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南水北調中線京石段爆破振動安全問題研究

2010-02-03 12

 

 

 

Safety Problem of Blasting Vibration in Beijing-Shijiazhuang

 

Section of the Middle Route in

 

South-To-North Water Transfering Project

   

 

梁向前

 

(中國水利水電科學研究院,北京100044)

 

摘 要:南水北調中線京石段應急供水工程爆破施工區緊鄰村莊民房、地下天然氣管道、應急供水管線等建()筑物。為確保工程的順利建設和周圍環境安全,工程采用了較為嚴格的安全控制標準來指導爆破設計和施工;同時進行了爆破地震波地面傳播特性、巖體內爆破地震波衰減特性等爆破振動效應試驗研究,系統分析了爆破地震波的傳播衰減規律。京石段的爆破振動監測成果,有效地指導了現場爆破安全施工。

關鍵詞:京石段;工程爆破;安全標準;振動效應;試驗與監測

 

1  工程概況

南水北調中線京石段應急供水工程南起河北省石家莊,北至北京團城湖,是向北京應急供水優先安排的工程。工程建成后,可聯合調度河北省崗南、黃壁莊、王快、西大洋4座水庫向北京供水,2008年奧運會前具備每年向北京應急供水4m3的能力。

京石段應急供水工程按行政區域分為北京段和河北段,分屬北京市南水北調工程建設管理中心和河北省南水北調工程指揮部管理。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段~土建第四標段、西甘池隧洞和崇青隧洞共六個施工標段(以下統稱PCCP管道工程),歸屬于PCCP現場項目管理部統一管理。河北段承擔石方爆破振動試驗與監測的標段有代建第Ⅳ標段、S31標段、S34標段、S49標段共四個渠道施工標段。

京石段應急供水工程全長307.46km,石方爆破區地形地質條件多變,渠道爆破工作面寬度窄、深度大、延線長,爆破施工條件差,施工質量控制難度較大。工程區域周邊環境復雜,渠道邊線50m外即為村莊民房,局部地區橫穿天然液化氣管道、應急供水管線等。如北京段PCCP管道工程與張坊應急供水管線平行或局部相交,最近距離僅15m;河北段S49標段渠道與陜京天然氣管道相交。

 

2  爆破振動安全控制標準

京石段工程區分布的建筑物、構筑物、地下設施較多,須根據周圍保護對象的抗震能力,制定嚴格的爆破振動安全控制標準,以指導、監督爆破安全施工。安全控制標準需根據國家行業標準規范、建()筑物結構抗震特性、區域構造地質條件等綜合確定。

《爆破安全規程》(GB 67222003)6.2.2款規定了被保護目標物的爆破振動安全允許標準,對制定工程爆破對地面設施的安全振速控制值有較好的參考作用。對于張坊應急供水管線(直徑ф2000mmPCCP管道)、陜京石油天然氣管道(直徑ф700mm的鋼管)及其他低下設施,且內部均承受較大的作用壓力,這類結構尚缺少明確的安全允許振速值。

為保護地下設施的安全,開展了爆破地震波沿深度傳播規律研究和爆破振動對石油天然氣管道的安全試驗研究。根據試驗成果,并依據爆破安全規程、中國地震烈度表以及工程規定文件要求,制定了京石段石方爆破安全控制標準。

北京段PCCP管道工程爆破施工時,因對管線100m范圍內建筑物進行了拆遷或補償處理,周圍建()筑物、地下管線設施的安全允許振速規定為:(1)地面設施,按距爆源100m處的爆破振動速度1.0cm/s的標準控制;(2)地下設施,按V度地震烈度的參考指標,地面振動速度3.Ocm/s的標準控制。

河北段安全控制對象主要是村莊民房結構和陜京天然氣管道。根據各標段施工區的環境條件和爆破施工特點,制定爆破安全允許振速為:(1)地面設施,房屋結構的安全允許振速以爆破安全規程GB 67222003中規定為依據,并考慮具體結構的抗震性能進行安全評價;(2)地下設施,石油天然氣管道地面安全允許振速按3.0cm/s控制。

 

3  爆破振動效應試驗研究

3.1  爆破地震波地面傳播特性研究

南水北調北京段爆破開挖區巖石為大理巖,抗壓強度為93146MP,節理較發育,穩定性較差,無活動性斷裂通過。爆破施工采用梯段爆破,段間毫秒延期,孔內、孔外延時相結合的起爆網路技術。工程共進行爆破振動監測264次,監測點數520個,獲得了大量的現場實測數據。通過對監測數據分析處理得到的爆破地震波的傳播衰減規律為:

                   (1)

式中,υ為介質質點振動速度,cm/sQ為藥量,kgR為爆源中心到觀測點距離,m

3.2  巖體內爆破地震波衰減特性研究

3.2.1  試驗目的

爆破地震波在傳播過程中引起周圍巖土介質的振動,遇到地下和地面的建筑物和構筑物時,將與其發生相互作用,直接威脅到爆區周圍建()筑物的安全。在京石段工程爆破中多處涉及地下管線的爆破抗振安全問題。如何通過監測地面質點振速來控制爆破地震波對地下管線的振動安全影響,是工程施工中需要解決的主要問題。為此,在爆區附近布設了專門試驗鉆孔,在不同深度處埋設了雙向速度傳感器,開展了專項試驗研究。

3.2.2  試驗內容

現場試驗孔深19m,分別在地表、地下5m、地下10m、地下19m處布設了4組傳感器(1)

1  沿深度方向傳感器布置圖

Fig.1  Sensor general arrangement along depth direction

每組均埋設水平向(垂直管線開挖軸線)和鉛垂向兩臺傳感器。傳感器安放后,試驗孔用鉆孔巖粉填塞并擠壓密實,以保持填塞物與巖土介質物理力學參數的一致性。

3.2.3  試驗成果分析

現場共進行了9次爆破地震波沿深度方向振速衰減試驗,爆破總藥量10005784kg,最大單響藥量為3550kg,爆源位置距離觀測孔24lOOm。從實際觀測結果看,爆破地震波傳播至地表時產生強烈的反射波,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lOm19m處的振速值。

爆破地震波在巖體內沿深度方向是逐漸衰減的,地表震動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點振動則要小一些,衰減規律一般呈負指數規律變化。按負指數曲線計算爆破地震波在深度方向的傳播衰減公式為:

υ=υoe-KH         (2)

式中,υ為深度方向振速,cmsυo為地面振速,cmsk為衰減系數;H為距地表深度(取正值)m

根據試驗實測數據,運用數理統計方法計算得出,υ(H)沿深度方向的衰減系數為: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試驗研究

3.3.1  試驗目的

陜京天然氣管道為西氣東輸重點工程,依據石油天然氣管道保護條例(國務院第313號令),管道兩側50m內禁止爆破,50500m范圍內進行爆破時應事先征得管道企業同意,在采取安全保護措施后方可進行。為此,在工程建設初期開展了天然氣管道的爆破振動試驗研究。

3.3.2  試驗爆破參數

爆破試驗地點選擇在爆破施工區內,距管道較遠的區域并與正式生產施工地質條件基本一致。爆破試驗區距管道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,起爆網路采用孔外毫秒延期起爆技術,孔間采用MS3MS5兩段接力起爆雷管,孔內采用MS5段雷管。

3.3.3  試驗結果

試驗從爆源到天然氣管道方向共布置了5個觀測點,最近距離36.1m,最遠距離226.2m(距管道位置),測點間距大約按對數等間距分布。

監測表明,距爆源226.2m處的天然氣管道實際最大振速僅為0.29cms,小于規定的安全標準。爆破試驗表明,采用的爆破方案可行,參數選擇合理,爆破地震效應不會危及天然氣管線的安全。

基于實測爆破振動數據,運用數理統計方法回歸擬合得到爆破地震波沿地面傳播衰減規律為:

                                  (3)

根據爆破振動速度公式和管道安全控制標準,可計算出距天然氣管道不同距離處的藥量控制標準,以指導后期工程爆破施工。

 

4  結論

(1)2006年底北京段PCCP管道工程開始了工程爆破的全程跟蹤監測,河北段4個渠道標段相繼進行了石方爆破振動監測,其中S49標段在完成現場試驗后對爆破開挖的全程進行跟蹤監測。工程爆破振動安全監測成果,從整體上控制了爆破地震效應對周邊建()筑物的安全影響,對爆破設計、施工方案提出了嚴格要求,對方案的優化設計提供了依據。至200712月,PCCP管道工程各標段完成了石方爆破施工任務,河北段4個標段也預期完成。監測工作有效地保證了工程的順利施工,維護了周邊環境的和諧穩定。

(2)針對工程區環境條件,提出了北京段、河北段爆破振動安全控制標準。從振動監測成果分析,制定的安全標準是較為科學的。地下管線的安全標準對類似工程具有借鑒作用。

(3)針對地下管道(供水、供氣)受爆破地震的安全影響,進行了巖體內不同深度處的地震波傳播特性試驗,研究了爆破地震波在地面處反射作用程度;通過對比地面與不同深度處的振速影響大小,分析了爆破振動速度幅值沿深度的傳播衰減規律,建立了不同深度處振速值與地面振速值的負指數函數關系式。

(4)按石油天然氣管道保護條例規定,河北段S49標段渠道開展了爆破對天然氣管線的安全振動試驗研究。試驗爆破規模、施工方式與實際相同,實測管道附近振速值較小,管道結構安全。根據試驗結果,提出了爆破振速衰減公式,對實際施工提供了參考依據。

 

參考文獻

[1] GB 67222003爆破安全規程[s]

[2] DL/T 51352001:水電水利工程爆破施工技術規范[s]

[3] GB/T 177421999中國地震烈度表[s]

[4] 石油天然氣管道保護條例(國務院第313號令)

[5] 加快中線京石段應急供水工程建設動員會在京召開.wwwnsbdgovcn2006921