公路跨線高架橋拆除爆破方案優(yōu)化研究

葉 武，樓曉江，劉雷洋，魏曉彥

(1.浙江海川勘察有限公司,杭州 310015;2.浙江省隧道工程公司,杭州 310015)

公路高架橋在一定時期內(nèi)發(fā)揮了交通通行能力，但由于經(jīng)濟社會發(fā)展，可能因運輸能力不足等原因需進行拆除，方法包括人工拆除、機械拆除和爆破拆除等[1]，相比較人工拆除、機械拆除，爆破拆除有著工期短、效率高等優(yōu)點[2]，成為橋梁拆除的首選方法。實施爆破拆除，需對周圍環(huán)境進行充分調(diào)查后，如何選擇合適的爆破方案，確定合理的爆破參數(shù)，并采取針對性的防護措施[3]，以降低爆破的有害效應[4]，是爆破成功的技術關鍵。針對橋梁的拆除爆破，徐鵬飛[5]、周雯等學者在城市橋梁拆除爆破的關鍵控制技術取得了許多成果[6]，劉翼[7]、王璞[8]、鐘明壽等在橋梁拆除爆破塌落振動的監(jiān)測和振動影響范圍等方面做了大量研究[9]，有限元數(shù)值模擬分析橋梁拆除爆破坍塌全過程，為爆破方案、爆破參數(shù)優(yōu)化提供參考，已經(jīng)在工程中獲得了大量的應用[10-14]。臺州市路澤太一級公路跨機場迎賓大道高架橋，為上下行雙線高架橋，在調(diào)查分析周邊復雜條件的基礎上，經(jīng)有限元數(shù)值模擬，設計最優(yōu)的爆破方案、優(yōu)化后的爆破參數(shù)，采取針對性的爆破危害防護措施，從而取得了預期的爆破效果，可為復雜環(huán)境下類似橋梁拆除爆破工作提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

臺州市路澤太一級公路跨機場迎賓大道高架橋，2002年4月開始建設，2003年12月竣工，橋梁起點樁號K3+816.29，終點樁號K4+263.71，全長447.42 m，高架橋為雙線分離各二車道公路橋，引橋部分北段9跨、南段8跨，跨徑20 m，中間主橋單跨60 m。引橋墩身采用雙柱式直徑1.0 m圓柱，下部樁基為直徑1.2 m鉆孔灌注樁，上部結(jié)構為后張法預應力空心板梁，柱高(爆破柱)3.5～5.9 m，上有承臺寬1.2 m、高1.3 m、長14 m，鋼筋混凝土的配筋密匝。全橋立面如圖1所示。主橋上部結(jié)構為下承式預應力混凝土桿拱，二次拋物線拱軸線，雙墩式方柱(1.4 m×1.4 m)墩身，樁基采用1.2 m的鉆孔灌注樁，樁基接承臺結(jié)構，長寬均為1.4m，鋼筋混凝土的配筋密匝。引橋北段6跨(墩臺號4-9)、南段5跨(墩臺號12-16)及主橋(墩臺號10、11)進行爆破拆除，上覆梁板與承臺在爆破后采用機械破除回收利用。

圖 1 主橋跨徑布置Fig. 1 The main bridge

1.2 周邊環(huán)境

迎賓大道高架橋周邊環(huán)境復雜，主橋橋墩之間地下有天然氣、自來水、通訊光纖、軍用光纖等諸多保護線路通過；周邊民房最近距離35 m、高壓線鐵塔距離50 m、在建施工項目距離80 m等；距離路橋機場1.6 km，該線路為交通主干道，車流量較大，見圖2所示。

圖 2 橋梁周圍環(huán)境示意圖Fig. 2 Environment around the bridge

1.3 工程難點

(1)拆除工程量大、工期緊，任務重。

(2)施工條件差，處于城市主干道，要求爆破施工盡量減輕對交通大流量的影響。

(3)爆破拆除難度大。橋梁墩柱均為鋼筋砼結(jié)構，整體堅固性好，且為上下行分離式橋梁，墩柱裝藥點較多，爆區(qū)及周邊分布著較多需重點保護的線路、建筑物，環(huán)境復雜，需采取有效措施嚴格控制爆破振動、爆破飛石和爆破沖擊波，爆破技術要求、安全要求高。

(4)橋梁地下通過的各類管線繁多且復雜，橋身自重大，對地面沖擊保護要求高。

2 爆破方案選擇

2.1 爆破方案初定

根據(jù)該工程特點、周邊環(huán)境及大橋墩柱結(jié)構，主要目標是確保墩柱拆除破碎完全、減少爆破飛石對周邊的影響。對墩柱爆破拆除擬定三種爆破方案為：橋體兩端向中間傳爆的對稱起爆法；橋體一端往另一端傳爆的單向起爆法；橋體中間往兩端傳爆的中間起爆法。每種方案根據(jù)爆破組織及周邊環(huán)境警戒難易程度，均選擇一次性分跨毫秒延期爆破主橋兩端的引橋墩柱及主橋墩柱，待機械清理出主橋墩兩側(cè)迎賓路通道后，再對全部梁板進行機械鑿除回收利用。先期將橋梁板上的燈柱、電纜等附屬物預拆除、按爆破范圍將橋梁板跨間及與墩柱的聯(lián)系物預先拆除。

由于主橋橋臺與墩柱之間有鋼錠，從上往下鉆孔難度較大，所以主橋墩柱只能采用水平鉆孔爆破方式。

引橋考慮以下兩種方案：方案一：墩柱頂部鉆孔深3.5～7.1 m的豎直孔，裝藥聯(lián)線后整體一次性原地破碎坍塌爆破。方案二：墩柱側(cè)面墻上鉆設孔徑42 mm、孔深約1 m的水平孔，爆破切割窗口(切割窗口高度為墩柱高度、深度為墩柱厚度的70%)，爆破時將墩柱完全破碎。

2.2 爆破方案確定

主橋墩柱采用水平鉆孔爆破方式，引橋采用淺孔水平孔爆破原地破碎坍塌拆除。自南段5跨(墩臺號16-12)至主橋(墩臺號11、10)至北段6跨(墩臺號9-4)延伸方向進行墩柱拆除爆破，孔深至墩柱底部拆除線位置(地面線)，需提前將墩柱底部位置(距離地面30～50 cm)主爆破方向處垂直主鋼筋切斷。起爆網(wǎng)路避免過于復雜、確保可靠、聯(lián)接簡便，同一排墩柱同時起爆，孔內(nèi)采用高段位毫秒延期雷管，孔外用接力毫秒雷管聯(lián)接，非電導爆管起爆網(wǎng)路聯(lián)成單向復式，引爆采用導爆管起爆器遠程引爆，上下行橋之間毫秒延期、確保橋梁整體原地坍塌。

充分考慮鉆孔的孔徑、藥卷直徑、單孔裝藥量等因素，炮孔實行耦合裝藥結(jié)構，確保墩柱鋼筋混凝土的充分破碎及飛石的安全性。

2.3 爆破參數(shù)

2.3.1 墩柱爆破參數(shù)

(1)引橋墩柱水平42 mm孔

爆破高度主要根據(jù)柱高決定，孔位水平布置，采用從下而上單孔布置。

① 最小抵抗線W：取0.45 m。

② 炮孔深度h:取0.7 m(根據(jù)設計原則只爆破直徑1.0 m部分并現(xiàn)場實際量取)。

③ 炸藥單耗：考慮安全性及爆破效果，底部位為高單耗，高部位為低單耗。最底兩孔為q=1.8 kg/m3，其余孔為q=1.5 kg/m3。

④ 堵塞長度，L=0.35 m。

⑤ 單孔裝藥量Q：綜合炮孔深度、堵塞長度、裝藥長度，單孔裝藥量為Q=0.35 kg。

⑥ 孔距計算，b=Q/(q×S)，墩柱面積為S1=πr2=0.785 m2，取0.5 m/0.56 m。

(2)主橋墩柱水平42 mm孔

主橋墩柱為矩形柱，規(guī)格為1.4 m×1.4 m。主橋每根墩柱上從地面起至橫梁底部4.0 m段沿垂直中心線附近每排布置2孔(詳見圖3)。

主橋墩柱水平孔爆破參數(shù)(表1)。

表 1 引橋、主橋墩柱爆破裝藥量參數(shù)表

① 最小抵抗線W：取0.46 m。

② 炸藥單耗：最底部位2孔取q=1.8 kg/m3，其他孔為q=1.5 kg/m3。

③ 炮孔間距a:取0.46 m。

④ 炮孔深度h:根據(jù)公式h=70%厚度，取h=1.0 m。

⑤ 堵塞長度L=0.4 m。

⑥ 單孔裝藥量：按0.6 m的裝藥長度，為0.6 kg。

⑦ 炮孔排距b:主橋橋墩斷面面積S2=1.4×1.4=1.96m2，孔距計算，b=Q/(q×S/2)，取0.67 m/0.76 m。

圖 3 爆破布孔位置示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of blasting hole layout(unit：m)

2.3.2 爆破裝藥結(jié)構

全部采用直徑32 mm的乳化防水炸藥，炮孔底部集中裝藥結(jié)構，主橋橋墩裝藥長度為0.6 m，堵塞長度為0.4 m；引橋橋墩裝藥長度為0.35 m，堵塞長度為0.35 m。裝藥方式：為連續(xù)裝藥結(jié)構，堵塞采用優(yōu)質(zhì)炮泥封堵，均采用電子雷管。

2.3.3 爆破網(wǎng)路

考慮以下因素確定網(wǎng)路延期時間：一是爆破后上部結(jié)構的塌落時間；二是延期時間應確保整體坍塌和解體；三是減輕爆破產(chǎn)生的有害效應，本工程爆破延期時間設計見圖4所示，上下行內(nèi)以110 ms的微差、行間以250 ms的微差，確保同一墩柱號先期起爆點不致對后期起爆系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。

圖 4 爆破起爆網(wǎng)路設計圖Fig. 4 Design of blasting initiation network

3 爆破數(shù)值模擬

3.1 爆破模型

本實例將基于 ANSYS/LS-DYNA 有限元模擬分析軟件，對鋼筋混凝土主橋墩柱在爆炸沖擊波載荷和破片群侵徹載荷的聯(lián)合作用下進行數(shù)值模擬計算分析，其數(shù)值模擬的模型位置布置如圖5所示。

圖 5 主橋橋墩內(nèi)部構造及爆破模型示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the internal structure and blasting model of the main bridge pier

全橋采用實體單元建模，并采用Ls-Dyna中“*MAT CONCRETE DAMAGE REL3”混凝土損傷模型；單軸抗壓強度取16.7 MPa，單軸抗拉強度取1.78 MPa，泊松比為0.2，混凝土抗拉破壞按失效準則“MAT ADD EROSION”定義。3號墩為單向推力墩，采用剛體“*MAT RIGID”定義，其它非制動墩為柔性墩，采用“*MAT ELASTIC”定義，密度取4500 kg/m3，彈性模量取30.07×109Pa，泊松比取0.18。最小單元尺寸0.015 m，最大單元尺寸0.12 m，總單元數(shù)15123個，全橋有限元模型(橋梁倒塌分析模型)如圖6所示。

雙曲拱橋倒塌多由主拱圈與橋墩頂部承臺的接觸失效引起。主拱圈通過拱座向橋墩頂部傳遞正壓力，加之楔形接觸面構造，導致拱圈與橋墩間產(chǎn)生巨大摩擦力，確保該接觸狀態(tài)穩(wěn)定，不產(chǎn)生相對位移。

對于該類接觸，可在Ls-Dyna中使用實體單元模擬拱圈與拱座，并在兩者間設置接觸單元仿真其滑動與摩阻變形。具體來說，通過設置“*AUTOMATIC SINGLE SURFACE”實現(xiàn)全橋部件自動接觸以防止部件間穿透[8]；設置“*AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE”實現(xiàn)主拱圈與橋墩頂部間的雙向面接觸，并得到關鍵部件間相互作用力與相對位移的時程數(shù)據(jù)；其中，動摩擦系數(shù)fd取0.15，靜摩擦系數(shù)fs取0.1。

圖 6 全橋倒塌有限元模型Fig. 6 Finite element model of fbridge collapse

3.2 起爆順序優(yōu)化

為研究三種爆破方案對橋體爆破拆除的效果，評價指標為所形成的爆堆參數(shù)，包括爆破長度、寬度和高度。在后處理軟件 LS-Prepost 中分別導出三種爆破方案的爆堆，見表2，若只考慮爆堆因素時，爆破效果中間起爆最好，單向起爆次之，對稱起爆最不利于后期的機械拆除及裝運。

表 2 三種爆破方案的爆堆參數(shù)

3.3 爆破順序?qū)τ|地振動的影響

橋梁在拆除爆破過程中，由于較小的齊次起爆藥量，爆破振動通常較小，可以滿足規(guī)范要求，產(chǎn)生塌落振動遠大于爆破振動，實際上通常只考慮塌落振動對周圍的影響。

經(jīng)數(shù)值模擬，三種方案中，觸地振動數(shù)值大小順序：對稱起爆爆破方案、中間起爆的爆破方案、單向起爆的爆破方案，但最大峰值均在安全允許值內(nèi)，表明三種方案均可用于本工程爆破，考慮橋下有天然氣、自來水、通訊光纖、軍用光纖等諸多保護線路通過，選擇觸地振動最小的方案即單向起爆的爆破方案。

3.4 延期時間的優(yōu)化

考慮橋梁為上下行分離式結(jié)構，左、右線內(nèi)、線間選擇不同的延期時間爆破網(wǎng)路進行數(shù)值模擬分析，延期時間的爆破方案參數(shù)見表3所示。

表 3 延期時間的爆破方案參數(shù)(單位：ms)

上下行線的綜合影響，綜合爆堆的參數(shù)，以及觸地振動的值，左、右線內(nèi)、線間的長延期爆破效果優(yōu)于短延期爆破方案，本次爆破采用單向起爆的長延期微差爆破方案。

3.5 爆破模擬

破仿真計算結(jié)果為結(jié)構在15.4 s時全部倒塌，圖7給出橋梁倒塌全過程各個關鍵時間節(jié)點示意圖，圖8為橋梁倒塌全過程各個關鍵時間節(jié)點應力變化。

圖 7 橋梁倒塌全過程各個關鍵時間節(jié)點示意圖Fig. 7 The whole process of bridge collapse at key time points

圖 8 橋梁倒塌全過程各個關鍵時間節(jié)點應力變化Fig. 8 Stress changes at key time points during the whole process of bridge collapse

4 爆破安全驗證

4.1 爆破震動及塌落振動驗證及措施

(1) 爆破震動

拆除爆破裝藥一般遵循多鉆孔、少裝藥原則，藥量分散布置在承重的墩柱基礎上，爆破振動通過墩柱至基礎，再傳到地面后擴散、衰減，實際工作中通常以某個地面質(zhì)點的振動速度來衡量爆破振動的大小，可采用下式計算振動速度[14]

(1)

式中：Q齊為一次齊響爆破的最大藥量，kg；R為爆破點到保護目標的距離，m；V為質(zhì)點振動速度，cm/s；K、α為不同結(jié)構、不同爆破方法的影響系數(shù)，本次取K=32.1，α=1.57。

民房距離爆破區(qū)域最近為25 m，允許安全爆破振動速度取2.0 cm/s，距離最近處的最大齊次起爆藥量≤43.2 kg，爆破振動速度為：V=1.47<2.0(cm/s)，滿足規(guī)程要求。

(2) 塌落振動

因爆破后橋梁構件在塌落觸地時，對地面產(chǎn)生的較大沖擊，將產(chǎn)生塌落振動，本次塌落振動采取計算公式如下[15]

(2)

式中：Vt為落地時的沖擊震動速度，cm/s；M為下落構件質(zhì)量，kg，本工程引橋取3×105kg，主橋取3×106kg；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為構件所在的位置高度，m；σ為構件材料的破壞應力，Pa，取10 MPa；α為指數(shù)，實測整理數(shù)據(jù)為0.41～0.47，取0.45；K為系數(shù)，實測整理數(shù)據(jù)為1.0～1.86，取1.5；R為觀察點至沖擊地面中心的距離，m。

計算結(jié)果詳見表4，因每跨橋梁板整體塌落，對地面的觸地破壞和振動較大，為降低塌落振動，保護地埋各類管線，工程中采取措施如下：一是在引橋部位，每跨之間鋪設三道2.0 m高，1.5 m寬的土堆；二是主橋部位，每跨之間鋪設五道2.0 m高，2.0 m寬的土堆；三是對于地下有需防護管線部位，在坍塌范圍內(nèi)先鋪設一層50 cm厚度的沙子作為柔性保護層，上部覆蓋10 mm厚的鋼板作為剛性防護層，鋼板上再鋪設50 cm厚的沙袋緩沖層，以上措施既可有效降低爆破塌落振動，又可防止各類地下管線受損；三是橋梁板跨與跨之間、上下行之間采取合理的毫秒延期，達到減輕觸地振動沖擊。上述措施的采取使爆破塌落振動值快速衰減，不致對周圍建筑物造成危害。

表 4 塌落振動計算值表

4.2 爆破飛石及控制措施

(1)飛石飛散距離計算

飛石飛散距離與單位體積藥量關系密切，可采用公式

L=70(QL)0.53

(3)

式中：L為飛石飛散距離，m；QL為拆除爆破的最大單位炸藥消耗量，取0.9 kg/m3。

計算可得距離為66.2 m，大于爆破點與周邊需保護建筑物的距離，須對爆破部位采取特別飛石控制措施。

(2)飛石控制措施

可采取主動控制與被動控制相結(jié)合的方法。主動控制措施：設計合理的爆破網(wǎng)路、爆破參數(shù)；炮孔定位準確、確保裝藥及堵塞質(zhì)量，包括保證堵塞長度、填塞密實度、填塞物中避免夾雜碎石等。

被動控制措施(見圖9)：每個爆破墩柱裝藥堵塞后，爆破體段采用潮濕棉被+鋼絲網(wǎng)+16U形卡扣作為近體防護；每個爆破墩柱距離墩柱1 m處，采用毛竹為支架，架設毛竹片包裹；貼近支架，采用沙袋砌筑2 m高的防護墻，頂部寬0.5 m，防護爆破飛石同時又可對橋梁板落地起到緩沖作用；橋兩側(cè)設置高約4 m的鋼管隔離防護架。

4.3 爆破沖擊波

爆破空氣沖擊波安全距離按下式進行校核

Rm=KnQ1/2

(4)

式中：Q為齊爆藥量，kg，為43.2 kg；Kn為爆破作用指數(shù)，Kn=1～2，取2；Rm為空氣沖擊波最小安全距離，m。

經(jīng)計算Rm為10 m，遠遠小于爆破點與周圍需保護建物之間的距離。

圖 9 地面防護結(jié)構示意圖Fig. 9 Schematic diagram of ground protection structure

5 現(xiàn)場爆破效果分析

5.1 爆破過程

大橋采用優(yōu)化后的對稱起爆延期爆破方案，起爆1 s后大橋按設計順序逐跨解體坍塌，總共歷時約6 s。橋體塌落解體較充分，實際爆破效果與數(shù)值模擬效果整體吻合，完全達到預期的爆破效果。

5.2 振動監(jiān)測結(jié)果

本工程布置4個檢測點，4臺TC-4850型檢測儀，測點位置見圖1。測點 1 位于南官金源小區(qū)旁在建樓房，距離爆區(qū)中心280 m；測點2、3位于鄰近民房，距離爆區(qū)中心90 m；測點4位于碧桂園城市之光在建樓房，距離爆區(qū)中心160 m，測點位置見圖1，各測點的實測最大振動速度見表5，分析可知：徑向和切向振動速度較小，與數(shù)值模擬的值偏差較大，垂向振動速度相對較大，但與數(shù)值模擬分析基本吻合。一般民用建筑物安全允許振速為1.5～3.0 cm/s，從結(jié)果可得出，振動主頻2～8 Hz，最大振動速度1.041 cm/s，對應主振頻率3.802 Hz。數(shù)值均未超過安全允許標準值，不會對被檢測的建(構)筑物結(jié)構產(chǎn)生危害。

表 5 爆破振動檢測數(shù)據(jù)表

5.3 震動模擬結(jié)果

根據(jù)模擬的橋梁周圍監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖10)，分析可知：在實測中垂直方向振動速度通常最大，與模擬結(jié)果相比，實測結(jié)果中徑向與切向震動速度峰值相對偏大。但垂向振動速度峰值兩者基本吻合。見表6。

6 結(jié)論

通過對高架橋梁爆破拆除進行理論分析、計算及數(shù)值模擬，采用單向起爆的長延期爆破方案，經(jīng)爆破達到了預期的效果。

針對橋梁下有重要設施，且靠近居民區(qū)的復雜周邊環(huán)境條件下，采取了調(diào)整炸藥單耗、增加微差延期時間、鋪設緩沖層、修建沙土堤、多層包被防護等安全措施，達到了控制爆破危害的預期目的。

圖 10 模擬橋梁周圍監(jiān)測點布置示意圖Fig. 10 Layout of monitoring points around the simulated bridge

表 6 爆破振動監(jiān)測點數(shù)據(jù)表

將數(shù)值模擬的結(jié)果與實際爆破施工的各項數(shù)據(jù)進行對比，此次高架橋梁拆除爆破的各項指標都符合相應的規(guī)程，本次拆除爆破所使用的各種減振技術取得很好減振效果，為類似拆除爆破工程提供了一定的參考價值。