隧道超小净距下穿深埋供水管线爆破监测及减振技术研究_管晓明

第50卷增刊22017年12月土木工程学报CHINACIVILENGINEEＲINGJOUＲNALVol．50Dec．S22017基金项目:国家自然科学基金(51708317，51708318)，山东省自然科学基金(ZＲ2016EEB27，ZＲ2016EEB38)作者简介:管晓明，博士，讲师收稿日期:2017-10-30隧道超小净距下穿深埋供水管线爆破监测及减振技术研究管晓明1余志伟1宋景东2胡宇斌3张鹏2华正实2(1．青岛理工大学，山东青岛266033;2．北京市政建设集团有限责任公司，北京100045;3．北京市市政三建设工程有限责任公司，北京100022)摘要:针对隧道超小净距下穿深埋供水管线的爆破监测及减振控制难题，依托实际隧道工程，提出有压大直径供水管线的爆破振动安全控制值;采用现场试验测试方法，建立隧道爆破掌子面前方围岩和掌子面后方围岩的振速关系，提出深埋地下管线的爆破振动间接监测方法———利用掌子面后方围岩振速推知前上方管线处振速;提出复杂条件下隧道超小净距穿越供水管线的综合减振爆破技术，即多级楔形掏槽+分部爆破+孔外微差延时爆破控制技术，控制管线振速在安全范围内，实现隧道能够安全、经济、快速的穿越城市建筑群和地下管线等高风险源区。关键词:隧道爆破;下穿管线;爆破监测;减振技术中图分类号:TU457U45文献标识码:A文章编号:1000-131X(2017)S2-0160-07Blastingmonitoringandvibrationreductiontechnologyoftunnelunderpassdeepburiedwatersupplypipelinewithultra-smallcleardistanceGuanXiaoming1YuZhiwei1SongJingdong2HuYubin3ZhangPeng2HuaZhengshi2(1．QingdaoUniversityofTechnology，Qingdao266033，China;2．BeijingMunicipalConstructionGroupCo．，Ltd．，Beijing100045，China;3．BeijingNo．3MunicipalConstructionEngineeringCo．，Ltd．，Beijing100022，China)Abstract:Theblastingmonitoringandvibrationreductiontechnologyplayedakeyroleinthefieldoftunnelunderpassdeepburiedwatersupplypipelinewithultra-smallcleardistance．Accordingtothetunnelproject，thispaperpresentsasafetycontrolstandardoftheblastingvibrationonthelargediameterwatersupplypipeline．Basedonthefieldtestmethod，therelationshipbetweenthevelocityofthefrontandthebacksurroundingrockofthetunnelfacewasestablishedandthemethodofindirectvibrationmonitoringofthedeepundergroundpipelinewasproposed．Thevibrationvelocityofthepipelinewascalculatedbythevibrationvelocityofthebacksurroundingrock．Comprehensivevibrationreductiontechnologyoftunnelunderpassdeepburiedwatersupplypipelinewasputforward，whichcombinedthemulti-stagewedgeshapedblasting，sectionblastingandhole-outsidemilliseconddelayblastingcontroltechnology．Thevelocityofthepipelinewascontrolledintherangeofthesafetycontrolstandardinordertomakingthetunnelpassthoughtheurbanbuildings，undergroundpipelinesandotherhigh-risksourcearea，safely，economicallyandrapidly．Keywords:tunnelblasting;underpassthepipeline;blastingmonitoring;vibrationreductiontechnologyE-mail:guanxiaoming@qut．edu．cn引言近年来，随着国家公路、铁路等基础设施建设的快速发展，隧道工程的修建越来越多，出现了大量近距下穿城市地下管线的复杂环境隧道。而地下管线作为现代化城市的大动脉，承担着输送水、油、气以及通讯、供电等重要使命。当隧道采用钻爆法进行施工时，爆破产生的冲击振动无疑对隧道下穿的地下管线安全运行带来影响，若隧道施工过程控制不合理，极易造成危及居民正常生活和社会生产发展的安全事故。目前，国内外针对隧道下穿管线的爆破振动监测、振动反应及控制标准展开了研究，李强等［1］通过管道振动加速度和管道本体变形动态实时监测的方法，得出爆破时，垂直于管道的水平方向冲击最大，平行于管道的水平方向和垂直于管道方向的加速度测量值较小，提出管道振动安全指标为2．5cm/s;张俊兵DOI:10.15951/j.tmgcxb.2017.s2.025第50卷增刊2管晓明等·隧道超小净距下穿深埋供水管线爆破监测及减振技术研究·161·等［2］通过采用实时监测手段和电子雷管掏槽确保了地铁隧道爆破下临近次高压燃气管线的振动安全，提出爆破振速控制标准为2．0cm/s;梁向前等［3］结合现场爆破振动试验和施工监测，研究了爆破地震波的传播衰减规律和爆破振动对供水管线安全的影响，提出爆破振速控制标准为3．0cm/s;石杰红等［4］研究临近管线附近爆破施工的安全性及爆破所采用的，提出爆破安全距离为50m;唐润婷等［5］结合张石高速公路桥梁桩基爆破工程，通过现场试验较系统地研究了爆破振动波的传播规律及对邻近埋地天然气管线安全的影响，提出天然气管线上方土的安全允许振速为3cm/s;彭星煜等［6］进行了人工爆破地震作用下输气管道动力响应分析;张文虎等［7］通过对管道两侧50～500m范围内爆破振动观测结果分析，确定了合理的爆破参数，提出控制管道振速不超过2．0cm/s;郑爽英等［8］通过建立隧道-管道的三维非线性动力有限元模型，结合现场振动速度实测，得出隧道爆破作用时管道—土体接触面上管道的最大振速约为土体峰值振速的1．6～5．0倍;于咏妍等［9］研究了钻爆法地铁隧道开挖对地下管线的影响，通过改变地表振速来研究不同爆破强度下管线应力位移的变化。鉴于爆破振动本身的复杂性，以及地质条件、监测方法的差异，制定的管道振速控制标准差别较大，大多尽可能的取偏向安全的判据，这不利于工程加快进度和节约成本。我国现行的《爆破振动安全规程》(GB6722—2014)［10］中也尚未提出地下管线的振动安全控制标准。故本项目依托南方某隧道工程，提出深埋管线的爆破振动监测方法，提出有压大直径供水管线振动安全允许值，提出复杂条件下隧道穿越供水管线的综合减振爆破技术，实现隧道能够安全、经济、快速的穿越城市建筑群和地下管线等高风险源区。1工程概况1．1隧道工程概况南方某隧道工程包括南北主线隧道、Ｒ0连接线及辅助施工斜井(暗挖段)。南线隧道长约1681m(NXK1+409．75～NXK3+090．446)北线隧道长1432m(BXK1+531．19～BXK2+963．247)，南北线隧道总长约为3113m。主线隧道浅埋段较多，跨度大，最大开挖断面为29．8m，为特大跨隧道;地质条件复杂，穿越F9和5条F10断层及断裂带，支护方式复杂多变;紧邻深圳水库，地下水埋藏浅且丰富，沿线构建筑物繁多，现场设施保护及安全性要求高。隧道沿线穿越建(构)筑物情况如图1所示。图1项目施工平面图Fig．1Projectconstructionplan本标段涉及到Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩，特别是多为全、强、中风化构造岩、碎裂岩及变质砂岩，节理、裂隙发育、稳定性差，地质构造包括多条断裂带和破碎带，复杂的水文、地质条件相互交错，施工时须采取大管棚、小导管、锚杆、钢架支撑等多种超前和系统性支护。1．2隧道穿越管线概况该隧道工程近距下穿大量供水管线，南主线隧道下穿主要管线11处，管线底部距离隧道拱顶7．68～17．01m，北主线隧道下穿主要管线6处，管线底部距离隧道拱顶14．82～19．00m，隧道穿越管线处的围岩级别分别为Ⅲ级、Ⅳ级和V级。在BXK2+277．059(北线)、NXK2+146．704(南线)下穿三期供原水管，其与北线、南线隧道最小净距分别为16．5m、17．1m，围岩级别分别为Ⅲ级、Ⅳ级。三期供原水管，采用钻爆法施工时，由于隧道埋深较浅，埋深均在10～30m之间，小于2倍毛洞宽，为浅埋隧道，局部为超浅埋隧道(下穿泄洪渠地段)，隧道爆破施工时必须采用控制爆破，振速要求控制在限值内，对管线进行有效保护。一旦影响供水管线的正常使用，社会影响极大。因此，必须加强对隧道沿线地下管线的爆破振动监测，采取有效的减振控制措施，确保隧道穿越过程中管线的安全。隧道和供水管线位置如图2所示。图2隧道下穿管线图Fig．2Tunnelunderpassthewaterpipeline·162·土木工程学报2017年三期供原水管隧洞又称作“94隧洞”，修建于20多年前。隧洞为有压管道，断面形式采用圆形断面，洞内径为4m，设计过水流量为29．2m3/s;洞身衬砌为C25现浇钢筋混凝土，墙厚50cm。据供水三期原水管相关资料显示，隧洞围岩为娟云母千枚岩，变质细粒石英砂岩和千枚状细粒石英砂岩等构成。三期供原水管断面图及现况如图3所示。(a)管线断面图(b)现场管线内部情况图3三期供原水管断面图及现况Fig．3Sectionalviewandconditionofwaterpipeline2地下管线爆破振动安全控制标准我国爆破安全规程(GB6722—2014)规定了地面建筑物的爆破振动判据，采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率。但是，我国爆破安全规程(GB6722—2014)中没有给出对地下管线爆破振动控制标准，一般需要根据现场实际情况，结合国内外爆破经验来确定。根据经验，地震烈度达到7度以上对地下管线造成较明显的破坏。并且我国大多数的地下管线抗震标准基本上均定义在7～9度。但考虑到城市地下管线已使用多年，其管材肯定存在一定程度的锈蚀。为了安全，将其安全地震烈度控制Ⅴ度及以下是合适的。地震烈度为Ⅶ度时，对应的质点水平振速为13cm/s，而地震烈度为Ⅴ度时，对应的质点水平振速为3cm/s。故建议将城市地下管线的爆破安全震动值控制在3cm/s有理有据的。同时，借鉴国内外成功的工程实例，如:大连地铁爆破施工时对周围管线的控制标准为3cm/s;北京南水北调工程穿越燃气管道，对燃气管线质点振动速度控制在3cm/s以内;香港某爆破工程穿越燃气管道，对周边的燃气管线质点振动速度控制在2．5cm/s以内;国外德国标准(DIN4150-3—1999)给出的地下管线允许振动速度如表1所示。表1德国标准(DIN4150-3－1999)Table1Germanstandard(DIN4150-3－1999)材质振动速度控制标准(cm/s)钢(包括焊接)10黏土、混凝土、铸铁8砖混、塑胶5参考上述成功案例，本项目隧道穿越地下管线处的爆破质点振速控制标准为3cm/s。3深埋管线爆破振动监测3．1深埋地下管线爆破监测方法及方案由于管线深埋，打深孔进行管线所在位置处的爆破振动监测较为困难，故采取间接监测的方式进行深埋供水管的爆破振动监测研究，如图4、图5所示。图4下台阶爆破掌子面前后方围岩振速监测示意图Fig．4Velocitymonitoringofthefrontandthebacksurroundingrockofthetunnelfaceofbottombenchblasting图5上台阶爆破掌子面后方围岩监测示意图Fig．5Velocitymonitoringofthefrontandthebacksurroundingrockofthetunnelfaceoftopbenchblasting第50卷增刊2管晓明等·隧道超小净距下穿深埋供水管线爆破监测及减振技术研究·163·采取以下方式进行监测:(1)计算管线距离隧道上台阶爆源中心的距离Ｒ上。(2)在隧道下台阶爆破时(见图4)，在上台阶和掌子面后方同时布置测点N1和N2，确保两个测点到下台阶爆心(取隧道下台阶高度的一半为爆心点)的距离均等于Ｒ上。(3)测试上台阶测点N1和隧道掌子面后方N2处围岩的振速为V1、V2。(4)重复以上测量3次，根据测点N1和N2处振速关系，可以得出V1=nV2。(5)在上台阶爆破时(见图5)测量掌子面后方L后'距离处N2'测点的振速V2'。(6)根据V1=nV2，推知管线处的振速V管=nV2'。(7)将获得的管线处振速V管与管线爆破振动安全的控制标准进行比较，评价管线的安全情况，优化爆破，指导隧道控制爆破，确保管线安全。采用间接监测方法有效的解决了深埋地下管线的隧道爆破振动监测的这一技术难题，对于隧道施工行业具有深远的影响。3．2深埋地下管线爆破监测数据分析首先测试隧道下台阶爆破时掌子面前后方的围岩振速，根据实测数据建立围岩的振速关系，如图6～图8所示。根据上述监测方法，在隧道下台阶爆破时，分别在上台阶围岩和下台阶掌子面后方围岩布置测点进行爆破振速测试。图6为横断面炮孔布置图。隧道下图6横断面炮孔布置图Fig．6Cross-sectionholeslayout图7掌子面前后方围岩振速测试Fig．7Velocitymonitoringofthefrontandthebacksurroundingrockofthetunnelface(a)掌子面前方测点振速(I部爆破)(b)掌子面后方测点振速(I部爆破)(c)掌子面前方测点振速(II部爆破)(d)掌子面后方测点振速(II部爆破)图8掌子面前后方测点振速Fig．8Velocityofthefrontandthebacksurroundingrock台阶开挖，先爆破I部，待I部爆破结束后，再进行II部爆破。爆破采用非电雷管引爆，炮孔深度2m，雷管段位5～11段，采用孔外微差延时控制爆破，最大单孔药量1．2kg，I和II部药量合计共24kg。根据图7、图8，可以得到在距离爆心15～20m处，掌子面前方围岩振速约为后方围岩振速的2．5～3倍。根据上述关系，得出隧道近距下穿深埋管线的安全评价流程:(1)测试掌子面后方围岩的爆破振动。(2)根据掌子面前后方爆破振速关系，计算管线处振速。(3)根据管线处振速，评价管线的振动安全，反馈隧道爆破设计和施工。·164·土木工程学报2017年4综合减振爆破技术4．1减振爆破试验采用多级楔形掏槽+分部爆破+孔外微差延时控制爆破技术。通过综合利用以上3种技术手段，实现比常规非电雷管减振40%以上，实现控制管线处振速控制在允许值范围内。其减振基本原理如下:(1)多级楔形掏槽能够创造更多临空面，降低单次起爆药量，减少围岩夹制作用，有效降低爆破振动。小掏槽爆破本身药量比较小，引起的振动也会相应比较小，同时为二级及后续多级掏槽创造了更过的临空面，同时也减少了二级及后续多级掏槽的炸药用量，降低爆破的振速。(2)分部爆破通过将上台阶全断面爆破分成一级掏槽爆破、二级掏槽爆破、边墙爆破、和拱顶爆破4次爆破，从而实现有效降低单次起爆药量，降低爆破振速。(3)孔外微差延时爆破:利用低段位(3段(50ms)、5段(110ms))非电雷管进行孔外微差延时爆破，可以错开掌子面两侧的炮孔起爆时间，同段起爆药量降低一半，爆破振速有效降低。图9为微差分部爆破示意图，表2为微差分部爆破药量统计表。4．2减振爆破数据分析在掌子面后方围岩上布置爆破监测点，获得的4(a)上台阶爆破施工正视图(b)爆破施工俯视图图9微差分部爆破示意图Fig．9Sectionalmillisecondblasting表2微差分部爆破药量统计表Table2Chargesofsectionalmillisecondblasting炮眼形式雷管段位孔外雷管段位炮孔个数单孔药量(kg)同段药量(kg)掏槽眼1040．41．6一级辅助眼3010．20．2掏槽辅助眼5010．20．2小计2．0掏槽眼1040．93．6辅助眼33/560．61．8二级掏槽辅助眼5360．61．8辅助眼7320．40．4小计11．6辅助眼73/540．40．8辅助眼93/560．41．2边墙辅助眼113/560．41．2周边眼133/540．30．6周边眼153/5120．31．8小计11．2辅助眼113/5100．31．5压顶辅助眼133/5100．31．5周边眼153/5120．31．8小计9．6次爆破的最大振速数据如表3所示。选取每次爆破中最大振速波形如图10所示。根据表3和图10得出:(1)上台阶爆破测试:第1炮(一级掏心)，最大振速0．40cm/s，第2炮(二级掏心)，最大振速1．52cm/s，第3炮(边墙)，最大振速1．94cm/s，第4炮(压顶)最大振速1．32cm/s。结果表明一级掏槽采用小药量爆破创造临空面，振速只有0．4cm/s;同时二级掏槽振速从2．53cm/s(减振前)下降为1．52cm/s，振速相比下降约40%，减振效果良好。主要原因是一级掏槽为二级掏槽创造了较大的临空面，降低了围岩的夹制作用，使得振速显著降低。表3爆破振速最大值Table3Peakvelocityofblasting分部爆破X方向振速(cm/s)Y方向振速(cm/s)Z方向振速(cm/s)10．220．400．1021．521．300．5231．371．941．6741．301．320．57第50卷增刊2管晓明等·隧道超小净距下穿深埋供水管线爆破监测及减振技术研究·165·(a)上台阶一级掏槽爆破(b)上台阶二级掏槽爆破(c)上台阶边墙爆破(d)上台阶压顶爆破图10爆破振动波Fig．10Blastingvibrationwave(2)3号洞在洞内掌子面后方15～20m进行爆破振动测试，掌子面前方围岩振速约为后方围岩振速的2．5～3倍，故可推出管线处最大振速约为3～4cm/s，比较接近管线安全振速的建议控制值3cm/s，符合要求。5结论(1)隧道穿越深埋地下管线处的爆破质点振速控制标准建议为3cm/s。(2)采用现场试验测试方法，建立隧道爆破掌子面前方围岩和掌子面后方围岩的振速关系，可以得到在距离爆心15～20m处，掌子面前方围岩振速约为后方围岩振速的2．5～3倍，提出深埋地下管线的爆破振动间接监测方法———利用掌子面后方围岩振速推知前上方管线处振速。(3)采用多级楔形掏槽+分部爆破+孔外微差延时控制爆破技术。通过综合利用以上3种技术手段，实现比常规非电雷管减振40%以上，实现控制管线处振速在允许值范围内。参考文献［1］李强，陈德利，屈洋．爆破对输气管道本体影响的监测［J］．油气储运，2015，34(2):190-194(LiQiang，ChenDeli，QuYang．Monitoringoftheinfluenceofblastingonthebodyofgaspipeline［J］．Oil＆GasStorageandTransportation，2015，34(2):190-194(inChinese))［2］张俊兵．地铁隧道临近次高压燃气管线爆破振动监测分析［J］．工程爆破，2014，20(5):28-31(ZhangJunbing．Monitoringandanalysisofblastingvibrationofsubwaytunnelnearsub-highpressuregaspipeline［J］．EngineeringBlasting，2014，20(5):28-31(inChinese))［3］梁向前，谢明利，冯启，等．地下管线的爆破振动安全试验与监测［J］．工程爆破，2009，15(4):66-68(LiangXiangqian，XieMingli，FengQi，etal．Safetytestandmonitoringofblastingvibrationofundergroundpipeline［J］．EngineeringBlasting，2009，15(4):66-68(inChinese))［4］石杰红，许巧祥，龚敏，等．高压燃气管道临近爆破施工安全性及方案研究［J］．中国安全生产科学技术，2014，10(11):119-123(ShiJiehong，XuQiaoxiang，GongMin，etal．Studyonsafetyandschemeofblastinginhighpressuregaspipeline［J］．JournalofSafetyScienceandTechnology，2014，10(11):119-123(inChinese))［5］唐润婷，李鹏飞，苏华友．桥梁桩基爆破施工对邻近埋地天然气管线的影响［J］．工程爆破，2011，17(1):78-81(TangＲunting，LiPengfei，SuHuayou．Influenceofbridgepilefoundationblastingonadjacentburiednaturalgaspipeline［J］．EngineeringBlasting，2011，17(1):78-87(inChinese))［6］彭星煜，梁光川，张鹏，等．人工爆破地震作用下输气管道动力响应分析［J］．集输工程，2012，32(11):81-84(PengXingyu，LiangGuanchuan，ZhangPeng，etal．Dynamicresponseanalysisofgastransmissionpipelineunderartificialblastingearthquake［J］．GatheringandTransportationProject，2012，32(11):81-84(inChinese))［7］张文虎，魏束强．天然气管线附近石方爆破的工程实践［J］．工程爆破，2009，15(3):46-48(ZhangWenhu，WeiShuqiang．Engineeringpracticeofblastinginthevicinityofnaturalgaspipeline［J］．EngineeringBlasting，2009，15(3):46-48(inChinese))［8］郑爽英，邹新宽．下穿隧道爆破振动作用下石油管道的安全性评价［J］．爆破，2015，32(2):131-137(ZhengShuangying，ZouXinkuan．Safetyevaluationofoilpipelineundertheactionoftunnelunderblastingvibration［J］．Blasting，2015，32(2):131-137(inChinese))［9］于咏妍，高永涛．钻爆法地铁隧道开挖对地下管线的影响［J］．工程爆破，2015，21(4):6-10(YuYongyan，GaoYongtao．Influenceofexcavationofundergroundtunnelonundergroundpipeline［J］．EngineeringBlasting，2015，21(4):6-10(inChinese))［10］GB6722—2014爆破振动安全规程［S］．2014·166·土木工程学报2017年管晓明(1985-)，男，博士，讲师。主要从事隧道爆破和盾构隧道方面的教学和研究。余志伟(1994-)，男，硕士研究生。主要从事隧道与工程爆破方面的研究。宋景东(1969-)，男，学士，工程师。主要从事道路、桥梁及隧道等市政工程管理等方面的研究。胡宇斌(1974-)，男，硕士，工程师。主要从事道路、桥梁及隧道等市政工程的技术管理等方面的研究。张鹏(1987-)，男，学士，工程师。主要从事道路、桥梁及隧道等市政工程的技术等方面的研究。华正实(1989-)，男，学士，助理工程师。主要从事道路、桥梁及隧道等市政工程的技术等方面的研究。