爆網(wǎng)路采用孔外毫秒延期起爆技術(shù)，孔間采用MS3和MS5兩段接力起爆雷管，孔內(nèi)采用MS5段雷管。3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)從爆源到天然氣管道方向共布置了5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，最近距離36.1m，最遠(yuǎn)距離226.2m(距管道位置)，測(cè)點(diǎn)間距大約按對(duì)數(shù)等間距分布。監(jiān)測(cè)表明，距爆源226.2m處的天然氣管道實(shí)際最大振速僅為0.29cms，小于規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)。爆破試驗(yàn)表明，采用的爆破方案可行，參數(shù)選擇合理，爆破地震效應(yīng)不會(huì)危及天然氣管線的安全?；趯?shí)

11、測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法回歸擬合得到爆破地震波沿地面?zhèn)鞑ニp規(guī)律為： v=83.9RQ13-1.31 (3)根據(jù)爆破振動(dòng)速度公式和管道安全控制標(biāo)準(zhǔn)，可計(jì)算出距天然氣管道不同距離處的藥量控制標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)后期工程爆破施工。 4 結(jié)論(1)自2006年底北京段PCCP管道工程開始了工程爆破的全程跟蹤監(jiān)測(cè)，河北段4個(gè)渠道標(biāo)段相繼進(jìn)行了石方爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，其中S49標(biāo)段在完成現(xiàn)場試驗(yàn)后對(duì)爆破開挖的全程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。工程爆破振動(dòng)安全監(jiān)測(cè)成果，從整體上控制了爆破地震效應(yīng)對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的安全影響，對(duì)爆破設(shè)計(jì)、施工方案提出了嚴(yán)格要求，對(duì)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。至2007年12月，PCCP管道工程各標(biāo)

12、段完成了石方爆破施工任務(wù)，河北段4個(gè)標(biāo)段也預(yù)期完成。監(jiān)測(cè)工作有效地保證了工程的順利施工，維護(hù)了周邊環(huán)境的和諧穩(wěn)定。(2)針對(duì)工程區(qū)環(huán)境條件，提出了北京段、河北段爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)。從振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果分析，制定的安全標(biāo)準(zhǔn)是較為科學(xué)的。地下管線的安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)類似工程具有借鑒作用。(3)針對(duì)地下管道(供水、供氣)受爆破地震的安全影響，進(jìn)行了巖體內(nèi)不同深度處的地震波傳播特性試驗(yàn)，研究了爆破地震波在地面處反射作用程度；通過對(duì)比地面與不同深度處的振速影響大小，分析了爆破振動(dòng)速度幅值沿深度的傳播衰減規(guī)律，建立了不同深度處振速值與地面振速值的負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系式。(4)按石油天然氣管道保護(hù)條例規(guī)定，河北段S49標(biāo)段渠道開展了爆破對(duì)天然氣管線的安全振動(dòng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)爆破規(guī)模