复杂环境刚架拱桥电子雷管拆除爆破控制技术

2020-03-23李卫群周浩仓

工程爆破 2020年1期

李卫群，钟云，周浩仓

(1.江西省高端爆破工程有限公司，江西吉安 343000；2.江西国泰集团股份有限公司技术研究院，南昌 330096；3.江西国泰集团股份有限公司，南昌 330096)

1 工程概况

江西省吉安市青原区值夏桥位于S319省道青原区值夏镇值夏小学旁，是跨越泷江的一座刚架拱桥，该桥建成于2001年10月，设计荷载为汽-20 t，挂-100 t；人群荷载为3 kN/m2，设计洪水频率为1/100 Hz，全桥总长209.80 m，桥面净宽(9+2)×1.5 m，净跨4×45 m。近年来，随着地方经济的快速发展以及沿线城镇化水平的不断提高，该路段交通量尤其是大吨位车辆剧增，老桥已无法满足安全行车要求。为此，当地政府拟对该桥进行拆除，然后在原址上建新桥。

待拆大桥呈南北走向，北桥头西面48 m处为变压器，190 m处为民房，东面140 m处为集中居民楼；南桥头南面25 m处为居民楼，105 m处为值夏镇集中居民区，东南面6 m为值夏小学围墙，15 m处为值夏小学教学楼，25 m处为值夏小学的3层楼食堂，桥体下游12 m处有项目部的钢结构临时便桥，下游方向还有一组通讯电线通过河道，两端距离分别为200、260 m，上游240 m处有1座废弃仅供行人通过的老桥，为赶工期，在南桥台及北桥台各新建了2个新大桥桥墩，南桥台新建桥墩距离最近的爆破点约15 m；北桥台新建桥墩距离最近的爆破点约9 m，而且新建桥墩龄期距离爆破时间只有12 d，新建桥墩位于地表以下，钢筋混凝土结构，直径1.6 m，设计砼强度为C30。爆区周围环境如图1所示。

图1 爆区周围环境Fig.1 Blasting surrounding environment

待拆桥梁上部桥面铺装为钢筋混凝土结构，单跨中间厚10 cm，两边靠近拱圈处厚25 cm，桥面下面铺装微弯板，厚10 cm，C30钢筋混凝土结构，桥面、拱圈、斜撑、梁系等整体浇筑(原设计拱圈为预制，因受场地限制后改为现浇)，桥面总体积408 m3，钢筋10.7 t；拱圈、斜撑、横系梁等均为砼C30，体积754.3 m3，钢筋、钢板等重86.8 t。车行道伸缩缝位于立墙的正上方。

桥梁下部主要构造为拱，上立墙为砼C25现浇，体积116.58 m3，钢筋1.1 t；墩身体积1 397.33 m3，砼C20；桥墩承台为砼C20，体积342.23 m3, 钢筋8.3 t，大桥各主要部位尺寸如表1所示,其结构如图2所示。

表1 大桥各主要部位构件尺寸

图2 桥梁结构Fig.2 Bridge structure

2 爆破方案

2.1 工程要求及技术难点

根据周围环境、大桥的结构特点以及恰逢洪水季节等因素，政府对该工程提出几条重点要求。

1)大桥周边居民房密集，爆破产生的有害效应不得影响周边居住设施以及其他各种设施，扎实做好防护措施，确保爆破飞石不危害居民安全。

2)爆破期间正逢洪水季节，该河道洪水量很大，尽量做到爆破解体充分，便于尽快清理，确保水流畅通及救援通航，不得因河道堵塞而造成上游洪水加剧。

3)下游钢便桥是危桥爆破后唯一的通行设施，必须确保爆破飞石、振动、涌浪以及水下冲击波不会影响到钢便桥的安全。

4)精确计算爆破振动安全允许距离，必须确保南、北桥台上的2个新建桥墩的质量。

为满足以上要求，经综合分析，采用浅孔爆破，在各个结构部位设置多个爆破切口，减小爆破块度，降低爆破高度；合理优化爆破参数，加强爆破飞石防护措施；将整个大桥划分多个区，采用延时起爆，逐段坍塌；设计使用数码电子雷管，其优点比其他雷管更能满足在复杂环境的拆除爆破，能确保将爆破有害效应控制在设计范围内。

2.2 方案选择

整座桥梁有约4 000 m3的钢筋混凝土，如全部采用爆破方法解体破碎，不仅布孔多、钻爆工作量大，而且爆破飞石难以控制，将威胁到附近小学、民房及其他保护对象的安全。经过多次论证，决定采取控制爆破与机械破碎相结合的拆除方案，即采用原地坍塌的控制爆破使桥梁主体塌落、分解，再用机械进行破碎解体、然后清运。

结合桥梁特点及工程要求，在墩身上部、立墙、拱脚、斜撑及拱顶(包括拱顶处桥面)分别设置爆破切口，以破坏桥的整体性和连续性从而使其坍塌。

2.3 起爆方式

针对桥梁的结构特点及周围环境，减少最大段起爆药量，降低爆破振动，采用一次起爆；由北桥台依次向南桥台使用导爆管雷管与电子雷管混合的延时起爆网路，通过数码电子雷管精准延时，分17区爆破逐段塌落。

2.4 爆破参数

炮孔直径φ38 mm，采用φ32 mm，300 g/根的乳化炸药。最小抵抗线W=b/2，b为构件短边长度，取孔距a=b；孔深L=0.7b或L=A-W，A为构件长边长度。炸药单耗q取700～2 000 g/m3之间，根据不同的爆破对象选取炸药单耗，单孔药量Q=qV，其中V为每个炮孔负担的爆破体积，爆破参数如表2所示，炮孔布置及装药结构如图3所示。

表2 爆破参数

注：1)拱脚、拱顶单孔药量均分2个药包，相邻炮孔内药包相互错开装药。

2)该工程总使用炸药量267.9 kg，导爆管雷管MS1段406发，电子雷管713发。

图3 炮孔布置及装药结构Fig.3 Hole layout and charging structure

3 起爆网路

在拆除爆破施工中一般雷管用量都比较大，为达到较好的爆破效果以及最大程度地降低爆破有害效应，往往对段别要求比较多，而且延时要求也比较高，因周边环境、特殊部位或工人钻孔等引起的误差可通过延时起爆从而满足设计要求；在复杂环境的拆除爆破施工中，数码电子雷管具备其他雷管没有的性能和优点，能确保网路的安全性和可靠性，更有效地降低和控制爆破有害效应。

在拆除爆破施工中，一般工程量都比较大，时间紧，在安装前对每发雷管先进行检测，数码电子雷管可在安装前或安装后进行数据采集并设置延时时间，安装快捷、准爆率高。

3.1 延时及组网设计

雷管安装后，根据设计要求设置每发雷管的延时时间，也可以取消、更改延时时间，延时设计方便灵活，每发雷管脚线端头设有线卡，组网时将线卡卡在孔外导线上即可。组网方便快捷，组网结束后，通过信安控制盒检测网路的导通及起爆电阻情况，确保传爆稳定。

数码电子雷管是通过雷管内部芯片延时起爆，延时精准，起爆电流通过导线激发雷管芯片起爆，确保了网路的安全性及准爆率，网路延时设计一次使用量不受限制。在以往拆除爆破中，一般采用的是非电导爆管雷管，在数量较多的情况下，孔内装高段位雷管，通过孔外低段位雷管来延时起爆，起爆网路不可检测，网路传爆不能确保，高段位雷管延时误差比较大，传爆雷管延时时间受到限制，一般延时时间最小为25 ms，在精准拆除爆破中的效果低于数码电子雷管。

本工程设计桥面以下结构采用数码电子雷管孔内延时起爆网路；桥面及微弯板(包括拱顶)部位，孔内采用导爆管雷管MS1段，孔外采用数码电子雷管延时起爆，各导爆管雷管采用簇联方式与孔外数码电子雷管连接，组成混合网路。

为了减小爆破时一次齐爆药量，降低爆破有害效应，爆破采用分区段、毫秒延时的起爆技术，将整个大桥分为17个区，从北桥台的斜撑及拱脚开始按桥墩顺序依次起爆，相邻区段的起爆时差设计为15～25 ms，总爆破时间405 ms。

根据周围环境及桥梁结构特征，桥墩炮孔设计在立墙两边85°倾斜钻孔，最小抵抗线相等，同时起爆才能解体充分，达到良好的爆破效果。整个桥墩同时起爆药量为58.8 kg，爆破振动对周边保护对象影响比较大。根据有关经验，延时10～20 ms能达到减振效果，且一般不会改变最小抵抗线。

本工程设计每个桥墩划分2个区，墩内区间延时15 ms。其中，北桥台爆破点距离保护对象只有6 m，斜撑总药量为1.08 kg，拱脚总药量为2.2 kg，根据振动公式计算，爆破振动远大于保护对象安全允许振速，为降低爆破振动，将斜撑划分1区，共16个孔，分2个段别，8个孔设计0 ms，8个孔设计15 ms；拱脚划分为2区，共20个孔，分3个段别，6个孔设计30 ms，7个孔设计45 ms，7个孔设计60 ms。其他区间设计延时25 ms。起爆网路如图4所示。

图4 起爆网路Fig.4 Detonation network

3.2 起爆

数码电子雷管通过信安控制盒来起爆，起爆前通过全国电子雷管密码管控中心下载起爆密码，经过3码绑定起爆，安全性能高。

4 安全设计与监测

该工程主要考虑的有害效应是爆破振动、塌落振动、爆破飞石等。

4.1 爆破振动控制

根据周围环境和安全技术要求，采用萨道夫斯基公式[1]校核：

(1)

式中：k、α为与爆破点至保护对象间的地形、地质因素有关的系数和衰减指数；k′为与爆破方式有关的装药分散经验系数，一般取0.25～1，距离爆源近且爆破体临空面较少时取大值，反之取小值；Q为同段炸药量，kg；R为爆破点与保护对象间的距离，m；v为允许质点振动速度，cm/s。

本次爆破分别取k=31.812 66，k′=1，α=1.443 5。北桥头居民房、小学围墙和小学教学楼是该工程的重点振动监测对象，经计算得出各爆点最大一次起爆药量对最近保护对象的振速计算值如表3所示。

表3 各爆点最大一次起爆药量对最近保护对象的振速计算值

4.2 塌落振动控制

拆除爆破塌落振动速度可根据中国科学院力学研究所提供的经验公式[2]计算：

(2)

式中：vt为塌落振速，cm/s；kt为衰减系数，取kt=3.37，以水及砂为垫层，kt值取前者的1/3；R为保护对象至撞击中心的距离，m；m为下落构件的质量，t；g为重力加速度，9.8 m/s2；H为重心高度，m；σ为材料破坏强度，10 MPa；β为衰减指数，取β=1.66。

待拆大桥通过分区爆破后，最大触地部分的建筑物质量为1 200 t；北桥台重心高度为10.5 m，南桥台重心高度为12.5 m；北桥台小学围墙、小学教学楼和北桥头居民房至撞击中心的最近距离分别为29、35、48 m。经计算得出：北桥台小学围墙、小学教学楼以及居民房处的塌落振速分别为0.77、0.57、0.34 cm/s。

经爆破振动和塌落振动计算，振动最大值为北桥台小学围墙的爆破振动值2.11 cm/s，根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)规定，一般民用建筑物的安全允许振动速度v介于2.0～2.5 cm/s之间，因此此次爆破产生的爆破振动及塌落振动对周边房屋都是安全的。

4.3 爆破飞石距离验算

在无覆盖的情况下飞石距离与炸药量之间的关系[3]为

S=70q0.58

(3)

式中：S为飞石距离，m；q为炸药单耗，kg/m3，桥面最大单耗为2.0 kg/m3。

则：S=70×2.00.58=104.64 m

根据估算结果以及周围环境的实际情况，需要对爆破飞石采取加强防护技术措施。

4.4 安全防护措施

采取多打孔少装药，多段延时的起爆技术，尽量减少最大一段起爆药量，由北向南一次逐段、逐跨延时坍塌，尽量减少最大触地质量，有效地降低爆破振动及塌落振动。

合理的布孔、装药、确保填塞长度和填塞质量，能有效地预防爆破飞石；桥面、拱顶采用沙袋外加密目网覆盖防护；所有周边孔4层土工布外加加厚网格栅；拱顶悬挂式500 g土工布2层，外加加厚网格栅3 m×4 m，下加压沙袋；桥墩周圈采用500 g土工布2层外加加厚网格栅防护，防护高度4 m；立墙边孔500 g土工布2层外加加厚网格栅，防护高度2 m；其余炮孔均采用500 g土工布2层外加加厚网格栅；整桥外围再悬挂双层密目网8 m×24 m封闭式防护，下加压沙袋。

4.5 对周边环境影响的检测结果

1)新建桥墩基桩监测结果。爆破后委托第三方对新建的2个桥墩进行了质量检测，爆破对桥墩质量未产生损伤，检测结果如表4所示。

表4 新建桥墩基桩检测结果

2)爆破振动监测结果。此次爆破设置了2个测点，即于北面25 m处居民楼和西北面15 m处的值夏小学教学楼分别设置振动监测点，经检测爆破监测点的振动速度远小于《爆破安全规程》规定值，爆破是安全的，监测结果如表5所示。

表5 爆破振动实际监测值

注：居民楼地面测点仪器没有触发，说明其振动速度小于仪器设定激发电平0.05 cm/s。

5 爆破效果

起爆后，整座大桥由北向南依次倒塌，桥梁按照设计成功拆除，无飞石，经爆后检查，对保护对象无影响。实测最大振动速度值小于计算值，北桥台居民房振动速度最大计算值为0.45 cm/s，实测值低于激发电平0.05 cm/s；北桥台小学教学楼振动速度最大计算值为0.93 cm/s，实测最大振动速度值为0.12 cm/s，减振效果明显。桥面、微弯板切割良好，说明此次爆破效果达到预期目标，爆破效果如图5所示。