高速鐵路斜井下穿石油管道施工技術研究

張世文

摘要： 通過對本課題的研究，明確了控制爆破在泥巖砂巖地層和淺埋地層斜井施工技術，避免了爆破設計的不合理，根據實際爆破參數的驗證，總結出了適合本工程泥巖砂巖地層的爆破參數計算方法及相關參數，對地震波允許參數的設定提供了參考。針對泥巖砂巖地層和淺埋地層開挖施工常見問題進行分析，提出合理的解決措施，幫助項目提前做好了合理施工方案，避免石油管道泄漏爆炸事故的發生，從而大大降低了工程施工成本和對當地環境不利的影響。

Abstract： Based on the research of this subject， it is clear that the construction technology of blasting control in the mudstone sandstone strata and shallow buried strata avoids the unreasonable blasting design. According to the verification of actual blasting parameters， the calculation method of blasting parameters and related parameters of the mudstone sandstone strata is provided， which provides a reference for the setting of the allowable parameters of the seismic wave. This paper analyzes the common problems of excavation and construction of mudstone sandstone strata and shallow burial strata， and puts forward reasonable measures to help the project make a reasonable construction plan ahead of time， avoid the occurrence of oil pipeline leakage and explosion， thus greatly reducing the construction cost and adverse effects on the local environment.

關鍵詞： 石油管道；地震波速；衰減規律；控制爆破

Key words： oil pipeline；seismic wave velocity；attenuation law；control blasting

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0099-05

1 工程簡況

1.1 位置關系

金家巖隧道1#斜井位于江油市境內，位于線路前進方向的右側，與線路交點里程DK452+200。該工區施工采用無軌單車道運輸組織，永久性工程設計，斜井凈空斷面尺寸為5.0m×5.9m（寬×高）。金家巖隧道1#斜井下穿蘭成渝輸油管道，平面投影相交里程為XD1K0+163，1#斜井與輸油管道垂直距離為28.42m，？準508蘭成渝輸油鋼管與1#斜井相交縱斷面圖及平面圖如圖1、圖2。

1.2 地質描述

1#斜井與蘭成渝輸油管道交叉點，上覆<1-42>6m厚粉質粘土，呈褐黃、紫紅色，含少量砂泥巖，中間層為<5-10>W3強風化泥巖夾砂巖，厚度4.1m，質軟，屬Ⅳ級軟石，最底層為<5-10>W2弱風化泥巖夾砂巖。斜井進口為強風化巖石，穿越段區域以泥巖夾砂巖為主，弱風化，巖體較完整，地表水較發育，基巖裂隙水較少。

2 施工方案選擇

2.1 常規鉆爆施工

由于1#斜井洞頂開挖軸線與在役管線的最小距離為28.42m， 1#斜井爆破施工時必然會對在役輸油管道及管道周圍環境造成擾動，可能出現的安全隱患歸納為以下幾點：

①隧道爆破作業產生的地震波，超出管道設計安全標準值，對管道造成直接傷害；

②隧道爆破作業產生的地震波，沒有對管道造成直接傷害，但可能會擾動管線周邊土體，造成管道下方隧道內圍巖變形及管道周邊土體位移導致管道發生超過設計安全值的沉降。

2.2 機械開挖

采用機械開挖可有效減小對在役管道施工擾動，但下穿洞段為弱風化泥巖砂巖互層，巖體強度高，機械不易破碎，施工進度緩慢，工期壓力大，成本較高，此方案不宜采用。

2.3 靜力爆破

采用靜力爆破與傳統爆破相比，對在役輸油管道產生的施工擾動具有明顯的優越性，最安全可靠，但對于隧道洞身開挖不易做到整體同時破碎，洞碴粒徑不宜裝車運輸，且進度緩慢，施工成本高。

2.4 控制爆破

對爆破設計進行試爆，得出與工程地質及爆破條件相符的爆破地震衰減規律，獲取符合實際的K和α值，確定爆破設計參數，通過對斜井所穿越地層巖性的分析、爆破試驗，調整和優化周邊眼、掏槽眼和掘進眼的單孔裝藥量、周邊眼間距、炮眼數量、單段最大裝藥量，確保施工過程中地震波速可控，達到安全快速、經濟合理的目的。

以上四種方案分別從安全、進度、施工成本、技術措施等方面綜合比較，下穿在役輸油管道采用控制爆破技術為最優方案。

3 控制爆破設計

3.1 控制爆破震動安全標準及要求

為保證金家巖隧道1#斜井下穿過程中輸油管道安全，經過專家及輸油管道公司共同評審確定到達輸油管道處的地震波控制標準為≤1.5cm/s。

3.2 爆破設計方案

3.2.1 單段最大用藥量的確定

3.2.4 50m范圍內下穿段控制弱爆破設計

為降低單段炸藥量，減小因爆破產生的地震波速，斜井采取“短進尺、弱爆破、臺階法”進行開挖，按照最大單段藥量不大于的安全標準進行控爆設計，控爆參數見表3。

由表3可見，斜井XD1K0+209～XD1K0+111下穿段一次齊爆最大單段用量為3.6kg，小于計算允許值Qmin （28）=4.3kg，理論上對在役管線不構成直接破壞性，考慮到傳播介質的不均勻性，為更加安全起見，該段施工時整段爆破設計按R=28m，最大單段藥量Q■4.3kg進行施工，并加強支護、支護緊跟，以能更加有效的保障既有管線及隧道施工的安全。

3.2.5 50m范圍外控制爆破設計

爆破產生的地震波速是隨距離的增加而加速衰減的，根據上述計算，50m范圍以外最大單段藥量增加至Qmax （50）=23.31kg，在確保安全的前提下，為加快施工進度，擬采用全斷面法施工，爆破設計參數見表4。

由表4可見，當R≥50m斜井洞身段爆破設計一次齊爆最大單段用量為16.2kg<計算允許值Qmax （50）=23.31kg，根據該計算成果，施工鉆爆作業按照正常控制爆破設計施工即可滿足要求，理論上對在役管線不構成直接破壞性。為更加安全起見，施工中將進一步減少單循環進尺量、不斷優化爆破用藥量及單循環用藥量，以更加有效的保障既有管線及隧道施工的安全。

4 施工過程監測

4.1 爆破作業地震波速監測

4.1.1 監測目的及設備

通過爆破地震波跟蹤監測，首先是分析爆破地震波衰減規律及其對周圍保護物的影響，并對其進行安全評價；其次是根據爆破地震波監測結果，指導爆破方案的調整和優化，使到達管道的爆破地震波速降低到安全范圍內，同時實現隧道開挖快速順利進展。

爆破振動監測與試驗使用L20型爆破測振儀，每臺測振儀有三個通道，可以配置3個單向速度傳感器或1個三分量速度傳感器或1個三分量加速度傳感器。該儀器自帶液晶顯示屏，現場直接設置各種采集參數，能即時顯示波形、峰值和頻率。具有24位A/D轉換，采用自適應量程。通過USB接口與PC電腦進行數據通訊，運用專用軟件進行處理分析及成果輸出等，并帶有手機報警功能，設制一定振速閥值，若有溢出，自動發出相應短信，進行報警。

4.1.2 監測方法及程序

4.1.2.1 測點布置

臨近輸油管道的振動強度通常與新建隧道爆源所在位置直線距離成線性關系，等距狀態下最直觀反映爆破振速。測點布置如圖5、圖6。

4.1.2.2 測試頻率

①微震爆破施工開始后，試驗爆破按照測點布置方法每日都進行監測。

②其后，按照測點布置方法每開挖20m測試一次。

4.1.2.3 傳感器安裝

在爆破前1小時，按預定的位置及要求安裝三矢量速度傳感器，其中Z方向鉛直，X方向指向爆源為水平徑向，Y方向為水平切向。對監測點進行編號，測量并記錄震源中心及傳感器的位置與高程。

4.1.2.4 儀器連接與調試

在爆破前30分種，將采集儀連接各傳感器，記錄傳感器和采集儀編號，設置參數，選擇合適的開門閥值，確認儀器連接、調試完好。在爆破現場警戒前撤到安全區域。

4.1.2.5 現場測試

爆破產生的振動超過儀器設定的開門閥值，開始記錄爆破振動信號。爆破警戒解除后，進入爆破現場收拾儀器、傳感器與連接線。

4.1.2.6 資料整理

通過計算機USB接口與記錄儀連接，傳輸現場記錄的振動波形數據。使用振動分析軟件對波形進行分析處理，分別讀取豎向、水平徑向和水平切向的振動峰值、峰值主頻等參數。

4.1.2.7 振動影響評價

爆破振動評價按表1爆破振動安全允許振速中交通隧道取低值為控制標準。

①若監測點任一方向的實測最大質點振動速度超過相應的振動控制標準，則爆破質點振動速度超限，可能或已經對所監測的對象造成損傷或破壞。

②若監測點所有方向的實測最大質點振動速度均小于相應的控制標準，則表明監測對象不會受到爆破振動損傷，是安全的。

③若實測振動幅值超限，應對監測對象進行宏觀調查，觀察監測對象是否出現細微裂縫及已有裂紋寬度及延伸是否發展、起鼓等損傷現象，必要時可利用聲波檢測等手段對爆破振動影響程度進行評價。

4.1.3 監測結論

在金家巖隧道1#斜井開挖掌子面里程XD1K0+208～XD1K0+150進行施工爆破振動測試；共測試次數為8次，測試情況見表5。

監測結果表明：整個爆破開挖過程中，管道附近爆破振速均小于設置限值1.5cm/s，變化趨勢趨于平穩，整個爆破過程中安全可控。

金家巖隧道1#斜井及鄰近輸油管道工程爆破安全監測結果比較理想，達到了監測大綱規定的預期目的，保證了石油管道在爆破施工期間的安全并對爆破施工后的長期運營不會造成影響，并在西成鐵路工程積累了輸油管道在爆破地震動作用下的動力響應數據，有益于研究沿線管道在爆破地震動下的動力響應和動力穩定性，并對類似工程具有參考和借鑒作用。

4.2 隧道及管道上方地表位移監測

每個地表下沉量測斷面測點橫向間距為10m×10m，橫斷面布點應結合地形，橫向布點埋設在隧道開挖影響范圍內，共設沉降觀測點20個，采用精密水準儀進行量測，每天觀測讀數2次，變形速率控制標準見表6。

各項監測的數值達到一定范圍（即：將產生不可接受的負面影響時）要進行“報警”。報警系數F（F=實測值/安全控制標準值），當F>0.80時，為報警狀態，當達到報警值時，應啟動應急預案，采取必要的加強措施。

經沉降觀測分析，最大變形速率1.5mm/d，最大累計沉降量3.5m。通過對管道周邊沉降觀測點觀測數據統計表分析，充分考慮測量精度、測量誤差影響，采用新奧法施工，隧道開挖對管道基本不造成沉降影響。

5 結束語

在我國大規模的高速鐵路網建設中，尤其在西南地區油氣資源豐富，油氣管線密集的區域，必將還會遇到此類情況，本文通過對爆破設計進行試爆，得出與工程地質及爆破條件相符的爆破地震衰減規律，獲取符合實際的K，α值，計算出了單段最大藥量，進一步優化爆破參數，對隧道爆破作業產生的地震波速進行監測，提出修正和改進方案，嚴格控制爆破引起的最大地震波速度使之符合石油管道產權單位要求（≤1.5cm/s），節約施工資源，加快施工進度，保證了石油輸油管道的安全運行，確保隧道施工順利完成。

參考文獻：

[1]GB6722-2011，爆破安全規程[S].

[2]TB10121-2007，鐵路隧道監控量測技術規程[S].

[3]GB50497-2009，建筑基坑工程監測技術規范[S].