摘要：以南水北调中线京石段工程为例，分析了工程爆破施工区附近的供水、供气管线抗振特性，并结合现场爆破振动试验和施工监测，研究了爆破地震波的传播衰减规律和爆破振动对供水管线的安全影响。研究结果有助于确定地下管线的爆破振动安全标准，指导类似工程施工。
l 前言
在现代工业生产和城市化建设中，地下输送水、油、气以及通讯、供电等管道设施分布越加广泛，常称之为现代工业和城镇生活的大动脉，因而也被称为生命线工程。在岩土爆破和城市控制爆破中，爆破产生的冲击振动无疑对地下管线的安全运行带来影响。大量的地震灾害也表明，一旦造成地下管线的破坏，将产生严重的生命财产损伤和次生灾害。
京石段应急供水工程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标段开挖渠道与陕京天然气管道平行或局部交叉。因此，在工程初期必须制定合理的振动安全控制标准，采取优化的控制爆破技术和有效的安全监测手段，确保工程的顺利施工，周边供水管线、供气管线等生命线的安全运行。
2 爆破振动安全控制标准
张坊应急供水管线在石方爆破区，大都位于地下5m左右。管道为PCCP结构，直径2m。PCCP是由预应力钢丝、钢筒、混凝土构成的复合管材，是预应力钢筒混凝土管(PRESTRESSED CONCRETE CYLINDER PIPE)的英文缩写。它可以承受很高的工作压力，我国产品的标准工作压力指标为0．4～2．0MPa，国外应用的PCCP工作压力有的高达3．0MPa以上。陕京天然气管道为钢卷板焊接而成，壁厚7mm，工作压力高达6．0MPa，对这种长距离的高压管线结构的安全允许振速，文献资料与工程经验都极为缺少，尚属空白。
陕京天然气管道为西气东输重点工程，爆破施工一旦引起天然气的泄漏，将造成严重的社会环境危害和影响北京市上千万人民的正常生活。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，50m～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，在工程初期开展天然气管道的抗震安全能力研究。
工程所在地为北京房山区、河北易县，该地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0．10g，同时，根据以往设计施工经验，及爆破安全规程、中国地震烈度表以及工程规定文件要求，制定了地下管线(供水管道、天然气管线)安全抗振标准：
按V度地震烈度的参考指标，振动速度为3．0cm／s的标准控制。
3 爆破振动效应试验研究 、
3．1岩体内爆破地震波衰减特性研究
(1)试验目的
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，在爆破区附近钻设了专门试验钻孔，在不同深度处埋设了双向速度传感器，开展了该专项试验研究。
(2)试验内容
现场试验孔深19m，分别在地表、地下5m、10m、19m处布设了4组传感器，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。
图1沿深度方向传感器布置图
(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，最大单响药量分别为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，二者相差2～3倍。
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稀疏波的影响要大一些，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：
v=v0e-kH
式中：1，为深度方向振速，cm／s； v0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，运用数理统方法计算得出，v(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～O．12。实测爆破地震波振速在不同深度处的变化规律见图2。
图2振速沿深度衰减变化曲线
3．2地下天然气管道的爆破振动试验研究
(1)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41．4kg～80．25kg，起爆网路采用孔外毫秒微差起爆技术，孔间采用MS3和MS5两段接力起爆雷管，孔内采用MS5段雷管。
(2)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(管道位置)，测点间距大约按对数等间距分布。单响药量控制在40kg多段与80kg单段时，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。爆破试验结果表明，采用的爆破方案是可行的，选择参数合理，爆破地震效应不会危及天然气管线的安全。根据实测爆破振动数据，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：
V=83.9[R／Q1／3]-1.31
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 工程施工监测
南水北调中线北京段石方爆破施工历时16个月，监测点数520点次，张坊供水管线地面振速大都控制在3．Ocm／s以内，而大于3．0cm／s的测次有13点次，均位于距爆源50m范围以内，其中一次实测最大振速为7．32cm／s，根据试验结果估算，地下5m处振速在2．44-3．66cm／s，从工程监测的总体来看，张坊供水管线是安全，未出现泄漏现象。这说明，张坊供水管线的振动安全控制标准是偏于安全的。
南水北调中线河北段S49标段爆破施工，距离陕京天然气管线距离均大于50m。工程根据试验结果，制定了优化的爆破施工方案，针对距天然气管道的不同距离，确定了相应的爆破规模，最大单响药量和分段时差。爆破施工共历时近一年，爆破次数上百次，监测点次200余次，从监测结果来看，实测天然气管线地面振速均小于3．0cm／s，管道一直处于正常安全运行状态，未出现安全事故。工程表明，天然气管线的振速3．0cm／s控制标准是可行的。
5 结论
(1)从现场试验和大量的实测数据分析，并结合张坊供水管线和陕京天然气管线的安全运行状态，工程制定的安全标准是合理的，可行的。工程现场资料，对深入研究地下管线的抗震动力特性，抗震安全标准的制定，爆破振动允许振速的控制具有参考意义。
(2)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，对比了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。
(3)按石油天然气管道保护条例规定，河北段$49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。
