濱海地區(qū)鉆爆法施工對鄰近腐蝕管線的影響及風(fēng)險評估分析.pdf

1、地鐵作為現(xiàn)代化的交通方式，已逐漸成為世界各國解決城市交通擁堵問題的重要舉措之一。目前我國已投入運營和正在修（籌）建地鐵的城市有20多個，地鐵的建設(shè)迎來了發(fā)展的高潮。地鐵隧道工程一般處于城市中心地帶，地層中各種管線交錯密集、分布復(fù)雜，隧道施工必然會對其安全造成不利影響，若控制不力則極易造成煤氣泄露爆炸、水管爆裂形成水患、電纜斷裂造成停電或通訊中斷等安全事故。
　　對于歷史較久的埋地管道而言，由于長期埋置地下，受周圍環(huán)境的侵蝕及多年使

2、用的損害均會造成其力學(xué)性能的劣化，特別是處于濱海地區(qū)（如大連、青島），由于海平面上升等自然因素影響導(dǎo)致的海水入侵，造成此區(qū)域的地下建筑設(shè)施長期受海水浸蝕而發(fā)生腐蝕。而這些地區(qū)的地質(zhì)條件又相對復(fù)雜，存在“巖質(zhì)堅硬”和“土質(zhì)松軟”并存、“高地下水位”的地質(zhì)特點，因而鉆爆法成為該類地區(qū)地鐵隧道的主要施工方法。當(dāng)采用鉆爆法施工時，爆破開挖產(chǎn)生的地震將會對鄰近已經(jīng)發(fā)生腐蝕（老化）的埋地管道產(chǎn)生不利影響，加劇腐蝕管道的破裂，造成其周圍地層條件惡化，

3、加大地鐵施工難度及風(fēng)險。但目前的研究工作基本上都是針對采用盾構(gòu)法施工的非巖質(zhì)地區(qū)地鐵隧道，并且沒有考慮管道腐蝕、老化等不利影響，而關(guān)于采用鉆爆法施工的地鐵隧道對鄰近腐蝕管道的影響研究幾乎還未開展。因此，開展鉆爆法施工對鄰近腐蝕管線的影響研究具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。
　　本文以大連地鐵隧道工程為背景，在調(diào)研工程沿線埋地管道的類型、接頭型式、埋設(shè)年代和地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，開展管道的室內(nèi)腐蝕試驗及力學(xué)性能試驗，進(jìn)而建立管道的腐蝕速率

4、預(yù)測模型及剩余強(qiáng)度預(yù)測模型。借助現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬等手段，研究爆破地震波在巖土體的傳播規(guī)律以及埋地管線在爆破地震波作用下的動力響應(yīng)。基于ARMA模型對鉆爆法施工條件下的淺埋管線變形進(jìn)行了預(yù)測，并結(jié)合建立的管線沉降引起的經(jīng)濟(jì)損失模型和考慮管道剩余強(qiáng)度的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，對地鐵隧道施工誘發(fā)管道破壞的風(fēng)險進(jìn)行評估分析。最后，結(jié)合大連地鐵隧道鉆爆法施工的工程實踐，從爆源控制、隧道開挖方式優(yōu)化以及地震波傳播過程控制等角度，提出城市地鐵隧道鉆爆法施工過

5、程中沿線埋地管線的安全防護(hù)控制措施。論文的主要研究工作如下:
　　(1)對海水侵蝕環(huán)境下管道腐蝕速率進(jìn)行了模擬試驗研究，研究了兩種材質(zhì)管道的腐蝕速率、腐蝕規(guī)律和特性;將灰色理論中的灰關(guān)聯(lián)分析用于分析管道腐蝕影響因素的關(guān)聯(lián)度，然后與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，建立了基于灰關(guān)聯(lián)分析的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，對管道的腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測，并與實測值進(jìn)行對比，該模型的預(yù)測結(jié)果精度較高;使用遺傳算法改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并將改進(jìn)后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)用于腐蝕管道

6、的剩余強(qiáng)度預(yù)測。
　　(2)以采用鉆爆法施工的大連地鐵一號線千山路站至松江路站區(qū)間隧道為工程背景，對該區(qū)間地鐵沿線的埋地管線進(jìn)行了變形監(jiān)測和爆破振動監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用回歸分析法建立了反映大連地鐵隧道爆破地震波傳播特性的質(zhì)點振速薩道夫斯基預(yù)測公式。在鉆爆法施工過程中，可以參考薩道夫斯基公式并結(jié)合現(xiàn)場爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)來不斷地完善和調(diào)整爆破參數(shù)，從而指導(dǎo)地鐵隧道后續(xù)階段的施工。
　　(3)采用FLAC3

7、D軟件，建立了隧道-巖土體-腐蝕管道三維數(shù)值模型，對鉆爆法施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場爆破監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明:數(shù)值模擬得到的爆破地震波和地表質(zhì)點最大振速隨爆心距的衰減規(guī)律與實測結(jié)果一致。說明采用數(shù)值模擬研究地鐵隧道鉆爆法施工產(chǎn)生的爆破振動效應(yīng)是可行的。根據(jù)地表質(zhì)點振速衰減規(guī)律，建立了控制最大段藥量的計算公式。最后，采用數(shù)值模擬方法研究了不同管道埋深、不同管道腐蝕程度以及不同隧道開挖方式下鉆爆法施工引起的爆破振

8、動效應(yīng)。研究結(jié)果表明:深埋管道較淺埋管道爆破響應(yīng)趨于激烈;由于管道腐蝕導(dǎo)致管道剛度的下降，管道沉降和最大拉應(yīng)變呈非線性增大;全斷面開挖時，圍巖應(yīng)力響應(yīng)最小。
　　(4)管線的變形受很多因素影響，很難建立一個包括所有影響因素在內(nèi)的管線變形隨時間變化的函數(shù)關(guān)系式。ARMA模型強(qiáng)調(diào)“讓數(shù)據(jù)自己說話”，從數(shù)據(jù)本身來尋找可以較好描述數(shù)據(jù)的模式，從而可以保證模型與數(shù)據(jù)擬合較好。本文基于ARMA模型對大連地鐵隧道沿線的淺埋管線變形進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測

9、數(shù)據(jù)誤差較小，除個別數(shù)據(jù)有一定誤差外，預(yù)測數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)基本重合，表明ARMA模型可以用來預(yù)測管線累計沉降。
　　(5)以經(jīng)濟(jì)損失為評價指標(biāo)，提出了鉆爆法施工對鄰近腐蝕管線影響的風(fēng)險評估方法。首先建立了考慮管線剩余強(qiáng)度的破壞評價標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的有關(guān)方法，提出地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度函數(shù)，并結(jié)合管線破壞的經(jīng)濟(jì)損失表達(dá)式，最終確定了地表最大沉降與經(jīng)濟(jì)損失期望值之間的關(guān)系。論文還從風(fēng)險分析的角度研究了大連地鐵一號線松江路站至東緯路站