費鴻祿，胡 剛，包士杰，楊智廣
（遼寧工程技術大學爆破技術研究院，遼寧 阜新 123000）
FAHP Optimization on Blasting Program of Super-close Parallel Pipe
Fei Honglu, Hu Gang, Bao Shijie, Yang Zhiguang
(Institute of Blasting Technique, Liaoning Technical University, Liaoning Fuxin 123000)
摘 要：為了確保超近距并行管道爆破開挖時在役管道的運營與安全，根據管道的成型尺寸以及質點振速峰值的要求，進行管道爆破開挖試驗；基于3組爆破方案，應用層次分析法確定爆破方案的指標權重，根據模糊數學理論進行評價矩陣的建立，按照最大隸屬度原則進行爆破方案優選；研究結果表明：按照FAHP法確定第二方案為超近距并行管道爆破開挖的最佳方案。同時采用LS-DYNA數值模擬軟件，分析按照最佳方案進行爆破開挖時在役管道的動力響應特性，根據應力應變云圖可以得出：在役管道X方向所受最大應力值為2.33 MPa，最大應變值為8.19×10-5，而且高應力及大應變主要集中在管道的側壁位置處。
關鍵詞：爆破；并行管道；模糊層次分析法；超近距；優選
Abstract: In order to ensure the safety and operation of the pipe in service during the blasting excavation of the super-close parallel pipe, the blasting excavation test of the pipe was carried out, which meet the requirements of the forming size and the particle vibration velocity peak. According to three blasting programs, the index weight of blasting scheme was determined by analytic hierarchy process. In addition, The evaluation matrix was established by fuzzy mathematics theory and the blasting scheme was optimized by the principle of maximum membership. The results show that the two blasting program is best on super-close parallel pipe blasting excavation by the method of FAHP. According to the LS-DYNA numerical simulation software, the dynamic response of the pipe in service during the blasting excavation on the best blasting program of the super-close parallel pipe was analyzed. The nephograms of stress and strain indicate that the maximum stress value is 2.33 MPa and the maximum strain value is 8.19×10-5 of the X direction in the service pipe. Besides, the high stress and large strain mainly concentrated in the location of the pipe wall.
Key words: blasting; parallel pipe; FAHP; super-close; optimization
0 引 言
伴隨我國石油和天然氣工業的高速發展，油氣管道建設量迅猛增加，由于油氣管道建設受路由通道的限制，出現了大量新建管道與在役管道并行交叉的現象；因此，與在役管道相距10 m~20 m敷設的超近距并行管道[1]的爆破開挖問題也越來越凸顯。
模糊層次分析法（FAHP）是美國運籌學T.L.Saaty教授[2]提出的一種定性與定量相結合的系統分析方法；在工程爆破安全領域應用廣泛[3-8]，王丹丹[9]將FAHP應用于樓房拆除爆破的安全評價分析；曹進軍[10]基于FAHP進行軟巖隧道爆破效果的因素與優化研究；汪明武[11]將模糊層次分析法與實碼加速遺傳算法相結合應用于工程爆破領域；郝長勝[12]在煤礦精細爆破方案中進行FAHP優化。除此之外，在管道爆破開挖方面，鄭爽英[13]進行了輸氣管道的動力響應數值模擬試驗；張震[14]分析了爆破荷載作用下臨近埋地混凝土管道的動力響應特性；彭星煜[15]分析了人工爆破地震作用下輸氣管道的動力響應。
本文在以上研究成果的基礎上，依據超近距并行管道爆破開挖方案、管道成型尺寸以及質點振速峰值數據，采用FAHP和數值模擬相結合的方法，進行爆破荷載作用下在役管道的動力響應研究。
1 工程概況
超近距并行管道爆破開挖試驗地點位于阜新市建設鎮新德村北山，此處礦物組成以方解石為主，同時含有白云石、菱鐵礦、石英、長石、云母等礦物質，其巖石的普氏系數為6~15。管道爆破開挖尺寸為溝底寬2.8 m，溝深3 m；并且要求管道順直，溝壁和溝底平整，無溝坎階梯，無銳器物，溝內無塌方、無雜物。
依據文獻[1]要求距離在役管道10 m~20 m內進行爆破工程時，垂直方向質點振速峰值應控制在10 cm/s范圍內；由此根據工程經驗以及爆破漏斗試驗，初步確定三種管道爆破開挖方案，如表1所示；此次爆破試驗統一使用2號巖石乳化炸藥，進行逐孔起爆網路連接，孔外采用3段毫秒導爆管雷管，延期時間為50 ms，孔內采用10段毫秒導爆管雷管，延期時間為380 ms。
2 管道爆破方案FAHP優選
2.1 建立層次結構模型
管道爆破開挖層次結構模型的建立以爆破方案為目標層，依據少指標，全信息，考慮定性因素和定量因素的原則，進行準則層和指標層的確定，具體如圖1所示。
2.2 判斷矩陣及權重計算
在層次結構模型基礎上，依據T.L.Saaty教授[16]提出的1~9及其倒數標度法，將指標層兩因素之間的比值構成判斷矩陣。
根據判斷矩陣，進行因素權重計算，步驟如下：
（6）判斷矩陣滿足一致性的判定標準為：
。否則重新調整判斷矩陣因素標度值，直到滿足一致性要求為止。
根據以上步驟，確定層次判斷矩陣，計算權重，并進行一致性檢驗，結果如表4~表7所示。指標層各因素的總權重見表8。
2.3 確定指標隸屬度
管道爆破開挖試驗過程中，采用TC-4850測振儀在距離爆源10 m處布點測試，收集垂直方向質點振速峰值；在管道爆破開挖試驗結束后，立即對管道的成型尺寸進行測量，具體指標及評價如表9所示。
根據模糊數學理論[17]，隸屬度的確定需要考慮指標的特性。
對于定性指標，按照5級標準賦值：當為優時，賦值為0.95；當為良時，賦值為0.75；當為中時，賦值為0.55；當為及 格時，賦值為0.35；當為差時，賦值為0.15。
對于定量指標，規定指標數值越大越好為正指標，反之為負指標；則利用
計算正指標隸屬度，利用
計算負指標隸屬度。
由此可得模糊評價矩陣為：
。
2.4 FAHP方案優選
根據指標總權重以及模糊評價矩陣，利用加權平均模型進行計算：
根據最大隸屬度原則[18-19]，確定方案二為超近距并行管道爆破開挖的最優方案。
3 并行管道爆破動力響應研究
3.1 數值模型建立
采用LS-DYNA數值模擬軟件，應用ALE算法，根據在役管道的成型尺寸進行實際比例建模，但為了簡化計算，將模型尺寸設置為14 m×9 m×4 m，具體如圖5所示；由于簡化了數值模型，因此需要在底面及四周施加固定約束以及無反射邊界條件，數值模型材料及狀態方程參考文獻[20]；為分析超近距并行管道爆破開挖動力響應的極限情況，在數值模型的建立過程中，只考慮管道相距10 m的情形，且爆破參數依據FAHP的最優方案。
3.2 在役管道應力分析
在役管道X、Y、Z三個方向的應力云圖如圖6所示。
從上圖可以得出：在役管道X方向所受的高應力狀態比較集中，主要位于管道的側壁位置處，最大值為2.33 
，而且管道的頂部及底部所受的應力影響也不可忽視；相比于X方向，Y方向所受應力有所減小，但主要影響位置仍然位于管道的側壁處；Z方向所受應力比較均勻，對在役管道影響較小。
3.3 在役管道應變分析
在役管道X、Y、Z三個方向的應變云圖如圖7所示。
從上圖可以得出：在役管道X方向所受應變的最大值為8.19×10-5，且大應變分布區域較廣，主要出現在管道的側壁位置處；相比于X方向，Y方向所受大應變的區域范圍減小，但是管道頂部及底部范圍的最值不降，反而上升，而且比較集中；Z方向所受應變比較均勻，對在役管道影響較小。
4 結 論
（1）通過建立層次結構模型，構造判斷矩陣，進行權重計算，可以按照最大隸屬度原則進行超近距并行管道爆破開挖方案的優選，為類似管道爆破工程提供參考。
（2）采用FAHP法確定第二方案為超近距并行管道爆破開挖的最佳方案，其管道成型尺寸最接近標準管道尺寸，而且其垂向質點振速峰值為9.0656 cm/s，滿足油氣管道的規范要求。
（3）通過數值模擬分析爆破開挖對在役管道的動力響應得出，超近距并行管道爆破開挖時，在役管道X方向所受的影響最為顯著，并且高應力及大應變主要集中在管道的側壁位置處，管道的頂部及底部也應該加強防護。
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