復雜環境下跨路橋梁拆除爆破方案優化研究*

齊 鵬，尚修瑞，劉 川，張建華，姜婷婷

(1.武漢理工大學 資源與環境工程學院，武漢 430070；2.中鐵十四局集團第四工程有限公司，濟南 250002)

近年來我國城市化進程不斷加快，存在大量高層樓房、煙囪和橋梁等建(構)筑物需要拆除[1]，且相比于人工拆除和機械拆除，爆破拆除方式具有經濟、高效等特點而應用最為廣泛[2]。在城市拆除爆破中，由于現代待拆建(構)筑物以體積大、質量大、高度高的居多且爆區環境通常較為復雜，建(構)筑物在坍塌解體時具有較大重力勢能，塌落觸地會形成較大地震效應，使得因建筑物解體坍塌的觸地振動產生較大危害[3-5]。目前，國內對普通樓房的拆除爆破的研究已經較為成熟，但由于橋梁本身結構的特點，橋梁的拆除爆破與其它建(構)筑物相比具有一定的特殊性。

近幾年有不少學者針對橋梁的拆除爆破做了許多研究工作。謝先啟等[6]、賈永勝[7]、葉海旺等學者在城市橋梁拆除爆破的關鍵控制技術取得了許多成果[8]，楊永強[9]、王璞[10]、季杉等在橋梁拆除爆破塌落振動的監測和振動影響范圍等方面做了大量研究[11]，王新生[12]、茆恒陽等學者在橋梁拆除爆破的危害控制措施上做了大量工作[13]，但上述學者對橋下重點設施的防護和爆破方案的優化上涉及較少。以福建浦城大井壟大橋拆除爆破為例，充分考慮橋梁周圍各種復雜條件，通過數值模擬試驗設計最優爆破方案，提出具有針對性的現場爆破危害防護措施，取得良好的爆破效果。為復雜環境下跨路橋梁拆除爆破工程的精細化施工以及重點設施的防護工作提供了一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

大井壟大橋位于福建省浦城(閩浙界)至南平高速公路B5合同段，始建于2008年，至今已使用11年，因建陽互通連接線高速公路改造工程需將其爆破拆除。大橋全長187 m，橋面寬24 m，左右分兩幅，主橋從浦城至南平有1～5#號橋墩，共 6 跨，共 6 孔，跨徑為30 m，上部采用兩聯 4×25 m預應力T梁，立交橋結構如圖1。

1.2 周邊環境

大井壟大橋位于城鄉結合處，四周情況較為復雜，大橋東鄰城市，西鄰鄉鎮，東側約273 m處有居民樓，西側有密集居民區距離最近一處建筑物僅為72 m，立交橋下方靠近南平側有高壓線變壓器、電纜，橋上也有電纜，橋下橫穿一條馬路，且沿馬路方向埋有軍用光纜。周圍環境如圖2。

圖 1 大橋結構圖(單位：m)Fig. 1 Bridge structure drawing(unit：m)

圖 2 橋梁周圍環境平面示意圖(單位：m)Fig. 2 Environmental map around the bridge(unit：m)

1.3 工程難點

1)橋梁底面距離橋下馬路最高達到29 m，且爆破體重量大、落差大、振動大，危險系數高。

2)橋體的塌落方向、爆破飛石等爆破施工控制難度較大。

3)橋梁四周情況復雜居民密集且下部道路車輛人流密集，臨時交通管制壓力和難度巨大。

4)橋下的重要設施防護難度大。

5)既要減小爆破粉塵又要減小后期機械破碎的工作量，因此爆堆的塊度要控制在一定范圍內，對爆破技術的要求較高。

2 爆破方案選擇及其優化

2.1 爆破方案初選

由于大橋周圍環境復雜以及充分考慮據業主對工期、安全和技術的要求，擬采用機械拆除結合控制爆破的聯合拆除方式進行施工。爆破前先對橋體表面結構和爆區周圍重要設施進行預拆除，然后采用分段原地坍塌爆破方案施工。先爆破拆除1#～5#號橋墩，使上部橋體結構依次逐跨塌落，再進行機械二次解小和清運工作。

2.2 爆破關鍵參數

2.2.1 爆破高度

根據拆除爆破“失穩原理”，對橋梁的關鍵承重構件進行爆破，使其失穩并在重力作用下坍塌。大井壟大橋地表以上的主要承重結構為1～5#橋墩以及 0 #臺至 6 #臺，0 #臺采用柱式臺，6 #臺采用肋板臺，只要用爆破法炸毀一定高度的 1～5 #墩柱，橋梁就會在自重作用下坍塌。參考壓桿失穩原理，對爆破高度進行理論計算，可采用以下經驗公式計算鋼筋混凝土立柱的爆破高度[14]。

H=K(B+Hmin)

(1)

式中：K為爆高系數,常取1.5～2.0；B為立柱截面邊長;Hmin為立柱失穩的最小破壞高度,Hmin的取值范圍為(30～50)d。代入上式得：立柱的最小破壞高度為2.7 m，為提高倒塌的可靠性爆破高度實取3 m。

考慮橋梁上部構件在坍塌過程中要有一定的觸地沖量，使橋體各構件之間相互脫開解體，便于橋梁坍塌后的二次破碎工作。考慮到部分墩柱中間有系梁，根據立柱長度不同，將 2、3、4 #立柱上爆破區段分為兩段，下段距離地面 0.5 m 以上4 m，上段距離系梁0.5 m以上4 m，1、5#立柱無系梁，爆破位置距離地面 0.5 m 以上3 m，爆破具體位置如圖3所示。

圖 3 橋梁各立柱的爆破位置示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of blasting position of bridge columns(unit：m)

2.2.2 爆破參數

由于橋梁立柱分為有系梁和無系梁兩種類型，不同類型的立柱直徑不同。其中 2、3、4 #立柱為有系梁直徑為1.8 m，1、5#立柱無系梁直徑為1.4 m，參考以往爆破經驗以立柱直徑d立柱為1.8 m的2#立柱為例進行設計。

1)炮孔深度L=(0.6～0.8)×d立柱=(0.6～0.8)×180=(108～144) cm，實取135 cm。

2)最小抵抗線W實為40 cm。

3)孔距a=(1.0～1.2)W=(40～48) cm，實取40 cm。

4)排距b=S/a=50 cm(有多排炮孔時，S為每個炮孔的負擔面積，參考以往經驗S取0.2 m2爆破效果最好)。

5)炸藥單耗k常取1.5～2.2 kg/m3，實取1.8 kg/m3。

炮孔直徑均為40 cm,裝藥結構均采用連續裝藥結構，炸藥品種均為 2 號巖石乳化炸藥。按設計藥量將炸藥卷裝入炮孔，每個炮眼均裝1發電子數碼雷管。采用正向起爆法將炸藥卷裝在孔內，兩種類型立柱的裝藥結構如圖4所示，具體爆破參數如表1所示。

圖 4 橋梁各立柱的炮孔位置示意圖(單位：cm)Fig. 4 Schematic diagram of blasthole location of bridge columns(unit：cm)

表 1 兩種尺寸橋柱的爆破參數

2.2.3 爆破網路

由一個起爆器連接兩個子起爆器，兩個子起爆器分別引出起爆主線，分別置于橋梁左幅和右幅的下方，將左幅和右幅炮孔的數碼雷管分別連接在起爆主線上，初定方案起爆網路和延期時間如圖5所示。

圖 5 初定方案起爆網路示意圖(單位：ms)Fig. 5 Schematic diagram of initiation network for preliminary scheme(unit：ms)

2.3 爆破方案優化

2.3.1 起爆順序優化

為探究在相同的延期時間下采用何種起爆順序能獲最好的爆破效果，預選出對稱起爆法(由橋體兩側起爆向中間傳爆)、單向起爆法(從橋體一側起爆向另一側傳爆)和中間起爆法(由橋體中間起爆并向兩側傳爆)三種起爆順序的方案。利用ANSYS /LS-DYNA 軟件采用上述圖5中的延期時間對上述三種不同起爆順序的方案進行數值模擬，采用整體式模型對鋼筋混凝土結構進行建模,橋梁材料選用*MAT_BRITTLE_DAMAGE，單元類型為SOLID164,采用六面體網格劃分，使用關鍵字*LOAD_GRAVITY_PART給橋梁施加重力，使用關鍵字*ADD_EROSION刪除單元模擬爆破缺口的形成，建立如圖6所示的模型，并賦予模型不同的參數進行模擬計算。

圖 6 橋梁模型示意圖Fig. 6 Schematic diagram of bridge model

1)起爆順序對爆堆的影響

為研究起爆順序對橋體爆破拆除所形成爆堆大小的影響，在后處理軟件LS-Prepost中分別導出三種爆破方案的爆堆，如圖7所示，三種起爆順序方案具體的爆堆參數如表2所示。

圖 7 三種起爆方式的爆堆圖Fig. 7 Explosion pile diagram of three initiation modes

表 2 三種爆破方案的爆堆參數

通過圖7和表2可知：若只考慮爆堆因素時，中間起爆的爆破方案效果最優。三種起爆方式中，對稱起爆爆破方案的效果最不理想，相較于其他兩種方案，其爆堆堆疊高度過高且破碎效果較差；受地形因素影響，三種起爆方式所產生的爆堆長度和寬度的差距不太明顯。因此，若此次拆除爆破采用對稱起爆的起爆方案，將會導致爆堆堆疊過高，甚至爆破廢墟塊度過大而不利于二次破碎與裝運。

2)爆破順序對觸地振動的影響

建筑物在拆除爆破過程中會產生塌落振動和爆破振動，而塌落振動遠大于爆破振動，因此實際上通常只考慮塌落振動對建筑物的影響。以下對不同爆破方案在模擬中的塌落振動進行對比分析，在地面距3#橋墩(高度最大)最外側墩柱80 m的位置選取一組監測點，在4#與5#橋墩之間對應現實中埋藏軍用光纜的位置再次選取一組監測點。模型中這組監測點在垂直方向上的最大振動速度如表3。

表 3 三種爆破方案的振動參數

模擬中若只考慮塌落振動時，采用對稱起爆爆破方案的觸地振動明顯比其他兩種方案要高，且對稱起爆爆破方案的觸地振動最大峰值超出安全允許值。單向起爆的爆破方案相較于中間起爆的爆破方案，其在橋下光纜區的觸地振動明顯大于中間起爆的爆破方案，不利于橋下管線的防護工作。

從爆堆產生的機理上看，橋體會由先起爆的部位向后起爆的部位倒塌，因此采用對稱起爆方案時兩側橋體會由兩側向中間集中倒塌，進而兩側的橋體構件下落時會橋體下方中間位置相互夾制并在中間位置集中堆砌使得爆堆堆疊高度過高，同時集中堆砌也會導致橋梁的觸地振動相互疊加，從而增大觸地振動；反之采用中間起爆方案時塌落的橋體構件會由中間向兩側堆疊，因此其爆堆堆疊最為均勻，觸地振動相互影響最小而單側起爆的起爆方式的爆堆高度和觸地振動則均介于上面兩種方案之間。

綜合數值模擬結果決定此次拆除爆破的將采用中間起爆的起爆方式。

2.3.2 延期時間優化

為進一步減小觸地振動和降低爆破對周圍設施的不利影響，適當加長爆破方案的延期時間，并添加一組齊發爆破的數值模擬作為對照組，對采用三種不同延期時間的中間起爆爆破方案進行數值模擬研究。以上三種延期時間的爆破方案參數如表4所示。

表 4 三種延期時間的爆破方案參數

1)延期時間對爆堆的影響

三種不同延期時間的中間起爆爆破方案爆堆模擬結果如圖7、表5所示。

圖 8 三種延期時間方案爆堆圖Fig. 8 Explosion diagram of three delay time schemes

理論上在同種爆破方案中(中間起爆爆破方案)，若只考慮延期時間時延期時間越短橋梁各部倒塌越集，進而爆堆范圍會相應增大，而從圖8和表5可得：在三種不同延期時間的中間起爆爆破方案中長延期爆破方案的效果最佳，齊發爆破方案的效果最不理想。其中齊發爆破方案的爆堆寬度和高度均為三者最大但其爆破時間最短；長延期爆破方案的爆堆高度最小、堆疊最集中但其爆破時間最長；受地形影響三種爆破方案所得爆堆長度差距不大。

表 5 三種延期時間方案的爆堆參數

2)延期時間對觸地振動的影響

為研究延期時間對觸地振動的影響，建立符合現場地面情況的模型，在模型中對應現場重點防護對象的區域選取測點。模型中測點位置如圖9所示，測點1的位置對應橋西側4層樓，距離爆區中心90 m；測點2的位置對應橋西側七層樓，距離爆區中心160 m；測點3的位置對應橋西側岔路口，距離爆區中心120m；測點4的位置對應橋東側西區華府，距離爆區中心280 m。各測點垂直方向最大振動速度如表6所示。

圖 9 模型中各測點的示意圖Fig. 9 Schematic diagram of each measuring point in the model

表 6 三種延期時間模擬方案的測點最大振動速度

理論上若只考慮延期時間時，在同種爆破方案中(中間起爆爆破方案)采用齊發爆破和短延期的爆破方案的觸地振動均會大于優化長延期方案，因為橋梁立柱的爆破越集中橋體構件的觸地時間也會越集中，進而觸地振動的疊加也會更明顯，觸底振動也會更大。圖9和表6的數據也符合這一規律，由圖9和表6可知：采用齊發爆破和短延期的爆破方案的觸地時均有部分測點的觸地振動均會超過安全規定值而采用長延期爆破方案測點的觸地振則均符合安全規范。因此若只考慮延期時間時，采用從中間起爆的長延期微差爆破方案效果最佳。

綜合上述模擬結果，此次爆破施工擬采用從中間起爆的長延期微差爆破方案。出于對橋下軍用光纜和周圍居民區的安全考慮，決定在采取優化爆破方案的基礎上還額外增加一些安全防護措施以最大程度的保障重要設施的安全。

3 爆破安全防護措施

3.1 爆破振動校核

拆除爆破和巖土爆破產生地震波的機制有所不同，但對于爆源附近的建筑物而言，地震波對他們的影響程度同樣取決于起爆藥量的大小、距爆源距離、地震波傳播的介質等因素，通常采用的垂直振動速度計算公式計算爆破振動[15]

V=K′K(Q1/3/R)α

(2)

式(1)中：V為振速；K、K′、α為爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，根據爆破安全規程選取[15]；Q為單段最大一次起爆藥量;R為安全距離。由施工方案知，立柱采用C30混凝土，系梁采用C30混凝土，對應強度屬于中硬巖石，對應爆破安全規程規定，取K′=0.25，K=250，α=1.8，R=71.9m，Q=64 kg。

帶入公式(2)得到：V=0.345 cm/s，符合規程要求。

3.2 飛石距離核算及飛石防護措施

1)飛石距離核算

拆除爆破采用飛石彈道公式[15]

V0=20(Q1/3/W)2

(3)

(4)

式中：v0為個別飛石的初速，m/s；Q為設計中單孔裝藥量；W為最小抵抗線；g為重力加速度；Rf為個別飛石最大飛散距離。

當采用飛石防治措施時，可參考熊炎飛的飛石速度修正公式[16]

(5)

式中：f1為介質系數，鋼筋混凝土常取9.23～9.60 ；f2為防護系數共采取了五層防護，且有鐵絲網，故防護系數取0.02；α為飛石拋射角，設計中取40°。將數據代入上式得Rf為92 m。

2)飛石防護措施

爆破區域100 m范圍內禁止任何人員及車輛停留，并對周圍玻璃構建筑物進行預拆除或者重點保護；對于100 m范圍內無法拆除的構(建)筑物，使用彩鋼板進行圍護，確保飛石不會影響到建筑物；對于橋面區域，采用先覆雙層膠皮，然后壓袋裝土，最后覆蓋草簾的防護措施；對于橋梁墩柱，則在爆破位置往兩端各延伸 0.5 m 的區域采用由內到外雙層草簾(10 cm 以上)、單層鐵絲網、單層草簾、單層竹排的順序進行包被防護，橋梁墩柱區域防護措施如圖10所示。

圖 10 飛石防護措施示意圖Fig. 10 Schematic diagram of protection measures for flying stones

3.3 爆破觸地振動核算及橋下重點對象防護

1)爆破觸地振動核算

由于因采用微差爆破方式橋體每跨的觸地時間不同計算每跨的觸地振動較為復雜，為保險起見按照整體原地坍塌計算觸地振動，利用公式(6)

(6)

式中：Vt為塌落引起的地面振動速度；M為下落構件的質量，g為重力加速度，取9.8 m/s2；H為構件的塌落高度，取20 m；σ為地面介質的破壞強度，取10 MPa；R為觀測點至沖擊地面中心的距離(距橋最近的建筑物為橋梁西側簡易房，距離為84.3 m)，取R=84.3m；kt為塌落振動速度衰減系數，取值范圍為3.37～4.09；β為衰減指數，β范圍為-1.66～-1.80，橋內鋼筋和混凝土共10 000 t左右，單幅為5 000 t，將上述數據代入公式(6)得Vt為1.41 cm/s。由此可知，當構建物距離橋梁倒塌觸地位置 84 m以上時，橋梁觸地引發的振動小于1.5 cm/s，構建筑處于安全范圍。

2)橋下重點對象防護

由于橋下情況復雜，橋下有軍用光纜、電纜和馬路，且橋梁懸空高度較高，為了最大限度的減小橋梁坍塌對橋下軍用光纜和電纜的影響，決定采取以下安全防護措施：將爆破區域100 m范圍內所有能遷移的管線全部遷移；對無法遷移的軍用光纜，采用先覆蓋10 mm 鋼板，再覆蓋1.5 m厚的沙土，最后在沙土上覆蓋一層廢舊輪胎的多重防護措施；對于橋下馬路，充分考慮安全、經濟等因素采取預鋪設沙土緩沖層的保護措施；橋下各重點對象的防護措施如圖11 所示。

4 現場爆破效果分析

4.1 爆破過程

大橋于2019年8月30日晚間順利起爆，采用優化后的中間起爆長延期爆破方案，起爆2 s后大橋按設計順序逐跨解體坍塌，總共歷時約6 s。橋體塌落解體較充分，實際爆破效果與數值模擬效果整體吻合，完全達到預期的爆破效果，爆破過程和數值模擬如圖 12 所示。

圖 11 橋下重點防護措施圖Fig. 11 Key protection measures under bridge

圖 12 爆破過程及數值模擬對比圖Fig. 12 Key protection measures under bridge blasting process and numerical simulation comparison diagram

4.2 振動監測結果

此次檢測共布置6個測點，選用5臺 BP-00型和1臺Blast-UM型爆破振動測試儀，測點位置見圖2。測點1位于橋東側西區華府，距離爆區中心280 m；測點2位于橋西側公路，距離爆區中心200 m；測點3位于橋西側4層樓，距離爆區中心90 m；測點4位于橋西側七層樓，距離爆區中心160 m；測點5位于橋東側起爆點，距離爆區中心160 m；測點6位于橋西側岔路口，距離爆區中心120 m，測點位置見圖13，各測點的實測最大振動速度見表7。

圖 13 爆破振動檢測點布置示意圖(單位：m)Fig. 13 Layout of blasting vibration detection points(unit:m)

由表7可知：在實測中豎直方向振動速度通常最大，與模擬結果相比，實測結果中徑向與切向振動速度峰值相對偏大，但垂向振動速度峰值兩者基本吻合。

表 7 三種延期時間方案實際各測點最大振動速度

5 結論

1)通過對跨路橋梁爆破拆除進行理論分析、計算及數值模擬，優選出了最符合工況的中間起爆的長延期微差爆破施工方案，安全高效的完成了爆破拆除任務。

2)對于周圍復雜環境特別是靠近居民區且橋下有重要設施的跨路橋梁爆破拆除工程，可采取中間起爆的長延期微差爆破結合機械拆除的聯合施工方案，還可采取調整炸藥單耗、增加微差延期時間、鋪設緩沖層、修建沙土堤、多層包被防護等安全措施來控制爆破危害。

3)將數值模擬的結果與實際爆破施工的各項數據進行對比，此次跨路橋梁拆除爆破的各項指標都符合相應的規程，本次拆除爆破所使用的各種減振技術取得很好減振效果，為類似拆除爆破工程提供了一定的參考價值。