跨公路線雙肋拱U型渡槽拆除爆破

張志雄，葉雪云，李 慶，蔣瓊明，王日明

(1.北部灣大學(xué)建筑工程學(xué)院，廣西 欽州 535011；2.欽州市結(jié)構(gòu)健康檢測工程技術(shù)研究中心，廣西 欽州 535011；3.北部灣大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣西 欽州 535011；4.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院， 昆明 650931；5.欽州市環(huán)境生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 欽州 535011)

1 工程概況

待拆迎春渡槽于1970年建成，地處郴州市城郊鄉(xiāng)全義村范圍內(nèi)，因長期閑置未使用，渡槽功能構(gòu)件留存較好，承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性良好。迎春渡槽跨公路線，為進(jìn)、出城的交通要道，西距郴資桂S322高等級(jí)公路與X090縣道交叉路口約1 500 m，緊鄰市煙草專賣局庫房，最近距離約8 m(見圖1)。爆破施工所涉廠區(qū)內(nèi)的3處倉庫為石棉瓦屋面單層紅磚廠房，庫房較矮，高度均位于待拆渡槽主體結(jié)構(gòu)下側(cè)，與渡槽主體的水平距離較近，且為正常使用庫房。在渡槽的中間跨，北側(cè)有通訊光纜穿過渡槽拱柱，南側(cè)X090公路下方埋有重要國防通訊光纜通過，且在渡槽正下方設(shè)有國防光纜接線盒。

圖1 渡槽周邊環(huán)境Fig.1 Aqueduct surroundings

1.1 渡槽結(jié)構(gòu)

待拆迎春渡槽系南北向，總長約152.00 m，高10.00 m，拱肋單跨長度為21.00 m，拱肋頂距下穿路面高6.50 m，橋面寬度為1.73 m(見圖2)。渡槽筒體為“U”型薄殼結(jié)構(gòu)，主體采用雙肋拱承載，橋體共5跨，其矢跨比為1/6，兩肋間的內(nèi)側(cè)寬度1.00 m，外側(cè)寬1.60 m，拱肋截面為30 cm×50 cm的矩形斷面。過水主體的U型槽筒身部位采用一系列直徑為0.30 m鋼筋混凝土圓柱體立柱排架支撐。荷載經(jīng)雙圓立柱排架及橫系梁傳遞雙肋拱，再作用于渡槽橋墩臺(tái)。

圖2 U型渡槽結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Structural form of U-shaped aqueduct

1.2 拆除爆破難點(diǎn)

1)保護(hù)等級(jí)高。廠房距離爆區(qū)非常近，房屋結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)低，要求爆破過程嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)和渡槽坐塌后的觸地振動(dòng)，防止對埋地國防光纜、通訊光纜、公路路面造成破壞，以及最大限度降低廠房損傷。

2)安全防護(hù)要求高。為了確保跨線渡槽下方的通訊光纜、廠區(qū)房屋門窗和相關(guān)人員的安全，須準(zhǔn)確計(jì)算與控制爆破飛石的方向及距離，并采取嚴(yán)密保護(hù)措施。

3)施工工期緊。實(shí)施爆破后，需要對公路路面塌落的堆積塊進(jìn)行解體和快速清運(yùn)，以迅速實(shí)現(xiàn)恢復(fù)公路交通秩序及廠區(qū)運(yùn)行工作。

2 爆破方案與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 爆破方案

迎春渡槽跨X090公路線，道路車流量大，要求從爆破警戒到清碴過程的交通管制時(shí)間跨度短。方案1：爆破加機(jī)械分次拆除方案，是先利用爆破拆除跨公路線中間拱，并迅速清理道路恢復(fù)交通，然后采用機(jī)械逐跨完成渡槽拆除；方案2：渡槽實(shí)施一次性爆破，整體坐塌方案。方案1充分利用機(jī)械拆除，爆破用藥量少，爆破振動(dòng)相對較小，由于先對渡槽中央主拱跨拆除爆破，導(dǎo)致其兩邊拱跨拱腳失去原有的約束力，打破原有渡槽平衡，較大地降低了其穩(wěn)定性，將給道路清碴及渡槽殘留拱跨后續(xù)拆除工作留下安全隱患，施工工期過長。因此，一次整體爆破坐塌的方案2更為穩(wěn)妥可靠，該方案結(jié)合渡槽結(jié)構(gòu)特征及各部位尺寸對墩臺(tái)基礎(chǔ)以上連續(xù)5跨長約105.00 m的渡槽實(shí)施坐塌控制爆破，考慮渡槽進(jìn)出口端距離地面不高，選擇主體爆破后機(jī)械拆除的方案。

2.2 渡槽失穩(wěn)過程數(shù)值分析

為評價(jià)渡槽整體爆破一次坐塌效果及爆破斷點(diǎn)可靠性，采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立渡槽數(shù)值計(jì)算三維模型[1-2]，利用顯式動(dòng)力分析軟件LS-DYNA求解，考慮到拆除爆破拱軸后結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，坐塌過程鋼筋抗彎能力較小[3-4]，采用鋼筋和混凝土合并整體式模型進(jìn)行分析以及LS-DYNA軟件完成渡槽坐塌過程的數(shù)值模擬計(jì)算，獲得跨公路線渡槽拆除爆破結(jié)構(gòu)的受力—解體—失穩(wěn)—坍塌—爆碴堆積的瞬態(tài)過程的仿真演繹，數(shù)值仿真模擬過程如圖3所示。根據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案，需要對渡槽橋面、護(hù)欄、U型渡槽進(jìn)行局部預(yù)拆除，當(dāng)t=0.01 s時(shí)，通過刪除構(gòu)件單元以實(shí)現(xiàn)模擬局部構(gòu)件預(yù)拆除步驟。t=0.29 s時(shí)，所有拱軸拆除爆破；t=0.70 s時(shí)，立柱、拱頂同時(shí)拆除爆破；t=1.40 s時(shí)，在重力作用下渡槽完全坐塌、解體。

圖3 渡槽拆除爆破整體坐塌Fig.3 Aqueduct overall collapse by demolition blasting

2.3 預(yù)處理

待拆渡槽筒體采用人工切割預(yù)處理設(shè)計(jì)，雙拱肋分東西肋，東西兩肋爆破點(diǎn)布設(shè)位置、爆破參數(shù)、裝藥量、填塞及起爆方式均相同(見圖4)。

注：A1～A5點(diǎn)為筒體人工預(yù)切割處理，B1～B5點(diǎn)為肋拱頂面爆破切點(diǎn)，C1～C10為肋拱腳底爆破切點(diǎn)。圖4 爆破切口及預(yù)處理設(shè)計(jì)Fig.4 Design of blasting cut and pretreatment

為了減少裝藥量和提高渡槽坐塌的可靠性，需要對U型渡槽筒身的A1～A5點(diǎn)以及人行道蓋板的橫連梁等設(shè)施進(jìn)行預(yù)切割處理。

1)在每跨的中間部位，采用手持電動(dòng)沖擊錘在筒身切開一道貫穿筒身的斷面開口(見圖5a)，開窗寬度約20～30 cm。解除輔助設(shè)施構(gòu)件對U型渡槽主要承載構(gòu)件肋拱的約束，以提升渡槽整體一次性爆破坐塌過程的可靠度及拆除效果。

圖5 現(xiàn)場部分構(gòu)件的預(yù)處理Fig.5 Pretreatment of some components on site

2)渡槽每3 m間距設(shè)有連接渡槽筒體的鋼筋混凝土橫梁，并與兩邊人行蓋板形成了整體(見圖5b)。根據(jù)數(shù)值模擬分析，系列橫梁不利于渡槽筒體分段爆破解體，制約了肋拱爆破后折斷重力坐塌解體。因此，爆破方案設(shè)計(jì)采用人工破斷中間橫梁，并剪斷橫梁內(nèi)部連接鋼筋。

3)對于渡槽A1～A5點(diǎn)上方的人行護(hù)欄，爆破前期進(jìn)行人工預(yù)處理，設(shè)置一道人工切口。

2.4 爆破參數(shù)確定及網(wǎng)路設(shè)計(jì)

為了確定合理單孔藥量，爆破前在拱肋的橫梁位置布置2個(gè)試驗(yàn)孔，分別裝入藥條規(guī)格為φ32 mm(200 g)的2號(hào)巖石乳化炸藥50、75 g，采用炮泥填塞炮孔，且不加任何覆蓋。試爆效果如圖6所示，2個(gè)試爆孔均能完全切斷、破壞橫梁，測定地面遺留混凝土塊發(fā)現(xiàn)，75 g裝藥孔飛石距離較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)達(dá)8 m，因此選用50 g作為單孔松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)的依據(jù)。

圖6 現(xiàn)場爆破試驗(yàn) Fig.6 Field blasting test

依據(jù)拱肋橫梁裝藥爆破試驗(yàn)結(jié)果，在拱肋縱向中心面和立柱位置采用單排炮孔布孔方式，并結(jié)合構(gòu)建斷面尺寸規(guī)格、自由面方向及周邊環(huán)境適當(dāng)調(diào)整爆破部位的裝藥量，其詳細(xì)爆破參數(shù)如表1所示。

表1 渡槽拱肋和立柱爆破主要參數(shù)

爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)為電雷管起爆網(wǎng)路，采用2發(fā)并聯(lián)瞬發(fā)電雷管，孔內(nèi)引爆炸藥，然后再與主干網(wǎng)路串聯(lián)。爆前開展空爆模擬試驗(yàn)以檢驗(yàn)網(wǎng)路的性能，利用CHA-500型起爆器引爆等效電阻模擬起爆網(wǎng)路，完成野外試驗(yàn)。

3 爆破安全與防護(hù)措施

3.1 爆破振動(dòng)校核

國內(nèi)外大量觀測結(jié)果[3]表明：爆破振動(dòng)參數(shù)受裝藥量、爆源距離、土巖性質(zhì)及周邊場地等多種因素的影響，但計(jì)算公式各國差異較大。我國現(xiàn)行安全規(guī)程使用的經(jīng)驗(yàn)公式[5]：

(1)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)爆破允許振動(dòng)速度，cm/s；K′為城市控制爆破的修正系數(shù)，取0.25～1.00，采用單孔小藥量時(shí)，K′=0.25；K、α為與爆破條件相關(guān)的地質(zhì)、地層系數(shù)，按照中硬巖選取K=50、α=2.0；Q為單次最大齊爆藥量，本次爆破瞬發(fā)總藥量為10.85 kg；R為距爆源中心的距離，取R=8.0 m。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)可得v=0.96 cm/s。根據(jù)爆破安全規(guī)程[5]可知，一般磚房允許振動(dòng)速度為2 cm/s，可見校核振動(dòng)速度在安全范圍內(nèi)，符合安全要求。

3.2 塌落振動(dòng)校核

建筑結(jié)構(gòu)拆除爆破塌落振動(dòng)一般大于爆破地震波引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，可采用無量綱相似參數(shù)分析法，通過式(2)來計(jì)算構(gòu)筑物的塌落振動(dòng)速度[6]:

(2)

式中：vt為爆破對象塌落觸地的振動(dòng)速度，cm/s；Kt為衰減系數(shù)，一般取3.37；σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，倒塌區(qū)域公路路面為水泥硬化[7]，取σ=10 MPa；β為衰減系數(shù)，β=1.66；R1為觀測點(diǎn)至撞擊中心的距離，取30 m；M為爆破目標(biāo)倒塌部分的質(zhì)量，M=400 t；H為爆破對象重心高度，H=5 m。經(jīng)計(jì)算vt=0.79 cm/s，屬安全范圍。

3.3 爆破飛石距離

在渡槽拱肋頂部孔，即為此次爆破最高點(diǎn)，采用松動(dòng)爆破，爆孔頂部充分填塞，抵抗線為上厚下薄，防止爆破時(shí)飛石上沖，采用物體平拋運(yùn)動(dòng)軌跡公式計(jì)算[8]：

(3)

式中：v為爆破飛散物初始速度，m/s；H為爆破部位離地高度，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

經(jīng)爆破飛石速度測算，其v的值通常不超過50.0 m/s，拱頂部至路面高度H為6.5 m，由式(3)計(jì)算Rf為70 m，則爆區(qū)警戒人員的安全半徑取100 m，警戒區(qū)內(nèi)的人員必須實(shí)施清場，全部撤至安全點(diǎn)避炮。適當(dāng)減少靠近煙草專賣局庫房方向的炮孔裝藥量，單孔取50 g，采用多層編織袋覆蓋炮孔進(jìn)行防護(hù)。

4 爆破效果與結(jié)語

4.1 爆破效果

郴州市城郊鄉(xiāng)全義村迎春渡槽成功拆除爆破(見圖7)，實(shí)現(xiàn)了150 m長跨公路線U型渡槽整體一次坐塌倒地，爆破后渡槽垮落到公路的碴塊清理僅用20 min就迅速恢復(fù)交通。根據(jù)爆破前數(shù)值仿真模擬筒體分解及立柱倒向的結(jié)果，對橫跨公路的渡槽筒體部分進(jìn)行了預(yù)切割，控制爆破達(dá)到了預(yù)期效果，圓立柱成排架倒向遠(yuǎn)離公路的一側(cè)?，F(xiàn)場渡槽觸地振動(dòng)較小，爆破飛散物控制在15 m范圍內(nèi)，庫房窗戶玻璃和屋頂石棉瓦均未受損，通信與國防光纜完好，僅位于渡槽附近約10 m的煙廠倉庫保衛(wèi)室(廢棄)窗戶玻璃被擊穿2個(gè)洞。

圖7 現(xiàn)場爆破效果Fig.7 Field blasting effect

此次爆破實(shí)際裝藥孔188個(gè)，每孔采用并聯(lián)的2發(fā)瞬發(fā)電雷管，孔與孔之間的并聯(lián)雷管通過電阻為7 Ω/100 m的軟膠線銅芯串聯(lián)，并利用CHA-500型起爆器激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了渡槽的安全拆除，現(xiàn)場無盲炮，總裝藥量約為10.85 kg。

4.2 結(jié) 語

1)利用LS-DYNA數(shù)值模擬渡槽受力-解體-失穩(wěn)-坍塌-爆碴堆積的瞬態(tài)過程，實(shí)現(xiàn)爆破方案推演分析，驗(yàn)證爆破方案的可行性。

2)爆破方案實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化設(shè)計(jì)，渡槽筒體預(yù)切割及爆破炸點(diǎn)設(shè)計(jì)合理，肋拱解體充分，排架倒向準(zhǔn)確，拆除爆破達(dá)到預(yù)期效果。

3)通過試驗(yàn)孔驗(yàn)證合理藥量分配，有效控制爆破飛石，電信和國防光纜完好，周圍構(gòu)筑物未受損，實(shí)現(xiàn)安全爆破。