管溝爆破方案FAHP優選及在役管道動力響應研究

袁旺小

(中鐵十八局集團有限公司 天津 300222)

1 引言

伴隨我國經濟建設的高速發展，地下工程、隧道、管溝等建設量迅猛增加。由于規劃、設計要求的限制，出現了大量管溝開挖工程與在役管道并行甚至交叉的現象[1]。由于爆破施工具有成本低、工期短、設備簡單、適應性強等優點[2]，鉆爆法仍然廣泛應用于隧道、管溝等工程領域，由此管溝爆破開挖問題越來越凸顯。

FAHP法在工程爆破領域應用廣泛[3-6]。王丹丹[7]將FAHP應用于樓房拆除爆破的安全評價分析，通過尋找主要影響因素并加強安全管理，有效控制各個因素的危險程度，從而提高樓房拆除爆破的安全性；孫可[8]針對盾構隧道健康監測的典型傳感器布置形式，提出了一類專用的模糊層次分析法綜合評價模型，構建了健康監測數據的6層指標評價體系，實例證明該模型能夠快速定量評價盾構隧道的健康狀態并可以實現隧道運營維護的智能化管理；汪明武[9]將模糊層次分析法與實碼加速遺傳算法相結合應用于工程爆破領域，實例應用表明該方法可以合理確定指標權重，提高評價結果的精度和優度值的離散度。除此之外，在管溝爆破開挖方面，鄭爽英[10]基于非線性動力有限元模擬方法和正交試驗原理進行輸氣管道動力響應數值試驗，按照極差分析方法確定了管道運行參數對管道應力與振速特性的影響次序；張震[11]對超淺埋地鐵站通道爆破開挖鄰近埋地混凝土管道的動力響應進行了研究，通過建立管道拉應力峰值和振動速度峰值的函數關系，得出由最大拉應力強度理論控制管道爆破振速的結論；彭星煜[12]采用期望反應譜作為目標譜，基于SIMQKE-GR程序模擬了地震加速度波形，建立了基于有限單元法地基梁-土彈簧模型的爆破振動作用下管道振動響應有限元模型，得出管道在爆破載荷作用下應力和位移的變化特性。但是針對管溝爆破施工對在役管道的影響卻鮮有報道。

本文依據管溝爆破開挖試驗、成型尺寸以及質點振動速度峰值數據，采用FAHP法優選管溝爆破方案，進行爆破荷載作用下在役管道的動力響應研究。

2 工程概況

新建鐵路福州至平潭段鼓山隧道位于福州市境內，其中管溝爆破開挖處礦物組成以方解石為主，同時含有白云石、菱鐵礦、石英、長石、云母等礦物質，巖石的普氏系數為6～15。管溝爆破開挖尺寸為溝底寬2.8 m，溝深3 m，并且要求管溝順直，溝壁和溝底平整，無溝坎階梯，無銳器物，溝內無塌方、無雜物。

鄰近在役管道進行爆破工程時，要求垂直方向質點振動速度峰值應控制在10 cm/s范圍內。根據工程經驗以及爆破漏斗試驗，初步確定3種管溝爆破開挖方案，如表1所示。此次爆破試驗統一使用2號巖石乳化炸藥，進行逐孔起爆網路連接，孔外采用3段毫秒導爆管雷管，延期時間為50 ms；孔內采用10段毫秒導爆管雷管，延期時間為380 ms。

表1 管溝爆破方案及參數

3 管溝爆破方案FAHP優選

3.1 建立層次結構模型

管溝爆破開挖層次結構模型以爆破方案為目標層，以少指標、全信息、考慮定性因素和定量因素為原則，進行準則層和指標層的確定，如圖1所示。

圖1 爆破方案優化層次結構模型

3.2 判斷矩陣及權重計算

在層次結構模型基礎上，依據 T.L.Saaty教授[13]提出的1～9及其倒數標度法，將指標層兩因素之間的比值構成判斷矩陣，具體見表2。

表2 判斷矩陣標度值

根據判斷矩陣，進行因素權重計算，步驟如下:

(5)為防止判斷矩陣偏離一致性以致影響最終決策，需要對λmax進行一致性檢驗。

計算一致性比率CR:

式中，CI為一致性指標，CI＝ (λmax-n)/(n-1)；RI為平均一致性指標，按表3選取。

表3 平均一致性指標RI值

(6)判斷矩陣滿足一致性的判定標準為:CR＜0.1。否則重新調整判斷矩陣因素標度值，直到滿足一致性要求為止。

根據以上步驟，確定層次判斷矩陣，計算權重，并進行一致性檢驗，結果見表4～表7。指標層各因素的總權重見表8。

表4 A-B判斷矩陣、權重及一致性檢驗

表5 B1-C判斷矩陣、權重及一致性檢驗

表6 B2-C判斷矩陣、權重及一致性檢驗

表7 B3-C判斷矩陣、權重及一致性檢驗

表8 指標總權重

3.3 確定指標隸屬度

管溝爆破開挖試驗過程中，采用TC-4850測振儀在距離爆源10 m處布點測試，收集垂直方向質點振動速度峰值，如圖2～圖4所示。在管溝爆破開挖試驗結束后，立即對管溝的成型尺寸進行測量，具體指標及評價見表9。

表9 管溝成型尺寸及質點振速峰值

圖2 方案1爆破質點振動速度

圖3 方案2爆破質點振動速度

圖4 方案3爆破質點振動速度

根據模糊數學理論，隸屬度的確定需要考慮指標的特性。

對于定性指標，按照5級標準賦值:當為“優”時，賦值為 0.95；當為“良”時，賦值為 0.75；當為“中”時，賦值為0.55；當為“及”時，賦值為 0.35；當為“差”時，賦值為0.15。

對于定量指標，規定指標數值越大越好，為正指標，反之為負指標。利用rij＝xij/ximax計算正指標隸屬度，利用rij＝1-xij/ximax計算負指標隸屬度。由此可得模糊評價矩陣為:

3.4 FAHP方案優選

根據指標總權重以及模糊評價矩陣，利用加權平均模型進行計算:

根據最大隸屬度原則，確定方案2為管溝爆破開挖的最優方案。

4 在役管道爆破動力響應研究

4.1 數值模型建立

采用LS-DYNA數值模擬軟件，應用ALE算法，采用掃掠劃分網格方式，根據在役管道的尺寸進行實際比例建模。為了簡化計算，將模型尺寸設置為14 m×9 m×4 m，如圖5所示。由于簡化了數值模型，因此需要在底面及四周施加固定約束以及無反射邊界條件。為分析在役管道動力響應的極限情況，在數值模型建立過程中，只考慮與管道相距10 m的情況，且爆破參數依據FAHP的最優方案選取。

圖5 數值模型

4.2 材料模型及狀態方程

數值模型包含4種材料，分別為炸藥材料模型、空氣材料模型、管道材料模型和巖體材料模型。炸藥材料模型采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN且定義JWL狀態方程；空氣模型采用NULL材料，且應用LINERPOLYNOMIAL狀態方程描述；管道材料模型采用JOHNSON-COOK且定義Gruneisen方程；采用PLASTIC-KINEMATIC作為巖體材料模型，見表10。

表10 材料模型及狀態方程參數

4.3 在役管道應力分析

在役管道X、Y、Z方向的應力云圖見圖6。

由圖6可知，在役管道X方向所受的高應力狀態比較集中，主要位于管道的側壁位置處，最大值為2.33 MPa，而且管道的頂部及底部所受的應力影響也不可忽視；相比于X方向，Y方向所受應力有所減小，但仍然位于管道的側壁處；Z方向所受應力比較均勻，對在役管道影響較小。

4.4 在役管道應變分析

在役管道X、Y、Z方向的應變云圖見圖7。由圖7可知，在役管道X方向所受應變的最大值為8.19×105，且大應變分布區域較廣，主要出現在管道的側壁位置處；相比于X方向，Y方向所受大應變的區域范圍減小，但管道頂部及底部范圍的最值不降反升，而且比較集中；Z方向所受應變比較均勻，對在役管道影響較小。

圖6 在役管道應力云圖

圖7 在役管道應變云圖

5 結論

(1)通過建立層次結構模型，構造判斷矩陣，進行權重計算，按照最大隸屬度原則進行管溝爆破開挖方案的優選，可以為類似管溝爆破工程提供參考。

(2)采用FAHP法確定方案2為管溝爆破開挖的最優方案，其管溝成型尺寸最接近標準尺寸，而且其垂向質點振速峰值為9.065 6 cm/s。

(3)通過數值模擬分析爆破開挖對在役管道的動力響應，結果表明，在役管道X方向所受的影響最為顯著，并且高應力及大應變主要集中在管道的側壁位置處，管道的頂部及底部也應該加強防護。