新科技成果在現(xiàn)代拆除爆破中的應(yīng)用

王熙鵬

(天津市工程爆破協(xié)會 天津300384)

工程爆破就是利用炸藥的爆炸能量對介質(zhì)做功，以達(dá)到預(yù)定工程目標(biāo)的作業(yè)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程爆破在工程建設(shè)中的作用越來越重要。我國城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)使得城市的改建、擴(kuò)建需求急速增長，大量原有建(構(gòu))筑物迫切需要盡快拆除。拆除爆破工程(以下簡稱“拆爆”)作為工程爆破的一個重要分支迅速崛起，并得以快速發(fā)展。

1 現(xiàn)代拆爆應(yīng)運(yùn)而生

拆除爆破作為一種特殊的工程爆破，不同于一般的爆破項(xiàng)目。它是利用炸藥爆炸釋放的能量，破壞被拆除建(構(gòu))筑物的主受力構(gòu)件，使其喪失系統(tǒng)的承載能力或使其失效，在整個受力體系遭到破壞的情況下塌落、解體。綜合而言，拆除爆破具有如下4個特點(diǎn)：

①拆除對象的種類繁多，各種建筑物、構(gòu)筑物，其體積大小各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且各種材料并存，超高拆除對象及保護(hù)性拆除占比增加。

②拆除爆破的起爆網(wǎng)路愈加復(fù)雜，如圖 1所示。爆炸的延時精度往往要求很高。

圖1 國內(nèi)某拆除爆破工程的起爆網(wǎng)路圖Fig.1 Initiation network of a demolition blasting project in China

③工期緊迫。由于工程建設(shè)速度的加快，拆除爆破的設(shè)計(jì)與施工必須在盡可能短的時間內(nèi)完成。

④作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，必須保障施工安全。由于爆區(qū)往往地處城市中央或城區(qū)繁華地帶，拆除爆破時必須確保爆區(qū)周邊人員、設(shè)備、設(shè)施及其他建(構(gòu))筑物的安全。

我國的拆除爆破始于20世紀(jì)50年代，隨著爆破器材和鉆孔機(jī)具的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，拆除爆破技術(shù)得到了迅速發(fā)展，技術(shù)水平也得到了提高，但對于爆破有害效應(yīng)的控制一直沒有明確要求。

自20世紀(jì)80年代以來，隨著拆除對象逐漸趨向高層化，拆除方法在呈現(xiàn)多樣化的同時對安全問題愈加重視，這就使得拆爆難度不斷增大。拆爆要在拆除對象的倒塌方式、倒塌方向、介質(zhì)破碎程度、爆破堆積范圍與高度等“爆破效果”，以及空氣沖擊波、爆破震動、個別飛濺物、粉塵等“爆破有害效應(yīng)的控制”兩個方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。拆爆時不僅要解決爆破控制上的技術(shù)難題，而且還必須深入研究爆破工程與環(huán)境的關(guān)系?，F(xiàn)代拆爆工程的特征初現(xiàn)端倪，即要求對設(shè)計(jì)、施工、安全及環(huán)境進(jìn)行全面把控。

2 控制爆破的不斷完善

控制爆破是對“爆破效果”和“有害效應(yīng)”兩者同時實(shí)現(xiàn)可控的爆破理論和技術(shù)?，F(xiàn)代拆除爆破工程對控制爆破的研究提出了新的課題：①方案的優(yōu)化。為了適應(yīng)現(xiàn)代拆爆的發(fā)展，需要對拆爆的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證、比較，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)精選爆破參數(shù)，使其更加貼近工程實(shí)際、適應(yīng)爆區(qū)當(dāng)?shù)氐奶攸c(diǎn)。保證爆破方案安全、可靠、合理且經(jīng)濟(jì)。②施工組織設(shè)計(jì)與方案(施工圖)設(shè)計(jì)等相互關(guān)聯(lián)、一體化。③強(qiáng)化對從業(yè)人員的培訓(xùn)和指導(dǎo)。以控制爆破為基礎(chǔ)，對施工及從業(yè)人員的培訓(xùn)提供理論和實(shí)踐上的支持。

當(dāng)今，控制爆破的設(shè)計(jì)內(nèi)容已不單單是方案設(shè)計(jì)，還包括技術(shù)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)、培訓(xùn)設(shè)計(jì)等各種相關(guān)內(nèi)容。爆破設(shè)計(jì)對細(xì)節(jié)的把握不斷深入和具體。從傳統(tǒng)的爆破參數(shù)確定與裝藥設(shè)計(jì)，到設(shè)計(jì)方案的論證和優(yōu)化，再到對爆破作業(yè)環(huán)境的把控、全面的安全防護(hù)設(shè)計(jì)，都要精益求精。

傳統(tǒng)的控制爆破理論，大多依賴經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的選擇而非函數(shù)表達(dá)，這對爆破效果及有害效應(yīng)的預(yù)測造成極大障礙，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)對環(huán)境進(jìn)行有效模擬和把控。隨著新科技革命的到來，一批現(xiàn)代科技成果陸續(xù)應(yīng)用到工程實(shí)踐中。以精細(xì)化、數(shù)字化和智能化為主要特征的新科技成果，為控制爆破技術(shù)提供了科學(xué)預(yù)測和有效控制的基礎(chǔ)理論和工具。

3 新科技成果的應(yīng)用

3.1 三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺

拆除爆破專用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是利用計(jì)算機(jī)及輔助設(shè)備對拆除爆破工程進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

當(dāng)前在拆除爆破領(lǐng)域，大量的設(shè)計(jì)應(yīng)用在二維空間內(nèi)，借助二維 CAD軟件，可以很方便地利用已有建(構(gòu))筑物的二維資料。其設(shè)計(jì)手段基本停留在計(jì)算機(jī)“輔助繪圖”的階段。施工要點(diǎn)多采用放大視圖(節(jié)點(diǎn)圖)的方式來表達(dá)。由于與爆區(qū)、爆破對象缺乏實(shí)際的“有效關(guān)聯(lián)”，很容易造成施工中的疏漏或誤讀。對于施工成本的預(yù)計(jì)、工程費(fèi)用的計(jì)算等都需要人工去單獨(dú)計(jì)算；并且很容易為爆破施工帶來隱患，難以切實(shí)保證預(yù)期爆破效果的實(shí)現(xiàn)和有害效應(yīng)的控制要求。另外，對于拆除對象的倒塌方向與爆堆范圍的控制需要專門的設(shè)計(jì)計(jì)算，無法在二維圖像上形象、直觀地表達(dá)。

隨著新技術(shù)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，三維設(shè)計(jì)漸成趨勢。許多建(構(gòu))筑物的資料，包括總圖(環(huán)境)資料都是三維數(shù)據(jù)。因此，三維的拆除爆破計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用得越來越廣泛。

在三維 CAD設(shè)計(jì)中，利用已有的三維資料建立爆區(qū)、爆破對象的三維實(shí)體模型，對爆破工程進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，建立單一數(shù)據(jù)源，各種要素相互關(guān)聯(lián)。構(gòu)建結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)體系、一體化應(yīng)用模型，這樣既避免了二維設(shè)計(jì)時易出現(xiàn)的疏漏和誤讀，又方便對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改和調(diào)整，加上建立在云平臺的社區(qū)式協(xié)同特點(diǎn)，變“文件共享”的串行工作為“同步、一體化”的并行工作模式；改變當(dāng)前的“文件交付”方式為“數(shù)據(jù)交付”方式，從而大幅提高設(shè)計(jì)工作的效率和工程質(zhì)量。

三維 CAD在設(shè)計(jì)完成后即可進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，馬上對爆破作業(yè)的施工工序進(jìn)行分解，進(jìn)而完成施工組織設(shè)計(jì)、施工計(jì)劃及工程預(yù)算編制等相關(guān)內(nèi)容；同時與各施工環(huán)節(jié)密切相關(guān)的施工組織、計(jì)劃、預(yù)算等設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)等工作都可以更方便地展開，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代拆爆系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)。

使用三維 CAD更便于進(jìn)行優(yōu)化。在完成主要設(shè)計(jì)內(nèi)容、確定爆破方案后，可與數(shù)值模擬相對接。通過數(shù)值模擬對爆破結(jié)果進(jìn)行預(yù)測、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而制定出更合理、可靠的爆破施工及項(xiàng)目管理方案。同時還可以確保實(shí)際爆破中存在的問題在早期就被發(fā)現(xiàn)和解決。

3.2 高速圖像分析技術(shù)

采用高速攝影的方法拍攝實(shí)體的變化過程，運(yùn)用光學(xué)測量技術(shù)把空間信息和時間信息完整地記錄下來。利用與這種高速攝影技術(shù)相匹配的高速圖像分析軟件，對高速攝影記錄的信息(如：運(yùn)動規(guī)律、飛行軌跡、姿態(tài)變化以及力學(xué)彈性等)進(jìn)行分析。

對于現(xiàn)代拆除爆破工程，減少爆破產(chǎn)生的粉塵污染是控制爆破有害效應(yīng)中必不可少的環(huán)節(jié)。當(dāng)前，雖然降塵方法層出不窮，但實(shí)際效果卻仍有待增強(qiáng)。為了更有效地降塵，就需要深入研究粉塵的形成、擴(kuò)散機(jī)理，以采取直接、有效的降塵措施。采用高速圖像分析技術(shù)對建(構(gòu))筑物材料在爆轟載荷下解體、擴(kuò)散的過程進(jìn)行記錄，通過這些數(shù)據(jù)對粉塵的形成過程進(jìn)行解析，進(jìn)而制定合理的技術(shù)方案及措施，對粉塵這一有害效應(yīng)實(shí)施有效的控制。

3.3 無人機(jī)技術(shù)

無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器，由于其體積小、造價低、攜帶方便、對環(huán)境要求低，近年來被大量應(yīng)用于工程實(shí)踐，如圖2所示。

圖2 工作人員正在操縱無人機(jī)進(jìn)行航拍Fig.2 A technology manipulates a drone for erial photography

在爆破設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)人員需要對爆破作業(yè)環(huán)境的實(shí)時狀況進(jìn)行詳細(xì)、全面的掌握。目前普遍使用衛(wèi)星地圖來實(shí)際了解爆區(qū)及周邊環(huán)境，但由于衛(wèi)星地圖更新周期比較長、更新頻率偏低，因此難以實(shí)時掌握爆區(qū)及周邊環(huán)境的狀況，時常要派駐人員進(jìn)行現(xiàn)場勘查。借助無人機(jī)技術(shù)，在工程現(xiàn)場對整個爆區(qū)及周邊環(huán)境進(jìn)行詳實(shí)的查勘、記錄，可以大幅降低項(xiàng)目成本，同時為后續(xù)工序的實(shí)施如鉆孔、裝藥、敷設(shè)網(wǎng)路等建立統(tǒng)一的參照依據(jù)。

3.4 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成具有臨場感覺的環(huán)境，讓人借由各種特殊裝置(專用頭盔、眼鏡等)將自己“投射”到這個環(huán)境中，模擬真實(shí)操作，以實(shí)現(xiàn)某些特定的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可視化操作的嶄新方式，是一種實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境互動的高級模擬系統(tǒng)。圖3展示了一種虛擬現(xiàn)實(shí)的成套裝備。

圖3外國某公司研制的成套 VR裝備，使用者穿戴后可以感受打擊、高溫與爆炸Fig.3 A foreign company developed complete set of VR equipment that make people feel the blow，heat and explosion after wearing it

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人機(jī)交互遠(yuǎn)比一般計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互要形象和具體，其多感知性和沉浸性可以更便于向他人展示設(shè)計(jì)結(jié)果。利用這一技術(shù)就可以將紙面上的爆破方案直觀地展現(xiàn)在觀眾眼前，使觀眾可以對即將發(fā)生的爆破過程進(jìn)行更真切的了解、觀察和體驗(yàn)。這在投標(biāo)述標(biāo)、介紹方案、技術(shù)研討等場合都將發(fā)揮重要作用。

當(dāng)前，在施工作業(yè)前對操作要點(diǎn)的說明過分依賴圖紙和說明書，施工要求難以全面、形象地表達(dá)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以讓作業(yè)人員“身臨其境”、實(shí)際操作、正確掌握，糾正錯誤的操作方式，可以切身體會到個人學(xué)習(xí)需求的滿足感。這遠(yuǎn)比現(xiàn)場面授的效果要好得多。這對于保證施工質(zhì)量，提高工作效率會起到相當(dāng)大的作用。

在安全培訓(xùn)、爆破作業(yè)人員的培訓(xùn)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以完全取代現(xiàn)有的面授培訓(xùn)。在面授培訓(xùn)中，對于爆破作業(yè)的具體操作方法、爆破作業(yè)的鉆孔與裝藥的具體做法，由于沒有實(shí)際設(shè)施而很難使學(xué)員正確把握操作細(xì)節(jié)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以輕而易舉地做到這一點(diǎn)。

圖4 國內(nèi)某公司利用VR套件進(jìn)行的安全培訓(xùn)Fig.4 Security training for a company in China using VR

對于爆破作業(yè)環(huán)境潛在的安全隱患，在施工準(zhǔn)備階段與面授培訓(xùn)中，通過圖像和語言來解說很難讓人切身體會到人身的傷害苦痛。引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以使作業(yè)人員真切體驗(yàn)到安全的重要性。圖 4展示的是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行安全培訓(xùn)的實(shí)景。

4 現(xiàn)代拆爆的發(fā)展愿景

我們正生活在第4次科技革命的浪潮中，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使各個行業(yè)紛紛轉(zhuǎn)型。新興的現(xiàn)代拆除爆破行業(yè)同樣不會例外。隨著新科技成果的不斷涌現(xiàn)，控制爆破技術(shù)在新科技成果的帶動下必將不斷完善。而現(xiàn)代拆爆對新技術(shù)手段的應(yīng)用，對完善爆破設(shè)計(jì)理論、提高設(shè)計(jì)水平和施工水平定會有所助益?，F(xiàn)代拆爆將在控制爆破技術(shù)的推動下不斷創(chuàng)新，數(shù)字化、系統(tǒng)化、智能化的現(xiàn)代拆爆離我們已經(jīng)越來越近，一個個巨大的飛躍即將展現(xiàn)在我們面前。■

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