高聳橋墩保護性爆破拆除關鍵技術

林大能，黎謨炬，王 浩

(1.湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南金能爆破工程有限公司，長沙 410013)

在新建、改建鐵路、公路，尤其是高速鐵路、高速公路建設中，高聳橋墩的建設大量涌現(xiàn)。在施工中不可避免的出現(xiàn)一些質量不合格的橋墩，尤其是有的橋墩某一高度以上質量不合格，要求將某一標高以上部分的鋼筋砼拆除，其余部分必須保留利用。高聳橋墩均為鋼筋砼結構，配筋量大、砼標號高，需要拆除部分高度大。如果采用人工、機械進行拆除，腳手架搭設工程量大，費時費力，安全隱患大。采用爆破方式對高聳橋墩進行部分拆除是一種高效的施工手段，勞動強度低，能帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。我國已經(jīng)有多次用控制爆破方法解決這類工程問題的報道。用控制爆破方法對橋墩的不合格部分進行拆除，合格部分加以保護的工程中，無損、安全、高效是三個重要標準。不合格部分拆除的同時，必須保證合格部分不受損害或損傷，確保能利用，減少損失。爆破有害效應對附近設施、設備、人員不能造成危害。謝先啟、查靜枝、錢祖輝等[1-3]分別就這類工程預留保護層大小、保留部分損傷情況檢測與評價，爆破拆除技術等方面進行了研究。侯茂武等[4]提出在被保護部分與拆除部分連接處，布置單排水平導向孔，以隔斷拆除部分爆破時對保留部分的沖擊。宋磊等[5]采用分層淺孔爆破拆除的方法對鐵路橋橋墩進行逐段拆除。袁岳琪等[6]采取合理布置切口、預切割支撐區(qū)受拉鋼筋等技術措施成功地完成了32 m高公路橋部分爆破拆除，保留部分完好無損。本文擬系統(tǒng)總結研究高聳橋墩保護性爆破拆除關鍵技術，并介紹該技術在黔南高速公路高聳鋼筋砼橋墩部分爆破拆除項目的成功應用。

1 高聳橋墩部分拆除施工方法

1.1 非爆破拆除

非爆破拆除施工法包括人工機械拆除施工法和靜態(tài)破碎法。均需搭設腳手架或借助于消防設備在待拆除橋墩頂部開始，逐層向下施工，逐層循環(huán)作業(yè)，直到不合格部分橋墩完全拆除為止。非爆破拆除施工法能實現(xiàn)對保留部分鋼筋砼的無損要求，對周圍環(huán)境的影響小。但對大斷面鋼筋混凝土構件及工程量較大的破拆項目，搭設和拆除腳手架的工程量大，一直要搭設到待拆除橋墩的最高處，作業(yè)時間長，投入機械、設備、人員多。靜態(tài)破碎鉆孔密集、藥劑起作用的時間長，并且對含筋量大、標號高的砼，破碎效果差。非爆破拆除法拆除高聳橋墩不合格部分結構需要長時間、高強度的高空作業(yè)，風險極大，綜合效益差。

1.2 逐層淺孔爆破拆除

逐層淺孔爆破拆除施工法是利用風鉆在橋墩頂部鉆豎直孔，利用淺孔爆破的方法將橋墩逐層拆除。爆破過程中只需將混凝土炸碎脫網(wǎng)。施工中用消防升降機，將人員運送到橋墩頂部進行鉆孔、裝藥、填塞、連線等作業(yè)。爆破后，再用消防升降機將人員運送到破碎橋墩部位，對破碎的鋼筋砼體進行清理。多次循環(huán)作業(yè)直至將不合格部分橋墩完全拆除。該方法每次爆破規(guī)模小，只需對最靠近保留部分的分層采取密集鉆孔、間隔裝藥、孔底裝一段緩沖材料等手段，就能避免在拆除不合格部分橋墩時對保留部分的損害。該方法的缺點是：分層淺孔爆破施工，爆破點位置高，高空作業(yè)、高空清渣，風險較高、周期長、工期無法保證。對于不合格部分橋墩高度較大的情況下，分層數(shù)多，循環(huán)次數(shù)多。這種施工方法適用于不合格部分橋墩高度小，無法實現(xiàn)切口以上鋼筋砼體在重力作用下失穩(wěn)傾倒條件下的工程項目。

1.3 整體定向爆破

不合格部分橋墩高度大，在保留橋墩以上留一定尺寸的保護層后，向上布置爆破切口，利用切口以上橋墩鋼砼重力與切口后緣線，形成傾覆力矩，當傾覆力矩產(chǎn)生的力能滿足切口內鋼筋被壓彎失穩(wěn)，切口后側支撐區(qū)內鋼筋能被拉斷時，上部結構整體實現(xiàn)定向傾倒，這種拆除方法稱為整體定向爆破倒塌法。該方法作業(yè)點相對集中，位置較低，對腳手架或消防升降機的要求較低，將腳手架搭設在傾倒的反方向及兩側，對保護層進行整修時，可不重新搭設腳手架。爆破位置集中在切口部分，爆破區(qū)域面積相對較小，位置低，通過加強防護，可以有效控制爆破飛石的影響范圍。該施工方法效率高、工期快；應重視塌落體觸地飛濺及振動對人員、設施、設備的影響；需要采取嚴格的安全技術和防護措施，爆破時應加強警戒工作。

2 整體定向爆破倒塌拆除關鍵技術

2.1 留用部分保護

留用部分的保護是這類工程的關鍵。錢祖輝[3]用超聲波測試法研究了鋼砼在爆破作用下的損傷問題，給出了參照薩道夫斯基公式[7]計算保護層厚度，保護層厚度與段起爆藥量有關；并給出了試驗條件下段起爆藥量為7.3 kg時，最大損傷范圍為2.0 m。謝先啟用整體定向爆破倒塌法拆除不合格部分橋墩時在爆破部分和留用部分間留2.0 m保護層，實現(xiàn)了對留用部分的有效保護[1]。查靜枝在類似工程中，采用了1.5 m高的保護層[2]。

上部橋墩重量大，整體定向爆破倒塌時，容易造成對切口以下部分砼體的撕裂破壞。在鋼砼煙囪、水塔分段分次爆破時，經(jīng)常出現(xiàn)這種現(xiàn)象。滬昆高鐵湖南段在處理不合格橋墩部分拆除時，上部塌落體通過鋼筋將下部擬留用部分橋墩完全破壞。為解決對留用部分的撕裂破壞，可在切口范圍內及保護層某一標高開鑿橫向卸荷槽，將槽內鋼筋燒傷、甚至割斷。

在保護層下部與留用層界面處，鉆鑿密集的水平孔，孔深等于壁體厚度，隔斷拆除部分爆破時對保留部分的沖擊，起到卸荷作用。孔距不大于20 cm。保護層小時，可布設2排交錯布置的水平密集卸荷孔，以保護留用部分鋼砼不受損傷。切口參數(shù)設計應優(yōu)化，充分考慮到結構特征，應避免兩種情況出現(xiàn)：一是切口高度太小，造成上部鋼砼體在傾倒時，切口上、下邊緣過早閉合，鋼砼體垂直分量過大，造成對未爆破部分損壞；二是切口高度過大，上部鋼砼體在傾倒過程中倒懸撞擊保留部位橋墩。對切口范圍及卸荷槽的鋼筋進行預處理，可克服在傾倒過程中，由于鋼筋過大的拉力造成倒塌體倒懸對留用部分的撞擊。建議切口高度應大于傾倒方向上橋墩邊緣尺寸的1.5倍。

2.2 爆破有害效應分析與控制

爆破有害效應主要有飛石、空氣沖擊波、振動、噪音。根據(jù)實際工程的環(huán)境情況，采用不同措施對有害效應進行防護。爆破點位置一般較高，采用分散化裝藥，分段延時起爆，空氣沖擊波逸散空間大，一般危害性不大。用地毯與鐵絲網(wǎng)多層間隔包裹，用鐵絲將防護體進行綁扎，對控制飛石、空氣沖擊波、噪音有明顯效果。爆破點越高，飛石飛散的距離越大，必須重視防護及爆破時人員撤離的范圍，避免飛石和觸地飛濺事故的發(fā)生。

利用薩氏公式估算爆破振動對下部保留橋墩及附近其他橋墩等設施的影響。

(1)

式中：v為某點質點峰值振動速度，cm/s；Q為段起爆最大藥量，kg；R為某點到爆破中心的距離，m；K，α為場地地質條件、爆破方式系數(shù)。

計算對下部保留橋墩影響程度時，K=50,α=2.0，鋼筋砼無損條件的許可質點峰值振動速度為17.08 cm/s。計算對本橋墩以外其他對象影響程度時，K=50,α=1.5?？刂贫纹鸨幜浚诒Ｗo層中鉆1～2排密集水平卸荷孔，可弱化上部切口爆破振動對留用部分橋墩的影響。

2.3 倒塌體觸地有害效應及控制

倒塌體觸地振動峰值振速可參考煙囪定向爆破觸地振動計算公式[7-9]：

(2)

式中：v為質點峰值振動速度，cm/s；m為塌落體質量，kg；g為重力加速度，m/s2；h為塌落體重心高度，m；R為觀測點與塌落體觸地中心距離，m。

觸地飛濺物及振動控制措施：在預計觸地位置堆筑緩沖沙堆，特別重要的方向可架設排架掛鐵絲網(wǎng)對可能產(chǎn)生的觸地飛石進行攔截。

3 高聳橋墩部分爆破拆除案例

3.1 拆除對象特征和施工環(huán)境

黔南高速公路大橋建設中，4#左幅橋墩已施工完畢，經(jīng)測量豎直度最大偏差達15 cm，決定將28 m以上部分墩柱拆除，28 m以下部分保留。大橋跨徑為40 m，4#左幅橋墩為薄壁空心墩，斷面尺寸6.5 m×3.0 m，壁厚為50 cm(見圖1)。設計墩高57.87 m，每節(jié)高度為1.5 m，離地面高度為31.5 m處有隔板。4#左幅橋墩與3#墩凈距為37.0 m，與5#墩凈距為37.3 m。橋墩為雙層螺紋鋼筋網(wǎng)布筋，內側豎向鋼筋為 20@ 150，橫向鋼筋為 10@ 100；外側豎向鋼筋為 20+14(14為間隔布設)@ 200，橫向鋼筋為 10@ 100。已建橋墩呈南北走向排列，4#待拆除橋墩距離公路最近直線距離50 m。附近300 m范圍內無民房，橋墩所在位置較低，四周為高山阻隔。爆破產(chǎn)生的振動與塌落觸地振動不能破壞已建的橋墩，爆破振動及飛石等爆破公害不能影響周圍建(構)筑物的安全。

圖1 橋墩橫斷面尺寸Fig. 1 Cross-sectional dimensions of the bridge pier

3.2 爆破拆除方案

由于工期緊，擬采用定向爆破拆除。東、西兩側無保護對象，但橋墩斷面東西向為長邊，南北向為短邊，朝東或朝西方向倒塌，切口高度、切口范圍內的工作量較大，且不利于上部倒塌體盡快移出切口前緣線，對保護下部橋墩不利，因此采用向南定向爆破倒塌方案。爆破拆除段橋墩高度為29.87 m，爆破切口高2.4 m，設置2 m的隔離保護層，傾倒段長度為25.47 m，考慮1.2倍系數(shù)的前沖，上部傾倒段倒塌位置場地長度須大于30.56 m。4#橋墩與3#、5#橋墩的距離能滿足定向倒塌要求。

3.3 切口設計及預處理

在墩身30 ～32.4 m處開設爆破切口，切口形狀為矩形加三角形的組合體。根據(jù)切口斷面倒向方向上橋墩的寬度尺寸、形成傾覆力矩的條件及切口以上鋼筋砼的方量、配筋情況，用壓桿失穩(wěn)理論確定切口尺寸。切口高度2.4 m，切口上邊長度為8.5 m，切口下邊緣長度為10.5 m。切口邊緣線偏離截面中心線50 cm。爆破切口布置如圖2所示。

圖2 爆破切口布置Fig. 2 Layout of the blasting cutting

為弱化切口內鋼筋砼的強度，控制倒塌體通過鋼筋對下部留用保護橋墩的撕裂作用，在切口范圍內布置2個定向窗和1個導向窗，定向窗和導向窗布置炮孔進行爆破(兼作試爆用)后用風鎬整修成型，并將窗口內暴露的鋼筋全部拆除(見圖2)。在橋墩切口壁體的外側+28 m處開間隔卸荷槽，橋墩31.5 m高處有隔板，操作人員站在內腔中的隔板上在內側壁體上開設間隔卸荷槽，卸荷槽內的鋼筋均在裝藥前割斷，弱化上部爆破拆除部分與下部保留部分的聯(lián)系。在28 m位置鉆1排孔距為20 cm、φ40 mm的隔離孔，孔深50 cm。卸荷槽布置如圖3所示(另一側的卸荷槽及鋼筋處理與傾倒中心線對稱)。

圖3 內外壁卸荷槽布置Fig. 3 Blasting unloading grooves layout

3.4 爆破參數(shù)

3.4.1 炮孔布置及藥量

定向窗和導向窗范圍內布置炮孔進行小藥量試爆。為保護外側的工作平臺，該范圍內的炮孔適當超深，主要炸內側，然后用風鎬進行修整成型。每個定向窗布置6個孔，試驗用單耗為1.5 kg/m3，單孔藥量為30 g。導向窗內共置7排孔，每排5個孔，單耗為1.5 kg/m3，單孔藥量為70 g。鉆爆區(qū)內共布置13排孔，試驗用單耗為1.5 kg/m3，單孔藥量為70 g，試爆后將正式爆破時單耗調整為2.2 kg/m3。炮孔布置參數(shù)如表1所示。炮孔布置、起爆分區(qū)如圖4所示(炮孔布置關于傾倒中心線對稱)。炮孔布置參數(shù)如表1所示。

注：MS3、MS5、MS7、MS9分別對應第1、2、3、4起爆區(qū)。

表1 爆破參數(shù)

3.4.2 爆破器材及起爆網(wǎng)路

采用φ32 mm的乳化炸藥，總藥量為20.81 kg。導爆管雷管共計232發(fā)。采用MS3、MS5、MS7、MS9段非電導爆管雷管孔內延時，孔外每20根導爆管抓成1把，每把采用2發(fā)MS1段非電導爆管雷管過橋，將所有過橋雷管捆扎在一起用2發(fā)雷管分別連接起爆線組成2套網(wǎng)路激發(fā)。

3.5 爆破有害效應校核及控制措施

3.5.1 爆破振動校核

段起爆最大藥量Q=5.40 kg， 根據(jù)式(1)可以計算出3#橋墩，4#橋墩處的質點峰值振速分別為0.35、0.34 cm/s，上部爆破時下部留用砼中峰值振速為15.03 cm/s。均遠小于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)的規(guī)定。

3.5.2 塌落振動校核

根據(jù)切口布置可計算出上部塌落體的質量m=529 t，質心高度h=42.74 m，代入式(2)可計算出距離觸地點不同位置處的質點峰值振動速度(見表2)。

表2 不同位置的塌落振動估算

為確保安全，在3#墩與4#墩方向距4#墩15、20 m處地表設置兩道長10 m、寬2 m、高2 m的沙土坎，沙土用編織袋裝填，以減小橋墩塌落觸地振動速度，起到緩沖作用。

3.5.3 爆破飛石防護

為防止個別飛石飛散過遠，在切口區(qū)域覆蓋麻袋，4個麻袋連成一塊，將2層麻袋懸吊在爆破部位，用鐵絲綁緊，然后再在爆破部位懸掛安全網(wǎng)，用鐵絲固定。觸地飛石利用緩沖土地及靠近保護橋墩附近攔截網(wǎng)進行防護。

4 爆破效果及體會

爆破后，切口以上部分按設計方向倒塌，坍塌體完全傾出下部保留橋墩位置，坍塌體未與下部保留部分接觸。保護層有部分裂紋，保護層的中下部裂紋很少，保護層密集隔離孔以下的留用部分沒有損壞。鋼筋的斷裂面均在卸荷槽位置，斷面較平整(見圖5)。坍塌體倒地后發(fā)生了小距離的翻滾，但未損壞3#橋墩。飛石、觸地振動、空氣沖擊波得到有效控制，未對附近建(構)筑物造成損壞。

圖5 爆破效果Fig. 5 Blasting effect

主要體會如下：

1)在橋墩內外壁開間隔卸荷槽，對鋼筋進行預傷，有效防止了上部倒塌時對下部的撕裂作用；

2)密集鉆孔能有效控制爆破振動及坍塌體倒塌時對留用部分的影響；

3)對于質心高的橋墩，拆除時，必須對坍塌體觸地點進行緩沖防護，并要有防止翻滾的措施。