田庄台辽河公路大桥控制爆破拆除技术分析
施富强1 ，杨旭升2 ，李文全3 ，薛培兴4 ，柴俭1 ，王坚1 ，梁震宇1
(1．西南交通大学机械工程学院，成都610031；2．沈阳军区司令部工程科研设计院，沈阳110000；
3．大连开盛球探篮球比分_球探体育app下载-直播|官网有限公司，辽宁大连116000；4．浙江振冲岩土工程有限公司，杭州310000)
摘 要：依据爆破设计建立完善的力学模型，分析了保证大桥爆破时应控制的关键环节，据此确定以采用水压爆破为主，辅以深孔爆破、浅孔爆破的多元精细爆破拆除工艺。分析了爆破振动波在水介质、淤泥介质及岩石介质的传播规律，结合潮汐因素选定爆破规模、最佳网路设计和起爆时间，并进行了实时监测检验和总结。
关键词：桥梁；拆除爆破；T型刚构；深孔爆破；水压爆破
中图分类号：TU746.5 文献标识码：A
TECHNICAL ANALYSIS ON CONTROLLED BLASTING
DEMOLITION OF BIG BRIDGE OF LIAO HE
HIGHWAY IN TIANZHUANGTAI
SHI Fu-qiang1，YANG Xu-sheng2，LI Wen-quan3，XUE Pei-xing4。
CHAI Jian1，WANG Jian1，LIANG Zhen-yu1
(1．College of Mechanical Engineering of the Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2．Engineering Research Design Institute of Shenyang Military District Headquarters，Shenyang 110000，China；3．Dalian Kaisheng Blasting Engineering LimitedCompany，Dalian 116000，China；4．Zhejiang Zhenchong Rock and Soil Engineering Limited Company，Hangzhou 310000，Zhejiang，China)
ABSTRACT：According to blasting design，perfect mechanic model was established．Further analysis of the control of the key sectors ensures the Success of the big bridge blasting．Based on these analyses，a diverse of fine explosive demolition techniques with mainly hydraulic pressure blasting in association with deep-hole blasting and short-hole blasting techniques was adopted．By analyzing the transmitting disciplinarian of blast vibration wave in the medium of water，silt and rock，combined with a tide factor。the blast scale，the optimal firing circuit design and initiating time have been selected and have Passed the real time monitoring examination and been summarized．
KEY WORDS：Bridge；Blasting demolition；T-type rigid structure；Deep-hole blasting；H ydraulic pres-sure blasting
1 工程概况
1.1 桥梁结构
田庄台辽河公路大桥始建于1974年4月，施工期间遭遇1975年2月4日海城7.3级地震，并在震后加固重建。2004年由于超载车辆的影响，中间第9孔箱梁断落、挂梁坠落，交通中断。2004年在其下游22m处建设新桥，并于2006年建成通车。新桥建成后，为保证航运安全，决定将旧桥拆除。待拆除的辽河大桥全长879m，引桥由8孔双曲拱桥、8孔简支梁桥组成，主桥为5孔带挂梁预应力混凝土T型刚构，主桥桥墩采用箱型混凝土结构，基础采用钻孔灌注群桩承台结构。桥面净宽12m，设计载重为汽-13t，拖-60t。桥墩最大高度为15m。
1.2 周围环境
河道基本为南北走向，下游(南侧)22m处为新建辽河大桥，东岸(营口)为村落，距大桥最近民宅约70m；西岸(盘锦)两侧及桥下为造纸厂，其污水处理设施与大桥外缘仅间隔5cm，桥下为污水处理池的一部分。上、下游两岸边有数个水产养殖池。
1.3 爆破拆除要求
(1)拆除田庄台辽河大桥全部结构，两岸要求拆至河床标高，河道内要求拆至河床以下1m，并完成全部打捞清运工作。
(2)保护新建辽河大桥，不得有任何损伤。
(3)保护两岸工厂、民宅、养殖业的安全，不允许造成扰民影响。
(4)严格控制爆破振动影响程度，确保不留任何安全隐患。
(5)保证作业期间的航道安全，爆后清障要满足5级航道的通航要求。
2 爆破方案设计
2.1 桥梁结构分析
田庄台辽河公路大桥由3种结构不同的桥型组合而成，其中引桥由8跨双曲拱桥和9跨简支梁桥组成，主桥由5孔T型刚构及挂梁组成。根据专家组要求，主桥采取爆破拆除，引桥则采用机械拆除。
图1和图2分别给出了主桥T型刚构墩体和连续梁结构及布孔布药图。桥墩结构复杂，上部O#块为箱型结构，高度4.2m，壁厚1.0m；中段为空心墩体，高度4.0～5.0m，壁厚0.8m，空心段中部还设置有厚1.0m的中腹板；下段为阶梯状实心墩，总高度为5.35m，承台厚度为2.0m。连续梁由10块箱体组合而成，箱体间采用预应力索连接，梁体总长约24.19m，壁厚0.25～0.35m。
针对上述复杂结构，若全部采用钻孔爆破工艺，其钻孔工作量之大、难度之高是空前的，而且准爆的可靠性较低。若单纯采用水压爆破，则对于1.0m厚的箱壁不仅效果难以控制，而且由于用药相对集中、量大，爆破带来的次生危害也是难以预计的。为了满足爆破后便于清捞的工艺要求，最终采用以水压爆破为主，辅以深孔爆破、浅孔爆破的多元精细爆破拆除工艺。
图2 连续梁结构布孔布药图
Fig.2 Layout of holes and charge for continuous beam structure
2.2 方案设计
在结构分析的基础上，决定对主桥墩采取深孔爆破辅助水压爆破，即在箱壁、实心墩体上布置19个深孔，直接爆破异形截面，随后的水压爆破均衡破碎整体的箱形结构；对连续梁则根据其断面结构(见图3)设计药量，沿箱梁内轴线逐段布药，同时，对挂梁箱体辅助以浅孔爆破，进一步破碎其集中块体。考虑到邻近设施对爆破振动的要求，同一主墩的时序控制、不同主墩的时序控制应满足要求。同时，还应考虑到连续箱型梁为一对并列箱体，两箱体间应合理分配时差，一方面使中腹板得以充分解体，另一方面有效地控制飞石的逸出方向，尤其应控制箱体顶部飞石。
图3 连续箱梁横断面图
Fig.3 Cross section chart of continuous box beam
3 控制爆破参数设计
3.1参数设计原则
(1)严格控制药量，控制振动波的传递，尤其是不同桥墩振动波的迭加。
(2)严格控制飞石，确保周围设施的安全，特别是邻近新建大桥的安全。
(3)严格控制爆碴块度，减轻河道清碴难度。
(4)采取多种精细爆破工艺及复式起爆网路，提高爆破质量及可靠性。
(5)综合分析潮汐影响，选择最佳潮位施爆。
3.2 潮汐分析
由于辽河大桥处在辽河人海口附近，受潮汐影响明显，平均日潮差为2.5～3.Om。潮位对爆破参数的选择影响很大，必须先确定爆破时的潮位，再进行优化爆破参数。经综合分析利弊，选择在最高潮位且开始退潮时爆破最为有利。主要因素如下：
(1)潮位高有利于水面以下结构布药，提高桥墩根部的爆破效果。
(2)高潮位时爆破有利于桥墩下段的飞石控制。
(3)高潮位退潮时爆破，有利于减轻涌浪对上游的影响。
(4)高潮位爆破时，用药量较大，爆破振动、水击波的控制要求较高。
3.3 桥墩深孔爆破
确定在高潮位爆破后，深孔爆破按水下、水上分层装药。平均孔深为15.5m，其中，没入水下段约6m。水下部分按单耗q=1.2kg/m。布药，水上部分按q=0.8kg/m。布药。根据桥墩结构，每墩布孔 19个，其中周边孔16个、中心孔3个，如图4所示。
图4 主桥墩深孔布置图
Fig.4 Deep hole layout of main bridge pier
为了有效地控制最大单段药量，将周边16个孔对称4个孔编为一组，共计4组，每组按△t=25ms孔外延时，孔内全部使用MSl3段。中心3个孔选用MSl5段，并与水压爆破药包按△t=50ms孔外延时。
3.4 水压爆破设计
采用水压爆破的部分主要是连续刚构的箱梁和与其相连的桥墩空心段结构。连续箱梁每侧由10块箱体组成，完全对称布置，全桥共有5组，除墩高约有1.0m的差别外，其余结构都相同，如图2所示。
根据冲量公式【2】，Q=Kδ1.6R1.4计算药量。由于桥梁配筋密度高，要求爆后块度小，取K=11。
（1）箱梁水压爆破设计。1#块最大断面处，单箱箱体内截面积S1=14.248m2；等效半径R1=√S1/π=2.129m；
单箱箱壁截面积Sb1=3.868m2；由此得出：
Q=Kδ1.6R1.4=3.947kg/m
同样得出箱梁其它块体的单箱药量分布，列入表1中。
表1 连续刚构梁体单箱药量分布
Table 1 Charge distribution for single box
of continuous rigid-frame beam
|
箱块 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
合计/kg |
|
Q/（kg• m-1） Q/kg |
4.0 |
3.6 |
3.0 |
3.0 |
3.0 |
2.6 |
2.4 |
2.0 |
2.0 |
|
|
8.0 |
7.0 |
6.0 |
6.0 |
6.0 |
6.0 |
6.0 |
6.0 |
3.0 |
54.0 |
（2）桥墩空心段水压爆破设计。墩箱内截面积S=3.3m2 ；等效半径：
R=√S/π=2.057m
墩箱壁截面积Sb=22.94m2；由此得出δ=1.338。当取K=11时，Q=48.112kg/m。
设计要求全部爆碎，桥墩空心段平均高度为8m(含0#块)，考虑到箱壁周边已布16个深孔，单孔线装药密度为q=1.5kg/m，合计箱壁每米深孔已布药24kg，于是箱内水压药包分4处布设，每处24kg，合计每墩水压布药96kg。
(3)爆破网路设计。针对本次控制球探篮球比分_球探体育app下载-直播|官网特点，采用非电毫秒延时导爆管雷管串、并联双回路起爆网路，重点控制桥墩最大单段药量Q≤120kg。箱墩周边16孔，每孔布药27kg，4孔一组，单段药量为108kg；桥墩中心3个深孔药量为40kg×3=120kg；
桥墩水压爆破用药量为96kg；连续刚构箱梁单箱布药54kg，对称翼合计108kg，辅助浅孔爆破每墩两端各布10kg。单墩爆破网路控制如图5所示。
图5 单墩网路控制图
Fig.5 Network control chart of singer pier
为了有效地控制不同桥墩爆破后振动波和水击波的迭加，5个桥墩应有合理的延时。经专家论证分析，水击波在泥砂水介质中的传递速度约为1200m/s。桥墩间距为80m，因此两墩间的延时应控制在60ms之内，于是选定两墩间的延时差为△t=50ms，直接采用80m导爆管传爆实现50ms的延时。
大桥爆破主网路图如图6所示。
4 爆破安全设计
4.1 箱梁注水量安全设计
根据桥梁设计承载能力汽-13t、拖-60t，得出连续刚构每跨承载量为：
W1=1.0（t/m）×74(m) ×2=148t
图6 大桥爆破主网路
Fig.6 Blasting main network for the bridge
清除桥面系后减轻非结构性自重量为：w2=2.5(t/m。)×(9×74×O.3)(m3)=499.5t
挂梁每片自重约80t，已自然掉落后，每墩减轻配重W3=80t×5=400t。
因此，清除桥面系后，每墩连续刚构可承受载荷为：
W=W1+W2+W3=1047.5t
根据箱梁断面尺寸，计算得出箱梁最大贮水量为957.6m。。
考虑到桥梁设计时的动荷系数Kd=1.1、安全系数Ks=1.7，因此在不处理桥面铺装的条件下，其承载能力尚可达到：
W’=1.1×1.7×548(t)=1024.76t
于是，选择不处理桥面铺装完成箱梁满注水作业是安全的。
4.2 爆破振动控制
由于田庄台辽河大桥桥墩周边介质为淤积软基，因此参照软基爆破相关资料计算分析。考虑到大桥外廓间距22m处的新建辽河大桥上部为整体连续刚构桥梁，桥墩为整体现浇钢筋砼实心结构，因此按大体积混凝土安全允许标准设计，取υmax≤12cm/s、两桥中心距R=40m。
选用连云港软基爆破平面爆夯经验数据K=530，a=1.82时，
选用连云港软基爆破触地爆炸经验数据K=280、α=1.51时，
本次爆破的特征更接近于软基爆破中的触地爆炸，于是选取控制最大单段药量为120kg。
爆破过程中，在新建大桥上设置了三处监测点，测得三组数据均在8.5～9.5cm/s之间，与上述分析较吻合。
5 涌浪分析
大桥爆破后，结构体及注水瞬间落入水中，诱发涌浪。涌浪触岸后出现爬升现象，威胁岸边设施，因此需对涌浪进行分析计算。根据能量理论分析，涌浪生成区应出现在原桥上、下游30m范围内，且波长峰值接近桥体宽度的一半，随后逐步衰减。涌浪平均高度可按下式计算[3]：
Δh=MH/(ρSh)
式中：Δh为涌浪平均升程高度，m；M为落人河中物体质量，t；H为坍落体距水面高差，m；p为水的密度，1t/m3；S为涌浪生成区域面积，m2；h为水域平均深度，m。
由于5个桥墩完全一致且间距相同，可按一个墩体来计算。
这时，M=4300t、H=10m、S=100×30=3000m2、h=15m，则Δh =1.43m。
鉴于营口岸边局部相对较陡，且河床较窄接近涌浪波长，有必要对涌浪触岸的爬升高度做出计算。这里给出涌浪遇陡坡时可能产生的最大峰值爬升高度Δhmax：
Δhmax=Δh/0.424=3.37m。
河堤高出水面5m以上，可以保证周边安全。
盘锦岸河床宽度远大于10个涌浪波长，且坡度较缓，涌浪具备足够的衰减空间，不会影响河堤外建筑设施的安全。
6爆破效果和体会
田庄台辽河大桥爆破拆除效果十分理想，设计总装药量4000kg、网路总延时1105ms，大桥完全按设计要求坍落解体，周边所有设施未受到丝毫影响。方案在爆破前经过了有关专家多次充分的论证，为了充分掌握系统的技术资料，东北大学承担了对周边设施的安全监测，辽宁省交通设计院承担了对新建大桥爆前、爆后的勘测与载荷试验，各项指标均满足设计要求。这里集专家们的智慧总结几点体会：
(1)复杂结构体通过合理分布深孔、浅孔、水压及切割等多种复合爆破工艺，使之达到精细化。同时，精细化的过程并不意味着提高综合成本，而是更具针对性、可靠性、安全性和系统性。
(2)通过爆前、爆后对周边环境的详勘及试验，明确提出爆破设计技术要求，对提高爆破质量有着至关重要的作用。
(3)淤泥介质、水介质中的爆破作业应计算分析振动衰减规律、水击波的影响及涌浪的安全控制，做到有的放矢。
(4)选择△t=25～50ms的延时起爆网路，可有效地控制爆破振动的有害效应。
(5)以水压爆破为主，辅以钻孔爆破，既可减少工程量、降低炸药消耗量，同时还可有效地控制爆破飞散物的产生。
(6)引入系统安全评价方法，辨识危险有害因素，提出风险控制对策，建立过程控制体系，有效地提高了设计工作的系统性和工艺过程的精细度。
参考文献：
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