微差控制爆破技术在双曲拱桥拆除中的应用研究

2019-01-14李伟武

武汉工程职业技术学院学报 2018年4期

程斌郑非李伟武

(1.武汉城市职业学院湖北武汉：430064；2.武汉工程职业技术学院湖北武汉：430080；3.湖北省路桥集团有限公司湖北武汉：430056)

黄冈三台河桥是连接城东新区和老城区的重要通道，老桥修建于上世纪80年代，已不适应经济社会发展需要，拟原址拆除重建。该桥为双曲拱结构，桥梁总长110m，双向四车道，机动车车道宽15m，两侧各布置1.8m宽的人行道，桥梁总宽18.6m，桥面行车道铺设沥青，桥梁结构沿着横轴线对称布置。主拱跨度50m，桥梁高度12m，主拱圈由8片拱肋组成，拱肋间设横向联系，均为混凝土结构；上曲拱为四连拱结构，对称布置，混凝土结构；主拱与上曲拱间为混凝土支撑结构支撑柱,见图1。桥梁上游外侧沿线附着有军用光缆和移动光纤及两组其他管线；桥梁下游人行道上存在自来水管,离桥梁约19m处有一10kV高压走廊及一条通信光缆；桥梁西侧路基上有一监控设施；桥梁东头路基上装有一大型广告牌。

图1 旧桥桥型布置图(单位，cm)

1 爆破方案的确定

1.1 大桥的受力分析

拱式桥稳定性的主要控制构件是其拱圈或下弦杆，其次是主梁或上弦杆。因此，拱式桥爆破拆除过程中，应通过爆破使拱圈或下弦杆在“拱脚”处失去水平和竖直向的支撑，使其由超静定结构转化为转动机构，使拱结构发生转动失稳而塌落，进而诱发主梁的折断破裂。如拱圈或下弦杆的弧度较大，则应在拱形结构中部进行爆破，以解除其多余的刚度，形成“多铰拱”避免倒而不破的后果。其次在拱上的爆破缺口区域大小，必须满足除去缺口部分拱的展长大于两柱之间的距离。

1.2 爆破方案选取

根椐三台河大桥的结构特点,结合桥梁的水深条件、周边环境、及尽可能缩短水上施工时间,决定对大桥采取方案采用一次性爆破解体塌落的形式，即采用凿岩机钻凿38～42mm的孔径，在拱肋顶部、肋脚、横墙等主要部位布孔爆破，靠桥体构件重力势能解体塌落。基于这一情况确定的爆破总体方案为:桥拱、腹拱、桥墩和桥台采用一次点火,多段延时起爆的爆破方案。根据拱形桥梁失稳的原理炸毁拱圈的爆点选择在主拱的拱顶部位。只要拱顶破碎了,单拱桥在瞬间形成两个悬臂梁,在桥墩破坏和桥面自重的作用下加速下落冲击水面而解体破坏。

2 爆破参数设计

2.1 爆破施工部位的布置

(1)主拱肋拱顶及小拱(腹拱)拱顶砼炮炮位布置。在主拱肋顶部中心线位置布置炮位，横向宽度范围为3米，使顶部拱顶肋、联系梁、波形板等在爆破时炸开3米以上的开口(见图2)，拱顶20米范围尽量破碎一些。小拱(腹拱)拱顶砼炮位布置见图3。

图2 主拱肋拱顶炮位布置

图3 小拱(腹拱)拱顶炮位布置

(2)横墙、柱炮位布置处理。①预处理：为了爆破时能够彻把横墙和柱炸开,在横墙和柱的适当位子用风镐将混凝土保护层凿掉，使墙、柱立筋裸露，用气焊割除钢筋之半，爆破时钢筋断裂，内部混凝土轻松出笼溢出。这样节省了炸药单耗，防止爆破飞散物飞散过远，也避免了钢筋拉结造成爆破不彻底，见图4。高压电线一侧更应该做好预处理。②炮位布置：3号墙上部钻竖孔，下部钻水平孔；柱体钻凿水平孔。

图4 横墙、柱炮位处理

(3)整体炸点布置。详见图5。

图5 整体炸点布置

2.2 爆破孔网参数计算

(1)单耗参数选取：主拱肋q=1200g/m3；3号墙q=300g/m3(水平孔q=400g/m3)；2号柱q=1500g/m3；1号墙q=1000g/m3。单孔装药量Q=qabH，式中,Q为单孔装药量;k为混凝土单耗药量,取1.0kg/m3；a、b为炮孔的间、排距；h为炮孔深度。

(2)主拱肋布孔示意，见图6。孔间距a=0.4m，单排直列布孔。

图6 主拱肋布孔示意图

(3)三号横墙、二号柱布孔示意图详见图7，图8。各参数计算见表1。

图7 三号横墙布孔示意图

图8 二号柱布孔示意图

3 起爆网路设计

为了减小爆破时一次起爆药量以降低爆破危害效应，采用毫秒延期导爆管雷管与电雷管起爆的混合爆破网路，孔内外微差，实现一次起爆分段爆破的爆破方法。采用不同段的非电雷管实现孔内外微差爆破，整个爆破考虑分为3个区段，孔外先起爆桥面切割预裂炮孔，之后从左至右依次使用MS1、MS7、MS9、MS9、MS7、MS1段毫秒延期雷管起爆，使用瞬发电雷管引爆延期雷管。炮孔内均用11段导爆管雷管，其延期时间为460ms。炮孔内的导爆管雷管脚线长为10m，起爆网路顺序见图9。

表1 参数计算汇总表

各型号雷管消耗量如表2所示。

图9 起爆网路顺序图

型号电雷管MS1MS3MS7MS9MS11数量/枚1040402020304

4 爆破安全问题及预防措施

爆破过程会产生爆破震动、飞石、冲击波、噪声和毒气等爆破安全问题。对于本工程爆破安全主要问题有：

(1)爆破震动对保留的桥梁的影响。

(2)爆破飞石对桥梁两侧居民区的影响。

(3)大桥墩柱爆破后，墩柱上部结构塌落对⑥号桥墩承台的冲击作用。

(4)离桥梁约19m处有10kV高压走廊及通信光缆需要特殊防护。

这些问题能否得到解决，决定了爆破施工是否可行。

4.1 爆破地震计算与控制措施

根据中华人民共和国国家标准《爆破安全规程》(GB6722-2014)的规定，爆破振动对周围建、构筑物的损坏影响可采用下式计算：

式中：R为爆破地震安全允许距离，m；Q为微差爆破最大一段药量，kg；K、α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数；V为被保护对象所在地质点振动安全允许振速，cm/s。

由于药包是埋设在立柱上，而不是地表下，因此，通过最大允许震动速度公式可求出最大允许单响炸药量为：

经过多方面的参照对比，高压线塔基础安全允许质点振动速度≥8.0cm/s。为了确保在爆破施工过程中高压线塔基础的绝对安全，本次爆破设计取质点安全振动速度为2.0cm/s，对爆破振动效应进行控制，根据试爆后监测结果进行调整。

根据萨道夫斯基回归公式，参照此地区的类似工程经验保守，分别取值暂定为：取K=100，K1=0.5，a=1.5；爆破地点与邻近要保护目标的最小距离为19m；设安全允许震动速度为V=2.0 cm/s，代入上式可算出最大允许单响炸药量为10.9kg。而本工程实际最大单响炸药量为3.6kg，小于计算值，即爆破产生的爆破振动不会对临近要保护桥梁和小区造成危害。

4.2 桥梁坍塌触地振动计算与校准

桥梁坍塌触地振动是指桥梁爆破后解体构件塌落对地面撞击造成的振动。拆除爆破工程实践表明，塌落振动往往比爆破振动大，因此需进行触地震动安全校核。

根据周家汉教授的研究成果，建筑物坍塌触地产生的振动按下式计算：

式中：Vt为塌落引起的地面振动速度，cm/s；M为下落构件的质量，每组立柱上承重为281.6t；G为重力加速度，9.8m/s2；H为构件的塌落高度，因立柱爆破高度为7m，考虑最不利情况取12m；σ为地面介质的破坏强度，一般取10MPa；R为观测点至冲击地面中心的距离，取19m；Kt为塌落振动速度衰减系数，Kt=3.37～4.09，取4；β为塌落振动速度衰减指数，β=-1.66～-1.80，取-1.7；

将数据代入上式，得到桥梁塌落引起的地面振动速度1.85cm/s，小于2cm/s，需保护的邻近建筑是安全的。

4.3 爆破飞石控制措施

由于爆破技术的特殊性和砼介质的复杂性，爆破过程难免会产生个别飞散距离较远的飞石。若不采取安全措施，对其进行防控，容易出现安全事故。为有效控制爆破飞石，将采用如下主要措施：

(1)精心施工，使抵抗线、孔距、排距等孔网参数达到设计要求。

(2)保证足够的炮孔堵塞长度，控制堵塞质量。

(3)爆破最小抵抗线方向与炮眼方向严禁正对需要保护的高压线。

(4)在装药爆破的墩柱上用竹片进行全覆盖防护，用以阻挡飞石。防护措施为：用毛竹捆扎长2m，宽1.5m的双层竹排，使用钢钉和铁丝将竹排围合固定在爆破I、II、III区两侧。距离桥体两侧1m处布置防护网作为第二道飞石防护，防护网高于爆破最高处2m以上，主要防范小颗粒碎石飞溅，竹排和防护网捆绑覆盖方式如图10所示。