CN111998746B - 控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破方法，包括如下步骤：制定桥梁桩基掏槽眼爆破试验方案；合理布置爆破振动测点，采集和整理爆破试验数据；回归计算爆破现场的爆破振动速度预测模型；计算埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动速度；计算任一桥梁桩基在不同深度爆破时埋地燃气管道正上方地表处的最大允许爆破振动速度；确定任一桥梁桩基在不同深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量。本发明不需开挖管道进行跟踪监测，只需在地表处做少许爆破振动测试，成本低廉、易于实施，具有较强的推广价值。

Description

控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破方法

技术领域

本发明属于爆破施工技术和爆破振动效应控制领域，尤其涉及一种控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破方法。

背景技术

桥梁桩基在坚硬岩层段开挖时一般采用高效快捷的钻孔爆破方法。近年来随着高速公路和铁路的大规模建设，以及城市燃气的的日益普及，桥梁桩基的爆破施工作业区与现役埋地燃气管道临近交错的情况较为常见。桥梁桩基爆破的设计参数尤其是引起振动最为强烈的掏槽眼单段最大装药量选取不当，带压运行的燃气管道在爆破地震波的作用下会产生破损或断裂，导致燃气泄露，对人们的生命和财产安全造成严重威胁。

我国现行的《爆破安全规程》并没有涉及对临近埋地燃气管道的爆破振动控制标准，而桥梁桩基爆破产生的振动强度需考虑桩基深度动态变化的影响，使得临近埋地管道的桩基爆破方案的设计参数选取具有盲目性。若掏槽眼单段最大装药量过小，施工效率太低，不利于发挥爆破技术的优势；若掏槽眼单段最大装药量过大，就可能影响燃气管道的安全运行，引发工程事故。因此，提出控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破掏槽眼单段最大装药量的确定方法，从而平衡爆破施工效率和控制埋地燃气管道安全运行之间的矛盾，是爆破施工领域亟待解决的一项关键技术。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破方法，利用该方法确定的掏槽眼单段最大装药量在实施桥梁桩基爆破时，既能保证埋地燃气管道的正常安全运行，又能最大限度地提高桥梁桩基爆破施工效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破方法，包括如下步骤：

步骤1：制定桥梁桩基掏槽眼爆破试验方案

步骤2：布置爆破振动测点，并采集和整理爆破试验数据

其中，爆破试验数据包括各测点的爆心距、高差、爆破振动峰值合速度(爆破振动速度信号在水平径向、水平切向和垂直方向的合成信号的峰值)和单段最大装药量；

步骤3：基于上述整理的多组爆破试验数据，代入公式(1)中，回归计算出该爆破现场的K、α、β系数，进而得到该爆破现场的爆破振动速度预测模型；

其中，V为爆破振动峰值合速度，cm/s；Q为单段最大装药量，kg；R为爆心距，m；H为测点的高差，m；K、α、β为与爆区场地条件有关的系数；

步骤4：计算埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动速度

其中，最大允许爆破振动速度计算式如下：

其中，ρ为填土密度，kg/m³；C_p为填土纵坡波速，m/s；E_t为填土的弹性模量，Mpa；σ_d为埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动应力；

步骤5：计算任一桥梁桩基在不同深度爆破时埋地燃气管道正上方地表处的最大允许爆破振动速度

任选一个桥梁桩基，假定该桩基开挖至某一深度时爆源至临近埋地燃气管道轴线的垂足对应地表处的爆心距为R_i，高差为H_i，管道埋深为D_i，则桥梁桩基在该深度爆破时埋地燃气管道正上方地表处的最大允许爆破振动速度为：

步骤6：确定任一桥梁桩基在不同深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量

核实每个桥梁桩基在不同深度爆破时与临近埋地燃气管道的相对位置参数，包括爆源与爆源至埋地燃气管道轴线垂足所对应地表处的爆心距R_i、高差H_i；将R_i、H_i、V_D代入爆破现场的爆破振动速度预测模型，从而确定出每个桥梁桩基在不同深度爆破时的单段最大装药量，如下式：

同理，重复步骤5和步骤6，可确定出任一桥梁桩基在不同深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量。

具体的，埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动应力计算式为：

σ_d＝0.9σ_s-(σ_h-σ_α) (4)

其中，σ_s为埋地燃气管道的最小屈服强度，Mpa；σ_h为埋地燃气管道在正常运行状态下所受环向应力；σ_α为埋地燃气管道在正常运行状态下所受轴向应力。

具体的，埋地燃气管道在正常运行状态下所受环向应力为：

其中，P为埋地燃气管道的运行压力，MPa；d为埋地燃气管道的内径，mm；δ为埋地燃气管道的壁厚，mm。

具体的，埋地燃气管道在正常运行状态下所受轴向应力为：

σ_α＝μσ_h+Eα₁(t₁-t₂) (3)

其中，μ为埋地燃气管道的泊松比；E为埋地燃气管道的弹性模量，Mpa；α₁为埋地燃气管道的线膨胀系数，℃^-1；t₁为埋地燃气管道的回填温度，℃；t₂为埋地燃气管道的工作温度，℃。

具体的，桥梁桩基掏槽眼爆破试验方案具体制定过程为：选择距埋地燃气管道较远的桥梁桩基开展掏槽眼爆破试验，爆破试验方案在桥梁桩基的原爆破施工方案的掏槽眼孔网参数基础上，将掏槽眼单段最大装药量调整为原设计药量的50％。

具体的，步骤2的具体过程为：沿爆源至埋地燃气管道轴线的垂线投射至地表区段布设5个爆破振动测点，5个测点处分别布设爆破振动测试仪及三方向速度传感器，在桥梁桩基三个不同的开挖深度分别实施爆破试验方案，采集各测点三个方向的振动速度，求解各测点的峰值合速度，进而得到三个炮次的全部爆破试验数据。

具体的，其中离爆源最近的测点布设在爆心距不小于

的位置处，其中一个测点布设在爆源至埋地燃气管道轴线垂足对应的地表处，另外3个测点根据前两个测点的距离平均分段布设。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明在确定桥梁桩基爆破的掏槽眼单段最大装药量时充分考虑了临近埋地燃气管道带压运行的应力状态，能够保证爆破作业实施时埋地燃气管道的正常安全运行。同时，确定的掏槽眼单段最大装药量随桩基位置和开挖深度不同而动态变化，在控制埋地燃气管道振动效应前提下最大限度地提高各个桥梁桩基的爆破施工效率。

本发明不需开挖管道进行跟踪监测，只需在地表处做少许爆破振动测试，成本低廉、易于实施，具有较强的推广价值。本发明对埋地燃气管道爆破振动效应的预测和控制具有实际的应用价值，对临近埋地燃气管道的桥梁桩基工程和其它地下开挖工程的爆破施工方案的确定和优化具有重要的指导意义。此外，本发明有助于推进埋地燃气管道的爆破振动控制安全标准的制定。

附图说明

图1为本发明实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例的测点平面布置示意图；

图3为本发明实施例的桥梁桩基与埋地燃气管道空间位置立面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破方法，包括如下步骤：

步骤1：制定桥梁桩基掏槽眼爆破试验方案。

选择距埋地燃气管道较远的桥梁桩基开展掏槽眼爆破试验，爆破试验方案在桥梁桩基的原爆破施工方案的掏槽眼孔网参数基础上，将掏槽眼单段最大装药量调整为原设计药量的50％。

步骤2：合理布置爆破振动测点，采集和整理爆破试验数据。

沿爆源至埋地燃气管道轴线的垂线投射至地表区段布设5个爆破振动测点，建议其中离爆源最近的测点布设在爆心距不小于

的位置处，其中一个测点布设在爆源至埋地燃气管道轴线垂足对应的地表处，另外3个测点可以根据前两个测点的距离平均分段布设。5个测点处分别布设爆破振动测试仪及三方向(水平径向、水平切向和垂直方向)速度传感器。在桥梁桩基三个不同的开挖深度分别实施爆破试验方案，采集各测点三个方向的振动速度，求解各测点的峰值合速度。进一步整理出三个炮次的全部爆破试验数据，包括各测点的爆心距、高差、爆破振动峰值合速度、单段最大装药量等参数。

步骤3：回归计算爆破现场的爆破振动速度预测模型。

爆破振动速度预测模型的公式形式如下：

其中，V为爆破振动峰值合速度，cm/s；Q为单段最大装药量，kg；R为爆心距，m；H为爆源和测点处的高差，m；K、α、β为与爆区场地条件有关的系数。

基于上述整理的多组爆破试验数据，按照公式(1)中的模型形式，回归计算出该爆破现场的K、α、β等系数，代入公式(1)，进而得到该爆破现场的爆破振动速度预测模型。

步骤4：计算埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动速度。

埋地燃气管道在正常运行状态下所受环向应力为：

其中，P为埋地燃气管道的运行压力，MPa；d为埋地燃气管道的内径，mm；δ为埋地燃气管道的壁厚，mm。

埋地燃气管道在正常运行状态下所受轴向应力为：

σ_α＝μσ_h+Eα₁(t₁-t₂) (3)

其中，μ为埋地燃气管道的泊松比；E为埋地燃气管道的弹性模量，Mpa；α₁为埋地燃气管道的线膨胀系数，℃^-1；t₁为埋地燃气管道的回填温度，℃；t₂为埋地燃气管道的工作温度，℃。

则埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动应力为：

σ_d＝0.9σ_s-(σ_h-σ_α) (4)

其中，σ_s为埋地燃气管道的最小屈服强度，MPa。

进一步计算出埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动速度为：

其中，ρ为填土密度，kg/m³；C_p为填土纵坡波速，m/s；E_t为填土的弹性模量，Mpa。

步骤5：计算任一桥梁桩基在不同深度爆破时埋地燃气管道正上方地表处的最大允许爆破振动速度。

任选一个桥梁桩基，假定该桩基开挖至某一深度时爆源至临近埋地燃气管道轴线的垂足对应地表处的爆心距为R_i，高差为H_i，管道埋深为D_i，则桥梁桩基在该深度爆破时埋地燃气管道正上方地表处的最大允许爆破振动速度为：

步骤6：确定任一桥梁桩基在不同深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量。

核实每个桥梁桩基在不同深度爆破时与临近埋地燃气管道的相对位置参数，包括爆源与爆源至埋地燃气管道轴线垂足所对应地表处的爆心距R_i、高差H_i。将R_i、H_i、V_D代入爆破现场的爆破振动速度预测模型，从而可确定出每个桥梁桩基在不同深度爆破时的单段最大装药量，如下式：

同理，重复步骤5和步骤6，可确定出任一桥梁桩基在不同深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量。

具体实施例

一种控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破方法，包括如下步骤：

步骤1：制定桥梁桩基掏槽眼爆破试验方案。

某桥梁工程入岩段桩基开挖采用浅眼松动爆破技术，爆破作业区附近存在埋地燃气管道，管道的填土埋深0.8-1.5m，填土参数：密度1850kg/m³，纵坡波速1900m/s，弹性模量2.7Mpa；管道参数：外径711mm，弹性模量2.05×10⁵Mpa，泊松比0.3，壁厚8.7mm，回填温度15℃，工作温度39℃，运行压力3.5MPa，线膨胀系数1.2×10^-5℃^-1，最小屈服强度360MPa。管道两侧50m范围内有部分桩基需要爆破开挖，桩长25-30m，孔桩直径为1.5-2.5m。选择距埋地燃气管道较远(地面距离为48m处)的一个孔桩直径为1.5m的桥梁桩基开展掏槽眼爆破试验，该桩基原爆破施工方案中掏槽眼参数为：孔数4个，孔径0.5m，孔深1.0m，孔距0.52m，单孔装药量220g(乳化炸药)，4孔同时起爆，单段最大装药量为880g。爆破试验方案在原爆破设计方案基础上，将掏槽孔单孔装药量调整为110g，即单段最大装药量调整为440g。

步骤2：合理布置爆破振动测点，采集和整理爆破试验数据。

沿爆源至埋地燃气管道轴线的垂线投射至地表区段布设5个爆破振动测点，现场的测点平面布置参见图2。在桥梁桩基开挖至8m、12m和18m处分别实施爆破试验方案，采集各测点三个方向的振动速度，求解各测点的峰值合速度。进一步整理出三个炮次的全部爆破试验数据，参见表1。

步骤3：回归计算爆破现场的爆破振动速度预测模型。

基于上述整理的爆破试验数据(参见表1)，按照公式(1)中的模型形式，回归计算出该爆破现场的K、α、β等系数：K＝258.37、α＝1.47、β＝-0.16，代入公式(1)，进而得到该爆破现场的爆破振动速度预测模型为：

步骤4：计算埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动速度。

按照公式(2)，计算埋地燃气管道在正常运行状态下所受环向应力为：

按照公式(3)，计算埋地燃气管道在正常运行状态下所受轴向应力为：

σ_α＝0.3×139.52+2.05×10⁵×1.2×10^-5×(15-39)＝-100.90MPa

按照公式(4)，则计算出埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动应力为：

σ_d＝0.9×360-[139.52-(-100.90)]＝83.58MPa

按照公式(5)，进一步计算出埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动速度为：

步骤5：计算任一桥梁桩基在不同深度爆破时埋地燃气管道正上方地表处的最大允许爆破振动速度。

表1为爆破试验数据表

在此以求距临近埋地燃气管道最短地面距离为32.5m、孔桩直径1.5m的桥梁桩基开挖至10m深度(空间位置立面示意图参见图3)时的V_D为例。对应的参数：R_i＝35.25m、H_i＝14.33m、D_i＝1.32m，将后两个参数值代入公式(6)，计算出该桥梁桩基在10m深度爆破时埋地燃气管道正上方地表处的最大允许爆破振动速度为：

步骤6：确定任一桥梁桩基在不同深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量。

将R_i＝35.25m、H_i＝14.33m、V_D＝3.18cm/s、K＝258.37、α＝1.47、β＝-0.16代入公式(7)，可确定出该桥梁桩基在10m深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量为：

同理，重复步骤5和步骤6，可确定出任一桥梁桩基在不同深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量。如距埋地燃气管道最短地面距离为27.6m、孔桩直径1.8m的桥梁桩基开挖至21m深度时(R_i＝36.19m、H_i＝23.55m、D_i＝1.28m)掏槽眼的单段最大装药量为：2.31Kg，距埋地燃气管道最短地面距离为22m、孔桩直径1.5m的桥梁桩基开挖至17m深度时(R_i＝28.79m、H_i＝18.65m、D_i＝1.24m)掏槽眼的单段最大装药量为：1.17Kg。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.控制埋地燃气管道振动效应的桥梁桩基爆破方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：制定桥梁桩基掏槽眼爆破试验方案

步骤2：布置爆破振动测点，并采集和整理爆破试验数据

其中，爆破试验数据包括各测点的爆心距、高差、爆破振动峰值合速度和单段最大装药量；

步骤3：基于上述整理的多组爆破试验数据，代入公式(1)中，回归计算出该爆破现场的K、α、β系数，进而得到爆破现场的爆破振动速度预测模型；

其中，V为爆破振动峰值合速度，cm/s；Q为单段最大装药量，kg；R为爆心距，m；H为测点的高差，m；K、α、β为与爆区场地条件有关的系数；

步骤4：计算埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动速度

其中，最大允许爆破振动速度计算式如下：

其中，ρ为填土密度，kg/m³；C_p为填土纵坡波速，m/s；E_t为填土的弹性模量，Mpa；E为埋地燃气管道的弹性模量，Mpa；σ_d为埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动应力；

步骤5：计算任一桥梁桩基在不同深度爆破时埋地燃气管道正上方地表处的最大允许爆破振动速度

任选一个桥梁桩基，假定该桩基开挖至某一深度时爆源至临近埋地燃气管道轴线的垂足对应地表处的爆心距为R_i，高差为H_i，管道埋深为D_i，则桥梁桩基在该深度爆破时埋地燃气管道正上方地表处的最大允许爆破振动速度为：

步骤6：确定任一桥梁桩基在不同深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量

核实每个桥梁桩基在不同深度爆破时与临近埋地燃气管道的相对位置参数，包括爆源至临近埋地燃气管道轴线的垂足对应地表处的爆心距为Ri、高差H_i；将R_i、H_i、V_D代入爆破现场的爆破振动速度预测模型，从而确定出每个桥梁桩基在不同深度爆破时的单段最大装药量：

同理，重复步骤5和步骤6，可确定出任一桥梁桩基在不同深度爆破时掏槽眼的单段最大装药量。

2.根据权利要求1所述的桥梁桩基爆破方法，其特征在于：埋地燃气管道在正常运行状态下管顶处质点的最大允许爆破振动应力计算式为：

σ_d＝0.9σ_s-(σ_h-σ_α) (4)

其中，σ_s为埋地燃气管道的最小屈服强度，Mpa；σ_h为埋地燃气管道在正常运行状态下所受环向应力；σ_α为埋地燃气管道在正常运行状态下所受轴向应力。

3.根据权利要求2所述的桥梁桩基爆破方法，其特征在于：埋地燃气管道在正常运行状态下所受环向应力为：

其中，P为埋地燃气管道的运行压力，MPa；d为埋地燃气管道的内径，mm；δ为埋地燃气管道的壁厚，mm。

4.根据权利要求2所述的桥梁桩基爆破方法，其特征在于：埋地燃气管道在正常运行状态下所受轴向应力为：

σ_α＝μσ_h+Eα₁(t₁-t₂) (3)

其中，μ为埋地燃气管道的泊松比；E为埋地燃气管道的弹性模量，MPa；α₁为埋地燃气管道的线膨胀系数，℃^-1；t₁为埋地燃气管道的回填温度，℃；t₂为埋地燃气管道的工作温度，℃。

5.根据权利要求2所述的桥梁桩基爆破方法，其特征在于：桥梁桩基掏槽眼爆破试验方案具体制定过程为：选择距埋地燃气管道较远的桥梁桩基开展掏槽眼爆破试验，爆破试验方案在桥梁桩基的原爆破施工方案的掏槽眼孔网参数基础上，将掏槽眼单段最大装药量调整为原设计药量的50％。

6.根据权利要求2所述的桥梁桩基爆破方法，其特征在于：步骤2的具体过程为：沿爆源至埋地燃气管道轴线的垂线投射至地表区段布设5个爆破振动测点，5个测点处分别布设爆破振动测试仪及三方向速度传感器，在桥梁桩基三个不同的开挖深度分别实施爆破试验方案，采集各测点三个方向的振动速度，求解各测点的峰值合速度，进而得到三个炮次的全部爆破试验数据。

7.根据权利要求6所述的桥梁桩基爆破方法，其特征在于：其中离爆源最近的测点布设在爆心距不小于

的位置处，其中一个测点布设在爆源至埋地燃气管道轴线垂足对应的地表处，另外3个测点根据前两个测点的距离平均分段布设。

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