復雜環(huán)境下小塌落高度雙曲拱橋爆破拆除

黃 雄，田水龍，余興和，朱根華，郝亞飛，周桂松，胡勁松，唐安鵬，肖青松，郭飛高，陳紅剛

(中國葛洲壩集團 易普力股份有限公司，重慶 401121)

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

安寧河1橋位于國道G227線張孟路，橋梁編碼為G227510421L0135，線路名稱為張孟路，橋梁中心樁號為2530.721。該橋跨越安寧河，是一座6跨鋼筋混凝土雙曲拱橋，單孔凈跨30 m，實測橋長207.7 m、橋寬9.5 m，厚0.86 m。由于安寧河1橋主要承重構件主拱圈存在較多結構性病害，主河道中橋墩基礎沖刷嚴重，已嚴重影響橋梁使用，2021年1月該橋被評定為四類危橋，為防止大橋在汛期時垮塌，因此當地政府擬對該橋進行爆破拆除。

安寧河1橋東側橋頭距離尚品國際商業(yè)廣場55 m，距離中醫(yī)館28 m，距離彩虹橋最近為3 m；西側橋頭距離攀枝花市米易市場監(jiān)督管理局20 m，距離攀枝花農商銀行18 m，距離河熙小區(qū)51 m，距離米易一中91 m。橋梁爆破周邊環(huán)境極其復雜。橋梁周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 待拆除橋梁周邊環(huán)境示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the surrounding environment of the bridge to be demolished

1.2 橋梁結構

橋梁上部為組合拼接結構，采用6跨30 m混凝土雙曲拱，上部結構由主拱圈(即拱肋、橫系梁、拱波和懸臂板)和拱上結構組合拼接而成。全橋拱肋共計36片，寬20 cm，高30 cm；橫系梁共計270道，拱波共計4200片(包括懸臂板)，腹拱共計36個(以水流方向從左至右，將每跨腹拱依次編號為1#～6#腹拱)如圖2、圖3所示。

圖2 待拆除橋梁示意圖(單位：cm)Fig. 2 Schematic diagram of the bridge to be demolished(unit：cm)

圖3 待拆除橋梁實景圖Fig. 3 Picture of the bridge to be demolished

橋梁下部結構兩側橋臺支撐，橋臺基礎為明挖擴大基礎；3#橋墩采用片石混凝土重力式結構，基礎為明挖擴大基礎，橫橋向寬12.16 m；1#、2#、4#、5#橋墩基礎采用鉆孔灌注樁基礎，由兩根直徑為1.5 m橋墩支撐，橋墩為鋼筋混凝土結構。后期對1#、4#橋墩進行加固，在橋墩外圍包括0.15 m厚的混凝土層。各橋墩上部腹拱圈由拱上橫墻、墩上橫墻組成，其中拱上橫墻厚0.5 m，1#、2#、4#、5#橋墩墩上橫墻厚0.8 m，3#橋墩墩上橫墻厚2.3 m。

2 爆破方案

2.1 工程要求及技術難點

(1)工程要求將大橋自兩端橋臺以內的橋體全部炸塌，使其具備后期機械清運條件。

(2)爆破不得損壞臨近建(構)筑物，尤其是確保彩虹橋的安全，嚴格控制爆破振動、沖擊波在國家標準范圍內。

(3)橋梁結構在未破壞時整體安全性較好，但結構的某點受到破壞后，可能會出現連鎖坍塌的反應，預拆除施工不能破壞結構的整體性。

(4)1#、2#、4#、5#橋墩河床以上部分僅1.7～1.8 m，3#橋墩河床以上部分為3 m，塌落高度低，大橋破碎解體難度高。

(5)東側(左岸)橋頭與彩虹橋最近距離3 m，必須控制爆破產生的沖擊波、振動、爆破飛石等有害效應對彩虹橋橋墩基礎的影響，技術要求高。

(6)大橋距周邊居民樓、商業(yè)中心、學校較近，安全防護、警戒壓力大。

(7)該工程屬于應急搶險工程，須在雨季來臨前完成爆破拆除及清渣，施工任務重，工期緊。

2.2 爆破總體方案

根據橋梁的結構特點，環(huán)境情況及工程要求，確定采用微差控制爆破原地坍塌方案[1,2]。先采用機械與爆破相結合的方式進行拆除，即采用機械對大橋兩端橋臺與橋體進行切割分離，然后采取原地坍塌爆破方案一次性將整個大橋爆落垮塌。對橋梁的關鍵支撐部位即：拱肋、橋墩、蓋梁、墩上橫墻、拱上橫墻、橋面實施鉆孔爆破[3]，解除橋體支撐，使橋梁結構失穩(wěn)塌落至地面，在自重作用下解體破壞[4]。采用孔內外微差控制爆破技術以及特種防護技術，實現低振動、無飛石、弱噪音、少粉塵、小沖擊的爆破目標。具體思路如下：

(1)選取距兩岸鬧市區(qū)較遠的3#橋墩先行充分爆破解體，以形成橋梁整體垮塌失穩(wěn)的先決條件。

(2)對其他橋跨的拱脅和橋面聯系梁等影響橋梁整體垮塌的受力構件進行局部破壞，形成從中間向兩邊的連鎖垮塌效應[5]。

(3)對其它不影響整體垮塌的大體積的蓋梁和橋墩等進行弱松動爆破，以便于后序機械施工。

(4)采用電子雷管精確長延時分段方式使橋體在不均衡落體中[6]，實現低落差條件下的充分錯位解體，同時最大限度減少爆破振動效應。

(5)采取內外剛柔并濟的多重防護方式，減少飛石等爆破危害。

2.3 爆破參數

待拆大橋屬于組合拼接結構，拆除時主要采用爆破方法破壞橋梁的關鍵支撐部位，使其整體垮落解體。因此本次爆破對象主要為河床以上一定范圍的橋墩、蓋梁、拱上橫墻、墩上橫墻、拱肋等如圖4所示，大橋整體爆破部位示意圖如圖5所示。

圖4 大橋關鍵支撐部位爆破示意圖Fig. 4 Schematic diagram of blasting of key supporting parts of the bridge

圖5 大橋整體爆破部位示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the overall blasting part of the bridge

(1)3#橋墩爆破參數

3#橋墩爆破參數包括橋墩、蓋梁、墩上橫墻爆破參數[7]，其中在橋墩兩側面底部(方便鉆孔位置)至蓋梁處布置7排水平孔，孔距a為0.6 m，排距b為0.5 m，平均孔深L為1.65 m，炸藥單耗為2.13 kg/m3，單孔平均裝藥量為1.15 kg，雙面鉆孔，由于3#橋墩為上小下大的變截面橋墩結構，因此橋墩底部炮孔深度根據實際情況可適當增加。在墩上橫墻兩側分別對蓋梁布置1排下向炮孔，孔距a為0.3 m，孔深L為0.7 m，炸藥單耗為1.93 kg/m3，單孔裝藥量0.4 kg。在墩上橫墻底部(方便鉆孔位置)布置7排水平孔，孔距a為0.75 m，排距b為0.5 m，孔深1.85 m。3#橋墩布孔如圖6所示，裝藥結構如圖7所示。

圖6 3#橋墩布孔示意圖(單位：cm)Fig. 6 3# Schematic diagram of pier blast hole layout(unit：cm)

圖7 3#橋墩裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 7 3# Schematic diagram of bridge pier charge structure(unit：cm)

(2)1#、4#橋墩爆破參數

1#、4#橋墩由2個直徑1.5 m的圓柱體組成，橋墩與蓋梁下部1.1 m處，橋墩外部有0.15 m厚混凝土包裹。

布孔：沿橋墩交錯布置炮孔，一個水平圓柱面布置1個孔，排距b為0.3 m；上部直徑1.5 m的橋墩孔深L為1.15 m，炸藥單耗為1.51 kg/m3，單孔裝藥量為0.8 kg，堵塞長度為0.4 m；下部直徑1.8 m的橋墩孔深L為1.4 m，炸藥單耗為1.44 kg/m3，單孔裝藥量為1.1 kg，堵塞長度為0.4 m。見圖8、9。

圖8 1#、4#橋墩布孔示意圖(單位：cm)Fig. 8 Schematic diagram of 1#,4# bridge pier hole layout(unit：cm)

(3)2#、5#橋墩爆破參數

2#、5#橋墩由2個直徑1.5 m的圓柱體組成。

布孔：沿橋墩交錯布置炮孔，一個水平圓柱面布置1個孔，排距b為0.3 m；孔深L為1.15 m，炸藥單耗為1.51 kg/m3，單孔裝藥量為0.8 kg，堵塞長度為0.4 m。見圖10、11。

圖9 1#、4#橋墩裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 9 Schematic diagram of 1#,4# bridge pier charge structurepier hole layout(unit：cm)

圖10 2#、5#橋墩布孔示意圖(單位：cm)Fig. 10 Schematic diagram of 2#,5# bridge pier hole layout(unit：cm)

圖11 2#、5#橋墩裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 11 Schematic diagram of 2#,5# bridge pier charge structure(unit：cm)

(4)蓋梁爆破參數

1#、2#、4#、5#橋墩處蓋梁分為三個部分，上部分為梯形結構，下部分為長方形結構，蓋梁下部有中間連接梁；上部分梯形結構沿墩上橫墻兩側分別布置1排下向炮孔，沿橫墻方便鉆孔角度盡量鉆垂直炮孔，孔距a為0.3 m，孔深L為0.7 m，炸藥單耗為1.49 kg/m3，單孔裝藥量為0.5 kg，堵塞長度為0.2 m；下部分為長方形結構沿側面布置2排炮孔，孔距a為0.7 m，排距b為0.4 m，孔深L為1.6 m，炸藥單耗為1.96 kg/m3，單孔裝藥量為1.1 kg，堵塞長度為0.5 m；中間連接梁部分布置2排炮孔，孔距a為0.5 m，排距b為0.25 m，孔深L為0.7 m，炸藥單耗為2 kg/m3，單孔裝藥量為0.4 kg，堵塞長度為0.3 m。蓋梁布孔圖、裝藥結構見圖12、圖13。

圖12 蓋梁布孔示意圖(單位：cm)Fig. 12 Schematic diagram of cover beam charge structure(unit：cm)

圖13 蓋梁裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 13 Schematic diagram of cover beam hole(unit：cm)

(5)墩上橫墻爆破參數

1#、2#、4#、5#橋墩墩上橫墻厚0.8 m，在墩上橫墻底部(方便鉆孔位置)布置7排水平炮孔；孔距a為0.5 m，排距b為0.4 m，方形布孔，孔深L為0.55 m；炸藥單耗為1.56 kg/m3，單孔裝藥量為0.25 kg；堵塞長度為0.3 m。布孔圖、裝藥結構見圖14、圖15。

圖14 1#、2#、4#、5#橋墩墩上橫墻布孔示意圖(單位：cm)Fig. 14 1#,2#,4#,5# pier piers on the horizontal wall of the hole layout diagram(unit：cm)

圖15 1#、2#、4#、5#橋墩墩上橫墻裝藥結構示意圖(單位：cm) Fig. 15 Schematic diagram of the charge structure of the transverse wall on the 1#,2#,4#,5# bridge piers(unit：cm)

(6)拱上橫墻爆破參數

拱上橫墻作為橋面的一個輔助支撐，拱上橫墻厚0.5 m，其中在3#橋墩拱上橫墻底部(方便鉆孔位置)布置4排水平孔，2#、4#橋墩拱上橫墻底部(方便鉆孔位置)布置2排水平孔；孔距a為0.4 m；排距b為0.4 m；方形布孔，孔深L為0.32 m；炸藥單耗為1.5 kg/m3，單孔裝藥量為0.12 kg；堵塞長度為0.2 m。見圖16、17。

圖16 拱上橫墻布孔示意圖(單位：cm)Fig. 16 Schematic diagram of hole layout on horizontal wall of arch(unit：cm)

圖17 拱上橫墻裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 17 Schematic diagram of the charge structure of the transverse wall on the arch(unit：cm)

(7)拱肋爆破參數

沿各橋墩拱肋側面上方交錯布置9個炮孔，孔距a為0.2 m，孔深L為0.13 m，單孔裝藥量為0.1 kg；堵塞長度為0.03 m。見圖18、19。

圖18 拱肋布孔示意圖(單位：cm)Fig. 18 Arch rib hole diagram(unit：cm)

(8)橋面爆破參數

沿3#橋墩左右兩側拱頂橋面兩端交錯布置5個炮孔，孔距a為0.3 m，排距b為0.3，孔深L為0.5 m，炸藥單耗為1.29 kg/m3，單孔裝藥量為0.1 kg；堵塞長度為0.4 m。見圖20、21。

圖19 拱肋裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 19 Arch rib charging structure diagram(unit：cm)

圖20 橋面布孔示意圖Fig. 20 Schematic diagram of bridge deck hole layout

圖21 橋面裝藥結構示意圖(單位：cm)Fig. 21 Schematic diagram of bridge deck charge structure(unit：cm)

2.4 起爆網路

爆破網路采用導爆管雷管與工業(yè)電子雷管混合起爆網路。為確保安全準爆，所有炮孔孔內均采用同段的高段位導爆管毫秒雷管，孔外采用工業(yè)電子雷管精確延時。

大橋所有炮孔內均裝880 ms(MS15段)導爆管雷管，各孔引出的導爆管不超過20根捆為1扎，每扎綁2發(fā)1段導爆管雷管引至橋面，再使用2發(fā)工業(yè)電子雷管連接傳爆。3#橋墩先起爆，再向兩側逐跨延時；各橋墩處拱肋先起爆，然后由上至下依次起爆，3#橋墩內部延時分為21個段別，每段延時間隔14 ms，延期時間控制在280 ms內；2#、4#橋墩內部延時分為9個段別，每段延時間隔25 ms，延期時間控制在200 ms內；1#、5#橋墩內部延時分為7個段別，每段延時間隔33 ms，延期時間控制在200 ms內；起爆網路如圖22所示。

圖22 起爆網路示意圖Fig. 22 Schematic diagram of detonation network

3 爆破安全校核與防護

3.1 爆破振動速度計算

爆破后產生的振動是通過橋墩傳到基礎后再傳至地面至既有橋及建(構)筑物上，爆破振動發(fā)生衰減。爆破振動速度按下式估算[6]

(1)

式中:V為爆破振動速度，cm/s；Q為最大單響起爆藥量，kg；R為保護目標至爆區(qū)距離，m；k為與地質條件有關的系數；k′為衰減系數；α為地震波衰減系數。根據我公司在米易縣類似地區(qū)實測振動監(jiān)測數據回歸結果，本工程取k=32.1，k′=1，α=1.54。

選取爆區(qū)周邊彩虹橋、商業(yè)廣場、中醫(yī)館、市場監(jiān)督管理局、小區(qū)、學校、銀行進行安全校核，其中單段最大藥量處為3#橋墩處，因此根據其距3#橋墩的距離計算爆破振動速度。為確保周邊橋梁及建筑物的安全，對離周邊建筑物較近的1#、5#橋墩處爆破產生的爆破振動也進行安全校核，爆破振動速度預測值及安全評價如表1所示。

表1 爆破振動速度估值表Table 1 Blasting vibration velocity estimation table

對于拆除爆破而言，爆破振動波經被爆體爆破后傳入地面?zhèn)鞑ィ俳浀孛鎮(zhèn)鞑ブ帘槐Ｗo建(構)筑物，會有較大的衰減，因此爆破引起的實際振動速度會比上表計算數值小，爆破產生的振動是在安全允許范圍內的。

3.2 塌落振動速度計算

橋體在塌落過程中因沖擊地面而產生振動，一般而言，塌落振動的強度較爆破振動大、持續(xù)時間長、頻率低，保護對象的安全允許質點振動速度越小，對保護目標的危害更大，必須引起足夠重視。為降低塌落振動效應的危害，應盡量防止橋體橋面同時觸地。

通常，塌落振動由下式估算

V=Kt×[(mgH/σ)1/3/R]β

(2)

式中：V為構件塌落引起的地表振動速度，cm/s；m為下落構件質量，t；g為重力加速度，m/s2；H為構件中心的高度，m；σ為地面介質的破壞參數，土質地面一般取10 MPa；R為觀測點至沖擊地面中心的距離，m；Kt、β為衰減參數。

根據我公司在米易地區(qū)類似工程實測振動監(jiān)測數據回歸分析，計算確定Kt=3.37，β=1.66。

安寧河1橋距河床最大高度為8.5 m，橋面厚度為0.86 m，本工程考慮一單跨拱m=160 t，3#橋墩起爆，向兩端逐跨倒塌觸地，故可按160 t估算塌落振動，重心落差約9 m，其塌落振動估算值見表2。

表2 塌落振動估算值Table 2 Estimated value of collapes vibration

通過計算，受待爆橋梁爆破、塌落所產生的振動影響，周邊所有被保護對象質點振動速度低于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[8]和相關行業(yè)標準所規(guī)定的安全允許值。

3.3 爆破飛石距離驗算

個別飛散物的產生與炮孔參數和炸藥單耗等因素密切相關。無覆蓋條件下個別飛散物的飛散距離與炸藥單耗之間的關系近似為

Lf=70K0.58

(3)

式中:Lf為飛散距離，m；K為炸藥單耗，kg/m3。

本次爆破設計K取最大值2.13 kg/m3，計算得無覆蓋條件下Lf=70×2.130.58=108.5 m，該值大于周邊部分保護對象距爆體的最小距離，因此，需采取有效的防護措施。

3.4 安全防護措施

優(yōu)化設計：嚴格控制藥量，提高炸藥能量利用率，使其主要用于破碎介質，最大程度減少個別飛散物。

覆蓋防護：待爆橋墩先捆綁兩層草墊，再使用兩層土工格柵塑料網進行包裹，外圍再使用竹跳板進行防護，防護如圖23所示[9,10]；在橋體裝有炸藥爆破處兩側懸掛膠皮進行圍擋，橋面開窗處覆蓋膠皮及沙袋進行防護，并在橋體兩側懸掛兩層密目安全網，防護圖如圖23～26所示。

圖23 橋墩防護示意圖Fig. 23 Schematic diagram of bridge pier protection

圖24 腹拱圈膠皮防護示意圖Fig. 24 Schematic diagram of rubber protection for abdominal arch ring

圖25 防護俯視圖Fig. 25 Protection top view

圖26 蓋梁防護示意圖Fig. 26 Schematic diagram of cover beam protection

近體防護：在大橋兩端0#橋墩與6#橋墩處搭設竹排架，竹排架沿橋墩底部搭設至略高于橋面，并將橋墩附近所有腹拱覆蓋，預計搭設竹排架長5 m，高10 m，竹排架上鋪設兩層竹笆或竹跳板，并在彩虹橋靠近安寧河1橋一側鋪設兩層密目安全網進行防護，可有效防止飛石對周圍被保護建筑物的破壞，防護圖如圖23～26所示。

4 爆破效果

起爆后，大橋由中間向兩側依次倒塌，相應的橋面依次失穩(wěn)塌落，大橋嚴格按設計倒塌，觸地解體，破碎效果良好，達到預期爆破效果。大橋沒有向附近彩虹橋傾斜，保證了彩虹橋橋墩及基礎的安全，周邊被保護建(構)筑物均未受到爆破有害效應的影響，爆后效果如圖27所示。爆破過程采用爆破測振儀與空氣沖擊波測試儀對彩虹橋橋墩及周邊建(構)筑物進行振動與空氣沖擊波監(jiān)測，爆破時最大實測振動值為1.4928 cm/s，如圖28所示，大橋爆破與塌落振動控制均在允許振動范圍之內，符合設計要求[5]，本次爆破拆除安全可靠。

圖27 爆后效果圖Fig. 27 Effect picture after explosion

圖28 爆破振動圖Fig. 28 Blasting vibration diagram

5 結語

(1)為解決橋梁塌落高度不足，橋梁無法垮塌的難題，通過對橋墩、蓋梁、連系梁、拱上橫墻及墩上橫墻實施鉆孔爆破來增加橋梁塌落高度，同時對雙曲拱橋拱肋及橋面爆破來解除橋體觸地支撐，實現了橋梁垮塌的目的。

(2)為減少后續(xù)二次破碎工程量，在汛期來臨前完成橋梁拆除及清渣工作，雙曲拱橋爆破拆除中充分利用電子雷管靈活設置延期時間與橋梁各部位塌落高度不同的優(yōu)勢，對橋梁各爆破部位進行分區(qū)，各區(qū)間內按高程、上下游進行等間隔短延時分段方式，使橋梁各部位起爆時間不一致，實現低落差條件下的橋梁各部位的不均勻沉降與錯位解體，保證了橋梁的充分解體，減少了后續(xù)二次破碎工作量。

(3)采用高強度柔軟性覆蓋物膠皮、中強度覆蓋物土工格塑料網、硬性覆蓋物竹排、柔軟性覆蓋物草墊和密目安全網進行內外剛柔并濟的多重防護方式，有效的防止了飛石，保護了周邊建(構)筑物的安全。