本发明涉及冲孔灌注桩施工振动及埋地输气管道安全领域，具体的说是涉及一种由埋地输气管道上方地表振动速度计算埋地输气管道振动速度从而判断埋地输气管道安全状态的方法。
背景技术：
1、我国各类线性工程的快速发展，与早年规划修建的石油天然气管线冲突。因此难免有一些重大工程项目需要与埋地石油天然气管线并行、跨越等，这种新建造的与管线存在并行或者交叉的工程项目一般是采取桥梁的形式跨越管道。在进行桥梁的桩基施工时，我国往往采用冲孔灌注桩的方式，但是冲孔灌注桩对邻近埋地输气管道影响较大。目前对于埋地输气管道的安全监测主要通过振动传感器与管道直接连接进行监测，虽然该种方式精确性较高但是部分地区存在着管道开挖难度较大、监测成本较高的特点，因此在保证精确性的同时控制经济成本是一个关键技术问题。如果能在冲孔灌注桩施工过程中通过监测地表振动速度后计算埋地输气管道振动速度，判定其安全性，对控制监测成本及管道安全性具有重要意义。
2、公开号为cn112130207b的中国发明专利申请公开了一种基于球形装药条件下由地面振动计算地下振动的方法。该专利仅是通过地上振动点计算地下振动速度，并未提出如何转换地下振动速度与埋地输气管道振动速度，也未确定振源处于何地对埋地输气管道影响最大，因此无法对埋地输气管道安全状态进行判定，故需要一种可将地表振动速度转化为埋地输气管道峰值振动速度从而进行埋地输气管道安全状态判定的方法。
技术实现思路
1、为解决以上背景技术中存在的问题，本发明提出一种通过地表振动速度判断埋地输气管道安全状态的方法。该方法可通过埋地输气管道上方地表振动速度计算所对应的埋地输气管道振动速度从而与埋地输气管道振动阈值进行对比，以此达到判断埋地输气管道安全状态的目的。
2、为了达到上述技术目的，本发明提供了一种通过地表振动速度对埋地输气管道安全状态判定的方法，其特征在于，具体步骤如下：
3、s1.测量现场岩土性质，通过岩土的密度、泊松比、弹性模量参数对现场岩土的压缩波p波的波速以及剪切波s波的波速进行计算，具体如下：
4、
5、
6、式中cp为岩土介质p波波速，单位m/s；cs为岩土介质s波波速，单位m/s；
7、ρ为岩土介质密度，单位kg/m3；u为岩土介质泊松比；
8、e为岩样介质弹性模量，单位mpa；
9、s2.通过埋地输气管道距离冲孔灌注桩施工振动源的水平距离h1、埋地输气管道埋深d1计算得出地面监测点处入射p波的入射角度及反射sv波的出射角度、p波的反射系数和s波的反射系数，表达式如下：
10、
11、
12、
13、
14、式中θp为地面监测点处入射p波的入射角度；
15、θs为地面监测点处反射sv波的反射角度；
16、h1为冲孔灌注桩施工振动源与埋地输气管道的水平距离；
17、d1为冲孔灌注桩施工振动源距地面的垂直距离及管道埋深；
18、rpp为地面监测点处反射p波的反射系数；
19、rps为地面监测点处反射sv波的反射系数；
20、s3.确定入射p波经过地面无振动波垂直偏振反射后抵达埋地输气管道的波称为反射p波，地面激发点为p点；确定入射p波经过地面振动波垂直偏振反射后抵达埋地输气管道的波称为反射sv波，地面激发点为s；所述p点的p波入射由于没有垂直偏振因此入射角度与出射角度是一致的，直接得到p点为埋地输气管道与地面监测点的水平距离h1的中心点，即得到p点距离冲孔灌注桩施工振动源的水平距离hp：
21、
22、通过埋地输气管道埋深d1、埋地输气管道与地面监测点的水平距离h1以及s1步骤中计算的岩土介质p波波速cp、岩土介质s波波速cs计算反射sv波在地面激发点s到冲孔灌注桩施工振动源中心的水平距离hs及地面激发点p处入射p波的入射角度θ′p、地面激发点s处反射sv波的反射角度θ″s；具体计算公式如下：
23、
24、d1(tanθ″p+tanθ″s)＝h1
25、cpsinθ″s-cssinθ″p＝0
26、hs＝d1·tanθ″p
27、式中，hp为地面激发点p到冲孔灌注桩施工振动源的水平距离；
28、hs为地面激发点s到冲孔灌注桩施工振动源中心的水平距离；
29、s4.分别计算出冲孔灌注桩施工振动源发射出直接抵达埋地输气管道的直达p波、通过地面激发点p反射的反射p波、地面激发点s反射的反射sv波到达埋地输气管道的时间与冲孔灌注桩施工振动源发出的入射p波到达管道正上方地面监测点的时间差，计算公式如下：
30、
31、
32、
33、式中，δt0为直达p波到达埋地输气管道与入射p波到达地面监测点的时差；
34、δt1为通过地面激发点p反射的反射p波到达埋地输气管道与入射p波到达地面监测点的时差；
35、δt2为通过地面激发点s反射的反射sv波到达埋地输气管道与入射p波到达地面监测点的时差；
36、s5.根据安装在地面监测点的垂直方向振动传感器测量出的地表垂直向振动速度计算出入射p波的波形，表达式如下：
37、
38、式中，vy(t)为地面监测点垂直振动速度波形；
39、vp(t)为地面监测点处的入射p波的振动速度波形；
40、s6.通过冲孔灌注桩施工振动源发射出直接抵达埋地输气管道的直达p波、地面激发点p点处反射的反射p波以及地面激发点s点处反射的反射sv波在地下埋地输气管道处水平方向及垂直方向的振动速度分量得到地下埋地输气管道处土体振动速度
41、
42、
43、
44、式中，为地下埋地输气管道的振动速度沿水平方向的振动速度分量；
45、为地下埋地输气管道的振动速度沿垂直方向的振动速度分量；
46、为地下埋地输气管道处土体振动速度；
47、v0x(t)为直达p波在地下埋地输气管道处的振动速度沿水平方向的振动速度分量；
48、v0z(t)为直达p波在地下埋地输气管道处振动速度沿垂直方向的振动速度分量；
49、v1x(t)为地面激发点p点处反射的反射p波在地下埋地输气管道处的振动速度沿水平方向的振动速度分量；
50、v1z(t)为地面激发点p点处反射的反射p波在地下埋地输气管道处的振动速度沿垂直方向的振动速度分量；
51、v2x(t)为地面激发点s点处反射的反射sv波在地下埋地输气管道处的振动速度沿水平方向的振动速度分量；
52、v2z(t)为地面激发点s点处反射的反射sv波在地下埋地输气管道处的振动速度沿垂直方向的振动速度分量；
53、s7.通过s6步骤中计算的地下埋地输气管道处土体振动速度结合建立的埋地输气管道三维模型得到埋地输气管道与土体振动速度关系式，得到埋地输气管道振动峰值速度v管，其计算如下：
54、
55、kt为管道-土体振动速度差异经验系数；
56、s8.通过将埋地输气管道振动峰值速度v管与埋地输气管道振动阈值v阈值进行对比判断管道安全状态：
57、若v管>v阈值，则管道处于不安全状态；
58、若v管<v阈值，则管道处于安全状态；
59、其中，所述埋地输气管道振动阈值v阈值为埋地输气管道破坏时的振动速度。
60、本发明进一步的技术方案：所述埋地输气管道地表振动峰值速度所对应的埋地输气管道振动峰值速度达到最大的情况时，冲孔灌注桩冲击振源与埋地输气管道处于同一水平面，因此在计算时设定冲孔灌注桩冲击振源与埋地输气管道位于同一水平面。
61、本发明进一步的技术方案：所述s2步骤中的地面监测点为安装在埋地输气管道正上方的地表垂直方向的振动传感器；所述冲孔灌注桩施工振动源与埋地输气管道的水平距离h1为冲孔灌注桩施工振动源与地面监测点的水平距离；所述埋地输气管道埋深d1为冲孔灌注桩施工振动源距地面的垂直距离。
62、本发明进一步的技术方案：所述s6步骤中冲孔灌注桩施工振动源发射出直接抵达埋地输气管道的直达p波、地面激发点p点处反射的反射p波以及地面激发点s点处反射的反射sv波在地下埋地输气管道处水平方向及垂直方向的振动速度分量v0x(t)、v0z(t)、v1x(t)、v1z(t)、v2x(t)、v2z(t)按照以下过程计算得到：
63、
64、v0x(t)＝v0(t)
65、v0z(t)＝0
66、
67、
68、v1x(t)＝v1(t)·sinθ′p
69、v1z(t)＝v1(t)·cosθ′p
70、
71、
72、v2x(t)＝v2(t)·cosθ″s
73、v2z(t)＝v2(t)·sinθ″s
74、式中，v0(t)为直达p波在地下埋地输气管道处的振动速度波形；
75、vp(t-δt0)为p波入射到地面监测点的振动速度波形在时间轴正方向作δt0平移；
76、v1(t)为地面激发点p点处反射的反射p波在地下埋地输气管道处的振动速度波形；
77、vp(t-δt1)为p波入射到地面监测点的振动速度波形在时间轴正方向作δt1平移；
78、r'pp为地面激发点p反射的反射p波的反射系数；
79、v2(t)为地面激发点s点处反射的反射sv波在地下埋地输气管道处的振动速度波形；
80、vp(t-δt2)为p波入射到地下埋地输气管道的振动速度波形在时间轴正方向作δt2平移；
81、r”ps为地面激发点s反射的反射sv波的反射系数。
82、本发明较优的技术方案：所述s8步骤中的埋地输气管道振动阈值v阈值是通过《输油/气钢质管道抗震设计规范》及数值模拟手段建立埋地输气管道三维模型两种方法分别计算得到埋地输气管道破坏时的振动速度，并选取两者中较小的振动速度作为埋地输气管道的振动速度阈值来判断管道的安全状态；即：
83、若vm>vs，则v阈值＝vs；
84、若vm<vs，则v阈值＝vm；
85、式中vm为通过数值模拟计算得到的管道破坏时所对应的振动速度；
86、vs为通过《输油/气钢质管道抗震设计规范》计算得到的管道破坏时所对应的振动速度；
87、v阈值为埋地输气管道振动速度阈值。
88、本发明较优的技术方案：所述s6步骤和s8步骤中的建立埋地输气管道三维模型的方式相同，具体步骤如下：
89、(1)对现场岩土体性质进行测试及获取管道性质、埋深、冲孔灌注桩施工条件，建立埋地输气管道三维数值模型；
90、(2)根据计算量以及计算精度对埋地管道三维几何模型网格划分及网格无关性分析，得到稳定状态的网格，即作为计算的网格数量和节点数；试验过程中以土体应力、土体振动速度、土体位移、管道应力、管道振动速度作为参考。
91、本发明较优的技术方案：根据数值模拟计算提取不同时刻埋地输气管道振动速度以及相应时刻的管周土体振动速度，将一系列数据利用origin软件进行线性拟合得到埋地输气管道振动速度与管周土体振动速度关系式为v管＝(1+kt)vt，且kt为管道-土体振动速度差异经验系数。
92、本发明选取影响埋地输气管道最大的情况，即地下待测点(埋地输气管道)与冲击振源(冲孔灌注桩施工振动源)位于同一水平面，对现场p波及s波进行波速计算，得出p波到达地表振动传感器(地面监测点)的时间与直达p波、反射p波、反射sv波传播到埋地输气管道的时间差；通过计算出振动波的反射系数及时间差得到直达p波、反射p波、反射sv波的振动速度，并通过矢量计算得到埋地输气管道旁土体振动速度；然后通过数值模拟计算得到埋地输气管道周围土体与管道振动速度差异经验系数，进而得到埋地输气管道振动速度阈值并通过与数值模拟计算及理论计算得出的埋地输气管道阈值进行对比，从而对埋地输气管道的安全状态进行判断。
93、本发明可以通过在埋地输气管道上方地表布置振动传感器，得到地表振动速度从而计算所对应的埋地输气管道振动速度与埋地输气管道振动阈值进行对比，从而判断埋地输气管道安全状态；相比传统的开挖管道埋设振动传感器监测手段，本发明能够通过地表振动速度监测判断埋地输气管道的安全状态，无需开挖管道，且相较于传统的监测减少了传感器数量，从而降低了监测成本，减少了监测难度，具有较高的经济价值以及较强的实践性。
1.一种通过地表振动速度对埋地输气管道安全状态判定的方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种通过地表振动速度对埋地输气管道安全状态判定的方法，其特征在于：所述埋地输气管道地表振动峰值速度所对应的埋地输气管道振动峰值速度达到最大的情况时，冲孔灌注桩冲击振源与埋地输气管道处于同一水平面，因此在计算时设定冲孔灌注桩冲击振源与埋地输气管道位于同一水平面。
3.根据权利要求2所述的一种通过地表振动速度对埋地输气管道安全状态判定的方法，其特征在于：所述s2步骤中的地面监测点为安装在埋地输气管道正上方的地表垂直方向的振动传感器；所述冲孔灌注桩施工振动源与埋地输气管道的水平距离h1为冲孔灌注桩施工振动源与地面监测点的水平距离；所述埋地输气管道埋深d1为冲孔灌注桩施工振动源距地面的垂直距离。
4.根据权利要求2所述的一种通过地表振动速度对埋地输气管道安全状态判定的方法，其特征在于：所述s6步骤中冲孔灌注桩施工振动源发射出直接抵达埋地输气管道的直达p波、地面激发点p点处反射的反射p波以及地面激发点s点处反射的反射sv波在地下埋地输气管道处水平方向及垂直方向的振动速度分量v0x(t)、v0z(t)、v1x(t)、v1z(t)、v2x(t)、v2z(t)按照以下过程计算得到：
5.根据权利要求2所述的一种通过地表振动速度对埋地输气管道安全状态判定的方法，其特征在于：所述s8步骤中的埋地输气管道振动阈值v阈值是通过《输油/气钢质管道抗震设计规范》及数值模拟手段建立埋地输气管道三维模型两种方法分别计算得到埋地输气管道破坏时的振动速度，并选取两者中较小的振动速度作为埋地输气管道的振动速度阈值来判断管道的安全状态；即：
6.根据权利要求5所述的一种通过地表振动速度对埋地输气管道安全状态判定的方法，其特征在于：所述s6步骤和s8步骤中的建立埋地输气管道三维模型的方式相同，具体步骤如下：
7.根据权利要求6所述的一种通过地表振动速度对埋地输气管道安全状态判定的方法，其特征在于：根据数值模拟计算提取不同时刻埋地输气管道振动速度以及相应时刻的管周土体振动速度，将一系列数据利用origin软件进行线性拟合得到埋地输气管道振动速度与管周土体振动速度关系式为v管＝(1+kt)vt，且kt为管道-土体振动速度差异经验系数。
