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滨海地区钻爆法施工对邻近腐蚀管线的影响及风险评估分析

作　者: 王凯
导　师: 康海贵
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口海岸及近海工程
关键词: 滨海地区地铁隧道钻爆法施工管道剩余强度爆破监测风险分析
分类号: U455.41
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

地铁作为现代化的交通方式,已逐渐成为世界各国解决城市交通拥堵问题的重要举措之一。目前我国已投入运营和正在修(筹)建地铁的城市有20多个,地铁的建设迎来了发展的高潮。地铁隧道工程一般处于城市中心地带,地层中各种管线交错密集、分布复杂,隧道施工必然会对其安全造成不利影响,若控制不力则极易造成煤气泄露爆炸、水管爆裂形成水患、电缆断裂造成停电或通讯中断等安全事故。对于历史较久的埋地管道而言,由于长期埋置地下,受周围环境的侵蚀及多年使用的损害均会造成其力学性能的劣化,特别是处于滨海地区(如大连、青岛),由于海平面上升等自然因素影响导致的海水入侵,造成此区域的地下建筑设施长期受海水浸蚀而发生腐蚀。而这些地区的地质条件又相对复杂,存在“岩质坚硬”和“土质松软”并存、“高地下水位”的地质特点,因而钻爆法成为该类地区地铁隧道的主要施工方法。当采用钻爆法施工时,爆破开挖产生的地震将会对邻近已经发生腐蚀(老化)的埋地管道产生不利影响,加剧腐蚀管道的破裂,造成其周围地层条件恶化,加大地铁施工难度及风险。但目前的研究工作基本上都是针对采用盾构法施工的非岩质地区地铁隧道,并且没有考虑管道腐蚀、老化等不利影响,而关于采用钻爆法施工的地铁隧道对邻近腐蚀管道的影响研究几乎还未开展。因此,开展钻爆法施工对邻近腐蚀管线的影响研究具有重要的现实意义和理论价值。本文以大连地铁隧道工程为背景,在调研工程沿线埋地管道的类型、接头型式、埋设年代和地质条件的基础上,开展管道的室内腐蚀试验及力学性能试验,进而建立管道的腐蚀速率预测模型及剩余强度预测模型。借助现场监测及数值模拟等手段,研究爆破地震波在岩土体的传播规律以及埋地管线在爆破地震波作用下的动力响应。基于ARMA模型对钻爆法施工条件下的浅埋管线变形进行了预测,并结合建立的管线沉降引起的经济损失模型和考虑管道剩余强度的安全控制标准,对地铁隧道施工诱发管道破坏的风险进行评估分析。最后,结合大连地铁隧道钻爆法施工的工程实践,从爆源控制、隧道开挖方式优化以及地震波传播过程控制等角度,提出城市地铁隧道钻爆法施工过程中沿线埋地管线的安全防护控制措施。论文的主要研究工作如下：(1)对海水侵蚀环境下管道腐蚀速率进行了模拟试验研究,研究了两种材质管道的腐蚀速率、腐蚀规律和特性；将灰色理论中的灰关联分析用于分析管道腐蚀影响因素的关联度,然后与BP神经网络相结合,建立了基于灰关联分析的BP神经网络预测模型,对管道的腐蚀速率进行预测,并与实测值进行对比,该模型的预测结果精度较高；使用遗传算法改进BP神经网络,并将改进后的神经网络成功应用于腐蚀管道的剩余强度预测。(2)以采用钻爆法施工的大连地铁一号线千山路站至松江路站区间隧道为工程背景,对该区间地铁沿线的埋地管线进行了变形监测和爆破振动监测,并对监测数据进行分析。根据爆破监测数据,采用回归分析法建立了反映大连地铁隧道爆破地震波传播特性的质点振速萨道夫斯基预测公式。在钻爆法施工过程中,可以参考萨道夫斯基公式并结合现场爆破监测数据来不断地完善和调整爆破参数,从而指导地铁隧道后续阶段的施工。(3)采用FLAC3D软件,建立了隧道-岩土体-腐蚀管道三维数值模型,对钻爆法施工过程进行数值模拟,并将模拟结果与现场爆破监测结果进行对比分析。研究结果表明：数值模拟得到的爆破地震波和地表质点最大振速随爆心距的衰减规律与实测结果一致。说明采用数值模拟研究地铁隧道钻爆法施工产生的爆破振动效应是可行的。根据地表质点振速衰减规律,建立了控制最大段药量的计算公式。最后,采用数值模拟方法研究了不同管道埋深、不同管道腐蚀程度以及不同隧道开挖方式下钻爆法施工引起的爆破振动效应。研究结果表明：深埋管道较浅埋管道爆破响应趋于激烈；由于管道腐蚀导致管道刚度的下降,管道沉降和最大拉应变呈非线性增大；全断面开挖时,围岩应力响应最小。(4)管线的变形受很多因素影响,很难建立一个包括所有影响因素在内的管线变形随时间变化的函数关系式。ARMA模型强调“让数据自己说话”,从数据本身来寻找可以较好描述数据的模式,从而可以保证模型与数据拟合较好。本文基于ARMA模型对大连地铁隧道沿线的浅埋管线变形进行预测,预测数据误差较小,除个别数据有一定误差外,预测数据与原始数据基本重合,表明ARMA模型可以用来预测管线累计沉降。(5)以经济损失为评价指标,提出了钻爆法施工对邻近腐蚀管线影响的风险评估方法。首先建立了考虑管线剩余强度的破坏评价标准,根据模糊数学的有关方法,提出地面沉降控制标准的隶属度函数,并结合管线破坏的经济损失表达式,最终确定了地表最大沉降与经济损失期望值之间的关系。论文还从风险分析的角度研究了大连地铁一号线松江路站至东纬路站区间隧道钻爆法施工对邻近某混凝土上水管的影响。(6)在现场爆破监测、数值模拟及风险评估分析的基础上,结合大连地铁隧道钻爆法施工的工程实践,从爆源控制、隧道开挖方式优化以及地震波传播过程控制等角度,提出了城市地铁隧道钻爆法施工过程中沿线埋地管线的安全防护控制措施,为类似工程的钻爆法施工方案的制订和埋地管线的安全防护提供参考。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-29
  1.1 研究背景及选题依据  13-15
  1.2 钻爆法及爆破震动效应的基本理论  15-17
    1.2.1 钻爆法的技术特点  15
    1.2.2 爆破震动效应理论  15-17
  1.3 国内外研究现状  17-27
    1.3.1 城市埋地腐蚀管线剩余强度预测研究  17-18
    1.3.2 地铁隧道施工对邻近地下管线变形的影响研究  18-24
    1.3.3 地铁隧道施工过程中的风险评估与安全控制研究  24-25
    1.3.4 地铁隧道钻爆法施工对邻近腐蚀管线的影响研究  25-27
  1.4 本文技术路线及主要研究内容  27-29
2 滨海地区城市埋地腐蚀管线剩余强度预测  29-48
  2.1 管道腐蚀类型及腐蚀速率的测定方法  29-31
    2.1.1 管道腐蚀类型  29-30
    2.1.2 腐蚀速率的测定方法  30-31
  2.2 模拟海水侵蚀环境下管道腐蚀速率的试验研究  31-35
    2.2.1 试验材料  31-32
    2.2.2 模拟腐蚀试验  32-33
    2.2.3 试验结果分析  33-35
  2.3 基于灰关联分析的BP网络管道腐蚀速率预测  35-41
    2.3.1 灰关联分析概述  35-36
    2.3.2 灰关联分析预测模型  36-37
    2.3.3 埋地管道腐蚀因素关联度分析  37-39
    2.3.4 基于灰关联分析的BP网络模型管道腐蚀速率预测  39-41
  2.4 腐蚀管道的剩余强度预测  41-46
    2.4.1 通过遗传算法改进BP神经网络  41-43
    2.4.2 使用改进BP神经网络进行腐蚀管道剩余强度预测  43-46
    2.4.3 腐蚀管道剩余强度预测结果分析  46
  2.5 本章小结  46-48
3 钻爆法施工条件下埋地管线的变形与爆破振动监测  48-72
  3.1 工程概况  48-53
    3.1.1 区域自然概况  49-50
    3.1.2 场地地层概述  50-51
    3.1.3 岩土分层及其岩性特征  51-52
    3.1.4 工程现场管线分布情况  52-53
  3.2 埋地管线变形监测及数据分析  53-63
    3.2.1 管线的监测方案设计  53-54
    3.2.2 管线变形监测点的布置  54-56
    3.2.3 管线变形监控报警值的确定  56
    3.2.4 管线变形监测数据分析  56-63
  3.3 埋地管线的爆破振动监测及数据分析  63-70
    3.3.1 爆破振动监测系统  63-65
    3.3.2 爆破振动监测方案及测点布置  65-66
    3.3.3 爆破振动效应安全判据的确定  66-67
    3.3.4 爆破振动监测数据分析  67-70
  3.4 本章小结  70-72
4 钻爆法施工对邻近埋地管线振动影响的数值分析  72-95
  4.1 FLAC~(3D)软件简介  72
  4.2 爆破振动荷载的确定及爆破振动波区域分析  72-76
    4.2.1 爆破荷载峰值的确定  73-74
    4.2.2 爆破荷载的施加  74
    4.2.3 爆破振动波区域分析  74-76
  4.3 数值模型的建立  76-81
    4.3.1 材料参数的选取  76-79
    4.3.2 计算模型及荷载  79
    4.3.3 动力计算边界条件及相关参数的选取  79-81
  4.4 数值模拟结果及其与实测数据对比分析  81-88
    4.4.1 地表质点振速分析  81-83
    4.4.2 爆破地震波地表衰减规律分析  83
    4.4.3 最大段药量的控制  83-85
    4.4.4 管线爆破振动响应分析  85-88
  4.5 钻爆法施工对埋地管线振动影响的参数分析  88-93
    4.5.1 不同管线埋深条件下管线振动响应分析  88-90
    4.5.2 不同管线腐蚀程度下管线振动响应分析  90
    4.5.3 不同隧道开挖条件下围岩爆破应力响应分析  90-93
  4.6 本章小结  93-95
5 钻爆法施工对埋地管线变形影响的预测研究  95-106
  5.1 管线变形机理及管线变形预测方法  95-98
    5.1.1 隧道开挖引起的管线变形机理分析  95-96
    5.1.2 管线变形预测方法  96-97
    5.1.3 ARMA模型的定义  97-98
  5.2 基于ARMA模型的埋地管线变形预测  98-105
    5.2.1 工程概况  98
    5.2.2 管线累计沉降监测数据  98-99
    5.2.3 数据平稳性检验  99-101
    5.2.4 模型的识别与建立  101
    5.2.5 模型检验  101-103
    5.2.6 管线变形预测  103-105
  5.3 本章小结  105-106
6 钻爆法施工对埋地腐蚀管线影响的风险评估及防护措施  106-122
  6.1 工程风险管理的基本理论  106-107
    6.1.1 风险的定义  106
    6.1.2 工程项目风险的特点  106
    6.1.3 工程项目的风险识别、估计、评价  106-107
  6.2 钻爆法施工对邻近埋地腐蚀管线影响的风险分析  107-113
    6.2.1 基本假定  107
    6.2.2 隧道施工产生的管线沉降变形计算  107-110
    6.2.3 考虑管线剩余强度的破坏评价标准  110-111
    6.2.4 管线破坏的经济评价  111-112
    6.2.5 风险分析步骤  112-113
  6.3 工程实例分析  113-116
  6.4 钻爆法施工过程中管道安全防护的控制措施  116-121
    6.4.1 合适炸药品种的选择  117
    6.4.2 控制起爆的药量  117-118
    6.4.3 合适爆破时差的选择  118
    6.4.4 合理钻爆参数的选择  118-120
    6.4.5 采用预裂爆破  120
    6.4.6 合理起爆顺序的制定  120
    6.4.7 合适的隧道施工方法选择  120-121
  6.5 本章小结  121-122
7 总结与展望  122-125
  7.1 结论  122-123
  7.2 展望  123-125
参考文献  125-130
创新点摘要  130-131
攻读博士学位期间发表学术论文情况  131-132
致谢  132-133
作者简介  133-134

滨海地区钻爆法施工对邻近腐蚀管线的影响及风险评估分析

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