南水北调中线京石段爆破振动安全问题研究
Safety Problem of Blasting Vibration in Beijing-Shijiazhuang
Section of the Middle Route in
South-To-North Water Transfering Project
梁向前
(中国水利水电科学研究院，北京100044)
摘 要：南水北调中线京石段应急供水工程爆破施工区紧邻村庄民房、地下天然气管道、应急供水管线等建(构)筑物。为确保工程的顺利建设和周围环境安全，工程采用了较为严格的安全控制标准来指导爆破设计和施工；同时进行了爆破地震波地面传播特性、岩体内爆破地震波衰减特性等爆破振动效应试验研究，系统分析了爆破地震波的传播衰减规律。京石段的爆破振动监测成果，有效地指导了现场爆破安全施工。
关键词：京石段；工程爆破；安全标准；振动效应；试验与监测
1 工程概况
南水北调中线京石段应急供水工程南起河北省石家庄，北至北京团城湖，是向北京应急供水优先安排的工程。工程建成后，可联合调度河北省岗南、黄壁庄、王快、西大洋4座水库向北京供水，2008年奥运会前具备每年向北京应急供水4亿m3的能力。
京石段应急供水工程按行政区域分为北京段和河北段，分属北京市南水北调工程建设管理中心和河北省南水北调工程指挥部管理。北京段涉及到石方爆破开挖的工程为PCCP管道工程土建第一标段～土建第四标段、西甘池隧洞和崇青隧洞共六个施工标段(以下统称PCCP管道工程)，归属于PCCP现场项目管理部统一管理。河北段承担石方爆破振动试验与监测的标段有代建第Ⅳ标段、S31标段、S34标段、S49标段共四个渠道施工标段。
京石段应急供水工程全长307.46km，石方爆破区地形地质条件多变，渠道爆破工作面宽度窄、深度大、延线长，爆破施工条件差，施工质量控制难度较大。工程区域周边环境复杂，渠道边线50m外即为村庄民房，局部地区横穿天然液化气管道、应急供水管线等。如北京段PCCP管道工程与张坊应急供水管线平行或局部相交，最近距离仅15m；河北段S49标段渠道与陕京天然气管道相交。
2 爆破振动安全控制标准
京石段工程区分布的建筑物、构筑物、地下设施较多，须根据周围保护对象的抗震能力，制定严格的爆破振动安全控制标准，以指导、监督爆破安全施工。安全控制标准需根据国家行业标准规范、建(构)筑物结构抗震特性、区域构造地质条件等综合确定。
《爆破安全规程》(GB 6722—2003)第6.2.2款规定了被保护目标物的爆破振动安全允许标准，对制定工程爆破对地面设施的安全振速控制值有较好的参考作用。对于张坊应急供水管线(直径ф2000mm的PCCP管道)、陕京石油天然气管道(直径ф700mm的钢管)及其他低下设施，且内部均承受较大的作用压力，这类结构尚缺少明确的安全允许振速值。
为保护地下设施的安全，开展了爆破地震波沿深度传播规律研究和爆破振动对石油天然气管道的安全试验研究。根据试验成果，并依据爆破安全规程、中国地震烈度表以及工程规定文件要求，制定了京石段石方爆破安全控制标准。
北京段PCCP管道工程爆破施工时，因对管线100m范围内建筑物进行了拆迁或补偿处理，周围建(构)筑物、地下管线设施的安全允许振速规定为：(1)地面设施，按距爆源100m处的爆破振动速度1.0cm/s的标准控制；(2)地下设施，按V度地震烈度的参考指标，地面振动速度3.Ocm/s的标准控制。
河北段安全控制对象主要是村庄民房结构和陕京天然气管道。根据各标段施工区的环境条件和爆破施工特点，制定爆破安全允许振速为：(1)地面设施，房屋结构的安全允许振速以爆破安全规程GB 6722—2003中规定为依据，并考虑具体结构的抗震性能进行安全评价；(2)地下设施，石油天然气管道地面安全允许振速按3.0cm/s控制。
3 爆破振动效应试验研究
3.1 爆破地震波地面传播特性研究
南水北调北京段爆破开挖区岩石为大理岩，抗压强度为93～146MP，节理较发育，稳定性较差，无活动性断裂通过。爆破施工采用梯段爆破，段间毫秒延期，孔内、孔外延时相结合的起爆网路技术。工程共进行爆破振动监测264次，监测点数520个，获得了大量的现场实测数据。通过对监测数据分析处理得到的爆破地震波的传播衰减规律为：
(1)
式中，υ为介质质点振动速度，cm/s；Q为药量，kg；R为爆源中心到观测点距离，m。
3.2 岩体内爆破地震波衰减特性研究
3.2.1 试验目的
爆破地震波在传播过程中引起周围岩土介质的振动，遇到地下和地面的建筑物和构筑物时，将与其发生相互作用，直接威胁到爆区周围建(构)筑物的安全。在京石段工程爆破中多处涉及地下管线的爆破抗振安全问题。如何通过监测地面质点振速来控制爆破地震波对地下管线的振动安全影响，是工程施工中需要解决的主要问题。为此，在爆区附近布设了专门试验钻孔，在不同深度处埋设了双向速度传感器，开展了专项试验研究。
3.2.2 试验内容
现场试验孔深19m，分别在地表、地下5m、地下10m、地下19m处布设了4组传感器(图1)，
图1 沿深度方向传感器布置图
Fig.1 Sensor general arrangement along depth direction
每组均埋设水平向(垂直管线开挖轴线)和铅垂向两台传感器。传感器安放后，试验孔用钻孔岩粉填塞并挤压密实，以保持填塞物与岩土介质物理力学参数的一致性。
3.2.3 试验成果分析
现场共进行了9次爆破地震波沿深度方向振速衰减试验，爆破总药量1000～5784kg，最大单响药量为35～50kg，爆源位置距离观测孔24～lOOm。从实际观测结果看，爆破地震波传播至地表时产生强烈的反射波，造成地表振速值明显地大于地下5m处的振速值，地下5m处的振速值大于地下lOm、19m处的振速值。
爆破地震波在岩体内沿深度方向是逐渐衰减的，地表震动由于受表面波和反射波的影响要大一些，地层深度受岩土体约束作用质点振动则要小一些，衰减规律一般呈负指数规律变化。按负指数曲线计算爆破地震波在深度方向的传播衰减公式为：
υ=υoe-KH (2)
式中，υ为深度方向振速，cm／s；υo为地面振速，cm／s，k为衰减系数；H为距地表深度(取正值)，m。
根据试验实测数据，运用数理统计方法计算得出，υ(H)沿深度方向的衰减系数为：铅垂方向k┴=0.08～0.09，水平方向(垂直渠道开挖轴线)K//=0.08～0.12。
3.3 地下天然气管道爆破振动试验研究
3.3.1 试验目的
陕京天然气管道为西气东输重点工程，依据石油天然气管道保护条例(国务院第313号令)，管道两侧50m内禁止爆破，50～500m范围内进行爆破时应事先征得管道企业同意，在采取安全保护措施后方可进行。为此，在工程建设初期开展了天然气管道的爆破振动试验研究。
3.3.2 试验爆破参数
爆破试验地点选择在爆破施工区内，距管道较远的区域并与正式生产施工地质条件基本一致。爆破试验区距管道226.2m，爆破总药量364kg，单孔药量平均16.5kg，分段单响药量控制在41.4～80.25kg，起爆网路采用孔外毫秒延期起爆技术，孔间采用MS3和MS5两段接力起爆雷管，孔内采用MS5段雷管。
3.3.3 试验结果
试验从爆源到天然气管道方向共布置了5个观测点，最近距离36.1m，最远距离226.2m(距管道位置)，测点间距大约按对数等间距分布。
监测表明，距爆源226.2m处的天然气管道实际最大振速仅为0.29cm／s，小于规定的安全标准。爆破试验表明，采用的爆破方案可行，参数选择合理，爆破地震效应不会危及天然气管线的安全。
基于实测爆破振动数据，运用数理统计方法回归拟合得到爆破地震波沿地面传播衰减规律为：
(3)
根据爆破振动速度公式和管道安全控制标准，可计算出距天然气管道不同距离处的药量控制标准，以指导后期工程爆破施工。
4 结论
(1)自2006年底北京段PCCP管道工程开始了工程爆破的全程跟踪监测，河北段4个渠道标段相继进行了石方爆破振动监测，其中S49标段在完成现场试验后对爆破开挖的全程进行跟踪监测。工程爆破振动安全监测成果，从整体上控制了爆破地震效应对周边建(构)筑物的安全影响，对爆破设计、施工方案提出了严格要求，对方案的优化设计提供了依据。至2007年12月，PCCP管道工程各标段完成了石方爆破施工任务，河北段4个标段也预期完成。监测工作有效地保证了工程的顺利施工，维护了周边环境的和谐稳定。
(2)针对工程区环境条件，提出了北京段、河北段爆破振动安全控制标准。从振动监测成果分析，制定的安全标准是较为科学的。地下管线的安全标准对类似工程具有借鉴作用。
(3)针对地下管道(供水、供气)受爆破地震的安全影响，进行了岩体内不同深度处的地震波传播特性试验，研究了爆破地震波在地面处反射作用程度；通过对比地面与不同深度处的振速影响大小，分析了爆破振动速度幅值沿深度的传播衰减规律，建立了不同深度处振速值与地面振速值的负指数函数关系式。
(4)按石油天然气管道保护条例规定，河北段S49标段渠道开展了爆破对天然气管线的安全振动试验研究。试验爆破规模、施工方式与实际相同，实测管道附近振速值较小，管道结构安全。根据试验结果，提出了爆破振速衰减公式，对实际施工提供了参考依据。
参考文献
[1] GB 6722—2003爆破安全规程[s]．
[2] DL/T 5135—2001：水电水利工程爆破施工技术规范[s]．
[3] GB/T 17742—1999中国地震烈度表[s]．
[4] 石油天然气管道保护条例(国务院第313号令)．
[5] 加快中线京石段应急供水工程建设动员会在京召开．www．nsbd．gov．cn．2006．9．21