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拆除爆破中塌落體對(duì)地下管道的危害及防護(hù)

文檔作者：劉新波文檔來(lái)源：解放軍理工大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月01日
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器基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)工程
Founaation&amp;amp;Structure Engineering
拆除爆破中塌落體對(duì)地下管道的危害及防護(hù)
劉新波
(解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京210007)
摘要：城市高聳建(構(gòu))筑物拆除爆破所產(chǎn)生的塌落體對(duì)地下管道的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。分析了拆除爆破中塌落體沖擊
地面所產(chǎn)生的沖擊力對(duì)地下管道的危害，并結(jié)合地下管道的安全參數(shù)，運(yùn)用土力學(xué)相關(guān)原理，采用角點(diǎn)法、疊加法求得土
體中附加應(yīng)力，得出了一種近似評(píng)判地下管道是否安全的理論判據(jù)；同時(shí)提出了安全防范措施，以減少塌落體對(duì)地下管
道的危害。
關(guān)鍵詞：建筑物拆除爆破；塌落沖擊；地下管線；安全防護(hù)
中圖分類號(hào)：1'U 991．38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1009—7767(2010)01-0128-03
Damage of Collapsed Works on Underground Pipe in Demolition Blasting
and Its Protection
UuXinbo
城市地下管道是城市的“血管”，是城市基礎(chǔ)設(shè)施
的重要組成部分。地下管道中斷會(huì)造成停水、炊，中斷
通訊、網(wǎng)絡(luò)和電視。造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且有可能造
成爆炸、火災(zāi)、有毒氣體泄漏等災(zāi)難，嚴(yán)重威脅人民群
眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和
爆破技術(shù)的飛速發(fā)展，控制爆破走入了城市。特別是
近年來(lái)，許多高層、超高層建(構(gòu))筑物需要被爆破拆
除。由此引發(fā)的拆除爆破對(duì)地下管線的安全問(wèn)題引起
了人們的普遍關(guān)注。
l地下管道的相關(guān)參數(shù)及計(jì)算
1．1幾個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
1)公稱直徑：公稱直徑是為了使管道、管件、閥門(mén)
等相互連接而規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)直徑．以字母DN表示。
2)公稱壓力：公稱壓力是指某種材料在介質(zhì)溫度
為標(biāo)準(zhǔn)溫度(某一溫度范圍)時(shí)所承受的最大工作壓
力，用符號(hào)R表示。
1．2地面無(wú)荷載時(shí)管頂土壓力計(jì)算
埋管上的土壓力與多種因素有關(guān)，按填埋方式可
將其分為溝埋式和上埋式。
1)溝埋式管頂?shù)拇怪蓖翂毫?
溝埋式通常開(kāi)槽寬度相對(duì)較小，管頂所受的垂直
壓力小于填土自重。
128．事葒投求J11盯2010 No．1(Jan．)V01．28
當(dāng)?shù)孛鏌o(wú)荷載時(shí)．管頂垂直土壓力按以下公式
計(jì)算【11：
黏性土：
c>0
盯呼土挲2星1面(1礦-e-g。沖) 8 J
無(wú)黏性土：
c=O
吣缶(1_e峙帥)
式中：y為填土的重度，kN／m3；Ko為靜止土壓力系數(shù)；
9為填土的內(nèi)摩擦角，(o)；c為填土的黏聚力，kPa；z為
地面下的深度。m。
2)上埋式管頂?shù)拇怪蓖翂毫?
上埋式通常開(kāi)槽寬度相對(duì)較大．管頂所受垂直壓
力大于或等于填土自重。
當(dāng)?shù)孛鏌o(wú)荷載時(shí)按以下公式計(jì)算【1】：
盯吣+等=一筮((ee咖q) 口一l J
‘絲otan‘p、。
式中：D為埋管的直徑：日為埋管頂部到地表面的距
離；其他系數(shù)同上。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2拆除爆破對(duì)地下管道的危害
城市建(構(gòu))筑物拆除爆破中，會(huì)產(chǎn)生爆破振動(dòng)、
塌落振動(dòng)、飛石、沖擊波、噪聲和粉塵等爆破危害。其
中，建(構(gòu))筑物塌落觸地時(shí)，產(chǎn)生的沖擊壓力對(duì)地下
管道的危害最大，它能夠引起地面下陷，直接造成地
下管道的破壞。
2．1塌落體沖擊對(duì)管道的危害
2．1．1塌落體沖擊力計(jì)算
塌落體觸地沖擊是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程。其大小
與塌落體和地表土體的材質(zhì)構(gòu)成及其力學(xué)特性、塌落
體的質(zhì)量、形狀及下落高度等因素有關(guān)。目前，主要有
Hertz碰撞理論、質(zhì)點(diǎn)彈性接觸理論和能量原理等計(jì)算
方法。
1)Hertz碰撞理論將塌落體觸地沖擊視為兩彈性
體間的彈性碰撞。將地面表土層受到?jīng)_擊力作用后產(chǎn)
生的彈塑性予以簡(jiǎn)化。依據(jù)此原理，可推導(dǎo)出塌落體
為鋼筋混凝土材質(zhì)時(shí)的最大沖擊壓力f2J：
拿睪}
P慨=6．108九。／7／,。H。
式中：九為地面表土層的拉梅常數(shù)，N／m2；m為塌落體
的質(zhì)量，kg；日為塌落體的下落高度，m。
2)質(zhì)點(diǎn)彈性理論認(rèn)為碰撞過(guò)程中塌落體不變形，
質(zhì)點(diǎn)與地表不分離。忽略質(zhì)點(diǎn)與地表間的摩擦作用。
依據(jù)此原理，可推導(dǎo)出塌落體為鋼筋混凝土?xí)r的最大
沖擊壓力Pl：
尋辜丟
‰=6．083Z。m。H。
式中：各系數(shù)同上。
3)能量原理理論認(rèn)為塌落體沖擊的地面表層土
體為線彈性體，當(dāng)觸地沖擊時(shí)，塌落體的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)?
土體的彈性形變能，其計(jì)算公式如下㈣：
2 2 3
f ’ ‘
P哪=7．220J；L。m。H。
式中：各系數(shù)同上。
2．1．2沖擊力產(chǎn)生的附加應(yīng)力
土體附加應(yīng)力是指外荷載在土體中引起的附加
于原有應(yīng)力(通常為自重應(yīng)力)之上的應(yīng)力，也就是外
荷載作用下土體中任意點(diǎn)應(yīng)力的改變量。建(構(gòu))筑物
塌落觸地時(shí)在地面產(chǎn)生的壓力可視為三角形分布的
鉛直荷載．在土體中任意點(diǎn)產(chǎn)生的附加應(yīng)力可以采用
角點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算公式和應(yīng)力疊加原理來(lái)計(jì)算。
基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)工程器
Foundation&amp;amp;Structure Engineering
1)法國(guó)學(xué)者布辛奈斯克(Boussinnesq)提出了集中
力P引起土體中任意點(diǎn)肘豎向附加應(yīng)力的計(jì)算式161：
吼仉：芒=×—--z；—7-：×％／一-,R =a。 ‘
2霄3 ’
式中：ccD為集中荷載作用下豎向附加應(yīng)力系數(shù)，可查表
得；尺為肜點(diǎn)與集中力作用點(diǎn)尸之間的距離。
2)基礎(chǔ)地面為長(zhǎng)邊Z、短邊b的矩形，荷載沿短邊
方向呈三角形分布，最大荷載為P時(shí)。則荷載強(qiáng)度為
零的角點(diǎn)下的附加應(yīng)力為L(zhǎng)6l：
以：蘭【丟一——』型__一1P：ot,·oP 以2百【麗一=(1+n2)X／l+m：+n2JP2
Z z
m2丁，肛丁’
式中：a0=以m，n)為荷載強(qiáng)度為零的角點(diǎn)下的附加應(yīng)
力系數(shù)，可查表得。
荷載強(qiáng)度為最大值的角點(diǎn)下的附加應(yīng)力為嘲：
口F《cP
式中：破為荷載強(qiáng)度為最大值的角點(diǎn)下的附加應(yīng)力系
數(shù)，可查表得。
3)基礎(chǔ)地面為長(zhǎng)邊Z、短邊b的矩形，載荷為均布
荷載尸時(shí)，則角點(diǎn)下的附加應(yīng)力為16J：
以=殺陋tann訂磊m亍+麗磊mrt亨×
‘i萬(wàn)+畝)】2％P
Z 彳
m。丁，肛礦’
式中：％鎖m，療)為附加應(yīng)力系數(shù)，可查表得。
4)矩形受豎向三角形分布荷載作用時(shí)，面積內(nèi)任
意0點(diǎn)下深度z處附加應(yīng)力可以采用疊加法求得。
求解需要通過(guò)兩次疊加來(lái)計(jì)算，第1次是利用角
點(diǎn)法進(jìn)行荷載作用面積的疊加：第2次是荷載分布圖
形的疊加。
通過(guò)0點(diǎn)將矩形面積劃分為4塊，如圖lb)所示。
三角形荷載ABC等于均布荷載DABE減去三角形荷
載AFD，再加上三角形荷載CFE，如圖lc)所示。將此
3塊分布荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力進(jìn)行疊加即可。假定矩
形面積上作用均布荷載Pl，即圖lc)中的荷載DABE，
則尸1作用下點(diǎn)肘處產(chǎn)生的豎向應(yīng)力可用角點(diǎn)法進(jìn)行
計(jì)算，即面積aeOh、ebfO、啦g及hOgd上在肘點(diǎn)引起
的角點(diǎn)下附加應(yīng)力的疊加，得以。。三角形荷載AFD，其
2010#．第1期(1一)$28豢-．簪葒鼓木1ET 129
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
器基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)工程
Foundation＆Structure Engineering
最大值為Pl，它在肘點(diǎn)引起的附加應(yīng)力是矩形面積
鐘D^及ebfO上三角形分布荷載引起的附加應(yīng)力之
和，經(jīng)計(jì)算得％。三角形荷載CFE，其最大值為P—Pl，
它在M點(diǎn)引起的附加應(yīng)力是矩形面積Ofcg及hOgd
上三角形分布荷載引起的附加應(yīng)力之和，經(jīng)計(jì)算得orz3。
將上述計(jì)算結(jié)果疊加。即可求得三角形分布荷載ABC
在肘點(diǎn)產(chǎn)生的豎向應(yīng)力仉，即：
仉2吼l一％+暢
D
P1
^
圖1角點(diǎn)法和疊加法示意圖
C
P
2．2地下管道的安全判據(jù)
2．2．1地面有荷載時(shí)管頂壓力計(jì)算
當(dāng)埋管上的地面施加外荷載時(shí)，管壁上的壓力可
按下式計(jì)算111：
P譬=K(盯土+盯外)
式中：P蕾為管壁上的壓力；盯土為埋管上的土壓力；盯外
為因外荷載引起的土體附加應(yīng)力；K為動(dòng)應(yīng)力放大系
數(shù)．一般K=2"3。
2．2．2地下管道的安全判定
若R>P蕾，則地下管道安全；反之，PN≤P管，則地
下管道損壞。
2．3其他爆破危害的影響
在建筑物拆除爆破過(guò)程中。還會(huì)產(chǎn)生爆破振動(dòng)和
后座振動(dòng)等危害。由于一次齊爆的藥量都不大，而且
爆破振動(dòng)通過(guò)樁、梁、墻等介質(zhì)傳播到土體當(dāng)中，衰減
較為迅速，因此爆破振動(dòng)較小，對(duì)地下管道的危害不大。
后座振動(dòng)會(huì)引起較強(qiáng)的地震波．對(duì)地下管道產(chǎn)生影響，
但危害不大。其他如飛石、沖擊波等爆破危害對(duì)地下
管道的危害相當(dāng)小。
3地下管道的安全防護(hù)措施
根據(jù)理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，拆除爆破中要確保地
下管道的安全暢通．可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防1wJ：
1)施工前應(yīng)做詳細(xì)的調(diào)查工作，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、
聯(lián)系相關(guān)部門(mén)以及走訪周邊住戶和單位等方式，掌握
130辛葒投毒一盯2010 No．1(Jan．)V01．28
爆區(qū)地下管道分布狀況：
2)減少勢(shì)能向沖擊能的轉(zhuǎn)化，通過(guò)增加爆破切口
的數(shù)目，增加塑性鉸的耗能，以此來(lái)增加傾倒過(guò)程中
的勢(shì)能消耗，從而減少?zèng)_擊能量；
3)構(gòu)筑減震防護(hù)堤，在地表覆蓋鋼板、墊砂土等
方式來(lái)減弱塌落沖擊力：
4)選取合理的爆破延期時(shí)間、爆破順序，增加爆
破梁柱的數(shù)目，并加強(qiáng)預(yù)處理等方式，減少一次觸地
的塌落體質(zhì)量。以此減小塌落沖擊力；
5)對(duì)重要地下管道應(yīng)制定突發(fā)事故應(yīng)急預(yù)案．以
減少事故的發(fā)生，避免事故的擴(kuò)大和次生事故的發(fā)生。
4結(jié)語(yǔ)
當(dāng)前，城市建(構(gòu))筑物拆除爆破正在如火如荼地
進(jìn)行，并逐漸向高層、超高層方向發(fā)展，拆除爆破對(duì)地
下管道的危害也越來(lái)越不容忽視。文中所述的方法可
以作為建筑物倒塌是否損壞地下管道的一種近似判
據(jù)，但建(構(gòu))筑物拆除爆破時(shí)所產(chǎn)生的塌落沖擊地壓
是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，文中給出的計(jì)算公式并未考
慮到所有影響因素，精確性還不夠。因此，一個(gè)更加合
理、準(zhǔn)確的評(píng)判方法還有待進(jìn)一步研究。圓
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收稿日期：2009—07．-．04
作者簡(jiǎn)介：劉新波(1983一)。男．山西臨汾人，在讀碩士研究生，主要研
究方向?yàn)榭刂票啤?

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