费鸿禄，胡 刚，包士杰，杨智广
（辽宁工程技术大学爆破技术研究院，辽宁 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：为了确保超近距并行管道爆破开挖时在役管道的运营与安全，根据管道的成型尺寸以及质点振速峰值的要求，进行管道爆破开挖试验；基于3组爆破方案，应用层次分析法确定爆破方案的指标权重，根据模糊数学理论进行评价矩阵的建立，按照最大隶属度原则进行爆破方案优选；研究结果表明：按照FAHP法确定第二方案为超近距并行管道爆破开挖的最佳方案。同时采用LS-DYNA数值模拟软件，分析按照最佳方案进行爆破开挖时在役管道的动力响应特性，根据应力应变云图可以得出：在役管道X方向所受最大应力值为2.33 MPa，最大应变值为8.19×10-5，而且高应力及大应变主要集中在管道的侧壁位置处。
关键词：爆破；并行管道；模糊层次分析法；超近距；优选
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
伴随我国石油和天然气工业的高速发展，油气管道建设量迅猛增加，由于油气管道建设受路由通道的限制，出现了大量新建管道与在役管道并行交叉的现象；因此，与在役管道相距10 m~20 m敷设的超近距并行管道[1]的爆破开挖问题也越来越凸显。
模糊层次分析法（FAHP）是美国运筹学T.L.Saaty教授[2]提出的一种定性与定量相结合的系统分析方法；在工程爆破安全领域应用广泛[3-8]，王丹丹[9]将FAHP应用于楼房拆除爆破的安全评价分析；曹进军[10]基于FAHP进行软岩隧道爆破效果的因素与优化研究；汪明武[11]将模糊层次分析法与实码加速遗传算法相结合应用于工程爆破领域；郝长胜[12]在煤矿精细爆破方案中进行FAHP优化。除此之外，在管道爆破开挖方面，郑爽英[13]进行了输气管道的动力响应数值模拟试验；张震[14]分析了爆破荷载作用下临近埋地混凝土管道的动力响应特性；彭星煜[15]分析了人工爆破地震作用下输气管道的动力响应。
本文在以上研究成果的基础上，依据超近距并行管道爆破开挖方案、管道成型尺寸以及质点振速峰值数据，采用FAHP和数值模拟相结合的方法，进行爆破荷载作用下在役管道的动力响应研究。
1 工程概况
超近距并行管道爆破开挖试验地点位于阜新市建设镇新德村北山，此处矿物组成以方解石为主，同时含有白云石、菱铁矿、石英、长石、云母等矿物质，其岩石的普氏系数为6~15。管道爆破开挖尺寸为沟底宽2.8 m，沟深3 m；并且要求管道顺直，沟壁和沟底平整，无沟坎阶梯，无锐器物，沟内无塌方、无杂物。
依据文献[1]要求距离在役管道10 m~20 m内进行爆破工程时，垂直方向质点振速峰值应控制在10 cm/s范围内；由此根据工程经验以及爆破漏斗试验，初步确定三种管道爆破开挖方案，如表1所示；此次爆破试验统一使用2号岩石乳化炸药，进行逐孔起爆网路连接，孔外采用3段毫秒导爆管雷管，延期时间为50 ms，孔内采用10段毫秒导爆管雷管，延期时间为380 ms。
2 管道爆破方案FAHP优选
2.1 建立层次结构模型
管道爆破开挖层次结构模型的建立以爆破方案为目标层，依据少指标，全信息，考虑定性因素和定量因素的原则，进行准则层和指标层的确定，具体如图1所示。
2.2 判断矩阵及权重计算
在层次结构模型基础上，依据T.L.Saaty教授[16]提出的1~9及其倒数标度法，将指标层两因素之间的比值构成判断矩阵。
根据判断矩阵，进行因素权重计算，步骤如下：
（6）判断矩阵满足一致性的判定标准为：
。否则重新调整判断矩阵因素标度值，直到满足一致性要求为止。
根据以上步骤，确定层次判断矩阵，计算权重，并进行一致性检验，结果如表4~表7所示。指标层各因素的总权重见表8。
2.3 确定指标隶属度
管道爆破开挖试验过程中，采用TC-4850测振仪在距离爆源10 m处布点测试，收集垂直方向质点振速峰值；在管道爆破开挖试验结束后，立即对管道的成型尺寸进行测量，具体指标及评价如表9所示。
根据模糊数学理论[17]，隶属度的确定需要考虑指标的特性。
对于定性指标，按照5级标准赋值：当为优时，赋值为0.95；当为良时，赋值为0.75；当为中时，赋值为0.55；当为及 格时，赋值为0.35；当为差时，赋值为0.15。
对于定量指标，规定指标数值越大越好为正指标，反之为负指标；则利用
计算正指标隶属度，利用
计算负指标隶属度。
由此可得模糊评价矩阵为：
。
2.4 FAHP方案优选
根据指标总权重以及模糊评价矩阵，利用加权平均模型进行计算：
根据最大隶属度原则[18-19]，确定方案二为超近距并行管道爆破开挖的最优方案。
3 并行管道爆破动力响应研究
3.1 数值模型建立
采用LS-DYNA数值模拟软件，应用ALE算法，根据在役管道的成型尺寸进行实际比例建模，但为了简化计算，将模型尺寸设置为14 m×9 m×4 m，具体如图5所示；由于简化了数值模型，因此需要在底面及四周施加固定约束以及无反射边界条件，数值模型材料及状态方程参考文献[20]；为分析超近距并行管道爆破开挖动力响应的极限情况，在数值模型的建立过程中，只考虑管道相距10 m的情形，且爆破参数依据FAHP的最优方案。
3.2 在役管道应力分析
在役管道X、Y、Z三个方向的应力云图如图6所示。
从上图可以得出：在役管道X方向所受的高应力状态比较集中，主要位于管道的侧壁位置处，最大值为2.33 
，而且管道的顶部及底部所受的应力影响也不可忽视；相比于X方向，Y方向所受应力有所减小，但主要影响位置仍然位于管道的侧壁处；Z方向所受应力比较均匀，对在役管道影响较小。
3.3 在役管道应变分析
在役管道X、Y、Z三个方向的应变云图如图7所示。
从上图可以得出：在役管道X方向所受应变的最大值为8.19×10-5，且大应变分布区域较广，主要出现在管道的侧壁位置处；相比于X方向，Y方向所受大应变的区域范围减小，但是管道顶部及底部范围的最值不降，反而上升，而且比较集中；Z方向所受应变比较均匀，对在役管道影响较小。
4 结 论
（1）通过建立层次结构模型，构造判断矩阵，进行权重计算，可以按照最大隶属度原则进行超近距并行管道爆破开挖方案的优选，为类似管道爆破工程提供参考。
（2）采用FAHP法确定第二方案为超近距并行管道爆破开挖的最佳方案，其管道成型尺寸最接近标准管道尺寸，而且其垂向质点振速峰值为9.0656 cm/s，满足油气管道的规范要求。
（3）通过数值模拟分析爆破开挖对在役管道的动力响应得出，超近距并行管道爆破开挖时，在役管道X方向所受的影响最为显著，并且高应力及大应变主要集中在管道的侧壁位置处，管道的顶部及底部也应该加强防护。
参考文献
[1] 中国石油天然气集团公司.油气管道并行敷设技术规范：Q/SY 1358-2010[S].北京：石油工业出版社,2010.
[2] Satty T L.An exposition of the AHP in reply to the paper “remarks on the analytic hierarchy process”[M].Informs,1990.
[3] Moayeri M,Shahvarani A,Behzadi M H.The application of fuzzy analytic hierarchy process in high school math teachers ranking[J].Mathematics Education Trends & Research,2016.
[4] Lu L,Shi Z H,Wei Y,et al.A fuzzy analytic hierarchy process(FAHP)approach to eco-environmental vulnerability assessment for the Danjiangkou reservoir area,China.[J].Ecological Modeling,2009,220(23):3439-3447.
[5] Zhao Q,Zhang X,Wang L X,et al.Evaluation method of software usability process based on fuzzy analytic hierarchy process[J].Application Research of Computers,2013,30(09):2730-2729.
[6] 陈雪锋,陈文涛.集对分析理论在爆破工程安全预评价中的应用[J].中国安全生产科学技术,2017,13(01):146-150.
[7] 李地元,王涛.浅埋隧道爆破施工对地表建筑物安全的试验和数值分析[J].中国安全生产科学技术,2015,11(11):112-117.
[8] 陶铁军,蔡建德,张光权,等.未确知测度模型在爆破工程安全评价中的应用[J].中国安全生产科学技术,2011,7(12):108-111.
[9] 王丹丹,章光,高光明,等.基于模糊层次分析法的高楼拆除爆破安全评价[J].工程爆破,2017,23(04):48-53.
[10] 曹进军.基于模糊层次分析法的软岩隧道爆破效果影响因素分析与优化研究[D].武汉:武汉科技大学,2014.
[11] 汪明武,吴大国,张薇薇.基于RAGA的模糊层次分析方法在爆破方案优选中的应用[J].爆炸与冲击,2008(03):225-228.
[12] 郝长胜,尹旭,尚东,等.模糊层次分析法在煤矿精细爆破方案选择中的应用[J].能源与环保,2017,39(05):184-188.
[13] 郑爽英,杨立中.隧道爆破地震下输气管道动力响应数值试验[J].西南交通大学学报,2017,52(02):264-271.
[14] 张震,周传波,路世伟,等.爆破振动作用下邻近埋地混凝土管道动力响应特性[J].哈尔滨工业大学学报,2017,49(09):79-84.
[15] 彭星煜,梁光川,张鹏,等.人工爆破地震作用下输气管道动力响应分析[J].天然气工业,2012,32(11):81-84+122.
[16] Satty T L,Vargas L G.models,methods,concepts & applications of the analytic hierarchy process[J].International,2012,7(02):159-172.
[17] 张吉军.模糊层次分析法(FAHP)[J].模糊系统与数学,2000(02):80-88.
[18] 张庆新,冯盼学,柳波.模糊层次分析法在开挖爆破影响因素分析及方案优选中的应用[J].工程爆破,2012,18(02):50-53.
[19] 张世雄,陈庆发,许名标.模糊层次分析法在爆破方案优化选择中的应用[J].爆破,2004(04):83-85.
[20] 费鸿禄,闫雨,杨智广,等.超近距并行管沟精确爆破开挖的模拟分析[J].工程爆破,2017,23(03):26-31+64.