臨近燃?xì)夤艿赖谋瀑|(zhì)點(diǎn)峰值振速預(yù)測

陳宏濤，程貴海

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004)

爆破產(chǎn)生的光、熱、氣以及振動、飛石等都會對附近物體造成危害。其中，爆破振動是最主要的危害[1]。它不僅威脅附近地面上建(構(gòu))筑物的安全，也影響地下井巷和地下管道，尤其是地下燃?xì)夤艿赖陌踩?/p>

管道運(yùn)輸是目前天然氣普遍且重要的運(yùn)輸方式，我國目前已建成的燃?xì)?、燃油管道長度已突破17萬km。特別是在燃?xì)赓Y源集中的西南地區(qū)，管道的鋪設(shè)非常密集[2]。若因爆破施工導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，引起火?zāi)或者爆炸，損失將難以估量。因此，對臨近燃?xì)夤艿赖谋普駝痈鼞?yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格控制。國內(nèi)已有許多學(xué)者對爆破施工臨近管道的情況進(jìn)行了研究。陳虎林等[3]通過數(shù)值模擬等方法，研究了在充滿介質(zhì)的普通金屬運(yùn)輸管道外置爆破荷載的情況下，管道內(nèi)部的振速峰值、衰減規(guī)律以及傳播規(guī)律等。姚安林等[4]通過研究炸藥爆破對地下深埋管道破壞的影響，得出當(dāng)爆心距R保持不變時(shí)，管內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的振動速度衰減規(guī)律不會有明顯的變化，但是隨著單段最大裝藥量Q的增加，振動速度峰值增大；相反，當(dāng)單段最大裝藥量Q不變時(shí)，管內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動持續(xù)時(shí)間不會有明顯變化，但是隨著爆心距R的增加，管內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值會降低。

南寧某水利樞紐疏浚工程爆破區(qū)臨近下埋燃?xì)夤艿?。因此利用線性回歸與非線性回歸方法，對燃?xì)夤艿赖恼駝舆M(jìn)行了分析，得到了適用于該工程振動衰減規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式，準(zhǔn)確預(yù)測了爆破作業(yè)下埋燃?xì)夤艿赖馁|(zhì)點(diǎn)峰值振動速度，對于優(yōu)化該工程后續(xù)爆破具有指導(dǎo)意義。

1 爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速預(yù)測模型

國內(nèi)外許多學(xué)者對爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速進(jìn)行了研究。我國應(yīng)用最為廣泛的是前蘇聯(lián)科學(xué)院地球物理研究所M.A.薩道夫斯基的爆破振動速度預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式[5]：

(1)

式中：Q為最大單段藥量，kg；R為爆心距，m；K、α為與爆破點(diǎn)地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)與衰減指數(shù)。

許多工程實(shí)踐證明，薩氏公式用來預(yù)測爆源與測點(diǎn)位于同一水平時(shí)，其預(yù)測精度較高，但當(dāng)爆源與測點(diǎn)具有一定的高程差時(shí)，其預(yù)測精度將會大大降低。唐海等[6]通過相關(guān)理論研究分析，將高程差與薩氏公式相結(jié)合，得出了考慮高程效應(yīng)的爆破振動峰值速度預(yù)測模型：

(2)

式中：K2為地貌影響因素；β為高程差影響因素；H為高程差，m。

本文所討論的工程實(shí)例測點(diǎn)位置處下埋燃?xì)夤艿琅c爆破作業(yè)爆源中心點(diǎn)的高程差相對較小，所以不考慮高程差的影響。

2 工程實(shí)例

該水利樞紐工程位于邕江干流南寧河段下游青秀區(qū)仙葫開發(fā)區(qū)牛灣半島處，上距老口航運(yùn)樞紐74 km，下距西津水電站124 km。

該工程需要在保證南寧市防洪排澇安全的前提下，適當(dāng)抬高江河段的城市景觀水位，以改善南寧市水環(huán)境，解決西津至老口河段航運(yùn)水位銜接問題，同時(shí)兼顧水力發(fā)電。

按庫容劃分，該工程屬于大型水庫，樞紐工程等級為Ⅱ等，正常蓄水位67 m，總庫容7.1億m3，電站裝機(jī)容量57.6 MW，為燈泡貫流式機(jī)組，平均發(fā)電量2.206億kW·h。建設(shè)項(xiàng)目主要有攔河壩、13孔閘壩、發(fā)電廠房及進(jìn)場交通公路。

2.1 地質(zhì)情況

該工程地質(zhì)主要由第四系殘坡積土層、全風(fēng)化硅質(zhì)巖夾泥巖和底部灰?guī)r構(gòu)成；巖性主要由黏土(第4層)、含有礫土(第5層)、黏土(第6層)、含碎石黏土(第6①層)、紅黏土(第6②層)及全風(fēng)化硅質(zhì)巖夾泥巖組合而成。

依據(jù)南寧水文站相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，邕江干流南寧河段平均輸沙量953萬t，最大年輸沙量2 260萬t，最小年輸沙量299萬t，平均含沙量0.26 kg/m3。

2.2 爆破環(huán)境

該工程右岸護(hù)坡于里程右護(hù)1+150.00至右護(hù)0+917.00段施工,段處在燃?xì)夤綝500高壓燃?xì)夤艿栏邏罕本€4+700段200 m的安全保護(hù)距離內(nèi)，右護(hù)1+096.00處距離燃?xì)夤艿?0 m，燃?xì)夤镜腄500高壓燃?xì)夤艿栏邏罕本€4+700段屬于南寧市供氣環(huán)網(wǎng)，管道埋深1.5 ～ 2 m，壓力約4 MPa，正式通氣時(shí)間為2014年2月。

隨著爆破點(diǎn)越來越靠近燃?xì)夤艿溃飘a(chǎn)生的振動直接威脅到燃?xì)夤艿赖陌踩?，如何保證不傷及燃?xì)夤艿朗窃摴こ痰囊粋€(gè)難點(diǎn)。爆破區(qū)域環(huán)境及測點(diǎn)布置如圖1所示。

注：①～⑦表示1#～7#監(jiān)測點(diǎn)
圖1 爆區(qū)環(huán)境及測點(diǎn)布置
Fig.1 Surrounding of blasting zone and layout of measuring points

2.3 爆破參數(shù)

該工程爆破是在右坡間距67 m的兩處位置進(jìn)行疏浚挖深處理，在0+850方位處共布置47個(gè)炮孔，鉆孔直徑為90 mm，孔深3～6 m，孔距2.1 m，排距2.3 m，炮孔超深1 m。采用梅花形布孔方式，使用直徑70 mm 2#巖石硝銨乳化炸藥；利用導(dǎo)爆管雷管引爆，2孔1響，間隔50 ms，孔內(nèi)總共880 ms，15段起爆，同段最大起爆藥量14 kg。在0+917方位處，共布置26個(gè)炮孔，鉆孔直徑90 mm，孔深3～5 m，孔距2.2 m，排距2.5 m，采用梅花形布孔方式，使用直徑70 mm 2#巖石硝銨乳化炸藥，利用工業(yè)電子雷管引爆，逐孔起爆，起爆間隔50 ms，同段最大起爆藥量18 kg。采用人工連續(xù)裝藥。

3 爆破振動監(jiān)測結(jié)果與回歸分析

3.1 測點(diǎn)布置

燃?xì)夤艿啦贾迷诩扔泄分?，在距離導(dǎo)爆管雷管爆區(qū)242.3 ～ 292.5 m和距離工業(yè)電子雷管爆區(qū)100.5 ～ 140.4 m的燃?xì)夤艿勒戏?，布?個(gè)測點(diǎn)(見圖1中的4#～7#測點(diǎn))，采用中科測控研制的TC-4850爆破振動記錄儀(見圖2)進(jìn)行監(jiān)測記錄。由于需要分析數(shù)據(jù)與建立數(shù)學(xué)模型，所以同時(shí)監(jiān)測新建邊坡的振動數(shù)據(jù)(見圖1中的1#～3#測點(diǎn))，使分析更為準(zhǔn)確與可靠。

圖2 測振儀安裝
Fig.2 Installation of vibration measuring instrument

3.2 監(jiān)測結(jié)果

各測點(diǎn)測得的爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速、主振頻率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各測點(diǎn)峰值振動速度

3.3 回歸分析

3.3.1 線性回歸分析

根據(jù)爆破振動的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法將薩氏公式進(jìn)行回歸處理，左右兩邊取對數(shù)得：

(3)

y=ax+b

(4)

式中：Q，R，v是已知的，所以y和x是已知的，通過回歸計(jì)算可以確定b和a值，也就對應(yīng)確定了K和α值。

利用最小二乘法可以求出a和b的值，計(jì)算公式為

(5)

(6)

K=eb

(7)

在線性回歸分析時(shí)，還要進(jìn)行相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算，相關(guān)系數(shù)r表征轉(zhuǎn)換后線性方程預(yù)測振速準(zhǔn)確性的高低程度大小。r的絕對值越接近1，相關(guān)程度越高，預(yù)測方程就越準(zhǔn)。

相關(guān)系數(shù)的求解公式：

(8)

取表1各組數(shù)據(jù)中的最大振速值進(jìn)行回歸分析，結(jié)合式(3 ～ 8)進(jìn)行最小二乘法計(jì)算。具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 振速回歸計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得a=1.317，b=4.013，所以K=eb=55.307。則回歸后的薩氏公式為

(9)

線性回歸相關(guān)系數(shù)r為0.976，表明此回歸方程可以準(zhǔn)確地預(yù)測最大振速的衰減規(guī)律。

采用式(9)線性回歸得到的v預(yù)測值如表3所示。

3.3.2 非線性回歸分析

根據(jù)實(shí)測爆破振動數(shù)據(jù)，采用1stOpt數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行非線性回歸分析，根據(jù)軟件分析結(jié)果，得知薩道夫斯基公式中的K值為24.732，α值為1.101。所以，預(yù)測模型為

(10)

采用式(10)非線性回歸得到的v預(yù)測值如表4所示。

表3 線性回歸預(yù)測值

表4 非線性回歸預(yù)測值

3.4 結(jié)果分析

1)導(dǎo)爆管雷管起爆的線性回歸預(yù)測值與實(shí)測值的對比如圖3所示。

圖3 導(dǎo)爆管雷管起爆的實(shí)測振速峰值與線性回歸預(yù)測值
Fig.3 Linear regression predicted value and measuredPPVinitiated by nonel detonators

2)工業(yè)電子雷管起爆的線性回歸預(yù)測值與實(shí)測值對比如圖4所示。

圖4 工業(yè)電子雷管起爆的實(shí)測振速峰值與線性回歸預(yù)測值
Fig.4 Linear regression predicted value and measuredPPVinitiated by industrial digital detonators

3)導(dǎo)爆管雷管起爆的非線性回歸預(yù)測值與實(shí)測值的對比如圖5所示。

圖5 導(dǎo)爆管雷管起爆的實(shí)測振速峰值與非線性回歸預(yù)測值
Fig.5 Nonlinear regression predicted value and measuredPPVinitiated by nonel detonators

4)工業(yè)電子雷管起爆的非線性回歸預(yù)測值與實(shí)測值對比如圖6所示。

圖6 工業(yè)電子雷管起爆的實(shí)測振速峰值與非線性回歸預(yù)測值
Fig.6 Nonlinear regression predicted value and measuredPPVinitiated by industrial digital detonators

從以上對比結(jié)果可知，在誤差允許范圍內(nèi)，回歸分析的預(yù)測振速值與實(shí)測振速數(shù)據(jù)相差不大，但是非線性回歸分析相比于線性回歸分析精度更高，非線性回歸分析模型的相對誤差為5.44%，線性回歸分析模型的相對誤差為6.38%，結(jié)果更可靠，能較好地反應(yīng)該工程的爆破振動傳播規(guī)律。而工業(yè)電子雷管爆區(qū)和導(dǎo)爆管雷管爆區(qū)的峰值振動大小都隨著爆心距的增加而減小，主振頻率在爆心距低于100 m時(shí)變化較為明顯，當(dāng)超過100 m時(shí)頻率基本不變。工業(yè)電子雷管爆區(qū)由于其具有精準(zhǔn)的延時(shí)設(shè)定，所以其相對于導(dǎo)爆管雷管爆區(qū)的振動較小，降振效率較高，爆破振動主頻較大，對保護(hù)燃?xì)夤艿栏哂蟹e極意義。

目前國內(nèi)關(guān)于爆破對管道定量影響的具體分析，還沒有形成統(tǒng)一的權(quán)威理論。雖然多以安全振動速度為判斷標(biāo)準(zhǔn)，但在具體安全尺度判斷標(biāo)準(zhǔn)上，還有較大分歧。以振動速度2.5 cm/s和3.0 cm/s作為安全振動速度是管道行業(yè)暫時(shí)的主流看法，川氣東送管道曾有人提出更為嚴(yán)格的2.0 cm/s的要求。然而，到底是3.0、2.5或者2.0 cm/s，還沒有定論。國家在編制天然氣保護(hù)法時(shí)，把天然氣管道按照一般民用建筑來考慮，振動速度為2.5 cm/s作為標(biāo)準(zhǔn)。中石油川氣東送分公司的王振洪[7]結(jié)合大量的文獻(xiàn)，對比、分析法律法規(guī)、技術(shù)規(guī)范、工程實(shí)例、管道抗震能力等，最終提出2～6 cm/s的安全振速判據(jù)。

在本工程中，結(jié)合該水利樞紐現(xiàn)場實(shí)際情況，最終決定采用2.5 cm/s的安全振速，這也是在法規(guī)允許的范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語

1)當(dāng)環(huán)境不復(fù)雜時(shí)，在忽略爆破中心與測點(diǎn)的高程差的情況下，利用傳統(tǒng)的薩氏公式進(jìn)行爆破振動預(yù)測的研究，能較好地反應(yīng)振動傳播規(guī)律。

2)利用回歸分析得到的爆破振動預(yù)測模型能較好地預(yù)測實(shí)際爆破振動峰值大小，無論是線性回歸還是非線性回歸都能較好地?cái)M合預(yù)測振速峰值，非線性回歸憑借著其5.44%的相對誤差，使得它更加適合本工程的擬合。

3)工業(yè)電子雷管具有延時(shí)精度高，線路連接方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程爆破中。在該工程中采用工業(yè)電子雷管設(shè)置起爆網(wǎng)路，可以很好地減弱爆破振動對臨近燃?xì)夤艿赖挠绊憽?/p>

4)通過對國家天然氣保護(hù)法以及相關(guān)文獻(xiàn)資料對比研究，結(jié)合該水利樞紐工程的實(shí)際情況，此次爆破振速小于安全振動速度2.5 cm/s，沒有對燃?xì)夤艿喇a(chǎn)生任何危險(xiǎn)。