跨线渡槽爆破拆除过程的安全风险管控

2022-06-21张志雄廖承立叶雪云黄海东

北部湾大学学报 2022年2期

张志雄，廖承立，叶雪云，黄海东

(1.北部湾大学建筑工程学院，广西钦州 535011； 2.广西桂物民爆物品有限公司，广西南宁 530299； 3.北部湾大学电子与信息工程学院，广西钦州 535011)

随着我国基础建设的广泛开展，工程爆破领域的发展也迎来了新的契机。爆破安全技术在交通工程、港口与航道工程、采矿工程等诸多领域得到广泛应用[1-3]。出现一批新的安全评价分析方法和系统分析理论，促进了现场施工的安全管理[4]。这些成果大多数集中在现场安全辨识、安全风险分析的基础理论上[5-7]，较少关注施工全过程安全风险的管控。特别是拆除爆破方面对施工安全的要求非常严格[8]，作业安全条件受制于现场复杂多变的环境。因此，爆破施工安全更是所有爆破工程的首要任务，如何实现工程爆破过程安全风险的有效控制已成为当前研究热点[9-11]。Tian等[12]探究了隧道爆破开挖的振动规律以减小爆破冲击对支护结构和围岩的扰动。Koji等[13]利用有限差分法分析了桥墩爆破拆除的控制过程。唐小军等[14]采用分区控制爆破实现了对邻近高层建筑物的爆破拆除，有效地控制爆破飞石、爆破振动等危害因素的影响。上述成果多集中在隧道爆破减震、楼房拆除等方面，鲜有关于跨线渡槽结构的爆破拆除方面的报道。

本文将结合连续多跨线渡槽爆破拆除安全评价危害因素的重要度，利用LS-DYNA软件的数值模拟技术对爆破方案进行优化，对参数设计、网络设计可靠度、钻孔穿孔质量、人工预处理质量、爆区邻近构筑物保护、槽体坐塌振动、空气冲击波等方面的影响因素进行研究，以获取有针对性的安全技术与管控措施。

1 爆破方案

1.1 项目简介

待拆除渡槽构件保存完整，承载结构稳固，因项目建设而拆除，西距高等级公路S322线与县道X090交会处约1 500 m，渡槽主体距某单位厂区仓库最近处约8 m，待爆主体周边环境具体分布如图1所示。渡槽结构参数见文献[15]，此处不再赘述。

图1 待拆除渡槽周边环境示意图

1.2 项目安全管控流程

拆除项目的爆破作业属于高危行业，其施工作业因牵涉的环境复杂，且事关人民群众生命安全及社会公共安全，导致施工安全管理难度大。安全风险管控已成为涉爆施工项目的重要工作内容，施工管理、安全技术、防护措施等方面的处置不当均可能导致巨大经济损失及危及生命安全。如图2所示，项目前期准备→爆破方案设计→安全评价→施工作业→爆后安全检查→交工验收等环节的组织管理很专业，爆破施工组织很严密，对技术人员与操作人员素质要求也非常高。

图2 爆破项目安全管控流程图

1.3 爆破方案

渡槽跨越X090线，从爆破警戒到路面清碴时间不宜太长，适合采用整体爆破一次坐塌的方案。考虑到U型槽体、双肋拱及排架支持组合结构的力学特点，爆破方案对渡槽墩台上部105 m的五连跨主体结构实施重力坐塌控制爆破。因两端距离地面不高，主体爆破后采用挖掘机拆除的方案。网络设计为电起爆网络，主网络采用多股铜芯软导线连接，单孔装双发并联瞬发电雷管，然后再串联至干网。

爆破存在的难点有：(1)对厂区房屋和周边附属设施保护等级要求高。爆破点距厂房较近，库房结构抗震性能较差，要求降低爆破振动的破坏效应，控制好塌落体触地振动速度，以实现对埋地国防光缆、电信光缆、公路路面的保护，以及最大限度地降低爆破对邻近构筑物的损坏。(2)安全防护要求高。爆区环境复杂，爆破飞石危害较大，因此，需要设计好孔网参数、控制好打孔质量与装药质量，以控制爆破飞散物的方向、速度及距离。通过有效的防护确保跨线渡槽下方的电信光缆、过往车辆、现场施工设备与人员的安全。(3)工期紧，中断交通时间不宜过长，须控制在30 min内。爆破后需分解路面塌落体，并迅速清理，以快速恢复道路交通及厂区的正常生产。

2 安全风险的辨识及评价

2.1 安全评价流程

根据我国涉爆安全管理的相关标准和规定，从管理层面对涉爆单位、爆破项目和作业人员提出安全要求。按照中国爆破协会规范要求，须完成渡槽拆除爆破的安全评价，具体流程如图3所示。利用与项目资质相匹配的安全评价咨询机构或者工程爆破监理单位为工程爆破提供的安全评价报告、专家组群体智慧为爆破工程进行科学决策。根据专家组的科学指导以及建议意见，优化爆破设计与施工，并辨识爆破的主要危害因素，实现安全风险的有效管控，以期达到安全爆破的目标。

图3 爆破安全性评价流程

2.2 安全风险的辨识

针对渡槽爆破拆除的安全评价要求，结合待拆除渡槽工程踏勘资料，构建了4个一级评价集与17个二级单因素评价集组成的爆破安全评价集。通过模糊层次分析法(fuzzy analytic herarchy process，FAHP)获得影响因素的权重，评价结果见表1，详细的分析过程见参考文献[6]。根据以往研究结果，对二级单因素按照权重进行排序：爆破方案及参数设计>爆破网络设计及可靠度>炮孔钻孔质量>爆破断点位置设计>预处理质量>爆区周围建筑>爆破坐塌设计>安全教育及技术交底>炮孔装药质量>安全警戒>影响交通情况>炮孔填塞长度及质量>现场杂散电流情况>安全防护>爆区内管线>安全检查>天气状况及能见度。

表1 渡槽爆破拆除安全评价因素集A

3 风险控制的措施

根据安全评价报告及专家组的建议，须加强爆破方案参数设计优化、爆破网络设计可靠性、钻孔施工质量、预处理质量、爆区周围建筑保护及安全防护等方面的安全风险控制措施。结合评审专家的意见，开展了渡槽拆除爆破过程的数值模拟、现场爆破试验、等效爆破网络试验、主动防护措施及安全参数校验方面的研究。

3.1 数值模拟优化爆破坐塌方案

渡槽拆除采用整体爆破一次性坐塌方案，根据渡槽结构力学特征及各部件尺寸，该方案对渡槽墩台上部105 m的五连跨主体结构实施一次性重力坐塌控制爆破。如图4所示，为论证爆破方案的合理性，利用LS-DYNA求解软件构建渡槽模型，模拟了连续多跨线渡槽结构在爆炸冲击荷载作用下构件的受力、解体、渡槽整体失稳、坍塌、爆碴的堆积形态的准瞬态过程，以检验断点设计的科学性。经过数值模拟确定了图5的断点设计及预处理方案。

图4 渡槽初始与最终坐塌的数值模型

3.2 爆破断点及切口设计

如图5所示，渡槽筒身的D1～D5点采用人工预处理切口。渡槽东西两侧肋拱爆破点位置的选取、孔网参数、药卷结构与药量、炮孔堵塞及起爆方式均一致，分别在渡槽的肋拱顶面E1～E5点和肋拱脚底F1～F10点布设爆破断点。

3.3 预处理

按图5(a)所示，在拱肋及拱顶设计3排孔状爆破断点，以形成可靠的切断来破坏拱跨的支撑作用。按图5(b)所示，在渡槽每跨的中部，利用冲击锤在筒身预切一条宽度约20～30 cm的贯穿切口，提前解除附属构件对承载构件肋拱的约束，以提高槽身主体一次性坐塌下来的可靠度及拆除效果。如图5(c)所示，渡槽每隔3 m布置一根横梁，与两侧人行道盖板连接成整体，这样就不会给肋拱折断重力坐塌解体带来牵制。

图5 爆破切口设计及预处理

3.4 爆破参数确定及网络可靠性检验

为了提高控制爆破的质量，在拱肋横梁处开展现场验证试验，先后将50 g、75 g 2#岩石乳化炸药填入炮泥堵孔，不做任何覆盖。试爆结果表明:两试验孔都能完全切断拱肋横梁；根据爆破后遗留地面的飞散物测定，填入75 g炸药的炮孔飞石散落地面的距离较远，可达8 m；选用50 g炸药时飞散距离较适当。

爆破网络采用电雷管起爆网络，单孔装双发并联瞬发电雷管，然后再串联。在野外实施起爆网络模拟试验，利用CHA-500起爆器引爆等效网络，进行空爆试验以验证爆破网络的可靠性。

3.5 爆破振动校验及防护

爆破振动校验采用Садовский经验公式[16]：

(1)

式中，v为允许质点爆破振动速度，cm·s-1；K′为城市控制爆破的修正系数，K′取值为0.25～1.00，采用单孔少药量，K′取0.25；类比中硬岩，取K=50、α=2.0；本次最大齐爆药量Q=10.85 kg；R为距爆源中心的距离，m。将相关数据代入公式(1)，可得表2。

表2 爆破振动理论计算值

建筑物爆破拆除塌落振动通常采用无量纲相似参数分析方法。集中质量或塌落作用于地面造成的塌落振动速度[16]为:

(2)

式中，vt为爆破对象塌落触地振动速度，cm·s-1；Kt为衰减系数，一般取3.37；σ为地面介质的破坏强度，MPa，若倒塌区域公路路面为水泥硬化路面，则取σ=10 MPa；β为衰减系数，β=1.66；R1为观测点至撞击中心的距离，取30 m；M为爆破目标倒塌部分的质量，M=400 t；H为爆破对象重心高度，H=5 m。

通过计算，得出vt=0.79 cm·s-1，在安全值以内。考虑国防光缆接线盒距离较近，采用覆盖黄土、茅草以减少触地冲击，实测数值见表3。

3.6 爆破飞石控制

此次爆破最高点为渡槽拱肋顶部孔，采用松动爆破装药参数，炮孔充分堵塞，抵抗线属上厚下薄，防止爆破飞散物上冲，用物体平抛运动轨迹公式计算：

(3)

式中，v为爆破飞散物初始速度，m·s-1；H为爆破部位离地高度，m；g为重力加速度，取值9.8 m·s-2。经测定，爆破飞散物速度v不超过50 m·s-1，拱肋顶部高度H=6.5 m。将数据代入公式(3)，经计算得Rt=70 m，则人员的爆破安全警戒半径设置为100 m，爆区内实施清场，全部人员必须撤至安全点躲炮。如图6所示，邻近仓库方向炮孔的装药量为50 g，爆区全部装药孔采用多层编织袋覆盖和炮泥填塞的防护措施。

4 爆破效果与结论

4.1 爆破效果

此次渡槽成功爆破拆除，实现了总长152 m跨线渡槽整体一次坐塌的控制爆破，爆破实施后垮塌到路面的碴块清理耗时仅20 min，现场很快恢复通行。爆破方案的优化综合考虑了评审专家的意见，爆破前利用有限元数值模拟技术分析了筒体分解及立柱倒向，并确定了跨线渡槽筒体预切割位置，模拟出道路两侧的圆立柱排架倾倒方向，采取技术精准地实现了控制措施和安全防护。现场渡槽重力坐塌触地的振动较小，飞石控制在15 m以内，邻近仓库的石棉瓦和窗户玻璃均未受损，电信光缆和国防光缆完好，仅有距离渡槽约10 m的仓库值班室窗户玻璃被击穿2个洞。该次爆破有效装药孔188个，单孔装双发并联的瞬发电雷管，孔与孔之间采用48丝铜芯胶软线(每百米电阻为7 Ω)串联，采用CHA-500型高能脉冲起爆器激发起爆，无拒爆，总装药量10.85 kg。