爆破振动对管道安全性影响评估研究

马伟平，姜旭，李贵荣，李萌

1.中国石油管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

2.中国石油天然气销售陕西分公司（陕西 西安 710000）

3.中国石油西南管道天水输油气分公司（甘肃 天水 741002）

4.中国石油管道长春输油气分公司（吉林 长春 130000）

“十四五”期间，我国油气管道仍将处在高速发展阶段，预防管道事故是管道企业的重要职责。随着国民经济发展，第三方破坏成为导致管道事故的重要因素，爆破是常见的第三方施工活动，如安全距离不足或无防护措施，可能造成管道焊缝断裂和油气泄漏事故[1]。《石油天然气管道保护法》要求距离管道中心200 m和管道设施500 m范围内进行爆破时，爆破施工单位和管道企业共同审定安全作业方案。国家标准GB 6722—2014《爆破安全规程》缺少爆破对长输管道安全影响的判定依据，管道附近爆破施工方案安全审查存在差异，管道企业和爆破施工单位矛盾普遍[2]；实践证明，稍大于200 m的爆破仍可能威胁管道安全。《石油天然气管道保护法》针对200 m临界值的爆破未完全禁止，缺少必要防护措施，可能造成安全隐患。研究爆破施工对管道的影响程度，确定爆破施工安全距离，是管道行业关注的重要问题。

1 爆破对管道的危害形式

油气管道采用埋地敷设，爆破对管道的破坏作用是爆破产生的地震波。首先爆破地震波沿地面传递给管道，管道产生振动，造成管道位移和变形，如附加应力超过管材结构强度，甚至导致管道断裂；爆破地震波破坏管道埋设区域环境，引发滑坡、崩塌、泥石流等灾害，造成管道弯曲、屈曲和凹陷等。爆破造成的其他危害形式包括毒性气体、飞石和粉尘等。一般的管道规划和勘察选线阶段尽可能避开高地质风险区域，或者采用弹性敷设、增加壁厚和换土回填等防护措施。爆破对管道的主要危害形式是爆破地震波引起的管道振动破坏。

2 爆破地震波传播机理

爆破地震波产生过程：预制炸药起爆后，能量释放形成的冲击荷载瞬间上升到最大值，首先将附近的岩石粉碎，然后爆炸冲击波强度快速减小，衰变为压缩应力波和爆破地震波。这两种波形的强度不能继续粉碎岩石，只能引起土体和设施的强烈振动，但其能量可传播至较远距离，直至爆炸能量被周围介质吸收、消耗。爆破地震波传播至管道，引起管道振动和发生位移变形。

爆破地震波传播规律：爆破地震波随着传播距离增加，能量逐渐衰减。距离起爆点越远，管道振动幅度和危害程度越小。爆破地震波是由多种波形组成的复杂波系，包括纵波、横波、洛夫波和瑞利波。爆炸能量主要取决于炸药类型和炸药当量，管道敷设周围的岩土性质不同，其吸收爆炸能量以及爆炸地震波衰变规律存在差异，这些都是影响爆破地震波强度的关键指标[3]。管道工程实践表明，低爆速炸药爆轰压力上升慢，爆破振动相对较小；断层、裂隙、河谷、采空区等特殊地质条件可降低爆破振动强度；采用微差、浅孔、密孔爆破方法可减小爆破振动强度；管道埋设区域为砂土、黏土层，相对岩石、冻土层区域，相同炸药量级下爆破振动强度较小。

3 爆破对管道安全影响的判定准则

为制定爆破对管道安全影响的判定准则，各国学者进行很多相关研究。初期阶段一般采用单一评价参数极限值作为管道安全判定准则，如爆破振动速度、土体沉降量和管道位移量等参数。随着研究深入，确定质点振动速度的重要影响因素是爆破振动频率，形成了基于主振频率—振动速度的爆破安全判定准则。近年来，爆破施工已成为管道沿线重要的第三方活动形式，除持续关注爆破地震波的破坏作用，管道企业和社会公众开始考虑爆破施工对管道周围环境、人员和建（构）筑物的影响，例如计算爆破安全距离、飞石安全距离和控制爆破噪声声压等。

3.1 峰值振动速度

目前较为公认的观点是，研究爆破对管道安全影响，实质上是研究爆破地震波造成的管道振动强弱问题。由于爆破地震波传递能量衰减，管体振动速度不断变化。为便于研究和统一判定准则，选取特定频率下的质点峰值振动速度作为爆破对管道安全影响的判定准则。国内外典型的爆破施工案例中，中石化川气东送管道爆破施工安全评审报告中指出不大于3.0 cm/s峰值振动速度作为输气管道安全判定准则。文献[4]研究了隧道爆破施工对附近输油管道安全影响，经实际数据验证，爆破对输油管道安全影响的最大振动速度为3.0 cm/s。文献[5]梳理了在役油气管道附近爆破施工的风险因素类型，指出安全的管体振动速度范围是7～15 cm/s。Sadovsky提出管体振动速度小于10 cm/s的风险可接受；Langefalls提出管体振动速度小于7.1 cm/s可不考虑风险性；Edwards提出管道振动速度极限值是5 cm/s。

国家标准GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》规定管道通过地震动峰值加速度大于0.1 g地区时应进行抗震强度校核。根据GB/T 17742—2008《中国地震烈度表》地震动峰值加速度0.1 g对应地震动峰值速度范围为6～13 cm/s。从管材强度设计角度说明管道具备抵抗振动速度大于6 cm/s的抗震能力。2008年汶川大地震中兰成渝、川气东送、忠武输气管道遭受破坏。此外管道通过地震高发区采用弹性敷设、增加壁厚、换土回填等专用的防护措施。

GB 6722—2014给出了不同主振频率（f）下各种类型建筑物的爆破安全质点振动速度（表1），但建筑物类型中未涵盖长输油气管道。长输管道设计中进行抗震强度设计和载荷校核，具有一定抗震能力。GB 6722—2014定义的民用建筑物泛指未经专门抗震设计，推断长输管道的爆破安全判定准则可参考工业和商业建筑物。值得指出，GB 6722—2014中针对发电厂控制室的爆破安全标准高于一般民用建筑物。与此类似，油气站场（控制中心）的爆破安全标准应高于管道干线。考虑长输油气管道属于国家基础设施，综合上述研究成果和GB6722—2014的规定，建议爆破对管道安全影响的判定准则选择3～6 cm/s的峰值振动速度范围比较适宜。

表1 不同主振频率（f）下爆破振动安全点振动速度

3.2 爆破飞石安全距离

预埋炸药起爆后，爆炸能量大部分破碎周围岩石，另一部分能量以气体急剧膨胀形式，推动碎石高速运动，形成飞石。GB 6722—2014规定了炸药爆炸形成的飞石对人员和建筑（构）物影响的安全距离。

式中：Rf为飞石安全距离，m；Kf为与地质、风侧相关的可靠系数，一般取值1.1～1.5；W为工程爆破最小抵抗线，m；n为爆破影响指数。

3.3 爆破噪声控制

为减缓爆破声波对施工人员和附近公众的健康影响，应控制爆破区域20 m以外噪音分贝不高于90 dB，声压级不高于120 dB。爆破噪声声压级计算如下：

式中：S为声压级别，dB；ΔP为爆破噪声声压，美国环保局推荐声压安全值为0.002 MPa；P0为声压有效值，在噪声测量技术中一般取值5～10 MPa。

4 减缓爆破对管道安全影响的措施

近年来，管道附近爆破施工较为普遍，结合爆破安全评审要求，制定科学、合理爆破方案，主要是选择合适爆破方法和爆破参数，包括计算炸药当量值，设置炮孔连线和起爆方式、安全起爆及环境保护措施等。管道工程实践证明，减少爆破地震波强度的有效措施如下[6]。

1）含碎石、石块较多的管沟宜采用松动爆破法（浅孔、密孔爆破）。

2）严格限制管段内炸药装填量，宜采用多段微差爆破方式。

3）炸药类型选用低爆速炸药和不耦合装药。

4）为防止爆破破坏边坡稳定性，采取预裂爆破技术。

5）若条件允许，在爆破位置与管道之间开挖防振沟，可有效减小地震波强度。

5 管道附近爆破施工安全距离

若已制定爆破技术方案，爆破安全距离只取决于控制管道振动强度。根据上述爆破对管道安全影响的判定准则，峰值振动速度范围控制在3～6 cm/s，即可确定管道附近爆破施工的安全距离

式中：V为管道质点峰值振动速度，cm/s；Q为炸药当量，kg；R为从起爆中心到管道中心线的距离，m；K、α分别是与地形、地质条件有关的安全系数和衰减系数，GB 6722—2014规定了不同岩性岩石的推荐值。

按照上述爆破对管道安全影响的判定准则，计算了管道附近爆破施工安全距离，见表2和表3。可以看出，在计算示例给定范围内（炸药量小于1 000 kg），管道附近爆破施工安全距离最大值为135.7 m，油气站场附近爆破施工安全距离最大值为358.1 m，《石油天然气管道保护法》中安全距离要求分别是200 m和500 m。因此，针对实际爆破工程案例，应根据爆破方案和管道情况，除参考《石油天然气管道保护法》的要求，还应进行爆破安全距离核算。

表2 管道附近爆破施工安全距离

表3 油气站场附近爆破施工安全距离

6 结论

爆破对管道安全性的影响涉及管材特性、爆破方案及周边地质、环境条件等因素。管道施工过程中的基本原则：合理控制爆破地震波的传播速度，科学计算安全距离、合理控制噪音分贝和声压级。为保障管道本体和人员公众安全，为统一标准、避免爆破安全评审差异化，提出下列建议：

1）选择3～6 cm/s的峰值振动速度作为爆破对管道安全影响的判定准则，制定和评审爆破施工技术方案时，按照此准则核算爆破安全距离、飞石安全距离和爆破噪声声压等。修订GB 6722—2014时应补充爆破对管道安全影响及防护措施等内容。

2）爆破对管道安全影响除关注振动破坏，还应关注爆破诱发次生灾害对管道的破坏以及管材和焊缝缺陷等薄弱环节，爆破可能促进缺陷增长导致管道事故。建议参照SY/T 7040—2016《油气输送管道工程地质灾害防治设计规划》进行分析和 评估。

3）为减少爆破施工对管道周围环境的影响，应严格控制炸药量，并采取降震和降噪声防护措施。

4）应进一步研究爆破地震波的能量传播衰减机理，特别是研究爆破地震波的破坏演化过程并定量表征破坏程度。