薄壁空心鋼筋混凝土橋墩原位解體拆除爆破

李新繼

(西成客專四川有限公司，成都 610036)

某鐵路大灣特大橋11號(hào)橋墩墩身施工至地面以上高12.5 m時(shí)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)高于地面4.0 m以上墩身混凝土強(qiáng)度不符合要求，強(qiáng)度不足C40，需將現(xiàn)有墩身從高3.0 m以上部分整體拆除，3.0 m以下保留。施工要求拆除段與被保護(hù)墩身段保留一定搭接長度主筋，主筋范圍內(nèi)的混凝土予以鑿除，使下部合格墩身段混凝土和承臺(tái)不受拆除施工影響而產(chǎn)生裂紋和損壞。經(jīng)查閱和比對(duì)類似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為采取中孔徑深孔拆除爆破方案為最優(yōu)。李本平等[1]對(duì)約高50 m、壁厚0.5 m典型的超高薄壁混凝土橋墩提出了分次爆破方式，預(yù)先爆破倒塌方向的橋墩壁，降低其整體剛度后使其倒塌的拆除技術(shù)；尤奎等[2]提出了壁厚0.2 m，高40 m的薄壁混凝土水塔定向倒塌爆破技術(shù)；馮萬慧等[3]對(duì)處于江中河道內(nèi)橋墩的薄壁沉井，壁厚0.4 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，提出了采用潛孔鉆機(jī)在井壁上鉆φ76 mm的中孔徑炮孔進(jìn)行拆除爆破的方案。對(duì)于中等高度(高12.5 m)及較低高度的薄壁空心鋼筋混凝土橋墩拆除爆破，目前國內(nèi)研究涉及尚少。本文旨在提出中等高度薄壁空心橋墩，在整體傾倒力矩不夠情況下的中孔徑深孔拆除爆破原位解體技術(shù)，對(duì)其設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討和研究。

1 工程概況

1.1 橋墩結(jié)構(gòu)

大灣特大橋11號(hào)橋墩為薄壁空心鋼筋混凝土圓端型墩(雙線鐵路)，筒狀結(jié)構(gòu)，高12.5 m，頂部橢圓形長方向10.5 m，短方向5.0 m，壁厚1.0～1.1 m，上窄下寬，墩體內(nèi)外側(cè)表面以不同坡度角向上收斂，水平截面為兩端圓弧形的“操場跑道”形狀，橋墩頂部截面混凝土面積約30 m2，環(huán)向中軸線周長27.7 m，雙層鋼筋網(wǎng)，主筋Ф25@20。

1.2 周圍環(huán)境

11號(hào)橋墩西側(cè)緊鄰河道邊，河道寬20 m左右，河西岸為另一墩身和塔吊、鋼模板等設(shè)備材料場地；東側(cè)20 m為空壓機(jī)房，北側(cè)5 m為施工便道及便橋，西北方向40 m為工棚；東南側(cè)15 m為架空的施工動(dòng)力線路、配電箱等，南側(cè)60 m為10 kV高壓輸電線路(見圖1)。

圖1 爆區(qū)周圍環(huán)境Fig.1 Blasting surroundings environment

1.3 拆除爆破目標(biāo)和安全要求

1)一次拆除爆破上部不合格墩身(混凝土強(qiáng)度大于C35)，使其原位解體破碎塌落，不再進(jìn)行二次爆破和機(jī)械破碎，達(dá)到可人工清理、及時(shí)裝運(yùn)的條件。

2)爆破飛石、振動(dòng)、沖擊波等爆破有害效應(yīng)須控制在不損害下部墩身、承臺(tái)、周圍橋墩、高壓線、場內(nèi)塔吊等設(shè)備以及周圍民房、人員安全的范圍內(nèi)。

2 爆破方案

大灣特大橋11號(hào)橋墩需拆除爆破段為地面以上4.0～12.5 m部分，拆除爆破凈高8.5 m。3.0～4.0 m部分需考慮鋼筋搭接，在上部爆破后人工用風(fēng)鎬進(jìn)行破除清理，3.0 m以下墩身及下部承臺(tái)需要完整保留，根據(jù)待拆橋墩現(xiàn)場環(huán)境及墩身強(qiáng)度等實(shí)際情況，為減少爆破振動(dòng)效應(yīng)對(duì)下部保留墩體的影響，確定總體的拆除爆破思路為：先進(jìn)行墩身下部需保留段預(yù)裂爆破，再進(jìn)行墩身上部整體拆除爆破。

2.1 拆除爆破

1)預(yù)裂爆破。預(yù)裂爆破面確定為地面以上4.0 m的水平截面，3.0 ～4.0 m段落采用人工風(fēng)鎬拆除，以減少爆破振動(dòng)的影響并預(yù)留接茬鋼筋，因此該段容許在爆破中可能產(chǎn)生的裂紋或破碎。在4.0 m處墩身外圍表面即預(yù)裂爆破線上環(huán)線布置預(yù)裂炮孔，由墩身外圍表面垂直混凝土面，向內(nèi)進(jìn)行水平方向鉆孔，預(yù)裂爆破后形成上、下分開的水平預(yù)裂面(至少是破碎帶)，起到上、下墩體隔離，減弱爆破振動(dòng)傳遞的目的。

2)拆除爆破。依照鋼筋混凝土拆除爆破的設(shè)計(jì)原則并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，經(jīng)與繩鋸切割解體、水壓爆破和墩身側(cè)面淺孔爆破方案在經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可行性上比較，最終確定采用中孔徑深孔拆除爆破方案。在墩頂搭設(shè)簡易施工兼防護(hù)排架，在混凝土頂面環(huán)向中線上用潛孔鉆往下豎直鉆孔，孔底至預(yù)裂爆破面上0.3 m，孔深8.2 m。采用孔內(nèi)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)、分段延時(shí)、電力—非電導(dǎo)爆管接力的復(fù)式起爆網(wǎng)路。墩頂炮孔布置及復(fù)式網(wǎng)路聯(lián)接如圖2所示。

注：1、3、5表示孔內(nèi)毫秒雷管段別圖2 墩頂炮孔布置及復(fù)式起爆網(wǎng)路Fig.2 Blasting hole layout on the top of pier and multipe initiating circuit

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 預(yù)裂爆破參數(shù)

為取得較好的爆破效果，抵抗線W取10 cm，孔距a=20 cm，孔深h=100 cm，如在鉆孔過程中遇到鋼筋可適當(dāng)調(diào)整間距。4.0 m處的墩身外圍預(yù)裂爆破線周長30 m，則周邊水平預(yù)裂孔數(shù)為150個(gè)。其單孔裝藥量按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[4]：

q=λaH1

(1)

式中：q為單孔裝藥量；λ為預(yù)裂爆破單位用藥量系數(shù)，由于本橋墩內(nèi)部鋼筋布置較密，混凝土強(qiáng)度較高，為保證預(yù)裂效果，參考經(jīng)驗(yàn)資料取80 g/m2；a為孔距，取0.2 m，根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整孔距，誤差不超過0.03 m；H1為混凝土厚度，預(yù)裂爆破面處厚度約1.1 m，取1.1 m。

經(jīng)計(jì)算單孔裝藥量q=0.018 kg，預(yù)裂爆破總裝藥量Q1=0.018×150=2.7 kg。

2.2.2 拆除爆破參數(shù)

需爆破的鋼筋混凝土量為V=8.5×1.05×27.7=247.22 m3，裝藥量計(jì)算如下：

拆除爆破實(shí)際炸藥單耗K=∑Q/V，本工程介于破碎與粉碎、拋擲爆破之間，經(jīng)查表[4]K=400 g/m3，則總藥量∑Q=VK=247.22×400=98.89 kg。

由于薄壁墩體厚度介于1.0～1.1 m之間,用潛孔鉆(鉆孔直徑d=70 mm)較大，考慮在環(huán)向中軸線布置一排孔，則取最小抵抗線W=0.55 m；孔距a=mW，其中m為孔距系數(shù)，視每個(gè)爆破單元為鋼筋混凝土柱，經(jīng)查表類比，取m=1.4，則a=1.4×0.55=0.77 m。環(huán)向中線長27.7 m，共布置36個(gè)孔；該墩身為薄壁空心，鉆孔孔徑較大，在其上截面布置一排孔即可；由于現(xiàn)場有現(xiàn)成的潛孔鉆，加之便于安裝、施工效率高等特點(diǎn)，決定選用潛孔鉆鉆孔，取d=70 mm；在炮孔深度h遠(yuǎn)大于W情況下，h=CH，C為邊界系數(shù)，由于設(shè)計(jì)爆破面位于變截面上(實(shí)際上也為了保護(hù)下部合格墩體混凝土，已經(jīng)采取了預(yù)裂爆破技術(shù))，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)和邊界條件，取C=0.96,則h=0.96×8.5=8.16 m，取h=8.2 m。

則單孔裝藥量q=∑Q/36=98.89/36=2.75 kg。

2.2.3 實(shí)際鉆爆參數(shù)

實(shí)際施工中在墩頂混凝土面環(huán)向中軸線上布置單排孔，孔徑70 mm，孔深8.2 m，孔距77 cm，布孔數(shù)量36個(gè)。因?yàn)檎麄€(gè)墩身有箍筋，兩層鋼筋網(wǎng)片間有拉結(jié)鋼筋存在，鉆孔時(shí)適當(dāng)調(diào)整了炮孔位置，孔位偏差、垂直度均達(dá)到要求。直線段相鄰孔在混凝土表面中軸線左右交叉偏移5 cm進(jìn)行布置，孔距0.77 m；兩端半圓弧線上的孔位按外抵抗線W1大于內(nèi)抵抗線W2布置，取W1=0.6 m,W2=0.4 m，孔距0.77 m。

2.3 裝藥及填塞

豎直孔8.2 m，孔內(nèi)采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu),分5段裝藥，每相鄰的4～6個(gè)孔為1組,孔內(nèi)均裝同段別非電導(dǎo)爆管雷管。與其相鄰的另一組孔裝不同段別雷管，形成延時(shí)起爆。從下至上裝藥量分別為單孔藥量(2.7 kg)的25%、20%、20%、20%、15%，即0.70、0.55、0.55、0.55、0.40 kg。每段裝藥間隔50 cm，孔口填塞段90 cm，段與段之間及孔口用炮泥填實(shí)。單孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝藥時(shí)為防止孔徑過大使每段藥量與設(shè)計(jì)裝藥長度不匹配，可采用竹片夾著藥卷，用膠布捆扎標(biāo)記，保證頂部填塞段長度不小于0.9 m。

圖3 單孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Single hole uncoupling charge

2.4 爆破網(wǎng)路

橋墩拆除爆破必須一次性起爆成功，否則會(huì)造成安全隱患和不必要的經(jīng)濟(jì)損失。設(shè)計(jì)采用復(fù)式起爆網(wǎng)路，即孔外電雷管、孔內(nèi)非電導(dǎo)爆管雷管接力的復(fù)式起爆網(wǎng)路?？變?nèi)同段別非電導(dǎo)爆管雷管分2組引出，在孔外分別連接到2發(fā)電雷管，各電雷管之間再串聯(lián)后引至起爆器，形成兩套分別獨(dú)立的起爆網(wǎng)路，兩套網(wǎng)路最后并聯(lián)到起爆器。理論上講，其中任何一套網(wǎng)路可以單獨(dú)有效引爆。

水平孔預(yù)裂爆破由于孔距小、孔較淺，采用連續(xù)裝藥和毫秒電雷管延時(shí)起爆，設(shè)定相鄰的6個(gè)孔為1組，裝MS1段雷管，以第1組為基準(zhǔn)，分別向左、右相鄰第2組6個(gè)孔裝MS2段雷管，繼續(xù)向左、右相鄰的第3組裝MS3段雷管，以此類推，每組并聯(lián)后再串聯(lián)進(jìn)行起爆。

3 爆破安全驗(yàn)算

3.1 爆破振動(dòng)

拆除墩身,下部承臺(tái)即為主要保護(hù)對(duì)象。由于預(yù)裂爆破使4.0 m處墩身上、下部位之間產(chǎn)生裂縫面，大大減弱了上部拆除爆破對(duì)下部墩體的振動(dòng)影響，上部墩身爆破為間隔不耦合裝藥且延時(shí)起爆，因此預(yù)裂爆破最大一段起爆藥量的爆破振動(dòng)影響最大。

根據(jù)爆破安全規(guī)程GB 6722--2014[5]的要求，爆破振動(dòng)安全允許振速為

(2)

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，取R=4 m；Q為最大一段起爆藥量，連續(xù)的6個(gè)孔同段一起起爆，Qm=0.096 kg；v為振動(dòng)安全允許速度，按《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，取v=5.0 cm/s。K、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)?？紤]到預(yù)裂爆破并進(jìn)行延時(shí)爆破，取K=200，α=1.8。

計(jì)算得到v=4.04<5.0 cm/s。

本工程由于采用了預(yù)裂爆破，并且墩身主炮孔采用豎向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，在墩身內(nèi)、外底面鋪墊砂袋等減振措施，有效地降低了爆破振動(dòng)及墩體破碎垂直塌落后引起的振動(dòng)危害效應(yīng)。

3.2 爆破飛石

參考熊炎飛等[6]拆除爆破飛石安全距離公式：

(3)

(4)

式中：Rf為飛散距離，m；f1為介質(zhì)系數(shù)；f2為防護(hù)系數(shù)；α為飛出角度；v0為個(gè)別飛石初速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；Q為最大一段爆破裝藥量，kg；W為抵抗線，m。

因?yàn)槭卿摻罨炷翗蚨眨匀1=9.5，并采用有效的防飛石措施，在墩體四周外加竹排并用鐵絲綁扎，上部孔口及整個(gè)混凝土頂面壓上沙袋，再用炮被壓實(shí)，然后在外側(cè)整體蓋上密目網(wǎng)，嚴(yán)格控制飛石逸出，即采用兩層防護(hù)，取f2=1；由于式(3)和式(4)中計(jì)算飛散物初速度的炮孔是水平指向，且多為混凝土梁、柱等拆除爆破，鉆孔較淺，與本工程豎向深孔，孔內(nèi)采用了豎向、徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的工況有一定差異，因而計(jì)算時(shí)取炮孔上部最大一段裝藥量Q=0.4 kg，W=0.55 m，飛出角度α=15o。

將以上各數(shù)值代入式(3)和式(4)，計(jì)算得：v0=35.89 m/s，Rf=83.6 m。

與待拆墩體相鄰較近的空壓機(jī)、電機(jī)等設(shè)備采取竹排編織袋等加以覆蓋保護(hù)，防止飛石危害，本工程安全距離按200 m設(shè)置警戒，安全。

4 爆破效果及探討

1)爆破后鋼筋與混凝土基本分離，混凝土碎塊直徑小于50 cm，塌落堆積體在墩身周圍4 m范圍以內(nèi)。經(jīng)對(duì)相鄰10號(hào)墩承臺(tái)處的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，其振動(dòng)速度v=1.03 cm/s。經(jīng)清理爆堆后檢查下部墩身，高3～4 m范圍混凝土表面局部有裂紋，未延伸至3.0 m以下墩身及承臺(tái)。

2)本拆除爆破設(shè)計(jì)結(jié)合了現(xiàn)場環(huán)境情況、橋梁墩身薄壁空心特點(diǎn)及現(xiàn)場施工條件，選用了潛孔鉆，在墩頂搭設(shè)簡易平臺(tái)鉆孔，方便易行；選擇了合理的爆破參數(shù)，大大降低了炮孔數(shù)量，提高了工效，實(shí)現(xiàn)了快速、安全的拆除目標(biāo)。

3)采用電力-非電導(dǎo)爆管接力復(fù)式起爆網(wǎng)路，可以達(dá)到一次性準(zhǔn)爆拆除橋墩的目的，大大減少了因?yàn)槟骋话l(fā)雷管拒爆或網(wǎng)路連接不到位而產(chǎn)生拒爆的可能性。但同時(shí)與單一起爆網(wǎng)路對(duì)比，復(fù)式起爆網(wǎng)路耗用爆破器材量較大，經(jīng)濟(jì)性差，另外網(wǎng)路連接中相互交叉、凌亂，連接過程必須耐心細(xì)致，連接完后應(yīng)認(rèn)真檢查、復(fù)核、測(cè)試。

5 結(jié)語

薄壁空心鋼筋混凝土橋墩在整體傾倒力矩不夠的情況下，及保留下部墩身和承臺(tái)的前提下一次性拆除爆破上部墩身，目前在國內(nèi)應(yīng)用較少。本工程在實(shí)踐中成功地采用了預(yù)裂爆破、墩頂打中孔徑深孔、孔內(nèi)不耦合裝藥、電力—非電導(dǎo)爆管接力的復(fù)式起爆網(wǎng)路等拆除爆破技術(shù)，橋墩整體破碎、原位解體塌落，其經(jīng)驗(yàn)值得類似工程借鑒。

該拆除爆破方案與繩鋸切割分解、墩身外側(cè)面打淺孔爆破、水壓爆破等方案比較，具有經(jīng)濟(jì)性、安全性、可操作性等優(yōu)勢(shì)。