隧道爆破作用下邻近输油管道安全距离

张雨晨，王海亮*，石晨晨，丁新宇，赵军

(1.山东科技大学安全与环境工程学院，青岛 266590； 2.中铁二局集团成都新技术爆破工程有限公司，成都 610000； 3.中国中铁爆破安全技术研发中心，成都 610000)

随着现代经济的高速发展，管道普遍运用于天然气、石油、供水、电力以及通信等各个领域。同时，中国的基础工程不断进行大规模建设，一些建设项目工程无法完全避免开纵横交错的地表及地下管道，而项目施工过程中，往往需要进行爆破作业，有可能造成管道破坏以及更严重的后果。国内外学者针对管道的安全性进行了大量的研究。

Mohammad等[1]提出使用玻璃纤维增强塑料(glass fiber-reinforced polymer，GFRP)覆盖层可以减少埋地管道在爆破荷载作用下的变形问题，并对其效果进行可行性论证。郝郁清等[2]从理论角度建立瑞利波作用时燃气管道的轴向应变、环向应变与爆破振动速度关系的计算方法，从爆破试验回归分析得到了爆破振动速度与爆心距的具体函数关系。Shi等[3]将爆破地震波作用于岩体的加速度时程函数作为作用于管道的外部能量源，并将其与管道的动态和静态分析相结合，根据埋地管道材料的Von-Mises屈服准则确定了管道在爆破荷载作用下的最大允许振速。管晓明等[4]采用LS-DYNA中任意拉格朗日(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)算法建立隧道-地层-管线三维模型，研究了隧道爆破振动下地下管线的峰值振速与动力响应特征。Jiang等[5]以武汉地铁8号线二期工程基坑开挖为背景，对现场爆破振动进行监测，提出了地表峰值振速随基坑开挖深度增加的衰减公式，并建立三维数值模型，分析了不同管道内压下燃气管道的动力响应特征。高文乐等[6]利用LS-DYNA流固耦合方法模拟露天爆破振动对管道的影响，通过最小二乘法拟合得到管道断面最大振速与断面正上方地表最大振速的关系式。Liu等[7]通过建立三维数值模拟模型分析拱盖法爆破开挖中上部埋地管道的振动响应，分析了不同位置导洞爆破是管道的振速峰值变化，并讨论了二衬对隧道爆破时上部管道的减振作用。Yang等[8]利用LS-DYNA建立数值模型，分析了联络通道爆破开挖时上部埋地燃气管道的动态响应特征，根据管道设计规范提出了地下管道允许的有效应力控制标准，并建立了管道Von-Mises应力与距离之间的数学预测模型。

国内外学者的研究为隧道爆破对管道影响的研究提供了很好的研究基础及研究方向，但是对于管道的安全评判标准仍存在不同的选择，无法惠及所有工况条件下的相关工程，且对于振速的预测数学公式多直接使用萨道夫斯基公式进行拟合，对于隧道工程中的振速预测具有一定的偏差性。现依托于青岛胶州湾第二海底隧道黄岛端斜井工程，对爆破施工引起的地表振动速度进行监测，通过分析监测数据以获取振动速度最大位置及频域分布范围，建立相应的预测公式模型，参考国家法律法规及工程实例，选取输油管道安全振速，计算不同单段最大起爆药量下爆破施工时输油管道的安全距离，为后续二期工程下穿输油管道时的爆破方案优化提供参考。

1 工程概况

1.1 工程背景

青岛市胶州湾第二海底隧道黄岛端斜井工程(下文简称斜井)起始于黄岛区轮渡码头东北侧约400 m处，向东沿刘公岛路下方敷设，下穿黄岛岸油港入海。斜井长1 744 m，其中一期工程长264 m，明挖段69 m，暗挖段195 m，断面为马蹄形，双车道无轨运输，斜井衬砌后底面净宽度为7.0 m，斜井中线高度为7.7 m，断面尺寸为48.88 m2(二衬后)。斜井一期工程周边建筑物如图1所示。

图1 斜井一期工程周边建筑物Fig.1 The surrounding buildings of the first phase of the inclined shaft

斜井一期终点里程X1DK0+294处距油港码头内最近的原油管道水平距离为55.0 m，垂直距离为19.8 m，原油管道为DN1000钢制输油管道，埋深2 m。同时，斜井二期工程将下穿油港厂区，厂区内存在多条地上和地下输油管道，是爆破施工的重点保护对象。

1.2 爆破施工方案

监测期间，施工段斜井围岩等级为Ⅲ级围岩，开挖断面宽8.0 m，高8.45 m，断面面积607 m2，拱顶埋深15～30 m，采用ⅩⅢb断面设计，全断面开挖，爆破循环进尺为2.5 m。采用复式楔形掏槽形式，一级掏槽孔单孔装药0.9 kg，二级掏槽孔单孔药量1.5 kg，辅助孔装药量为1.2 kg，底板孔装药量为1.5 kg，周边孔装药量为0.6 kg。爆破网路一次起爆最大炮孔数约140个，一次爆破最大药量为140.1 kg，单段最大起爆药量5.4 kg，爆破单耗为0.92 kg/m3，斜井工作面炮孔布置如图2所示。

图2 斜井工作面炮孔布置Fig.2 Blast hole layout in inclined shaft working face

现场爆破器材为2号岩石乳化炸药，使用工业数码电子雷管起爆，延期编码范围为1～5 000 ms。炮孔均采用反向装药结构，雷管塞入炮孔底部的药卷内部，每个炮孔装药后全部用炮泥封堵。

1.3 振动监测方案

采用成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破测振仪，标准量程为0.001～35 cm/s。触发电平设置为0.05 cm/s，采样时间设置为5 s，采样频率设置为16 kHz。本次监测针对监测目标输油管道，将地表上对应爆破工作面的位置设为监测起点，沿隧道轴向在工作面前方不同距离处布设11台测振仪。在实际监测过程中，测点布置大致可连成一条直线，随着工作面的推进，测点也向前移动对应爆破进尺的距离。测点布置如图3所示。传感器通过石膏粘接固定在地面上，传感器方向分别为水平径向(x向，指向隧道开挖方向)、水平切向(y向，指向水平面上与水平径向垂直的方向)和垂直向(z向，指向垂直水平面竖直向上的方向)。

图3 工作面前方测点布置示意图Fig.3 Layout of measuring points in front of the work surface

2 监测数据分析

针对斜井一期工程爆破施工，本次测振共对6次爆破施工进行了现场监测。测振期间，11台测振仪中有1～2台出现仪器故障，由于测振仪数量变化导致不同次的监测中测点数量不同，测点间距也随之调整。振动监测详细数据见表1。

2.1 峰值合振速变化规律分析

为研究工作面前方的振动速度衰减规律，根据表1绘制不同监测序号的峰值合振速在测点到工作面不同水平距离时的变化曲线，见图4。

表1 工作面前方峰值合振速数据记录表Table 1 Data of peak combined vibration velocity in front of the working surface

由图4可知，在工作面前方的6次监测中，监测序号4#中距工作面水平距离5 m处的测点峰值合振速为最大值，其他监测序号中监测到的峰值合振速最大值分布在1.313～2.796 cm/s，均超出斜井工程施工方案中规定的地表安全允许振速v=1 cm/s。因此，将测点振动速度普遍大于1 cm/s的区域视为“高振速区”，根据各测点的峰值合振速，将工作面前方水平距离L=0～40 m范围内的区域划为高振速区，峰值合振速分布在0.925～3.087 cm/s。

图4 测点峰值合振速与距工作面水平距离关系Fig.4 The relationship between the peak combined vibration velocity of the measuring point and the horizontal distance from the working face

从整体上来看，各测点监测到的峰值合振速随距工作面水平距离增大呈现衰减的趋势，整体趋势符合萨道夫斯基公式。但是在高振速区内各监测点的峰值合振速最大值均未出现在工作面正上方，而是分布在工作面前方5～35 m的范围内，呈现震荡变化的特征，峰值合振速的最大值是工作面正上方峰值合振速的1.1～2.6倍。这表明在工程的地质和爆破条件下，在高振速区范围内存在“极振效应”[9]，峰值合振速的变化规律不符合萨道夫斯基公式中体现的爆心距越小、振速越大的规律。各测点峰值合振速在到达最高值后呈幂函数形式衰减，在距工作面水平距离L=0～94 m范围内衰减至0.5 cm/s以下。当L>120 m时，峰值合振速最低衰减至0.116 cm/s，甚至出现测振仪未触发的情况(监测序号1#、5#)。

2.2 振动信号频率分析

为分析工作面前方的爆破振动信号频率、时间、能量三者之间的分布变化关系，选取监测序号2#中距工作面水平距离L=15 m的监测数据作为研究对象，使用MATLAB对其三向振速数据进行HHT分析[10-11]，绘制三向振速对应的HHT三维时频图，如图5～图7所示。HHT三维时频图中能量为归一化处理后的能量，全面清晰地描绘了由EMD得到的IMF分量以频率-时间-振幅的分布，表明了信号能量随时间-频率的分布情况。

图5 L=15 m时x向振速HHT时频图Fig.5 Time-frequency diagram of the x-direction vibration velocity HHT when L=15 m

图6 L=15 m时y向振速HHT时频图Fig.6 Time-frequency diagram of the y-direction vibration velocity HHT when L=15 m

图7 L=15 m时z向振速HHT时频图Fig.7 Time-frequency diagram of the z-direction vibration velocity HHT when L=15 m

从图5～图7可以看出，测点监测到的爆破振动总持续时间将近4 s。从整体来看，三向振速的频域分布特征具有一致性，测点振动信号基本都分布在0～200 Hz的低频带区域，50 Hz左右为频率中心。在爆破振动持续时间内，三向振速的Hilbert谱中均存在一个瞬时能量峰值，出现在0～1 s，结合爆破参数孔网布置及数码电子雷管的延期时间分析，瞬时能量峰值的出现主要对应掏槽孔的第1～8段雷管起爆。这主要是由于掏槽孔起爆时，仅有工作面本身一个自由面，岩石夹制作用大，且掏槽孔的单孔装药量较大(1.5 kg)，故0～1 s时间范围内产生了最大能量峰值。

同时根据现有研究成果[12-13]，一般输油管道的固有频率在0～25 Hz的低频范围内。分别提取该监测数据中三项振速的0～200 Hz部分进行小波包分解[14]并提取各频段能量所占比例，如图8～图10所示。三向振速中25～75 Hz频段为主要能量集中范围，在0～200 Hz频段中占总能量的比重均超过50%，最高可达80.76%，而0～25 Hz频段在0～200 Hz总能量中占比均小于15 %，最高占比为y向振速的13.41%，z向振速占比最低，仅占比2.91%，可以认为在该爆破条件下，爆破振动的频域范围与管道固有频率仅存在少量重叠部分，但爆破振动仍有可能会导致输油管道产生共振现象，所以在后续施工尤其是下穿油港过程中，还需重点监测管道布置区域的爆破振动情况。

图8 x向振速各频段能量所占比例Fig.8 The proportion of energy in each frequency band of the x-direction vibration velocity

图9 y向振速各频段能量所占比例Fig.9 The proportion of energy in each frequency band of the y-direction vibration velocity

图10 z向振速各频段能量所占比例Fig.10 The proportion of energy in each frequency band of the z-direction vibration velocity

2.3 爆破振动公式拟合

2.3.1 萨道夫斯基公式拟合

为进一步研究该工程条件下的振动衰减规律，量化爆破作业药量、爆心距、振动速度三者之间的关系，使用MATLAB中对监测数据进行回归分析，得到振动速度衰减的表达式。中国工程爆破界普遍采用萨道夫斯基经验公式作为振动预测的爆破振动计算公式，表达式为

(1)

式(1)中：v为安全允许的质点振动速度，cm/s；K为与介质和爆破条件因素有关的系数；a为振动衰减系数，可从《爆破安全规程》(GB 6722—2014)提供的参考值选取；Q为单段最大起爆药量，kg；R为爆心距，m。

由工程爆破参数可知，单段最大起爆药量Q为5.4 kg，用于周边孔起爆，但周边孔起爆时自由面数量多，单孔装药量少，产生爆破振动较弱。而峰值合振速往往出现在掏槽孔爆破，且由2.2节中分析可知，该工程爆破时瞬时能量峰值出现在掏槽孔起爆时段，故Q取掏槽爆破时的单段最大起爆药量，即3.6 kg。现有研究表明[15]，在爆破振动衰减公式拟合中非线性拟合精度高于线性拟合，故采用非线性拟合方式进行公式回归。回归得到K=9.183，a=0.665，相关系数r=0.771，拟合曲线见图11。得到本工程条件下工作面前方的萨道夫斯基公式为

图11 萨道夫斯基公式拟合曲线Fig.11 Fitting curve of Sadowski formula

(2)

2.3.2 修正公式拟合

由2.1节分析可知，在距爆源较近的高振速区存在“极振效应”，峰值合振速的变化规律不符合萨道夫斯基公式中体现的爆心距越小、振速越大的规律，而在高振速区以外的区域，振速符合萨道夫斯基公式衰减规律。这使得萨道夫斯基公式无法准确反映本工程爆破作业引起的地表振速衰减规律。因此需对萨道夫斯基公式进行修正，提高拟合公式预测的准确性。根据实测数据规律及现有研究[16]，引入萨道夫斯基修正公式，表达式为

(3)

式(3)中：L为距工作面的水平距离，m；v、R、Q、K、a与式(1)中的含义相同；m、r0为待定常数。

(4)

式(4)中：H为工作面埋深，m。

根据表1中得数据进行非线性拟合，回归得到m=9.491，r0=23.03，相关系数r=0.801，拟合曲线见图12，得到本工程条件下工作面前方的萨道夫斯基修正公式为

图12 修正公式回归曲线Fig.12 Revised formula regression curve

(5)

根据修正公式中与萨道夫斯基公式相乘的因式特征，爆心距越大，修正公式与萨道夫斯基公式的振速数值差异就越小，因此判断此公式模型可以较为准确反映该工程中爆破振动速度的传播衰减规律，可用于预测爆破施工时输油管道处的振动速度。

3 输油管道安全评价

3.1 选取输油管道安全振速

输油管道属于国家能源基础设施，保障管道的安全正常运行具有重要意义。但是，目前中国现有的法律法规和标准规范中缺少统一、权威的判定依据。

《油气管道地质灾害风险管理技术规范》(SY/T 6828—2011)[17]中规定：在管道附近采用控制爆破和机械振动施工时，采用减震沟减震后，形成的振动波到达管道处的最大爆破振动速度不得超过7 cm/s。《爆破安全规程》(GB 6722—2014)[18]中对保护对象进行了大致分类，规定了保护对象在不同频率下的安全允许质点振动速度，以此作为爆破振动安全判据，但规程中没有明确规定管道的爆破振动安全振速。

而目前的工程实践中，输油管道主流的安全振速在2.0～3.0 cm/s。例如：2016年，吴铭芳[19]以改建铁路黔桂线都匀移站工程马家庄隧道为工程背景，结合《爆破安全规程》(GB 6722—2014)，对输油管道最大安全振速取2.0 cm/s；2020年，陈宏涛等[20]以南宁市某水利枢纽疏浚爆破为工程背景，研究爆破振动对临近燃气管道的影响，提出2.5 cm/s为该工程中管道的安全振速；2021年，梁瑞等[21]以南京地铁3号线为工程背景，研究地铁隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响，参考《爆破安全规程》(GB 6722—2014)认为振速分布于1.0～2.25 cm/s的管道处于安全状态。

除爆破振动外，地震振动对输油管道的破坏程度亦可用来判断管道的抗震能力。在1976年的唐山大地震中，秦京输油管道区域遭受了地震烈度为Ⅵ～Ⅷ的震害，对应振速5～35 cm/s，管道直埋管段基本完好。1990年，青海海西大地震中，花格原油管道在地震烈度为Ⅶ级以下时未损坏，对应振速10～18 cm/s。2008年的“5.12”汶川大地震中，西气东输管道、忠武输气管道、兰成渝成品油管道以及川渝境内其他输气管道穿越Ⅵ级以上地震烈度区域，对应振速5～9 cm/s，埋地管道未遭受地震破坏。

综上所述，主流的安全振速2.0～3.0 cm/s能基本满足输油管道的保护要求。在本斜井工程中，为防止输油管道在爆破地震波作用下产生共振现象，按最不利安全条件考虑，取一定的富裕系数，选取1 cm/s作为本工程爆破施工过程中输油管道的安全振速。

3.2 输油管道安全距离

目前斜井一期工程中，终点里程处距最近的输油管道水平距离55 m，垂直距离19.8 m，由式(2)～式(5)可计算得终点里程处爆破施工时，最近的输油管道处将会达到最大振速0.935 cm/s，低于所取的安全振速，因此可以判断在斜井一期工程中目前爆破施工条件下，油港码头内的输油管道的安全性不受影响。

但随着工程的推进，斜井二期工程将会下穿油港码头内的多条地上及地下输油管道，工作面不断向前推进的同时，工作面距输油管道的水平距离不断减小，爆心距也在不断减小，需要优化爆破方案并控制掏槽爆破时单段最大起爆药量，以实现在工作面推进过程中各输油管道区域处的爆破振动速度控制在安全振速范围内。因此，将萨道夫斯基修正公式[式(2)～式(5)]进行变形，可得到单段最大起爆药量Q与安全距离x、工作面埋深H的关系式[式(6)]。

(6)

由于斜井二期工程在油港厂区范围内掘进时，工作面的埋深H变化较小，故取平均值25 m。在各输油管道区域振速低于安全振速1.0 cm/s的前提下，得到50 m范围内斜井工作面的单段最大起爆药量与安全距离x的关系，如图13所示。

由图13可知，在安全振速为1.0 cm/s，埋深H取25 m的前提下，单段最大起爆药量随距工作面水平距离的增加大致呈现指数上升的关系，即随着工作面的推进，需不断降低隧道爆破施工过程中的单段最大起爆药量，以保证输油管道区域处于安全距离范围以外。在斜井一期工程中，终点里程X1DK0+294处距油港码头内最近的原油管道水平距离55.0 m，当前工程采用的爆破方案中掏槽孔单段最大起爆药量为3.6 kg，参考萨道夫斯基修正公式，并计算输油管道处最大振速为0.935 cm/s，可以认为输油管道安全性不受影响。但是在斜井二期工程中，随着工作面向前推进，为确保输油管道的安全性，需进一步优化一级掏槽孔与二级掏槽孔的单段起爆药量，在工作面距输油管道水平距离15 m范围内，即爆心距R在25～29 m范围内时，单段最大起爆药量Q要控制在0.5～0.7 kg，同时必须重点监测管道布置区域的爆破振速，严格规范管理爆破作业，采用更高的安全标准。

图13 安全距离与单段最大起爆药量的关系Fig.13 The relationship between the safety distance and the maximum amount of detonating charge in a single segment

4 结论

以青岛胶州湾第二海底隧道黄岛端斜井工程爆破施工为工程背景，研究了本工程地质条件下工作面方的振动监测数据，得到以下结论。

(1)工作面前方水平距离L=40 m范围内为峰值合振速高于1 cm/s的高振速区，存在极振效应，振速呈现震荡变化特征，不符合萨道夫斯基公式呈现的衰减规律；L>40 m时，振速呈指数衰减趋势；同时峰值合振速的最大值不出现在工作面正上方，而是出现在距工作面一定水平距离处的地表区域。

(2)爆破振动信号基本都分布在0～200 Hz的低频带区域，50 Hz左右为频率中心，爆破振动的瞬时能量峰值出现在0～1 s范围内，爆破振动能量主要集中在25～75 Hz频域范围内，在一般输油管道固有频率的0～25 Hz频域范围内占比最高达13.41%，在当前爆破条件下，输油管道有可能会产生共振现象。

(3)根据实测数据的振速变化规律及现有研究，引入萨道夫斯基修正公式并进行回归拟合，得到适用于本工程条件下的公式模型，相比常用的萨道夫斯基公式更能反映距爆源不同距离的，尤其是爆源正上方的地表振速变化规律。

(4)从法律规范、工程实践及抗震能力三方面考虑，选取1 cm/s作为爆破施工过程中输油管道的安全振速，计算得到在50 m范围内单段最大起爆药量Q与安全距离x的关系式，在爆心距R为25～29 m范围内时，单段最大起爆药量Q要控制在0.5～0.7 kg。