復雜環境剛架拱橋電子雷管拆除爆破控制技術

李衛群，鐘 云，周浩倉

(1.江西省高端爆破工程有限公司，江西 吉安 343000；2.江西國泰集團股份有限公司技術研究院，南昌 330096；3.江西國泰集團股份有限公司，南昌 330096)

1 工程概況

江西省吉安市青原區值夏橋位于S319省道青原區值夏鎮值夏小學旁，是跨越瀧江的一座剛架拱橋，該橋建成于2001年10月，設計荷載為汽-20 t，掛-100 t；人群荷載為3 kN/m2，設計洪水頻率為1/100 Hz，全橋總長209.80 m，橋面凈寬(9+2)×1.5 m，凈跨4×45 m。近年來，隨著地方經濟的快速發展以及沿線城鎮化水平的不斷提高，該路段交通量尤其是大噸位車輛劇增，老橋已無法滿足安全行車要求。為此，當地政府擬對該橋進行拆除，然后在原址上建新橋。

待拆大橋呈南北走向，北橋頭西面48 m處為變壓器，190 m處為民房，東面140 m處為集中居民樓；南橋頭南面25 m處為居民樓，105 m處為值夏鎮集中居民區，東南面6 m為值夏小學圍墻，15 m處為值夏小學教學樓，25 m處為值夏小學的3層樓食堂，橋體下游12 m處有項目部的鋼結構臨時便橋，下游方向還有一組通訊電線通過河道，兩端距離分別為200、260 m，上游240 m處有1座廢棄僅供行人通過的老橋，為趕工期，在南橋臺及北橋臺各新建了2個新大橋橋墩，南橋臺新建橋墩距離最近的爆破點約15 m；北橋臺新建橋墩距離最近的爆破點約9 m，而且新建橋墩齡期距離爆破時間只有12 d，新建橋墩位于地表以下，鋼筋混凝土結構，直徑1.6 m，設計砼強度為C30。爆區周圍環境如圖1所示。

圖1 爆區周圍環境Fig.1 Blasting surrounding environment

待拆橋梁上部橋面鋪裝為鋼筋混凝土結構，單跨中間厚10 cm，兩邊靠近拱圈處厚25 cm，橋面下面鋪裝微彎板，厚10 cm，C30鋼筋混凝土結構，橋面、拱圈、斜撐、梁系等整體澆筑(原設計拱圈為預制，因受場地限制后改為現澆)，橋面總體積408 m3，鋼筋10.7 t；拱圈、斜撐、橫系梁等均為砼C30，體積754.3 m3，鋼筋、鋼板等重86.8 t。車行道伸縮縫位于立墻的正上方。

橋梁下部主要構造為拱，上立墻為砼C25現澆，體積116.58 m3，鋼筋1.1 t；墩身體積1 397.33 m3，砼C20；橋墩承臺為砼C20，體積342.23 m3, 鋼筋8.3 t，大橋各主要部位尺寸如表1所示,其結構如圖2所示。

表1 大橋各主要部位構件尺寸

圖2 橋梁結構Fig.2 Bridge structure

2 爆破方案

2.1 工程要求及技術難點

根據周圍環境、大橋的結構特點以及恰逢洪水季節等因素，政府對該工程提出幾條重點要求。

1)大橋周邊居民房密集，爆破產生的有害效應不得影響周邊居住設施以及其他各種設施，扎實做好防護措施，確保爆破飛石不危害居民安全。

2)爆破期間正逢洪水季節，該河道洪水量很大，盡量做到爆破解體充分，便于盡快清理，確保水流暢通及救援通航，不得因河道堵塞而造成上游洪水加劇。

3)下游鋼便橋是危橋爆破后唯一的通行設施，必須確保爆破飛石、振動、涌浪以及水下沖擊波不會影響到鋼便橋的安全。

4)精確計算爆破振動安全允許距離，必須確保南、北橋臺上的2個新建橋墩的質量。

為滿足以上要求，經綜合分析，采用淺孔爆破，在各個結構部位設置多個爆破切口，減小爆破塊度，降低爆破高度；合理優化爆破參數，加強爆破飛石防護措施；將整個大橋劃分多個區，采用延時起爆，逐段坍塌；設計使用數碼電子雷管，其優點比其他雷管更能滿足在復雜環境的拆除爆破，能確保將爆破有害效應控制在設計范圍內。

2.2 方案選擇

整座橋梁有約4 000 m3的鋼筋混凝土，如全部采用爆破方法解體破碎，不僅布孔多、鉆爆工作量大，而且爆破飛石難以控制，將威脅到附近小學、民房及其他保護對象的安全。經過多次論證，決定采取控制爆破與機械破碎相結合的拆除方案，即采用原地坍塌的控制爆破使橋梁主體塌落、分解，再用機械進行破碎解體、然后清運。

結合橋梁特點及工程要求，在墩身上部、立墻、拱腳、斜撐及拱頂(包括拱頂處橋面)分別設置爆破切口，以破壞橋的整體性和連續性從而使其坍塌。

2.3 起爆方式

針對橋梁的結構特點及周圍環境，減少最大段起爆藥量，降低爆破振動，采用一次起爆；由北橋臺依次向南橋臺使用導爆管雷管與電子雷管混合的延時起爆網路，通過數碼電子雷管精準延時，分17區爆破逐段塌落。

2.4 爆破參數

炮孔直徑φ38 mm，采用φ32 mm，300 g/根的乳化炸藥。最小抵抗線W=b/2，b為構件短邊長度，取孔距a=b；孔深L=0.7b或L=A-W，A為構件長邊長度。炸藥單耗q取700～2 000 g/m3之間，根據不同的爆破對象選取炸藥單耗，單孔藥量Q=qV，其中V為每個炮孔負擔的爆破體積，爆破參數如表2所示，炮孔布置及裝藥結構如圖3所示。

表2 爆破參數

注：1)拱腳、拱頂單孔藥量均分2個藥包，相鄰炮孔內藥包相互錯開裝藥。

2)該工程總使用炸藥量267.9 kg，導爆管雷管MS1段406發，電子雷管713發。

圖3 炮孔布置及裝藥結構Fig.3 Hole layout and charging structure

3 起爆網路

在拆除爆破施工中一般雷管用量都比較大，為達到較好的爆破效果以及最大程度地降低爆破有害效應，往往對段別要求比較多，而且延時要求也比較高，因周邊環境、特殊部位或工人鉆孔等引起的誤差可通過延時起爆從而滿足設計要求；在復雜環境的拆除爆破施工中，數碼電子雷管具備其他雷管沒有的性能和優點，能確保網路的安全性和可靠性，更有效地降低和控制爆破有害效應。

在拆除爆破施工中，一般工程量都比較大，時間緊，在安裝前對每發雷管先進行檢測，數碼電子雷管可在安裝前或安裝后進行數據采集并設置延時時間，安裝快捷、準爆率高。

3.1 延時及組網設計

雷管安裝后，根據設計要求設置每發雷管的延時時間，也可以取消、更改延時時間，延時設計方便靈活，每發雷管腳線端頭設有線卡，組網時將線卡卡在孔外導線上即可。組網方便快捷，組網結束后，通過信安控制盒檢測網路的導通及起爆電阻情況，確保傳爆穩定。

數碼電子雷管是通過雷管內部芯片延時起爆，延時精準，起爆電流通過導線激發雷管芯片起爆，確保了網路的安全性及準爆率，網路延時設計一次使用量不受限制。在以往拆除爆破中，一般采用的是非電導爆管雷管，在數量較多的情況下，孔內裝高段位雷管，通過孔外低段位雷管來延時起爆，起爆網路不可檢測，網路傳爆不能確保，高段位雷管延時誤差比較大，傳爆雷管延時時間受到限制，一般延時時間最小為25 ms，在精準拆除爆破中的效果低于數碼電子雷管。

本工程設計橋面以下結構采用數碼電子雷管孔內延時起爆網路；橋面及微彎板(包括拱頂)部位，孔內采用導爆管雷管MS1段，孔外采用數碼電子雷管延時起爆，各導爆管雷管采用簇聯方式與孔外數碼電子雷管連接，組成混合網路。

為了減小爆破時一次齊爆藥量，降低爆破有害效應，爆破采用分區段、毫秒延時的起爆技術，將整個大橋分為17個區，從北橋臺的斜撐及拱腳開始按橋墩順序依次起爆，相鄰區段的起爆時差設計為15～25 ms，總爆破時間405 ms。

根據周圍環境及橋梁結構特征，橋墩炮孔設計在立墻兩邊85°傾斜鉆孔，最小抵抗線相等，同時起爆才能解體充分，達到良好的爆破效果。整個橋墩同時起爆藥量為58.8 kg，爆破振動對周邊保護對象影響比較大。根據有關經驗，延時10～20 ms能達到減振效果，且一般不會改變最小抵抗線。

本工程設計每個橋墩劃分2個區，墩內區間延時15 ms。其中，北橋臺爆破點距離保護對象只有6 m，斜撐總藥量為1.08 kg，拱腳總藥量為2.2 kg，根據振動公式計算，爆破振動遠大于保護對象安全允許振速，為降低爆破振動，將斜撐劃分1區，共16個孔，分2個段別，8個孔設計0 ms，8個孔設計15 ms；拱腳劃分為2區，共20個孔，分3個段別，6個孔設計30 ms，7個孔設計45 ms，7個孔設計60 ms。其他區間設計延時25 ms。起爆網路如圖4所示。

圖4 起爆網路Fig.4 Detonation network

3.2 起爆

數碼電子雷管通過信安控制盒來起爆，起爆前通過全國電子雷管密碼管控中心下載起爆密碼，經過3碼綁定起爆，安全性能高。

4 安全設計與監測

該工程主要考慮的有害效應是爆破振動、塌落振動、爆破飛石等。

4.1 爆破振動控制

根據周圍環境和安全技術要求，采用薩道夫斯基公式[1]校核：

(1)

式中：k、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質因素有關的系數和衰減指數；k′為與爆破方式有關的裝藥分散經驗系數，一般取0.25～1，距離爆源近且爆破體臨空面較少時取大值，反之取小值；Q為同段炸藥量，kg；R為爆破點與保護對象間的距離，m；v為允許質點振動速度，cm/s。

本次爆破分別取k=31.812 66，k′=1，α=1.443 5。北橋頭居民房、小學圍墻和小學教學樓是該工程的重點振動監測對象，經計算得出各爆點最大一次起爆藥量對最近保護對象的振速計算值如表3所示。

表3 各爆點最大一次起爆藥量對最近保護對象的振速計算值

4.2 塌落振動控制

拆除爆破塌落振動速度可根據中國科學院力學研究所提供的經驗公式[2]計算：

(2)

式中：vt為塌落振速，cm/s；kt為衰減系數，取kt=3.37，以水及砂為墊層，kt值取前者的1/3；R為保護對象至撞擊中心的距離，m；m為下落構件的質量，t；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為重心高度，m；σ為材料破壞強度，10 MPa；β為衰減指數，取β=1.66。

待拆大橋通過分區爆破后，最大觸地部分的建筑物質量為1 200 t；北橋臺重心高度為10.5 m，南橋臺重心高度為12.5 m；北橋臺小學圍墻、小學教學樓和北橋頭居民房至撞擊中心的最近距離分別為29、35、48 m。經計算得出：北橋臺小學圍墻、小學教學樓以及居民房處的塌落振速分別為0.77、0.57、0.34 cm/s。

經爆破振動和塌落振動計算，振動最大值為北橋臺小學圍墻的爆破振動值2.11 cm/s，根據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)規定，一般民用建筑物的安全允許振動速度v介于2.0～2.5 cm/s之間，因此此次爆破產生的爆破振動及塌落振動對周邊房屋都是安全的。

4.3 爆破飛石距離驗算

在無覆蓋的情況下飛石距離與炸藥量之間的關系[3]為

S=70q0.58

(3)

式中：S為飛石距離，m；q為炸藥單耗，kg/m3，橋面最大單耗為2.0 kg/m3。

則：S=70×2.00.58=104.64 m

根據估算結果以及周圍環境的實際情況，需要對爆破飛石采取加強防護技術措施。

4.4 安全防護措施

采取多打孔少裝藥，多段延時的起爆技術，盡量減少最大一段起爆藥量，由北向南一次逐段、逐跨延時坍塌，盡量減少最大觸地質量，有效地降低爆破振動及塌落振動。

合理的布孔、裝藥、確保填塞長度和填塞質量，能有效地預防爆破飛石；橋面、拱頂采用沙袋外加密目網覆蓋防護；所有周邊孔4層土工布外加加厚網格柵；拱頂懸掛式500 g土工布2層，外加加厚網格柵3 m×4 m，下加壓沙袋；橋墩周圈采用500 g土工布2層外加加厚網格柵防護，防護高度4 m；立墻邊孔500 g土工布2層外加加厚網格柵，防護高度2 m；其余炮孔均采用500 g土工布2層外加加厚網格柵；整橋外圍再懸掛雙層密目網8 m×24 m封閉式防護，下加壓沙袋。

4.5 對周邊環境影響的檢測結果

1)新建橋墩基樁監測結果。爆破后委托第三方對新建的2個橋墩進行了質量檢測，爆破對橋墩質量未產生損傷，檢測結果如表4所示。

表4 新建橋墩基樁檢測結果

2)爆破振動監測結果。此次爆破設置了2個測點，即于北面25 m處居民樓和西北面15 m處的值夏小學教學樓分別設置振動監測點，經檢測爆破監測點的振動速度遠小于《爆破安全規程》規定值，爆破是安全的，監測結果如表5所示。

表5 爆破振動實際監測值

注：居民樓地面測點儀器沒有觸發，說明其振動速度小于儀器設定激發電平0.05 cm/s。

5 爆破效果

起爆后，整座大橋由北向南依次倒塌，橋梁按照設計成功拆除，無飛石，經爆后檢查，對保護對象無影響。實測最大振動速度值小于計算值，北橋臺居民房振動速度最大計算值為0.45 cm/s，實測值低于激發電平0.05 cm/s；北橋臺小學教學樓振動速度最大計算值為0.93 cm/s，實測最大振動速度值為0.12 cm/s，減振效果明顯。橋面、微彎板切割良好，說明此次爆破效果達到預期目標，爆破效果如圖5所示。

圖5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

6 結語

1)通過在復雜環境剛架拱橋拆除爆破中采用數碼電子雷管進行了多層次、多階梯、多順序的應用，對橋梁延時爆破，最大限度降低了一次起爆藥量和減少大橋的一次塌落質量，對爆破振動和塌落振動起到關鍵性的控制作用，取得了很好的降振效果，有利于爆破安全。

2)爆破無飛石，驗證了飛石防護措施的可靠性及安全性。

3)數碼電子雷管在各類拆除爆破中使用是安全可靠的，優于其他雷管，其延時精準性和網路可靠性對保證爆破成功起到重要作用，值得普遍推廣使用。