呼玛河隧道穿越漠大石油管道爆破振动监测总结

乐华东

中铁十六局集团第五工程有限公司

1 问题的提出

中俄原油管道二线工程呼玛河隧道与中俄原油管道一线斜交，斜交最小夹角为38°，当隧道穿越至一线正下方时，隧道顶部与管道的最近距离为16m。地质资料显示，隧道穿越该区域岩石等级为III~IV级围岩，受围岩条件、工期要求及经济性限制，隧道掘进最有效地施工方法是钻爆法。呼玛河隧道穿越的净断面尺寸为3.0m×3.0m，按常规的隧道单循环进尺药量计算，每个循环的爆破总用药量通常不超过100kg，最大单响药量一般＜20kg。

隧道掘进爆破产生的振动是否会对已投入运营的漠大石油管道隧道产生危害，其危害范围及程度如何（即能否达到爆破振动安全值10cm/s、拾振器振幅最大值所在轴主振频率能否达到运行管道结构体系的自振频率8Hz~13Hz），隧道掘进通过这一地段时是否需要采用特殊方法进行爆破掘进等问题，只有通过爆破振动跟踪监测才能确定。根据隧道现场施工生产计划，拟在2017年7月20日~9月10日穿越漠大石油管道隧道，需在此阶段同步实施检测工作，由检测结果动态调整现场爆破参数，以保证施工过程中漠大石油管道隧道的运营安全。

2 检测方案的确定

根据上述检测目的，检测方案需要明确监测点选用类型及布置方式、检测设备选用与检测频率等内容。

检测要点：（1）根据一线准确的轴线位置确定质点振速传感器的布设位置；（2）根据漠大石油管道与呼玛河隧道的空间几何关系，结合以往类似条件的测试数据，当掘进爆破点与一线的空间最小距离＜70m时需进行爆破振动监测；（3）隧道掘进爆破施工班组提供每个循环的爆破总药量、穿孔进尺尺寸、雷管段位及各个延时段位药量，给出每循环掘进断面与一线管道的直线距离及传感器与爆破断面的位置关系尺寸；（4）隧道掘进爆破每个循环对应的正上方地表位置设置一组（3台）测振设备，以便预报掘进点在管道正下方时产生的最大质点振速；（5）按照掘进爆破点与测点的位置尺寸关系，近距离（≤20m）传感器的Z轴波形数据通常会产生异常波形，即霍普金斯效应波形（Hopkinson Ef⁃fect），需要进行人工滤波。

检测点形式及平面布置。单次管线振动监测长度＜50m，于管道正上方1.6m~3.4m（即地表）设置两组（6台）振速监测仪加一台预报监测仪（间隔10m）；因此设10个监测点。鉴于监测区域表层为堆积粉质黏土及卵石层，难以使用常规方法固定基座，且本次跟踪监测的保护主体一线管道并不随隧道掘进进度移动，故于地表采用水泥/石膏/AB胶固定基座的方式，共架设10个稳定基座，其中4个因雨水沉积引起的河漫滩沼泽水位上升放弃使用。

检测设备及监测频率。现场采用ZH-20A质点振动速度测试仪10套，监测工作组常规使用9套（三组），备用1套；IBMW530一台，计算机小型工作站Ultra LAB V600一台；扫描、复印、打印一体机1台；传感器基座的稳定性很大程度影响测试结果，按测试点数及基座使用寿命计算，加工制作60~80个。

隧道受工期的影响需24h掘进施工，昼夜循环次数为2~3次，根据现场的环境、气候、测试条件、设置2个测试工作组，并在现场成立数据处理中心。每个测试工作组配备人员如表1所示。

表1 测试工作组人员配备及工作内容

3 检测结果分析

2017年7月21日正式开始监测，历时50天时间，至9月9日完成现场检测；对应隧道掘进爆源里程为k0+142.5~k0+286.4，参与且获得有效监测结果50次，整个爆破监测区域中，爆源与一线管道高程差范围9.82m~23.61m，斜距范围16.69m~49.44m。全区段内使用的炸药为2号岩石乳化炸药，爆速标称值为≥3200m/s。装药结构为单层耦合装药，掏槽、常规、周边、底脚孔分段起爆延时为半秒和毫秒雷管。监测作业测试环境温度为2℃~27℃。现对现场监测数据整理分析如下。

检测过程中，测得的呼玛河隧道掘进面与漠大石油管道的最近距离变化、管道质点最大振速变化、振幅最大值所在轴主振频率变化如图1所示。需要说明的是，呼玛河隧道掘进面与漠大石油管道的最近距离达到最小值时，就是漠大石油管道与呼玛河隧道处于水平交叉点位置。从中可知：（1）管道受呼玛河隧道爆破影响的范围是最近距离在＜25m之内；（2）管道处垂直振速最大值为9.9cm/s，低于《油气输送管道并行敷设技术规范》（SY/T 7365—2017）[1]要求的10cm/s；（3）拾振器振幅最大值所在轴主振频率多分布于40Hz~80Hz，最高125Hz，最低13.61Hz，未达到在运行管道结构体系的自振频率8Hz~13Hz。

图1 管道质点最大振速、振幅最大时主频率与隧道掘进面距离的曲线图

位于漠大石油管道与呼玛河隧道交汇点附近的测点b3、b4、b5、b6，在检测过程中分析质点最大振速在不同方向上的检测值随呼玛河隧道掘进的变化可知：（1）不同检测点在不同方向上的管道振速与最大质点振速的变化趋势一致，受呼玛河隧道爆破影响的范围是最近距离在＜25m之内；（2）同一检测点，竖向方向上的管道振速较其他方向的强烈一些，但无明显的数值相关关系。

监测振波传播地质不均匀。在跟踪监测作业过程中，观察到爆破对漠大石油管道产生的振动大小与掏槽形式、单段药量、起爆网络、段间隔和爆破规模（总药量）等因素均有关联，其中单段齐爆药量与掏槽方式为关键影响因素，具体表现为单段齐爆药量与爆破产生的振速正相关，相同段药量下直掏爆破造成的管体振速明显低于斜掏爆破。将波形数据按当次施工掏槽形式进行分类，得到直眼掏槽波形数据176组，斜眼掏槽波形数据50组。

根据《爆破安全规程》（GB 6722—2014）[2]，在不产生爆破飞溅和共振的情况下，应采用前苏联M.A萨道夫斯基根据弹性力学的牛顿动力相似定律提出的方程，即萨氏公式，来推算管沟爆破作业中产生的质点振速。

式中：

V——质点振动速度峰值，cm/s；

Q——一次齐爆炸药量，kg，当采用毫秒微差爆破时，取折算药量，根据爆源与被保护目标间的地形、地貌及地质结构状况确定折算计算方法；通常折算方法是采用各微差段药量的平方和的开方值，取最大段药量；

R——测点离爆心的距离，m；

K——与爆源及介质特性有关的系数；

Α——衰减指数。

本次检测为持续跟踪爆破监测作业，单次作业设置传感器为4~6台，单次采集样本数为60~180个，故采用牛顿迭代法进行非线性回归计算。经过拟合分析，按两种掏槽方式分别给出质点振速、单段药量和爆心距之间的经验公式参数，即斜眼掏槽爆破对应的萨氏公式参数为K=259.1，α=1.549；直眼掏槽爆破对应的参数为K=66.6，α=1.549；可进行反演计算用于预测类似地质条件下的爆破震波传播情况。

因此掏槽钻孔方式作为本次监测结论中影响振速的主要因素之一，成为控制性施工过程中的重点控制变量，在距离一线管道25m范围内禁止使用斜眼掏槽法。

另外，所有波形文件中未见波叠加现象，在掘进里程经过交叉点的过程中，仪器未捕捉到明显的高程放大效应，即垂向分量霍普金森效应。

4 结束语

通过对呼玛河隧道通过漠大石油管道交叉点的爆破检测，根据萨氏经验公式原理，总结出漠大石油管线受隧道爆破影响的范围和管道振速、管道振动频率、监测点不同方向上振速的特征，得到了影响管道振速的主要干扰因素—掏槽钻孔方式，对类似穿越石油管道的项目具有借鉴价值。