費(fèi)鴻祿，胡  剛，包士杰，楊智廣

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)爆破技術(shù)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(yùn)營與安全，根據(jù)管道的成型尺寸以及質(zhì)點振速峰值的要求，進(jìn)行管道爆破開挖試驗；基于3組爆破方案，應(yīng)用層次分析法確定爆破方案的指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行評價矩陣的建立，按照最大隸屬度原則進(jìn)行爆破方案優(yōu)選；研究結(jié)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(shù)值模擬軟件，分析按照最佳方案進(jìn)行爆破開挖時在役管道的動力響應(yīng)特性，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變云圖可以得出：在役管道X方向所受最大應(yīng)力值為2.33 MPa，最大應(yīng)變值為8.19×10^-5，而且高應(yīng)力及大應(yīng)變主要集中在管道的側(cè)壁位置處。

關(guān)鍵詞：爆破；并行管道；模糊層次分析法；超近距；優(yōu)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(yè)的高速發(fā)展，油氣管道建設(shè)量迅猛增加，由于油氣管道建設(shè)受路由通道的限制，出現(xiàn)了大量新建管道與在役管道并行交叉的現(xiàn)象；因此，與在役管道相距10 m~20 m敷設(shè)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(yùn)籌學(xué)T.L.Saaty教授^[2]提出的一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法；在工程爆破安全領(lǐng)域應(yīng)用廣泛^[3-8]，王丹丹^[9]將FAHP應(yīng)用于樓房拆除爆破的安全評價分析；曹進(jìn)軍^[10]基于FAHP進(jìn)行軟巖隧道爆破效果的因素與優(yōu)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(jié)合應(yīng)用于工程爆破領(lǐng)域；郝長勝^[12]在煤礦精細(xì)爆破方案中進(jìn)行FAHP優(yōu)化。除此之外，在管道爆破開挖方面，鄭爽英^[13]進(jìn)行了輸氣管道的動力響應(yīng)數(shù)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(yīng)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(yīng)。

本文在以上研究成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)超近距并行管道爆破開挖方案、管道成型尺寸以及質(zhì)點振速峰值數(shù)據(jù)，采用FAHP和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，進(jìn)行爆破荷載作用下在役管道的動力響應(yīng)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(shè)鎮(zhèn)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(zhì)，其巖石的普氏系數(shù)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(nèi)無塌方、無雜物。

依據(jù)文獻(xiàn)^[1]要求距離在役管道10 m~20 m內(nèi)進(jìn)行爆破工程時，垂直方向質(zhì)點振速峰值應(yīng)控制在10 cm/s范圍內(nèi)；由此根據(jù)工程經(jīng)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(tǒng)一使用2號巖石乳化炸藥，進(jìn)行逐孔起爆網(wǎng)路連接，孔外采用3段毫秒導(dǎo)爆管雷管，延期時間為50 ms，孔內(nèi)采用10段毫秒導(dǎo)爆管雷管，延期時間為380 ms。

2    管道爆破方案FAHP優(yōu)選

2.1  建立層次結(jié)構(gòu)模型

管道爆破開挖層次結(jié)構(gòu)模型的建立以爆破方案為目標(biāo)層，依據(jù)少指標(biāo)，全信息，考慮定性因素和定量因素的原則，進(jìn)行準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的確定，具體如圖1所示。

2.2  判斷矩陣及權(quán)重計算

在層次結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)T.L.Saaty教授^[16]提出的1~9及其倒數(shù)標(biāo)度法，將指標(biāo)層兩因素之間的比值構(gòu)成判斷矩陣。

根據(jù)判斷矩陣，進(jìn)行因素權(quán)重計算，步驟如下：

（6）判斷矩陣滿足一致性的判定標(biāo)準(zhǔn)為：。否則重新調(diào)整判斷矩陣因素標(biāo)度值，直到滿足一致性要求為止。

根據(jù)以上步驟，確定層次判斷矩陣，計算權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗，結(jié)果如表4~表7所示。指標(biāo)層各因素的總權(quán)重見表8。

2.3  確定指標(biāo)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(zhì)點振速峰值；在管道爆破開挖試驗結(jié)束后，立即對管道的成型尺寸進(jìn)行測量，具體指標(biāo)及評價如表9所示。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論^[17]，隸屬度的確定需要考慮指標(biāo)的特性。

對于定性指標(biāo)，按照5級標(biāo)準(zhǔn)賦值：當(dāng)為優(yōu)時，賦值為0.95；當(dāng)為良時，賦值為0.75；當(dāng)為中時，賦值為0.55；當(dāng)為及 格時，賦值為0.35；當(dāng)為差時，賦值為0.15。

對于定量指標(biāo)，規(guī)定指標(biāo)數(shù)值越大越好為正指標(biāo)，反之為負(fù)指標(biāo)；則利用計算正指標(biāo)隸屬度，利用計算負(fù)指標(biāo)隸屬度。

由此可得模糊評價矩陣為：。

2.4 FAHP方案優(yōu)選

根據(jù)指標(biāo)總權(quán)重以及模糊評價矩陣，利用加權(quán)平均模型進(jìn)行計算：

根據(jù)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(yōu)方案。

3  并行管道爆破動力響應(yīng)研究

3.1 數(shù)值模型建立

采用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，應(yīng)用ALE算法，根據(jù)在役管道的成型尺寸進(jìn)行實際比例建模，但為了簡化計算，將模型尺寸設(shè)置為14 m×9 m×4 m，具體如圖5所示；由于簡化了數(shù)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(shù)值模型材料及狀態(tài)方程參考文獻(xiàn)^[20]；為分析超近距并行管道爆破開挖動力響應(yīng)的極限情況，在數(shù)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(shù)依據(jù)FAHP的最優(yōu)方案。

3.2  在役管道應(yīng)力分析

在役管道X、Y、Z三個方向的應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)比較集中，主要位于管道的側(cè)壁位置處，最大值為2.33 ，而且管道的頂部及底部所受的應(yīng)力影響也不可忽視；相比于X方向，Y方向所受應(yīng)力有所減小，但主要影響位置仍然位于管道的側(cè)壁處；Z方向所受應(yīng)力比較均勻，對在役管道影響較小。

3.3  在役管道應(yīng)變分析

在役管道X、Y、Z三個方向的應(yīng)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(yīng)變的最大值為8.19×10^-5，且大應(yīng)變分布區(qū)域較廣，主要出現(xiàn)在管道的側(cè)壁位置處；相比于X方向，Y方向所受大應(yīng)變的區(qū)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(yīng)變比較均勻，對在役管道影響較小。

4  結(jié)  論

（1）通過建立層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行權(quán)重計算，可以按照最大隸屬度原則進(jìn)行超近距并行管道爆破開挖方案的優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)管道尺寸，而且其垂向質(zhì)點振速峰值為9.0656 cm/s，滿足油氣管道的規(guī)范要求。

（3）通過數(shù)值模擬分析爆破開挖對在役管道的動力響應(yīng)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(yīng)力及大應(yīng)變主要集中在管道的側(cè)壁位置處，管道的頂部及底部也應(yīng)該加強(qiáng)防護(hù)。

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