爆破施工對天然氣管線動力響應技術分析

天然氣管線受爆破施工沖擊響應研究是一項綜合研究，涉及到工程地質、爆炸動力學、損傷力學、安全系統工程等學科領域，其研究方法主要是在詳細現場地質調查和資料收集的基礎上，建立計算模型，通過選取合適的材料本構模型，運用定量風險分析方法，對爆破施工沖擊引起天然氣管線動力響應問題進行了數值模擬分析，通過管道損傷理論對爆炸沖擊引起的天然氣管道損傷失效進行了深入探析。

本次模擬的案例：高壓天然氣長輸管道，承擔著向主城區供氣的主要任務，安全性和社會影響十分巨大，且爆破工程在管道200m范圍內需要進行爆破施工。根據《石油天然氣管道保護法》（中華人民共和國主席令第三十號）的規定：“第三十五條

進行下列施工作業，施工單位應當向管道所在地縣級人民政府主管管道保護工作的部門提出申請：①穿跨越管道的施工作業；②在管道線路中心線兩側各五米至五十米和本法第五十八條第一項所列管道附屬設施周邊一百米地域范圍內，新建、改建、擴建鐵路、公路、河渠，架設電力線路，埋設地下電纜、光纜，設置安全接地體、避雷接地體；③在管道線路中心線兩側各二百米和本法第五十八條第一項所列管道附屬設施周邊五百米地域范圍內，進行爆破、地震法勘探或者工程挖掘、工程鉆探、采礦。”

1 允許最大爆破炸藥使用量計算

根據《爆破安全規程》（GB 6722-2014）的有關規定，在距天然氣管道中心點兩側不同距離時爆破點的最大裝藥量計算見

表1 不同爆破作業點最大裝藥量計算表

模擬數據：本次爆破巖性主要為泥巖和砂巖，屬中硬巖石，選取K=250，α=1.8，V=1.0cm/s的參數進行計算。選取結果如下：①距離天然氣管道中心線兩側50m范圍內，維持原地貌，不允許爆破作業；②距離天然氣管道中心線兩側50-60m范圍內的爆破施工，允許使用的最大爆破炸藥量為12.6kg。

2 爆破地震波能量衰減規律分析

爆破震動波對管道產生的影響一般通過爆破震動幅值及頻率來描述，這個過程伴隨著能量的傳遞與轉化。具體的影響因素有地形地貌、巖石條件、最大段藥量以及爆源距。

工程上一般用質點振動速度來表示爆破振動強度，關于質點振動速度與裝藥量及爆心距的關系，目前比較通用的是前蘇聯的M.A.薩道夫斯基公式。M.A.薩道夫斯基給出的公式為：V=K（Q1/3/R）α，式中：V—質點振動速度；Q—單響藥量（齊發爆破時為總裝藥量，研發爆破時為最大一段裝藥量）；R—質點到爆源中心的距離；K—地場系數，依場地條件選取；α—衰減指數，與場地系數有關。

薩道夫斯基給出公式不能直接反應諸如炸藥種類、炸藥結構、鉆孔孔徑及巖性參數等因素對質點峰值振動速度的影響。盧文波和W.Hustrulid推導了基于柱面波理論和球面波及長柱狀裝藥的子波理論的質點振動速度衰減公式。

爆破產生隨機振動，在某一點的振速和頻率都是隨空問距離與時問變化的函數，根據實測的爆破振動數據，采用最小二乘法進行回歸分析，可以得到當地地形條件下的爆破地震波傳播衰減規律為：v=83.9（R/Q1/3）-1.31；根據公式，驗算本次參數：當單響藥量為12.6kg時，距爆源50m處的地面最大振速為1.0cm/s；管道可處于安全狀態。

3 埋地天然氣管線安全性分析

埋地天然氣管線安全性分析方法一般分為應力判別式和管道張角判別法兩類。剛性地下管線采用材料力學中的強度理論進行強度校核。通過計算地下管線的應變，確定地下管線截面最大應變，并與材料的容許應變進行比較、分析、判斷天然氣管線的安全性。

地震波對管道最大軸向應變εmax必須與可操作荷載引起的軸向應變相結合，來判斷其對安全性的影響，并可以按照下面的公式計算：

以天然氣管線為分析對象，爆破施工對天然氣管線的影響進行分析，模擬計算：管線管材為L360NB，管道直徑為508mm，壁厚選取8.8mm，設計運行壓力為4.5Mpa，管線彈性模量為210000Mpa，屈服強度為360MPa，斷裂強度為520MPa。土質條件為：K為250，為1.8，場地剪切波速C取140m/s。通過公式進行計算得出，當爆破炸藥量和爆破距離滿足式（1）和式（2）時，天然氣管道因爆破施工產生的應變在許用范圍內，即管道可安全運行。

對比公式可知，爆破震動對天然氣管線產生的壓縮應變判別條件比拉伸應變判別條件更為苛刻，應以壓縮應變判別式作為基準判別式。根據前面的計算結果：

距離天然氣管道中心線兩側50-60m范圍內的平場爆破施工，允許使用的最大爆破炸藥量為 12.6kg。；按模擬數據值實施，管道因為爆破產生的應變在許用范圍內，管道可安全運行。

4 爆炸沖擊的ANSYS計算

4.1 爆炸沖擊計算模型及計算工況

模擬計算：爆破施工點距管線的直線距離為50m，炸藥量為12.6kg。根據現場實際情況，本次計算模型如圖2所示。

圖1 計算模型

4.2 模擬結果及分析

距離50m，一次爆破炸藥量12.6kg。圖2-圖4為距離50m，12.6kg炸藥爆炸形成的沖擊荷載到達天然氣管道后不同時刻的有效應力云圖，圖5-圖7為沖擊荷載到達天然氣管道后不同時刻的最大剪應力云圖。天然氣管線迎爆面單元等效應力時程曲線和最大剪應力時程曲線見圖8-圖9。

從計算結果可知：在17399us時管線受到的有效應力最大，大約為0.5966MPa，此后管線的等效應力逐漸減小。在17399us時管線受到的最大剪應力最大，大約為0.3262MPa，此后管線的最大剪應力逐漸減小。但在整個爆炸沖擊過程中，天然氣管道最大剪應力均小于25MPa，且其等效應力均小于天然氣管道的屈服強度360MPa。因此，天然氣管道未產生塑性變形，距離50m，一次爆破炸藥量12.6kg，可保證管道的安全運行。

圖2 t=13800us天然氣管道的等效應力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖3 t=17399us天然氣管道的等效應力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖4 t=19799us天然氣管道的等效應力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖5 t=13800us天然氣管道的最大剪應力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖6 t=17399us天然氣管道的最大剪應力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖7 t=19799us天然氣管道的最大剪應力云圖（50m，12.6kg炸藥）

圖8 天然氣管道迎爆面單元等效應力時程曲線

圖9 天然氣管道迎爆面單元最大剪應力時程曲線

4.3 模擬爆炸沖擊計算小結

從模擬數值計算結果可以得出以下結論：①天然氣管道均未產生塑性變形，可保證管線的安全運行；②爆破作業對管道的影響與一次爆破用藥量和距離有關，嚴格控制不同距離情況下的一次爆破用藥量，可以實現管道的安全運行；③施工單位在距離天然氣管道中心點20m外設置減振溝，減振溝的規格按照有關規定確定。建議減振溝開挖的深度應大于管道埋深0.5m以上，寬度為1m左右。進一步提高安全系數，降低爆破震動對管道的影響，保證天然氣管道安全；④為了有效地控制爆破地震的危害，在爆破之前對爆破地震效應以估計，根據爆破震動校核結果，計算最大單響起爆量，根據與天然氣管道的距離來實施分段起爆等措施，以保證天然氣管道的安全。

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