输水隧洞与石油管道交叉段爆破施工及监测方案分析

路国娟

(中国水利水电第六工程局有限公司，沈阳 110179)

0 前 言

为确保施工安全，严格按照国家安全法律法规及石油管线安全保护规定制定切实可行的施工方案，保证交叉段输水隧洞施工对石油管线不造成任何影响。 爆破施工时，施工中不断改进优化爆破参数，并严格按设计的爆破参数施工，加强爆破震动监测，并实时调整参数，确保管线安全。科学合理安排施工顺序，紧抓石方爆破、挖运关键工序，确保工程关键节点实现， 配备的机械设备及施工人员满足管线穿越施工要求，保证总工期实现。

1 交叉影响段概况

该工程位于辽宁铁岭县境内，合同主体为输水隧洞，为有压洞，开挖断面为圆拱斜墙形，成洞断面为圆形，D=3.9m，共布置四条施工支洞。根据铁岭县石油管线管理站工作人员提供的信息，石油管道直径为D711mm，壁厚8mm，管线埋深1.5m，附近无管道附属设施。在铁岭县石油管线管理站工作人员的现场指导下，共同测量了石油管线的走线位置。根据现场测量及输水工程设计图纸,此施工段输水隧洞与石油管线存在两处交叉，一处相邻。

表1 输水隧洞与石油管线交叉参数

整个隧洞工程其中有896.49m在石油管线两侧各200m范围内，因此，该标段工程存在三处位置必须按《中华人民共和国石油天然气管道保护法》所要求的200m控制范围进行施工控制，根据《中华人民共和国安全生产法》及铁岭县能源安全生产委员会相关规定进行控制爆破方案的编制，对支洞控制段在石油管线200m范围内的输水隧洞开挖施工实施控制爆破。

2 爆破设计安全复核及控制措施

2.1 Ⅲ类围岩爆破安全复核

根据不同围岩类别及爆破影响距离进行爆破振动安全允许距离计算，爆破振动安全允许距离及最大单响药量计算。

(1)

式中：Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，单位kg；V为保护对象所在地安全允许质点速度，cm/s；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数；α为爆破地震随距离衰减系数；R为爆破振动安全允许距离，m。

图1 输水隧洞Ⅲ类围岩开挖炮孔布置示意图

爆破振动复核：

*#支洞控制段与石油管道交叉段，Ⅲ类围岩洞段最小距离单响药量计算：

(2)

式中：R为爆破振动安全允许距离127.76m，计算取125m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅲ类围岩洞段取值150；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅲ类围岩洞段取值1.3；V为保护对象所在地安全允许质点速度，单位cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，单位kg。

计算施工应控制最大单响药量为140.08kg>22.5kg(原设计施工方案Ⅲ类围岩控制最大单响药量)。

*#支洞控制段与石油管道交叉段，Ⅲ类围岩洞段,原设计方案Ⅲ类围岩最大单响药量爆破安全允许距离计算：

(3)

式中：R为爆破振动安全允许距离，m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅲ类围岩洞段取值150；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅲ类围岩洞段取值1.3；V为保护对象所在地安全允许质点速度，单位cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，取值22.5kg[1]。

经计算，施工爆破安全允许距离为67.95m<127.76m。

结论：根据爆破安全复核结果，Ⅲ类围岩原爆破施工参数满足爆破振动控制要求可不做调整。

2.2 Ⅳ类围岩爆破振动复核

表2 输水隧洞Ⅳ类围岩洞挖炮孔特性表

爆破振动复核：

*#支洞控制段与石油管道交叉段，Ⅳ类围岩洞段最小距离单响药量核算,根据公式计算：

(4)

式中：R为爆破振动安全允许距离36.53m，计算取36m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅳ类围岩洞段取值250；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅳ类围岩洞段取值1.5；V为保护对象所在地安全允许质点速度，单位cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，单位kg。

施工应控制最大单响药量为4.3kg<16.9kg(施工原设计方案Ⅳ类围岩控制最大单响药量)。

*#支洞控制段与石油管道交叉段，Ⅳ类围岩洞段,原设计方案Ⅳ类围岩最大单响药量爆破安全允许距离计算：

(5)

式中：R为爆破振动安全允许距离，m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅳ类围岩洞段取值250；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅳ类围岩洞段取值1.5；V为保护对象所在地安全允许质点速度，单位cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，取值16.9Kg。

经计算，施工爆破安全允许距离为56.81m>36.53m。

结论：根据爆破安全复核结果，Ⅳ类围岩原爆破施工参数不满足爆破振动控制要求，必须进行调整。

2.3 Ⅴ类围岩爆破振动复核

表3 输水隧洞Ⅴ类围岩洞挖炮孔特性表

爆破振动复核：*#支洞控制段与石油管道交叉段，Ⅴ类围岩洞段最小距离单响药量计算：

(6)

式中：R为爆破振动安全允许距离26.68m，计算取26m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅴ类围岩洞段取值350；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅴ类围岩洞段取值1.8；V为保护对象所在地安全允许质点速度，单位cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，单位kg。

施工应控制最大单响药量为4.35kg<13.65kg(施工原设计方案Ⅴ类围岩控制最大单响药量)。

*#支洞控制段与石油管道交叉段，Ⅴ类围岩洞段,原设计方案Ⅴ类围岩最大单响药量爆破安全允许距离计算：

(7)

式中：R为爆破振动安全允许距离，m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅴ类围岩洞段取值350；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅴ为类围岩洞段取值1.8；V为保护对象所在地安全允许质点速度，cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，取值13.65kg。

根据公式计算，施工爆破安全允许距离为38.07m>26m。

结论：根据爆破安全复核结果，Ⅴ类围岩原爆破施工参数不满足爆破振动控制要求，必须进行调整最大单响药量。

2.4 爆破试验调整参数、采取的技术措施

为保证石油管线交叉影响段正常运行，根据各洞段不同部位爆破控制单响药量进行各段影响区段爆破参数设计，采取短进尺、弱爆破、先导洞开挖、再光爆进行布孔控制。导洞钻孔前准确测画出掏槽孔位置，为使爆破后不留根底形成平整的底部平台，故在钻孔时要考虑超深。第二次钻孔前准确测画出周边光爆孔位置，为使爆破后不留根底形成平整的底部平台，故在钻孔时要考虑超深。

Ⅳ类围岩，导洞布置掏槽孔、辅助孔、崩落孔、底孔四种，掏槽孔深1.75m、辅助孔深1.65m、崩落孔深1.5m、底孔深1.55m；再光爆施工布置崩落孔、底孔、周边孔三种，崩落孔深1.5m、底孔与周边孔深均为1.55m。

Ⅴ类围岩，导洞布置掏槽孔、辅助孔、底孔三种，掏槽孔深1.3m、辅助孔与底孔深均为1.1m；再光爆施工布置崩落孔、底孔、周边孔三种，崩落孔深1m、底孔与周边孔深均为1.1m。Ⅳ类、Ⅴ类围岩爆破均采用非电毫秒延时雷管孔内分段，起爆针起爆。

起爆网络：为了避免因爆破震动造成石油管线被破坏，使用非电塑料导爆管毫秒延时雷管，采用孔内延时，单孔起爆微差延时爆破网络，Ⅳ类、Ⅴ类围岩最大单响起爆药量分别≤4.3kg、4.35kg。

2.4.1 交叉段，Ⅳ类围岩洞段最小距离单响药量算：

(8)

式中：R为爆破振动安全允许距离36.53m，计算取36m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅳ类围岩洞段取值250；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅳ类围岩洞段取值1.5；V为保护对象所在地安全允许质点速度，单位cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，单位kg。

施工应控制最大单响药量为4.3kg>4.2kg(调整设计方案Ⅳ类围岩控制最大单响药量)。

*#支洞控制段与石油管道交叉段，Ⅳ类围岩洞段,原设计方案Ⅳ类围岩最大单响药量爆破安全允许距离计算：

(9)

式中：R为爆破振动安全允许距离，m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅳ类围岩洞段取值250；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅳ类围岩洞段取值1.5；V为保护对象所在地安全允许质点速度，单位cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，取值4.2kg。

计算，施工爆破安全允许距离为35.72m<36.53m。

结论：根据爆破安全复核结果，Ⅳ类围岩洞段调整设计方案爆破施工参数满足爆破振动控制要求。

2.4.2 交叉段Ⅴ类围岩爆破振动复核：

*#支洞控制段与石油管道交叉段，Ⅴ类围岩洞段最小距离单响药量计算：

(10)

式中：R为爆破振动安全允许距离26.68m，计算取26m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅴ类围岩洞段取值350；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅴ类围岩洞段取值1.8；V为保护对象所在地安全允许质点速度，单位cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，单位kg。

计算，施工应控制最大单响药量为4.35Kg>3.9Kg(调整设计方案Ⅴ类围岩控制最大单响药量)。

*#支洞控制段与石油管道交叉段，Ⅴ类围岩洞段,原设计方案Ⅴ类围岩最大单响药量爆破安全允许距离计算：

(11)

式中：R为爆破振动安全允许距离，m；K为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件和爆破有关的系数，Ⅳ类围岩洞段取值350；α为爆破地震随距离衰减系数，Ⅳ类围岩洞段取值1.8；V为保护对象所在地安全允许质点速度，单位cm/s,取值2.4cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，取值3.9kg。

经计算，施工爆破安全允许距离为25.07m<26.68m。

结论：根据爆破安全复核结果，Ⅴ类围岩洞段调整设计方案爆破施工参数满足爆破振动控制要求。

3 施工监测

3.1 振动监测

施工方案合理分析关键在于爆破参数的合理性、防护措施的有效性和管线运行的安全性，进行爆破试验，根据国家有关规定和工程试验经验，采用质点振动速度作为评价保护对象受振动是否安全的依据，确定了本段石油管线的最大允许振速为2.5cm/s,在爆破试验工程中，对爆破产生的振动进行爆破振动监测，根据振动结果对爆破方案进行调整，计划爆破试验在进入管线200m之前进行，从震源到石油管线方向共布置4个振动观测点(200m、100m、50m、管线交叉点)，每个测点均布置水平和铅垂向两台监测传感器。

爆破产生随机振动，在某一点的振速和频率都是随空间距离与时间变化的函数，根据实测的爆破振动数据，采用最小二乘法进行回归分析，可以得到当地地形条件下的爆破地震波传播衰减规律。通过数据分析结论进行爆破参数调整，提前采取防震措施，为交叉点爆破作业提供更具操作性的爆破参数。

成立专门的爆破振动量测小组，进行控制段爆破振动、监控量测数据收集分析。

3.2 监控量测

在交叉段洞室开挖、支护施工中，布设收敛测点及拱顶沉降点观测，保证对已开挖洞段稳定变形进行实时监控。通过监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，通过监控量测指导施工，调整支护设计参数；同时，根据量测及时掌握洞室稳定情况，采取必要的加强支护措施，防止出现洞室沉降、变形或塌陷等可能危及到输油管线的情况发生，确保施工过程中结构处于安全状态，保证结构的长期稳定性。

收敛监测：IV类围岩在顶拱下沉及水平收敛量测断面的间距≤3B(B为开挖洞径或洞宽)，交叉段围岩变形变化处适当加密，每个断面3个测点。

沉降监测：因为收敛监测断面的每个顶拱测点兼做沉降点，所以收敛监测断面即为沉降监测断面。

4 安全技术控制措施

4.1 空气冲击波

根据《爆破安全规程》，为进一步减弱爆破空气冲击波，在炮孔堵塞时，采用炮泥进行炮孔堵塞，炮泥采用炮泥机制作。

4.2 爆破飞石

洞内爆破施工，可以忽略爆破飞石对管道的影响，但洞内施工人员、设备必须撤离至安全警戒范围之外，确保人员、设备安全。

4.3 爆破减震

为了减弱爆破震动破坏，在导洞开挖时周边孔之外布置一排减震孔。在扩挖时光爆孔间隔设置减震孔，进一步减轻爆破震动。

4.4 工序控制要求

4.4.1 造孔要求

钻孔时，周边孔及掏槽孔严格控制周边孔外插角。每循环爆破后及时查看爆破效果，石油管线是否处于安全受控。周边孔均采用导爆索联网起爆。

钻孔过程中，严格按照爆破参数施工，控制炮孔间距、深度和角度，钻孔完毕，按照炮孔布置图进行检查并做好记录，对不符合要求的炮孔应重钻。

4.4.2 堵孔炮泥要求

采用炮泥机进行制作，炮泥配合比按照1∶3的黏土和砂子，加含有2%-3%食盐的水制成，炮泥干湿适度。所有装药的炮孔均采用炮泥进行堵塞，不得要炸药的包装材料等代替炮泥进行堵塞。

4.4.3 装药要求

验孔完成后，爆破工必须按作业规程、爆破设计规定的装药量、起爆段位进行装药。装药时要一手抓住雷管的脚线，另一手用木质或竹质炮棍将放在孔口处的药卷轻轻推入到孔底，使孔内各药卷间彼此密接，推入时用力要均匀[2]。

4.4.4 封孔要求

最初填塞得炮泥应慢慢用力，轻捣压实，以后各段炮泥应依次用力一一捣实。浅孔宜将余孔全部堵塞，周边孔封泥长度≥0.3m。

4.5 进场道路交叉段安全防护

重车通行时，为保证管线正常运行，不被重车碾压破坏，石油管线与进场路交叉段采用C30钢筋混凝土进行路面硬化施工，硬化尺寸为10m×7m×0.4m(长×宽×厚)，内置钢筋网，间距20cm，道路防护措施在石油管理部门的监督下，现已施工完毕，满足防护要求。