126 m長(zhǎng)水閘和交通橋控制拆除爆破

徐傳忠，孫躍光，張春玉，盧英明，魏冰方

(1.濟(jì)南興魯爆破有限公司，濟(jì)南 250014；2.濟(jì)南黃河爆破工程有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250015；3.山東大展工程有限公司，濟(jì)南 250001)

1 工程概況

濟(jì)南市徒駭河營(yíng)子水閘分為水閘、交通橋和樓梯間3部分。該處水閘已經(jīng)使用近40年，經(jīng)結(jié)構(gòu)鑒定無(wú)維修價(jià)值，計(jì)劃采用爆破方式拆除后建設(shè)新的水閘。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

水閘全長(zhǎng)126 m，共19跨，跨徑6.6 m，閘基礎(chǔ)為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，高度7.0 m，厚度0.8 m，上寬2.5 m，下寬5.4 m。每道閘基礎(chǔ)內(nèi)有26根豎向鋼筋和環(huán)形筋，豎向鋼筋為Φ22螺紋鋼，間距0.25 m，橫向環(huán)形鋼筋為Φ10圓鋼，間距0.2 m。水閘基礎(chǔ)底部東側(cè)為臺(tái)階式，西側(cè)為坡腳式，中間有一道豎向的閘板槽，寬度0.6 m，深度0.25 m。水閘基礎(chǔ)之上為2根0.5 m×0.5 m的鋼筋混凝土現(xiàn)澆立柱，高度6.0 m。立柱之上0.7 m×0.6 m的橫梁和簡(jiǎn)支梁，簡(jiǎn)支梁上為聯(lián)系梁，中間是鋼筋混凝土提升機(jī)底座。水閘兩端是鋼筋混凝土聯(lián)系墻。交通橋全長(zhǎng)152 m，橋面總寬5.1 m，共23跨，跨徑6.6 m，橋梁兩端為橋臺(tái)，中間為柱式橋墩。每跨橋墩底部為鋼筋混凝土條形承臺(tái)，高1.0 m，寬0.8 m。柱式橋墩之上為0.5 m×0.6 m的鋼筋混凝土橫梁，橫梁之上為縱向3條鋼筋混凝土槽型預(yù)制板，槽型板之上為0.1 m厚的混凝土橋面，橋面距離河床底距離7.0 m。水閘北端是3層樓梯間，長(zhǎng)6.5 m，寬3.9 m，高12 m，墻壁厚度0.28 m，水泥漿砌磚結(jié)構(gòu)。水閘與交通橋整體結(jié)構(gòu)及截面尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 水閘與交通橋結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sluice and traffic bridge

圖2 水閘與交通橋截面Fig.2 Cross section of sluice and traffic bridge

1.2 周邊環(huán)境

待拆除水閘位于濟(jì)南市商河縣白橋鎮(zhèn)小營(yíng)子村西南300 m、大侯家村東南的徒駭河上。爆破區(qū)域北側(cè)為鄉(xiāng)村道路；東北方向30 m為水利工程項(xiàng)目辦公區(qū)域；東側(cè)為河道；東南方向30 m為農(nóng)田，300 m為大營(yíng)子村民房；南側(cè)為鄉(xiāng)村道路；西南方向30 m為農(nóng)田和菜園，150 m為民房；西側(cè)為河道；西北方向100 m為民房，280 m為大侯家村民房。爆破環(huán)境相對(duì)較好。具體環(huán)境如圖3所示。

圖3 周圍環(huán)境Fig.3 Surrounding environment

2 爆破方案設(shè)計(jì)

根據(jù)待拆除建筑物的具體情況，水閘、交通橋、樓梯間相互獨(dú)立，爆破時(shí)可以單獨(dú)設(shè)計(jì)倒塌方向。交通橋可采用向東定向倒塌、樓梯間可采用向南定向倒塌的爆破方案。

水閘的拆除方案較復(fù)雜，主要原因一是該拆除任務(wù)施工時(shí)間短，閘基上部立柱無(wú)法鉆孔，爆破部位只能設(shè)置在閘基下部；二是閘基為下大上小的變截面結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)，而且整個(gè)水閘上部質(zhì)量較小，建筑物重心很低；三是水閘頂部是簡(jiǎn)支梁和一道聯(lián)系梁將各跨連成一個(gè)整體，由于聯(lián)系梁較小，造成上部整體性不強(qiáng)。

在進(jìn)行水閘爆破設(shè)計(jì)時(shí)，將單跨的水閘基礎(chǔ)作為設(shè)計(jì)對(duì)象，即在單跨水閘基礎(chǔ)上布置爆破切口，采用逐跨向東定向跨塌的爆破方式[1]。為防止在水閘縱向方向上因頂部聯(lián)系梁的牽拉作用，導(dǎo)致后部各跨垮塌不徹底，故采用倒梯形切口。首先起爆的一組基礎(chǔ)爆破切口高度比其它基礎(chǔ)提高50%，確保倒塌時(shí)產(chǎn)生足夠的拉力，以達(dá)到定向倒塌的目的。

因南側(cè)第一道閘基與聯(lián)系墻聯(lián)接，牽拉作用較強(qiáng)，故確定從南側(cè)第二道閘開(kāi)始起爆，后續(xù)各跨閘基依次延時(shí)起爆，形成向東倒塌的切口后，使水閘在重力和側(cè)向拉力作用下形成大偏心受壓而向東定向倒塌。

水閘爆破受力分析如圖4所示。圖4a表示首先起爆形成爆破切口，圖4b表示切口上部A部分在重力作用下先下落，與底部保留部分接觸后，由于重力的作用A部分繼續(xù)向東傾倒。A部分在下落過(guò)程中，對(duì)鄰跨爆破切口B部分形成拉力F，隨著A部分向東傾倒，帶動(dòng)B部分向東傾倒，從而使水閘依次逐跨向東倒塌。

圖4 水閘爆破受力分析Fig.4 Analysis of sluice blasting force

3 爆破參數(shù)

3.1 爆破切口高度計(jì)算

爆破切口高度

H=k(B+h)

(1)

式中：k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.5～2.0，取k=2.0；B為爆破切口處的壁厚，本工程取閘基礎(chǔ)壁厚B=80 cm，h為最小破壞高度，則爆破切口高度H=302.6 cm，實(shí)際取H=3 m。

交通橋柱式橋墩爆破切口高度取2.0 m；樓梯間爆破切口高度取1.5 m。

3.2 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

1)柱式橋墩的鉆孔設(shè)計(jì)。圓柱形橋墩，高度約6.0 m，直徑0.6 m。采用垂直單排布孔。前排立柱爆破切口高2.0 m，孔距為0.35 m，每根立柱布7個(gè)炮孔，共160個(gè)炮孔。后排立柱爆破鉸鏈支點(diǎn)高0.7 m。每根立柱3個(gè)炮孔，共72個(gè)炮孔。

2)條形承臺(tái)的鉆孔設(shè)計(jì)。承臺(tái)為條形，地上部分長(zhǎng)度4.7 m，高1.0 m，寬0.8 m。采用垂直單排布孔。孔距為0.4 m，每條承臺(tái)12個(gè)炮孔，18條承臺(tái)共216個(gè)炮孔。

3)水閘基礎(chǔ)鉆孔設(shè)計(jì)。水閘基礎(chǔ)為板墻式結(jié)構(gòu)，底部長(zhǎng)5.4 m，高7.0 m，厚0.8 m。采用水平多排布孔，孔距0.45 m，排距0.4 m。倒塌方向爆破切口高度3.0 m，每道基礎(chǔ)墻炮孔40個(gè)，18道墻共720個(gè)。后排爆破切口(鉸鏈支點(diǎn))，每道墻3排，炮孔6個(gè)，18道墻共108個(gè)。中間閘槽內(nèi)炮孔12個(gè)，18道墻共216個(gè)。

4)水閘上部立柱鉆孔設(shè)計(jì)。立柱為方形，截面尺寸0.5 m×0.5 m。前柱爆破切口高度1.5 m，孔距0.3 m，每柱6個(gè)炮孔，后柱爆破高度0.6 m，3個(gè)炮孔，采用垂直單排布孔。每組布孔9個(gè)，18組立柱共162個(gè)炮孔。

5)水閘兩端聯(lián)系墻鉆孔設(shè)計(jì)。聯(lián)系墻為板墻式結(jié)構(gòu)，高6.0 m，厚0.8 m。采用水平多排布孔，孔距0.45 m，排距0.4 m，每道墻布孔30個(gè)，共60個(gè)炮孔。

6)兩端橋臺(tái)鉆孔設(shè)計(jì)。橋臺(tái)為板墻式結(jié)構(gòu)，高度2.0 m，厚度1.2 m。采用水平多排布孔。每端橋臺(tái)布孔30個(gè)，共60個(gè)炮孔。

7)樓梯間墻體鉆孔設(shè)計(jì)。墻體為水泥漿砌磚結(jié)構(gòu)，厚度1.2 m，爆破缺口高度0.2～1.5 m。采用水平多排布孔。三面墻體共布100個(gè)炮孔。

鉆孔爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

3.3 爆破網(wǎng)路

本工程采用數(shù)碼電子雷管并聯(lián)起爆網(wǎng)路，一次點(diǎn)火分段延時(shí)起爆[2-4]。縱向自南向北分為24個(gè)段次逐跨(排)依次起爆，縱向每跨間延時(shí)間隔為90 ms；橫向自東向西分4個(gè)段次依次起爆，橫向延時(shí)間隔為500 ms，總延時(shí)3 980 ms。起爆網(wǎng)路如圖5所示。

圖5 起爆網(wǎng)路Fig.5 Initiation network

4 爆破振動(dòng)計(jì)算

1)爆破振動(dòng)安全距離計(jì)算[1]：

(2)

式中：R為爆破振動(dòng)安全距離，m;K,α為爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；v為安全振動(dòng)速度,cm/s;Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總裝藥量，延時(shí)爆破為最大一段裝藥量,kg。

本次爆破為拆除爆破,取K=32.1，α=1.57，v=2.5 cm/s。爆破時(shí)最大一段裝藥量按8.0 kg計(jì)算，爆破振動(dòng)安全距離R=10.2 m。

2)建筑物塌落振動(dòng)安全計(jì)算。本爆破項(xiàng)目塌落引起地面振動(dòng)主要是水閘立柱以上部分落地時(shí)，砸向地面引起振動(dòng)。選用以下公式[2]：

(3)

式中：vt為塌落引起的地面振動(dòng)速度，cm/s；m為下落構(gòu)件的質(zhì)量，本項(xiàng)目按水閘基礎(chǔ)立柱以上部分計(jì)算，鋼筋混凝土115 m3，折合287.5 t；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為構(gòu)件重心高度，本項(xiàng)目按12 m考慮；σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，取10 MPa；Kt、β為衰減指數(shù)，Kt=3.37，β=1.66；R為觀測(cè)點(diǎn)至沖擊地面中心的距離，本項(xiàng)目取水閘管理處辦公室與爆點(diǎn)的最近距離，R=100 m；經(jīng)計(jì)算，vt=0.144 cm/s，實(shí)際爆破塌落時(shí)不是上部整體落地，而是自南向北依次塌落，并且是塌落在了交通橋的廢墟上，塌落振動(dòng)速度相對(duì)較小。

5 爆破效果

起爆后，交通橋、水閘、樓梯間按先后順序依次定向倒塌，爆破取得圓滿成功(見(jiàn)圖6)。本次爆破的水閘屬于上輕下重的結(jié)構(gòu)，爆破設(shè)計(jì)時(shí)采用純粹的定向切口設(shè)計(jì)可靠性差，應(yīng)考慮讓缺口部位有一定的落差，將部分勢(shì)能轉(zhuǎn)為動(dòng)能后，更利于切口部位按照設(shè)計(jì)方向倒塌。

圖6 爆破效果Fig.6 Blasting effect