钻爆法施工对邻近埋地管道影响的现场监测分析

时间：2024-07-28

杜安矞

（中交一公局第二工程有限公司，江苏苏州 215000）

在进行隧道钻爆施工时，所产生的爆破地震波将在一定程度上对周边区域的埋地管线造成影响，甚至会加剧管道的劣化速度，从而大幅提升了隧道工程的施工难度。对此，出于降低隧道爆破对周边区域影响的基本目的，应明确爆破荷载对周边区域管道的影响机制，同时进一步分析围岩管道之间的相互作用，在此基础上设计出可行的方案。文章围绕钻爆法施工对邻近埋地管道影响展开了现场监测及其分析。

1 工程概况

栗树樟隧道进口位于永嘉县上塘镇李家村，出口位于黄田镇上白岩村，采用上、下行分离的隧道形式。项目所在区域为典型的冰硕丘陵地形，整体起伏较大，具有南北低中间高的基本分布特点。经勘察后可知，地面高程介于 37.71～48.66m范围内，隧道沿线埋设有大量的管线。

2 埋地管道的变形与爆破振动监测

2.1 管道监测方案

（1）变形监测方案。考虑到隧道周边存在大量的埋地管道，为了提升对各类管道的掌握程度，工程人员选取了其中一些具有代表性的管道，在此基础上展开了密切的监测，由此获悉其变形规律。实际操作过程中采用了直接与间接这两种监测方法。

（2）爆破振动监测方案。工程中引入了型号为TC-4850的爆破测振仪，在其作用下可以进行高效的爆破振动监测，充分涉及到速度、频率以及持续时间等多项参数。在进行爆破开挖施工时，应将三矢量传感器安装在指定的区域，而后从远程获悉到各类监测数据，在其作用下可以展开相应研究，明确地震波在地表所表现出的衰减规律。对石膏的状态进行检测，当其达到风干硬化状态后方可进行爆破并展开检测[1]。关于检测方案的具体内容如图1所示。

图1 地表爆破振动监测方案示意图

2.2 管道监控报警值的确定

（1）变形监控报警值。以区域内的管道分布状况为指导，在此基础上将变形以及变形速率作为衡量安全性能的基本指标。对于天然气以及电缆管道而言，二者的变形量应控制在10mm以内，所对应的变形速度应控制在2mm/d范围内；对于排水管道而言，允许的变形量稍大，但也应控制在 20mm以内，同时变形速度应在5mm/d以内。

（2）爆破振动效应安全判据。不同的结构类型所对应的指标也存在一定差异，诸如土窑洞其应控制在 0.9～1.5cm/s范围内，大型砌块建筑物而言其应控制在2～3cm/s范围内，相比之下钢筋混凝土框架的指标稍稍有上升，以5cm/s为宜。但行业内并未涉及到关于地下管道的具体标准，对此工程参考了《大连地铁爆破振动监测》这一资料，考虑到区域内管线分部具有高度复杂性的特征，最终将其安全控制标准设置为2.5cm/s。

3 钻爆法施工对邻近埋地管道振动影响的数值模拟分析

3.1 有限元模型的建立

（1）工程中需要建立出 Mohr-coulomb理想弹塑性模型，而要想得到此结果就必须依赖于FLAC3d软件，在其作用下可以展开关于非线性爆破动力的相关计算与分析。

（2）动力计算边界条件及相关参数的选取。FLAC3d是此类工程中最为常见的一款软件，其以某一特定模型为基础，由此生成一维以及二维网格，在其作用下可以模拟出自由场边界条件，加之阻尼器的耦合作用，最终得到了主体网格的侧边界，同时会获得来自于自由场网格的不平衡力[2]。事实上，自由场边界可以理解为是一块具有无限大特性的场地，这意味着向上的面波并不会在边界区域发生反射现象。为了提升动荷载作用下阻尼值模拟结果的精确性，在进行动力计算时应充分考虑到力学阻尼这一参数。关于阻尼的来源，其主要由材料内部接触面的滑动以及摩擦而产生，而在本工程中采用的是瑞利阻尼法，加之FLAC3D软件的计算分析功能，可以计算出模型的自振频率，经数据对比后可知模型的自振频率为6.11Hz。

3.2 数值模拟结果与实测数据对比分析

（1）以得到的数值模拟结果为基础，重点围绕地表垂直竖向质点所具有的振动速度展开分析，将所得到的模拟结果与现场实际状况进行对比。具体内容如图2和图3所示。

图2 实测地表质点垂直振速

图3 模拟地表质点垂直振速图

对上述两组资料进行对比分析，可以得出如下几点内容：

①就最大质点振速这一指标而言，二者所得到的结果差异并不明显，数值模拟与实测结果所对应的数值分别为2.22m/s和1.84cm/s。之所以出现此现象，是因为在实际施工过程中，爆破振动效应的复杂性较高；反之，在进行数值模拟时，则对爆破荷载进行了简化处理，由此形成一个三角形脉冲波。

②就地表质点所对应的爆破振动波这一指标而言，二者存在一定的区别，具体体现在最大波速这一方面。之所以出现此现象，其原因在于：当爆破地震波在围岩内进行传播时，所产生的纵波波速要明显大于横波波速，加之纵波所具有的振幅相对更小，因此在尚未达到最大振幅状态时便会受到纵波小振幅的影响。

③对上述两组曲线进行综合对比分析，对于现场实测数据而言可以良好的发现微差爆破中各个区段的衰减状态，而对于数值模拟而言在此方面则显得不够明朗，即只能观察到小幅度波动后的衰减情况。之所以出现此现象，其原因在于：在模拟过程中所考虑的内容不够全面，即仅仅局限于某一区段的爆破数值模拟。

（2）爆破地震波地表衰减规律分析。为了进一步研究地震波在地表范围内所具有的传播特性，工程人员在地表处选取了若干个监测点，由此展开针对性分析。区域内单段装药量最大值达到了3kg，由此进一步获悉地表质点的振速，在此基础上可以对地表质点振速的衰减情况做进一步分析，关于所得到的具体内容如图 4所示。

图4 地表质点垂直振速随爆心距的变化

对以上结果进行分析可以得知，现场实测与数值模拟所对应的结果具有高度的相似性，伴随着爆心距的增加，所带来的地表垂直振速均表现出减小的趋势。

（3）最大段药量的控制。伴随着隧道钻爆施工的持续进行，对爆破峰值振速的影响因素也逐步增多，常见的有爆心距以及单段最大装药量等。在所有影响因素中，当属单段最大装药量的可控性最高，即可以通过对人为因素的控制便可将影响降到最低。

4 结论

无论是管道还是地表沉降均表现出指数分布的特性，对于管道沉降而言可以采取直接与间接两种方式，二者得到的规律具有一定的差值关系，相比之下直接监测得到的结果略大一些。二者的差值可以在一定程度上反映出管道与土体的分离程度，当开挖进行到管道正下方区域时产生的分离现象最为明显，伴随着掌子面距离的增加，此现象又得到了进一步缓解。从成因上考虑，造成管土分离的影响因素较多，诸如地层条件、开挖支护技术等，均会对其产生影响。在实际施工过程中，应综合考虑预测结果以及现场实测结果，在二者的基础上对爆破参数进行优化处理，由此展开后续阶段的施工作业。