城区爆破振动影响下埋地HDPE排水管道振速安全阈值研究
作者单位：中国地质大学
学位级别：硕士
导师姓名：蒋楠;贾建红
授予年度：2022年
主 题：爆破振动 HDPE波纹管 动态响应特征 数值模拟 控制振动速度
摘 要：在城市地下,广泛分布着各种地下管道。其中,高密度聚乙烯（以下简称HDPE）管道因其材料的特殊性,被大量应用于城市地下管道的给排水管道运输系统中。而如今随着城市化进程的加快,我国城市地下轨道交通迅猛发展,而地下工程的建设开挖一般采用爆破开挖。在地下爆破施工过程中,爆破振动产生的地震波会对附近埋地HDPE管道周围的地层产生扰动,对管道的运营造成影响,致使管道功能失效甚至破坏,进而引发水体污染、地面塌陷等一系列危害。然而,由于HDPE管道埋置于地表之下,实际中无法对其进行直接检测,目前也没有较为完善的相关安全规范,故城区地下爆破施工过程中如何确保临近埋地HDPE管道的安全运行便成为工程施工中的重点关注内容。为此,开展爆破振动影响下HDPE埋地管道的动力响应及安全控制阈值研究,具有重要的理论研究价值和工程应用意义。本文基于武汉市城区典型土层中埋置的HDPE排水管道临近爆破工程,通过现场试验、数值模拟和研究分析等研究方法,针对性地开展了预埋HDPE波纹管的管道爆破振动效应研究的现场实验,并结合数值模型,对现场实验进行验证及补充分析,进行了不同影响条件下的HDPE波纹管道的爆破振动动力响应、影响因素敏感性分析、管道安全控制阈值等工作。得到主要研究结论如下:（1）开展HDPE波纹管的现场爆破试验,分析爆破振动影响下HDPE排水管道的响应特征。由统计采集到的数据可知,管道内振速监测点的峰值振速、应变监测点的峰值应变均随着药量的减小及爆心距的增加而减小。同时,地表振动速度略小于管道内振动速度,管道振动速度的主频主要在10Hz～60Hz。管道爆心距最短截面是管道在爆破振动影响下的最危险截面。该截面处的管道的动力响应特征最为明显。另外,管道轴向峰值应变以拉应变为主,最大值位于背爆侧;管道环向峰值应变以压应变为主,最大值位于管道迎爆侧底部。（2）根据现场管道爆破试验,建立了爆破临近HDPE管道的数值计算模型,对数值模拟结果进行了分析。由结果可知,管道管身监测点处及正上方地表的振动速度随着炸药与管道距离的减小,爆破危险截面监测点的峰值振速不断增大,数值模拟和现场监测中各方向峰值振速及合振速峰值两者误差较小,振速波形图振动也规律大致相同。而从管道的有效应力分布中,可以得知管道有效应力在管道爆心距最短截面上最大。将现场试验中的应变数据转变成有效应力数据,与数值模拟的有效应力进行比对,两者数据相比基本一致,进一步验证了数值模拟的可靠性。（3）在埋地HDPE空管的基础上,进一步研究了充水运营状态下管道的爆破动力响应。可知在爆破振动影响下,相比空管状态下的管道,充水HDPE管道内的水能一定程度上降低爆破振动所带来的对管道管身质点振速的影响,具有一定的减震作用,模型最大减震效果约为15%。在有效应力方面,充水运营管道峰值内有效应力充的分布与无水空管数值模拟的结果相一致,而充水运营管道的有效应力在炸爆炸后会更早地达到应力峰值。进一步分析不同水位高度情况下的管道截面的振动速度与有效应力的变化,可知随着管道内水位高度的升高,管道截面上不同位置处的峰值振动速度和峰值有效应力会越来越小,两者有着相同的规律。（4）通过建立城区复杂工况条件下的管道计算数值模型,结合上文的水位高度因素,又研究了管道直径、管道埋深、炸药量和爆源距离多种影响因素对管道动力响应特征的影响。通过分析,炸药量和管道埋深的增加,管道的峰值振速和有效应力,上方地表的峰值振速都会增大,呈现正相关;而爆源距离的增加、管道直径的增大和管道内水位高度的升高,三者会随之减小,呈现负相关。且各影响程度各不相同,因此基于摩尔斯筛选法对各影响因素对管道动力响应特性的影响程度的敏感性进行了研究分析。最终得到了五种不同因素对管道内振速及正上方地表振速、管道内有效应力的影响程度按大小依次排序为:炸药量爆破距离管道直径水位高度比管道埋深。（5）根据城区复杂工况条件下多因素爆破振动影响下埋地排水HDPE管道的动力响应特性,基于量纲分析白金汉定理,建立了综合多因素影响的管道峰值振动速度预测公式,并通过研究分析得到了爆破振动影响下HDPE排水管身振速与管身应力、管身振速与地表振速的关系,结合依照相关规范,得到了武汉城区地质条件复杂工况情况下HDPE波纹排水管道振速的安全运营评判阈值。
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