大型孔外延時(shí)拆除爆破網(wǎng)路可靠性研究

程貴海，陳善江，胡華瑞，凌宇恒，張勤彬，覃　翔

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004)

爆破主要涉及巖土爆破、水下爆破、特種爆破、礦山爆破、拆除爆破等領(lǐng)域，爆破技術(shù)隨著科技進(jìn)步也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。拆除爆破在生活中較為常見(jiàn)，該爆破工程的實(shí)施包括爆破方案的設(shè)計(jì)、爆破器材的選取、網(wǎng)路技術(shù)防護(hù)等方面，其中爆破網(wǎng)路可靠性因與爆破效果息息相關(guān)而顯得尤為重要[2-4]。因此，對(duì)爆破網(wǎng)路可靠性研究具有重要的理論意義和使用價(jià)值國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)拆除爆破相關(guān)問(wèn)題已進(jìn)行了一系列研究。在國(guó)外，M.Monjezi等[5]借助人工神經(jīng)網(wǎng)路模型來(lái)預(yù)測(cè)和分析爆破結(jié)果，以此優(yōu)化爆破方案；Koji Uenishi等[6]、Luccioni等[7]、Noriyuki Utogawa[8]通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)筑物爆破拆除的仿真模擬，還原了拆除物爆破后的破壞過(guò)程，并得出爆破相關(guān)數(shù)據(jù)。在國(guó)內(nèi)，馮叔瑜等[9]根據(jù)大量混凝土框架結(jié)構(gòu)爆破拆除工程的高速攝影和錄像資料，分析了爆炸物和爆破參數(shù)之間的聯(lián)系。鄭炳旭等[10]通過(guò)近景攝影測(cè)量系統(tǒng)并結(jié)合數(shù)據(jù)定量分析了建筑爆破拆除倒塌過(guò)程，獲得爆破物倒塌過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)。胡勇輝等[11]用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采礦成本的預(yù)測(cè)與控制模型的方法，可準(zhǔn)確地對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為爆破開(kāi)采設(shè)計(jì)提供新思路。國(guó)內(nèi)外對(duì)拆除爆破相關(guān)問(wèn)題的研究雖有較多值得借鑒之處，但鮮有人就拆除爆破網(wǎng)路可靠性對(duì)爆破效果的影響進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的分析研究，且研究成果不夠理想[12-13]?？梢?jiàn)，對(duì)于爆破網(wǎng)路可靠性方面有待進(jìn)一步研究。

本文以廣西貴港樞紐交通橋拆除爆破為例，結(jié)合爆破器材、網(wǎng)路連接方式、起爆方式等方面，分析可能影響其爆破網(wǎng)路可靠性的因素，并對(duì)此進(jìn)行計(jì)算，分析并總結(jié)上述影響因子對(duì)網(wǎng)路可靠性的影響，提出網(wǎng)路安全的防護(hù)新方法，為實(shí)現(xiàn)大型孔外延時(shí)拆除爆破達(dá)到最優(yōu)爆破效果提供技術(shù)保障。

1　工程概況

貴港航運(yùn)樞紐位于貴港市南環(huán)路的郁江南岸引航道上游，大橋東連接南環(huán)路，東側(cè)橋下有江南大道穿過(guò)，東北側(cè)約79 m有村莊民房，北約9.6 m為在建新橋基礎(chǔ)，西北、西南為工地，西約230 m連接郁江二橋，南側(cè)有南環(huán)路至江南大道轉(zhuǎn)盤(pán)。周邊環(huán)境十分復(fù)雜，建構(gòu)筑物較多，施工難度較大。待拆的交通橋?yàn)橹谐惺戒摻罨炷晾吖皹蚪Y(jié)構(gòu)，橋總長(zhǎng)147.0 m，總凈寬18.6 m，橋面機(jī)動(dòng)車(chē)道9.0 m，非機(jī)動(dòng)車(chē)及人行道2 m×3.0 m，拱上橋面為12跨6.0 m，整體式連續(xù)梁板結(jié)構(gòu)72.0 m，拱軸線(xiàn)弧長(zhǎng)為105.3 m，拱背外弧長(zhǎng)為107.2 m，拱腹內(nèi)弧長(zhǎng)為103.5 m，拱頂距橋面高13.0 m，橋由橋臺(tái)、引橋跨、主孔跨、拱肋、橋臺(tái)前臺(tái)、支柱、吊桿等構(gòu)成。本次爆破需拆除主孔跨、橋臺(tái)前臺(tái)、支柱、拱肋；而橋臺(tái)、引橋跨不進(jìn)行爆破，總工程量約3 100 m3。

2　爆破方案

2.1　爆破參數(shù)

由于貴港橋梁環(huán)境復(fù)雜，需粉碎性爆破使橋梁鋼筋與混凝土充分解體，以便后期水下清渣。對(duì)主孔跨、拱肋、橋臺(tái)前臺(tái)、支柱、橋面等橫跨航道的部分進(jìn)行全部布孔實(shí)現(xiàn)粉碎性爆破，即采用孔外延時(shí)-多孔間微差控制爆破的方法進(jìn)行拆除，其中橋梁布孔達(dá)五千多，爆破工程相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　爆破參數(shù)

2.2　爆破器材

鑒于爆破點(diǎn)工程環(huán)境復(fù)雜，附近有各種電線(xiàn)網(wǎng)路，在不影響爆破效果的前提下從起爆安全角度出發(fā)，采用非電力起爆網(wǎng)路起爆。爆破選用2#巖石乳化炸藥、毫秒3段導(dǎo)爆管雷管、毫秒15段導(dǎo)爆管雷管、導(dǎo)爆管、四通管、起爆針、膠質(zhì)導(dǎo)線(xiàn)、膠布和起爆器等。

2.3　網(wǎng)路連接方式

采用孔外延時(shí)-多孔間微差的非電起爆網(wǎng)路，在網(wǎng)路聯(lián)接中孔內(nèi)用高段位雷管，孔外用低段位雷管，以保證孔內(nèi)雷管起爆后，后傳爆雷管的網(wǎng)路不被破壞。網(wǎng)路連接中孔內(nèi)采用15段導(dǎo)爆管雷管引爆炸藥，每束連接炮孔個(gè)數(shù)不超過(guò)20個(gè)，并采用2發(fā)毫秒3段導(dǎo)爆管雷管將各束串聯(lián)，形成孔外延時(shí)-多孔間微差非電起爆網(wǎng)路[14]，如圖1所示。

圖1　起爆網(wǎng)路圖

圖2　起爆分區(qū)圖

2.4　起爆順序

考慮爆破過(guò)程中橫向與縱向鋼筋的抗拉和剪切強(qiáng)度及混凝土強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)截面的分析，將該橋分為8大起爆區(qū)域，如圖2所示。各區(qū)域間以50 ms進(jìn)行延時(shí)控制，各區(qū)域內(nèi)分成若干組，組間同樣以50 ms進(jìn)行延時(shí)控制，以形成從橋兩端到中間(Ⅰ、Ⅰ′→Ⅱ、Ⅱ′→Ⅲ、Ⅲ′→Ⅳ、Ⅳ′)的爆破順序，該方法可有效減少同段爆破藥量，且實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分結(jié)構(gòu)逐步均勻卸載[15]。

3　網(wǎng)路可靠性

3.1　可靠性因素分析

在橋梁爆破拆除過(guò)程中，采用孔外延時(shí)-多孔間微差爆破方案對(duì)五千多炮孔正常起爆，其爆破網(wǎng)路非常復(fù)雜。為避免爆破網(wǎng)路破壞，要合理設(shè)計(jì)并優(yōu)化網(wǎng)路、保障爆破網(wǎng)路傳爆的可靠性。

3.1.1爆破飛石切斷網(wǎng)路連接

由于爆破的不確定因素產(chǎn)生大量爆破飛石，可能會(huì)對(duì)周?chē)W(wǎng)路連接的造成破壞，出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象。式(1)為產(chǎn)生爆破飛石到破壞網(wǎng)路的時(shí)間計(jì)算式。

Δt=t1+t2+t3

(1)

式中：Δt為飛石造成網(wǎng)路破壞的時(shí)間，s；t1為炮孔起爆延時(shí)的時(shí)間，ms；t2為飛石傳播的時(shí)間，ms；t3為導(dǎo)爆管傳爆時(shí)間，ms。

拆除爆破中，個(gè)別飛石可能是造成爆破網(wǎng)路破壞的主導(dǎo)因素，其初速度按式(2)計(jì)算[16]。

V0=B(Q1/3/W)2

(2)

式中：Q為起爆藥量，kg；W為最小抵抗線(xiàn)，m；B為介質(zhì)系數(shù)，混泥土介質(zhì)系數(shù)為B=9.60。此次橋梁的拆除爆破產(chǎn)生爆破飛石的個(gè)別飛石初速度約7.1～91.9 m/s。

孔內(nèi)采用15段雷管，延時(shí)時(shí)長(zhǎng)為880±60 ms；孔外用3段雷管，延時(shí)時(shí)長(zhǎng)為50±10 ms，最小孔距為0.4 m，導(dǎo)爆管傳爆速度約195 0 m/s。Ⅰ區(qū)第一組炮孔起爆的最短安全延時(shí)時(shí)間約820 ms，其后每組間隔爆破最短安全延時(shí)時(shí)間均為40 ms。因此，計(jì)算分析起爆網(wǎng)路引爆開(kāi)始至傳爆到最后1炮孔孔內(nèi)導(dǎo)爆管的最長(zhǎng)傳爆時(shí)間大于第1炮孔孔內(nèi)的延時(shí)時(shí)間，先爆炮孔飛石可能對(duì)后爆起爆網(wǎng)路的造成破壞，須做好相應(yīng)安全防護(hù)，才能保證網(wǎng)路的安全。

3.1.2雷管爆炸產(chǎn)物及金屬碎片切斷傳爆網(wǎng)路

雷管爆炸后，爆炸產(chǎn)物及金屬破片主要集中在雷管兩側(cè)及尾部正下方。金屬碎片的飛散具有極強(qiáng)的方向性，以雷管底部猛炸藥處為中心呈球狀擴(kuò)散，假設(shè)炸藥能量全部用于殼體飛散，碎片初速度v0按式(3)計(jì)算[17]。

(3)

式中：D為炸藥的爆速，m/s；β=m/M，m為裝藥質(zhì)量，kg,M為金屬質(zhì)量，kg。

破片速度一般在1 500～2 100 m/s之間，金屬碎片的初速度在空氣傳播中因受阻力作用隨時(shí)間增大而逐漸減小。但金屬碎片的度大，傳播時(shí)間遠(yuǎn)小于導(dǎo)爆管傳爆與孔外延時(shí)的時(shí)間，導(dǎo)爆管雷管爆炸產(chǎn)生的破片及金屬射流易對(duì)鄰近導(dǎo)爆管產(chǎn)生影響，致使網(wǎng)路傳爆中斷或破壞周?chē)W(wǎng)路[18]。

3.1.3拱肋破碎墜落砸斷網(wǎng)路

拱軸線(xiàn)弧長(zhǎng)約107 m，拱頂距橋面0～13 m，爆破碎石在爆破后墜落具有較大的沖擊力，可能會(huì)破壞橋面其他網(wǎng)路。碎石破壞網(wǎng)路的時(shí)間按式(4)計(jì)算。

t=t1+t4

(4)

式中：t為碎石破壞網(wǎng)路的時(shí)間，s；t4為碎石下落時(shí)間，s。

由于爆破碎石飛散具有不定向性，沿垂直橋面方向墜落時(shí)間最短，也是導(dǎo)致拱肋下方網(wǎng)路破壞的主因。橋拱為第Ⅳ區(qū)，其炮孔傳爆的最短安全延時(shí)時(shí)間t1=820+40×4=980 ms，約傳爆至第16束炮孔，根據(jù)安全延遲時(shí)間可計(jì)算約在肋拱3/5處第一組炮孔開(kāi)始起爆，最短t4=70 ms。因此橋面板網(wǎng)路約傳爆21～30 m距離，無(wú)法使橋面板網(wǎng)路傳爆完畢，可能造成拱肋下橋面的網(wǎng)路破壞。

基于上述網(wǎng)路破壞因素，對(duì)爆破網(wǎng)路可靠性的傳爆進(jìn)行了定量計(jì)算并分析，爆破飛石、雷管金屬碎片切斷網(wǎng)路及拆除物砸斷網(wǎng)路是造成拆除爆破網(wǎng)路可靠性的主要因素。為了實(shí)現(xiàn)多炮孔和所有雷管有效起爆，避免因傳爆時(shí)出現(xiàn)拒爆、中斷和盲炮等事故，甚至導(dǎo)致爆破作用方向改變從而產(chǎn)生爆破災(zāi)害，改善爆破效果好，提高爆破質(zhì)量，應(yīng)高度重視網(wǎng)路安全，并做好網(wǎng)路可靠性的安全防護(hù)，保證網(wǎng)路安全的傳爆。

3.2　防護(hù)措施

大規(guī)模拆除爆破，對(duì)爆破技術(shù)要求高，采用孔外延時(shí)多孔間微差控制爆破的起爆方式，起爆網(wǎng)路傳爆可靠性關(guān)系到整個(gè)爆破工程的成敗，網(wǎng)路安全防護(hù)的重要性可想而知。將爆破網(wǎng)路最薄弱環(huán)節(jié)處作為突破口，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，以?xún)?yōu)化網(wǎng)路設(shè)計(jì)提高網(wǎng)路可靠性。

3.2.1跳線(xiàn)技術(shù)

跳線(xiàn)技術(shù)指通過(guò)分析網(wǎng)路可能會(huì)遭到破壞的因素，準(zhǔn)確計(jì)算網(wǎng)路延時(shí)時(shí)間，從其他區(qū)或組間在相同起爆時(shí)間點(diǎn)的位置接一條網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路，使兩區(qū)或組間聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路穩(wěn)定傳爆。

3.2.1.1區(qū)間跳線(xiàn)

Ⅰ區(qū)、Ⅰ′區(qū)的延時(shí)安全時(shí)間約為820 ms，網(wǎng)路可以穩(wěn)定傳爆13束約15～22 m；Ⅲ區(qū)、Ⅲ′區(qū)延時(shí)時(shí)間約為760 ms，在Ⅰ區(qū)、Ⅰ′區(qū)的影響下約傳爆12束約15～21 m；Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)待拆除的部分網(wǎng)路可以在有效延時(shí)時(shí)間內(nèi)傳爆完畢，不會(huì)遭到爆破飛石等因素的損壞。

Ⅱ區(qū)、Ⅱ′區(qū)與Ⅳ區(qū)、Ⅳ′區(qū)待拆處的工程量大，炮孔數(shù)量多、密度大且傳爆距離長(zhǎng)，易受先爆炮孔的影響而破壞網(wǎng)路，須采取網(wǎng)路的安全防護(hù)措施。Ⅰ區(qū)、Ⅰ′區(qū)與Ⅲ區(qū)、Ⅲ′區(qū)位于橋面板下，對(duì)Ⅱ區(qū)、Ⅱ′區(qū)與Ⅳ區(qū)、Ⅳ′區(qū)橋面上網(wǎng)路破壞較小可忽略。在Ⅱ區(qū)、Ⅱ′區(qū)與Ⅳ區(qū)、Ⅳ′區(qū)采用區(qū)間跳線(xiàn)技術(shù)，經(jīng)網(wǎng)路安全計(jì)算和分析，可在Ⅱ區(qū)第三組和Ⅳ區(qū)第一組的第13束，在Ⅱ區(qū)第7組第13束和Ⅳ區(qū)第二組的第16束以后開(kāi)始跳線(xiàn)，根據(jù)梁開(kāi)水等[19]對(duì)導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路可靠度分析，在每組6束之間跳線(xiàn)一次，見(jiàn)圖3。

3.2.1.2組間跳線(xiàn)

Ⅱ區(qū)、Ⅱ′區(qū)炮孔數(shù)量多，區(qū)間跳線(xiàn)無(wú)法保證該區(qū)域的網(wǎng)路安全，所以Ⅱ區(qū)、Ⅱ′區(qū)同時(shí)采用組間跳線(xiàn)技術(shù)。第1組的第1束炮孔起爆之前網(wǎng)路約傳爆至第13束約15～22 m，在每隔6束之間加一組跳線(xiàn)，各組網(wǎng)路之間相互連通。橋的起爆方式為從兩頭到中間對(duì)稱(chēng)起爆，可在對(duì)稱(chēng)Ⅱ區(qū)、Ⅱ′區(qū)的對(duì)稱(chēng)組的相同傳爆時(shí)間點(diǎn)、相同位置跳線(xiàn)。本工程在第15束開(kāi)始跳線(xiàn)，梁開(kāi)水等[19]通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可靠度計(jì)算，在對(duì)稱(chēng)組每個(gè)隔10束之間跳線(xiàn)，可改善網(wǎng)路安全性；通過(guò)組間跳線(xiàn)可以有效保護(hù)網(wǎng)路安全，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、大數(shù)量炮孔微差起爆，且不影響微差爆破效果(圖4)。

圖3　區(qū)間跳線(xiàn)圖

圖4　組間跳線(xiàn)圖

3.2.2軟性材料的壓蓋或鋪蓋

由于橋面板炮孔密集，在傳爆過(guò)程中導(dǎo)爆管易因前排炮孔先爆，爆破網(wǎng)路較易被金屬碎片切斷或飛石砸斷。因此，工程爆破中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)路傳爆中斷而致局部盲炮或拒爆的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致爆破作用方向改變引發(fā)事故。

本工程采用孔外延時(shí)微差爆破技術(shù)，爆破前用軟性材料壓蓋在孔外延時(shí)雷管上，可有效減弱爆破過(guò)程中飛散的碎片對(duì)網(wǎng)路的影響?？紤]到本工程量大和成本，就地取材采用沙袋覆壓于雷管上，對(duì)網(wǎng)路也具有一定防護(hù)作用。用軟性材料鋪蓋在拱肋下約3/5處橋面板的網(wǎng)路上，以減緩爆破網(wǎng)路因拱肋爆破飛石或飛散金屬碎片對(duì)爆破網(wǎng)路的影響。

3.3　工程應(yīng)用分析

本拆除爆破工程采用多炮孔小藥量的形式，結(jié)合孔外延時(shí)網(wǎng)路特征，利用跳線(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)爆破網(wǎng)路和爆破方案，其中橋梁布孔達(dá)五千余個(gè)。整個(gè)爆破工程實(shí)施過(guò)程中，基本按照設(shè)計(jì)方式傳爆，未出現(xiàn)任何影響爆破效果的故障，且爆破效果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，完全符合預(yù)期效果。主要表現(xiàn)在：①實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的完全破碎，且鋼筋與混凝土分離情況達(dá)到預(yù)期效果，水下清渣作業(yè)實(shí)施順利；②利用跳線(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)的孔外延時(shí)微差控制拆除爆破技術(shù)，通過(guò)嚴(yán)格控制同段起爆藥量及起爆順序，爆破震動(dòng)速度、飛石距離及其他方面均滿(mǎn)足《爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)》[20]的相關(guān)要求；③實(shí)施爆破對(duì)周?chē)h(huán)境及河道的影響較小，且不存在任何未知安全隱患。

4　結(jié)　論

1) 通過(guò)對(duì)影響爆破網(wǎng)路可靠性的因素計(jì)算分析，顯示對(duì)于常規(guī)爆破網(wǎng)路可靠性的保護(hù)，可借助傳統(tǒng)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路安全傳爆。

2) 對(duì)于大規(guī)模、復(fù)雜的爆破工程，采用孔外延時(shí)微差爆破，利用跳線(xiàn)技術(shù)和通過(guò)軟性材料的壓蓋可有效提高爆破網(wǎng)路的可靠性。

3) 通過(guò)案例可知，借助跳線(xiàn)技術(shù)的孔外延時(shí)爆破網(wǎng)路可靠性好，設(shè)計(jì)、使用簡(jiǎn)捷且爆破效果良好，對(duì)于大型礦山爆破開(kāi)采提供有價(jià)值的參考依據(jù)，具備較好的推廣實(shí)踐意義。

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