爆破拆除鋼筋混凝土雙曲拱橋綜合技術(shù)應(yīng)用探討

王升,易理輝,李猛

(1.湖南長工工程建設(shè)有限公司, 湖南 長沙 410003;2.衡陽市永合盛爆破服務(wù)有限公司, 湖南 衡陽市 421000)

二十世紀(jì)六七十年代,受限于建設(shè)資金的缺乏及技術(shù)力量的落后,鋼筋混凝土雙曲拱橋作為我國獨(dú)創(chuàng)的橋型,共計(jì)建造了約4000余座[1],成為我國的主力橋型,為國家交通運(yùn)輸事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及國力的增強(qiáng),鋼筋混凝土雙曲拱橋由于承載力低、通行能力差,已不能適應(yīng)現(xiàn)代交通的要求,逐步被結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固、通行能力大、承載力高的新型橋梁所取代。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),自1990年以來,全國各地采用爆破法成功拆除了多座鋼筋混凝土雙曲拱橋,積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。通過一座鋼筋混凝土雙拱橋的爆破拆除,可探討、總結(jié)鋼筋混凝土雙曲拱橋的爆破拆除技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程概況

長沙市洪山廟大橋于1970年修建,為4 m×42.5 m跨徑的等截面懸鏈線鋼筋混凝土雙曲拱橋,全橋長225.38 m,主橋長193.08 m,跨線橋長32.30 m,橋?qū)?2.6 m,矢跨比為1/8,沿橋橫向布置7片變截面拱肋。拱上建筑采用半空腹拱式結(jié)構(gòu)。該橋第二跨部分主拱圈受船舶撞擊后斷裂,加之存在其他病害,需爆破拆除。

1.2 周邊環(huán)境

洪山廟大橋呈南北向布置,東側(cè)為新建東二環(huán)瀏陽河大橋,其為單塔斜拉索鋼結(jié)構(gòu)大橋。東北側(cè)距離新橋僅13 m,東南側(cè)距離38 m,東北側(cè)距洪山商貿(mào)城建筑133 m。大橋北側(cè)為東二環(huán)上下立交匝道,交通繁忙,車流量大;大橋南側(cè)為棲鳳路,距南側(cè)世方水岸居民區(qū)住宅165 m;西北側(cè)距雙鳳路67 m。大橋附屬各種電力、通信等管線已拆除遷移。

1.3 工程要求

除保留北橋臺(tái)及跨線橋外,將洪山廟大橋全部炸塌,充分解體破碎,橋墩從河床表面以上破碎。爆破后應(yīng)進(jìn)行水下破碎打撈,廢渣運(yùn)出現(xiàn)場,滿足河道通航要求,不得影響汛期行洪。確保瀏陽河大堤安全,不得損壞鄰近新橋和周邊建筑物,確保人員車輛安全。

2 爆破方案的確定

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、周邊環(huán)境及安全技術(shù)要求、確定采用爆破法與機(jī)械法相結(jié)合的方法拆除。

主橋采用控制爆破技術(shù),自南向北逐跨、逐墩一次性倒塌并解體破碎。嚴(yán)格控制爆破有害效應(yīng),確保周邊環(huán)境安全。采用深孔爆破拆除技術(shù)一次性爆破拆除橋墩和基礎(chǔ),爆破至河床。采用全節(jié)點(diǎn)淺孔爆破技術(shù)對拱肋、拱上立柱、立柱底梁、蓋梁實(shí)施爆破。采用長延時(shí)分區(qū)孔外延時(shí)起爆技術(shù),實(shí)現(xiàn)逐墩、逐跨坍塌。

3 深孔爆破拆除技術(shù)

橋梁下部結(jié)構(gòu)為3個(gè)漿砌片石重力式橋墩,橋墩基礎(chǔ)為200#細(xì)石混凝土,墩帽為200#鋼筋混凝土。橋墩結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 橋墩結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1 河床標(biāo)高及鉆孔深度

根據(jù)橋梁施工竣工圖,經(jīng)復(fù)測行車道標(biāo)高40.198 m,墩頂標(biāo)高34.238 m,施工期水位為29.60 m。經(jīng)測量1#墩處河床標(biāo)高22.10 m,水深7.50 m。2#墩處河床標(biāo)高24.10 m,水深6.10 m。

3#墩處河床標(biāo)高22.60 m,水深4.90 m。1#墩鉆孔深度13.25 m,2#墩鉆孔深度11.25 m,3#墩鉆孔深度12.75 m。相關(guān)爆破參數(shù)見表2。

表2 爆破參數(shù)

3.2 裝藥結(jié)構(gòu)

1#橋墩布置2排深孔,孔數(shù)14個(gè)。北側(cè)1-7號為Ⅱ型裝藥,南側(cè)為Ⅰ型裝藥。Ⅰ型裝藥33.2 kg為正常裝藥,Ⅱ型裝藥32.2 kg為減弱裝藥,墩帽集中裝藥減少1 kg,為減弱裝藥?；A(chǔ)部分裝藥直徑為90 mm,墩身部分裝藥直徑為70 mm,裝藥間隔為卷筒狀塑料編織袋,間隔裝藥用2根導(dǎo)爆索串聯(lián)起爆。墩帽部分為集中裝藥,所有裝藥均為不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。每孔內(nèi)放置2個(gè)起爆體,上下各1個(gè)。1#橋墩裝藥法見圖1。

圖1 1#橋墩裝藥結(jié)構(gòu)(單位:mm)

2#橋墩布置4排深孔,孔數(shù)26個(gè)。中間8號～12號、15號～19號為Ⅰ型裝藥,其余周邊深孔為Ⅱ型裝藥。Ⅰ型裝藥42 kg為正常裝藥,Ⅱ型裝藥40 kg,基礎(chǔ)部分裝藥直徑90 mm,裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥,基礎(chǔ)炸藥單耗為1.2 kg/m3。墩身部分裝藥直徑為70 mm,裝藥間隔為卷筒狀塑料編織袋,間隔裝藥用2根導(dǎo)爆索串聯(lián)起爆,墩身炸藥單耗為1.0 kg/m3。墩帽部分為集中裝藥。每孔內(nèi)放置2個(gè)起爆體,上下各1個(gè)。2#橋墩裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 2#橋墩裝藥結(jié)構(gòu)(單位:mm)

3#橋墩炮孔布置于裝藥結(jié)構(gòu)與1#橋墩基本相同,只是橋墩南側(cè)改為Ⅱ型減弱裝藥,橋墩北側(cè)為Ⅰ型正常裝藥。3#橋墩炮孔深度為12.75 m。Ⅰ型裝藥35.2 kg,Ⅱ型裝藥34.2 kg?？讖綖?10 mm,裝藥直徑選擇Φ90 mm,Φ70 mm。3#橋墩裝藥結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 3#橋墩裝藥結(jié)構(gòu)(單位:mm)

考慮基礎(chǔ)及部分墩身材質(zhì)不同,水深大于8 m以及對周邊環(huán)境的影響,基礎(chǔ)采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),墩身采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)。1#墩北側(cè)、3#墩南側(cè)及2#墩周邊孔均采用減弱裝藥,控制橋墩綜合單耗。選擇不同直徑裝藥,既要保證裝藥量,又要控制裝藥量,正常裝藥與減弱裝藥相結(jié)合。由于基礎(chǔ)埋深較大且位于水下,機(jī)械破碎困難,爆破時(shí)要加大炸藥單耗。墩身采用低單耗、高單耗與低單耗相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)同一結(jié)構(gòu),以達(dá)到最優(yōu)的破碎效果,有效控制爆破有害效應(yīng)。

3.3 施工技術(shù)

3.3.1 炮孔位置精確放線

由于橋墩位于水中,橋墩墩帽面積有限,受腹拱結(jié)構(gòu)的影響,大型鉆機(jī)無法直接在墩帽頂部的有限空間內(nèi)進(jìn)行鉆孔,小型鉆機(jī)無法完成大孔深炮孔鉆進(jìn)。為保證鉆孔效果,提高鉆孔效率,采用鉆機(jī)穿過橋面向下鉆孔的成孔方法。鉆孔前根據(jù)炮孔布置設(shè)計(jì)圖自建坐標(biāo)系,確定各橋墩炮孔位置坐標(biāo),用GPSRTK定位測量技術(shù)分別確定并標(biāo)記在橋面上相應(yīng)位置。炮孔位置確定后,用鉆機(jī)鉆穿橋面,鉆孔至設(shè)計(jì)深度。

3.3.2 鉆孔

橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-18級,拖-80。雖然使用時(shí)間較長,局部結(jié)構(gòu)受損,經(jīng)計(jì)算校核仍具有一定的承載能力。施工鉆機(jī)為阿特拉斯D45 SH液壓履帶式鉆機(jī),自重7.6 t?？摄@鑿92～40 mm口徑炮孔。自帶發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)提供回轉(zhuǎn)、除塵動(dòng)力,配套空壓機(jī)(XAXS600,17 bar/16.6 m3)。鉆機(jī)鉆孔精度高,可以較好地控制高處鉆孔時(shí)鉆桿擺動(dòng)幅度過大問題,保證鉆孔垂直度。鉆機(jī)動(dòng)力強(qiáng)勁,可以直接打穿過墩帽鋼筋層,不需要專門處理,可大幅提提高鉆孔效率。鉆鑿漿砌片石墩身時(shí)不易發(fā)生卡鉆現(xiàn)象。

3.3.3 裝藥技術(shù)

基礎(chǔ)裝藥采用Φ90 mm藥卷連續(xù)裝藥,采用牽引繩逐個(gè)裝填。牽引繩頭部綁扎木質(zhì)彎鉤,將彎鉤鉤入藥卷包裝塑料皮內(nèi),藥卷下放到位后,拉動(dòng)牽引繩鉤破外皮,拉出牽引繩,循環(huán)裝填至設(shè)計(jì)位置。

墩身采用間隔裝藥?；A(chǔ)連續(xù)裝藥裝填完成后,按設(shè)計(jì)填入塑料間隔體。墩身間隔裝藥綁扎在Φ12 mm螺紋鋼上,從橋面炮孔孔口向下放至橋墩炮孔孔口,橋面孔口安排專人用繩索將鋼筋吊穩(wěn)。橋墩上的作業(yè)人員按設(shè)計(jì)現(xiàn)場綁扎裝藥、導(dǎo)爆索、塑料間隔,邊綁扎邊下放,直至完成墩身裝藥。

墩帽采用集中裝藥。墩身裝藥完成后,按設(shè)計(jì)填入塑料間隔,裝填墩帽集中裝藥,設(shè)置起爆體后用鉆渣或砂對炮孔進(jìn)行回填。

拱頂裝藥爆破。大橋拱肋為三段預(yù)制鋼筋混凝土裝配式拱肋,中段長14.6 m,如果不進(jìn)行處理,落水后不便于破碎打撈,為此進(jìn)行爆破。施工前用混凝土切割機(jī)沿橋?qū)挿较蚯虚_1.0 m寬度,用風(fēng)鎬破碎瀝青路面后,開挖填料,露出拱頂凹槽,開挖后沿凹槽布孔、鉆孔。

4 全節(jié)點(diǎn)淺孔爆破拆除技術(shù)

拱橋?yàn)槭芩酵屏Y(jié)構(gòu),一般僅需爆破拱腳或橋墩,切斷橋梁推力傳遞路徑即可實(shí)現(xiàn)垮塌。但鋼筋混凝土雙曲拱橋上部有腹拱和路面結(jié)構(gòu),大多是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度較好,如果不妥善處理,一但橋梁垮塌落入水中,二次破碎難度大。除個(gè)別特殊情況外,絕大多數(shù)橋梁爆破拆除后必須進(jìn)行二次破碎和清渣打撈。為此,按照應(yīng)炸盡炸、由大變小的原則進(jìn)行全節(jié)點(diǎn)布孔爆破。

表3 淺孔爆破參數(shù)

5 長延時(shí)分區(qū)延期起爆技術(shù)

本次爆破藥量大,且距離新大橋較近,為降低爆破振動(dòng)危害,實(shí)現(xiàn)南向北逐跨逐段坍塌,確定采用導(dǎo)爆管孔外延期起爆網(wǎng)路。上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)大區(qū)。上部結(jié)構(gòu)分8段起爆,下部結(jié)構(gòu)分21段起爆,共29段。為避免孔內(nèi)雷管段別過多易造成混亂,出現(xiàn)裝錯(cuò)情況,選擇孔內(nèi)1個(gè)段別,孔外延期并串聯(lián)復(fù)式網(wǎng)路。主起爆線路設(shè)置在橋面上,上、下部結(jié)構(gòu)起爆網(wǎng)路組網(wǎng)后并入主起爆線路。

孔內(nèi)雷管選擇HS-6,上部結(jié)構(gòu)孔外延期MS-5(110 ms),根據(jù)自有落體下落高度公式計(jì)算,拱肋爆破時(shí)前后段橋體下落高差0.06 m能較好地避免前段橋體下落過大對后段橋體的不利影響。下部結(jié)構(gòu)孔外延期選擇MS-3(50 ms),防止由于延期時(shí)間過長形成新的自由面產(chǎn)生飛石。上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)各自分區(qū),各橋墩內(nèi)再進(jìn)行孔外延期,與單一孔外延期相比,減少延期段數(shù),增加起爆網(wǎng)路可靠度。起爆網(wǎng)路分區(qū)可以保證不論上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)哪部分起爆,均可保證橋梁垮塌。起爆網(wǎng)路分區(qū)及起爆順序如圖4所示。

圖4 起爆網(wǎng)路分區(qū)及起爆順序

6 爆破效果及結(jié)論

2021年1月10 日晚11時(shí)起爆后,橋梁按設(shè)計(jì)逐跨逐墩垮塌,東側(cè)新大橋及周邊建構(gòu)筑物安全。經(jīng)監(jiān)測,大堤振動(dòng)速度小于安全允許振動(dòng)速度,河堤安全。北側(cè)橋臺(tái)沿橋面切割縫整齊斷開,保留部分無任何損壞。爆破后僅一周時(shí)間完成水下破碎打撈清渣,符合航道通行和河道行洪要求。

(1)根據(jù)橋梁拆除安全技術(shù)要求,根據(jù)是否打撈清渣,通航、行洪要求等選擇確定局部節(jié)點(diǎn)爆破方案或全節(jié)點(diǎn)爆破方案。

(2)與傳統(tǒng)淺孔爆破相比,大直徑深孔爆破可大幅減少鉆孔數(shù)量,加大最小抵抗線、孔排距,提高鉆孔效率?？商岣卟获詈涎b藥系數(shù),改善爆破破碎效果。大直徑深孔不需要在水上施工,本次爆破橋墩鉆孔44個(gè)孔,僅用時(shí)5 d就完成鉆孔。

(3)采用長延時(shí)導(dǎo)爆管雷管,孔內(nèi)雷管僅為1個(gè)段別,操作簡單、不易出錯(cuò)。采用分區(qū)孔外延期,上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)各自形成獨(dú)立的起爆線路。并聯(lián)接入主起爆線路的各橋墩起爆網(wǎng)路,在橋墩分區(qū)內(nèi)再次分段起爆,進(jìn)一步減少單段起爆藥量,顯著降低爆破有害效應(yīng),必要時(shí)可在孔內(nèi)進(jìn)行分段起爆。