張志雄，廖承立，葉雪云，黃海東

(1.北部灣大學(xué) 建筑工程學(xué)院，廣西 欽州 535011； 2.廣西桂物民爆物品有限公司，廣西 南寧 530299； 3.北部灣大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣西 欽州 535011)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的廣泛開展，工程爆破領(lǐng)域的發(fā)展也迎來了新的契機(jī)。爆破安全技術(shù)在交通工程、港口與航道工程、采礦工程等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。出現(xiàn)一批新的安全評(píng)價(jià)分析方法和系統(tǒng)分析理論，促進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)施工的安全管理[4]。這些成果大多數(shù)集中在現(xiàn)場(chǎng)安全辨識(shí)、安全風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)理論上[5-7]，較少關(guān)注施工全過程安全風(fēng)險(xiǎn)的管控。特別是拆除爆破方面對(duì)施工安全的要求非常嚴(yán)格[8]，作業(yè)安全條件受制于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的環(huán)境。因此，爆破施工安全更是所有爆破工程的首要任務(wù)，如何實(shí)現(xiàn)工程爆破過程安全風(fēng)險(xiǎn)的有效控制已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[9-11]。Tian等[12]探究了隧道爆破開挖的振動(dòng)規(guī)律以減小爆破沖擊對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的擾動(dòng)。Koji等[13]利用有限差分法分析了橋墩爆破拆除的控制過程。唐小軍等[14]采用分區(qū)控制爆破實(shí)現(xiàn)了對(duì)鄰近高層建筑物的爆破拆除，有效地控制爆破飛石、爆破振動(dòng)等危害因素的影響。上述成果多集中在隧道爆破減震、樓房拆除等方面，鮮有關(guān)于跨線渡槽結(jié)構(gòu)的爆破拆除方面的報(bào)道。

本文將結(jié)合連續(xù)多跨線渡槽爆破拆除安全評(píng)價(jià)危害因素的重要度，利用LS-DYNA軟件的數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)參數(shù)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可靠度、鉆孔穿孔質(zhì)量、人工預(yù)處理質(zhì)量、爆區(qū)鄰近構(gòu)筑物保護(hù)、槽體坐塌振動(dòng)、空氣沖擊波等方面的影響因素進(jìn)行研究，以獲取有針對(duì)性的安全技術(shù)與管控措施。

1 爆破方案

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

待拆除渡槽構(gòu)件保存完整，承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，因項(xiàng)目建設(shè)而拆除，西距高等級(jí)公路S322線與縣道X090交會(huì)處約1 500 m，渡槽主體距某單位廠區(qū)倉(cāng)庫(kù)最近處約8 m，待爆主體周邊環(huán)境具體分布如圖1所示。渡槽結(jié)構(gòu)參數(shù)見文獻(xiàn)[15]，此處不再贅述。

圖1 待拆除渡槽周邊環(huán)境示意圖

1.2 項(xiàng)目安全管控流程

拆除項(xiàng)目的爆破作業(yè)屬于高危行業(yè)，其施工作業(yè)因牽涉的環(huán)境復(fù)雜，且事關(guān)人民群眾生命安全及社會(huì)公共安全，導(dǎo)致施工安全管理難度大。安全風(fēng)險(xiǎn)管控已成為涉爆施工項(xiàng)目的重要工作內(nèi)容，施工管理、安全技術(shù)、防護(hù)措施等方面的處置不當(dāng)均可能導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失及危及生命安全。如圖2所示，項(xiàng)目前期準(zhǔn)備→爆破方案設(shè)計(jì)→安全評(píng)價(jià)→施工作業(yè)→爆后安全檢查→交工驗(yàn)收等環(huán)節(jié)的組織管理很專業(yè)，爆破施工組織很嚴(yán)密，對(duì)技術(shù)人員與操作人員素質(zhì)要求也非常高。

圖2 爆破項(xiàng)目安全管控流程圖

1.3 爆破方案

渡槽跨越X090線，從爆破警戒到路面清碴時(shí)間不宜太長(zhǎng)，適合采用整體爆破一次坐塌的方案?？紤]到U型槽體、雙肋拱及排架支持組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)，爆破方案對(duì)渡槽墩臺(tái)上部105 m的五連跨主體結(jié)構(gòu)實(shí)施重力坐塌控制爆破。因兩端距離地面不高，主體爆破后采用挖掘機(jī)拆除的方案。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為電起爆網(wǎng)絡(luò)，主網(wǎng)絡(luò)采用多股銅芯軟導(dǎo)線連接，單孔裝雙發(fā)并聯(lián)瞬發(fā)電雷管，然后再串聯(lián)至干網(wǎng)。

爆破存在的難點(diǎn)有：(1)對(duì)廠區(qū)房屋和周邊附屬設(shè)施保護(hù)等級(jí)要求高。爆破點(diǎn)距廠房較近，庫(kù)房結(jié)構(gòu)抗震性能較差，要求降低爆破振動(dòng)的破壞效應(yīng)，控制好塌落體觸地振動(dòng)速度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)埋地國(guó)防光纜、電信光纜、公路路面的保護(hù)，以及最大限度地降低爆破對(duì)鄰近構(gòu)筑物的損壞。(2)安全防護(hù)要求高。爆區(qū)環(huán)境復(fù)雜，爆破飛石危害較大，因此，需要設(shè)計(jì)好孔網(wǎng)參數(shù)、控制好打孔質(zhì)量與裝藥質(zhì)量，以控制爆破飛散物的方向、速度及距離。通過有效的防護(hù)確保跨線渡槽下方的電信光纜、過往車輛、現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備與人員的安全。(3)工期緊，中斷交通時(shí)間不宜過長(zhǎng)，須控制在30 min內(nèi)。爆破后需分解路面塌落體，并迅速清理，以快速恢復(fù)道路交通及廠區(qū)的正常生產(chǎn)。

2 安全風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)及評(píng)價(jià)

2.1 安全評(píng)價(jià)流程

根據(jù)我國(guó)涉爆安全管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，從管理層面對(duì)涉爆單位、爆破項(xiàng)目和作業(yè)人員提出安全要求。按照中國(guó)爆破協(xié)會(huì)規(guī)范要求，須完成渡槽拆除爆破的安全評(píng)價(jià)，具體流程如圖3所示。利用與項(xiàng)目資質(zhì)相匹配的安全評(píng)價(jià)咨詢機(jī)構(gòu)或者工程爆破監(jiān)理單位為工程爆破提供的安全評(píng)價(jià)報(bào)告、專家組群體智慧為爆破工程進(jìn)行科學(xué)決策。根據(jù)專家組的科學(xué)指導(dǎo)以及建議意見，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)與施工，并辨識(shí)爆破的主要危害因素，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的有效管控，以期達(dá)到安全爆破的目標(biāo)。

圖3 爆破安全性評(píng)價(jià)流程

2.2 安全風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)

針對(duì)渡槽爆破拆除的安全評(píng)價(jià)要求，結(jié)合待拆除渡槽工程踏勘資料，構(gòu)建了4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)集與17個(gè)二級(jí)單因素評(píng)價(jià)集組成的爆破安全評(píng)價(jià)集。通過模糊層次分析法(fuzzy analytic herarchy process，F(xiàn)AHP)獲得影響因素的權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果見表1，詳細(xì)的分析過程見參考文獻(xiàn)[6]。根據(jù)以往研究結(jié)果，對(duì)二級(jí)單因素按照權(quán)重進(jìn)行排序：爆破方案及參數(shù)設(shè)計(jì)>爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及可靠度>炮孔鉆孔質(zhì)量>爆破斷點(diǎn)位置設(shè)計(jì)>預(yù)處理質(zhì)量>爆區(qū)周圍建筑>爆破坐塌設(shè)計(jì)>安全教育及技術(shù)交底>炮孔裝藥質(zhì)量>安全警戒>影響交通情況>炮孔填塞長(zhǎng)度及質(zhì)量>現(xiàn)場(chǎng)雜散電流情況>安全防護(hù)>爆區(qū)內(nèi)管線>安全檢查>天氣狀況及能見度。

表1 渡槽爆破拆除安全評(píng)價(jià)因素集A

3 風(fēng)險(xiǎn)控制的措施

根據(jù)安全評(píng)價(jià)報(bào)告及專家組的建議，須加強(qiáng)爆破方案參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化、爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可靠性、鉆孔施工質(zhì)量、預(yù)處理質(zhì)量、爆區(qū)周圍建筑保護(hù)及安全防護(hù)等方面的安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施。結(jié)合評(píng)審專家的意見，開展了渡槽拆除爆破過程的數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)、等效爆破網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)、主動(dòng)防護(hù)措施及安全參數(shù)校驗(yàn)方面的研究。

3.1 數(shù)值模擬優(yōu)化爆破坐塌方案

渡槽拆除采用整體爆破一次性坐塌方案，根據(jù)渡槽結(jié)構(gòu)力學(xué)特征及各部件尺寸，該方案對(duì)渡槽墩臺(tái)上部105 m的五連跨主體結(jié)構(gòu)實(shí)施一次性重力坐塌控制爆破。如圖4所示，為論證爆破方案的合理性，利用LS-DYNA求解軟件構(gòu)建渡槽模型，模擬了連續(xù)多跨線渡槽結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊荷載作用下構(gòu)件的受力、解體、渡槽整體失穩(wěn)、坍塌、爆碴的堆積形態(tài)的準(zhǔn)瞬態(tài)過程，以檢驗(yàn)斷點(diǎn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。經(jīng)過數(shù)值模擬確定了圖5的斷點(diǎn)設(shè)計(jì)及預(yù)處理方案。

圖4 渡槽初始與最終坐塌的數(shù)值模型

3.2 爆破斷點(diǎn)及切口設(shè)計(jì)

如圖5所示，渡槽筒身的D1～D5點(diǎn)采用人工預(yù)處理切口。渡槽東西兩側(cè)肋拱爆破點(diǎn)位置的選取、孔網(wǎng)參數(shù)、藥卷結(jié)構(gòu)與藥量、炮孔堵塞及起爆方式均一致，分別在渡槽的肋拱頂面E1～E5點(diǎn)和肋拱腳底F1～F10點(diǎn)布設(shè)爆破斷點(diǎn)。

3.3 預(yù)處理

按圖5(a)所示，在拱肋及拱頂設(shè)計(jì)3排孔狀爆破斷點(diǎn)，以形成可靠的切斷來破壞拱跨的支撐作用。按圖5(b)所示，在渡槽每跨的中部，利用沖擊錘在筒身預(yù)切一條寬度約20～30 cm的貫穿切口，提前解除附屬構(gòu)件對(duì)承載構(gòu)件肋拱的約束，以提高槽身主體一次性坐塌下來的可靠度及拆除效果。如圖5(c)所示，渡槽每隔3 m布置一根橫梁，與兩側(cè)人行道蓋板連接成整體，這樣就不會(huì)給肋拱折斷重力坐塌解體帶來牽制。

圖5 爆破切口設(shè)計(jì)及預(yù)處理

3.4 爆破參數(shù)確定及網(wǎng)絡(luò)可靠性檢驗(yàn)

為了提高控制爆破的質(zhì)量，在拱肋橫梁處開展現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，先后將50 g、75 g 2#巖石乳化炸藥填入炮泥堵孔，不做任何覆蓋。試爆結(jié)果表明:兩試驗(yàn)孔都能完全切斷拱肋橫梁；根據(jù)爆破后遺留地面的飛散物測(cè)定，填入75 g炸藥的炮孔飛石散落地面的距離較遠(yuǎn)，可達(dá)8 m；選用50 g炸藥時(shí)飛散距離較適當(dāng)。

爆破網(wǎng)絡(luò)采用電雷管起爆網(wǎng)絡(luò)，單孔裝雙發(fā)并聯(lián)瞬發(fā)電雷管，然后再串聯(lián)。在野外實(shí)施起爆網(wǎng)絡(luò)模擬試驗(yàn)，利用CHA-500起爆器引爆等效網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行空爆試驗(yàn)以驗(yàn)證爆破網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3.5 爆破振動(dòng)校驗(yàn)及防護(hù)

爆破振動(dòng)校驗(yàn)采用Садовский經(jīng)驗(yàn)公式[16]：

(1)

式中，v為允許質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度，cm·s-1；K′為城市控制爆破的修正系數(shù)，K′取值為0.25～1.00，采用單孔少藥量，K′取0.25；類比中硬巖，取K=50、α=2.0；本次最大齊爆藥量Q=10.85 kg；R為距爆源中心的距離，m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(1)，可得表2。

表2 爆破振動(dòng)理論計(jì)算值

建筑物爆破拆除塌落振動(dòng)通常采用無量綱相似參數(shù)分析方法。集中質(zhì)量或塌落作用于地面造成的塌落振動(dòng)速度[16]為:

(2)

式中，vt為爆破對(duì)象塌落觸地振動(dòng)速度，cm·s-1；Kt為衰減系數(shù)，一般取3.37；σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，MPa，若倒塌區(qū)域公路路面為水泥硬化路面，則取σ=10 MPa；β為衰減系數(shù)，β=1.66；R1為觀測(cè)點(diǎn)至撞擊中心的距離，取30 m；M為爆破目標(biāo)倒塌部分的質(zhì)量，M=400 t；H為爆破對(duì)象重心高度，H=5 m。

通過計(jì)算，得出vt=0.79 cm·s-1，在安全值以內(nèi)。考慮國(guó)防光纜接線盒距離較近，采用覆蓋黃土、茅草以減少觸地沖擊，實(shí)測(cè)數(shù)值見表3。

3.6 爆破飛石控制

此次爆破最高點(diǎn)為渡槽拱肋頂部孔，采用松動(dòng)爆破裝藥參數(shù)，炮孔充分堵塞，抵抗線屬上厚下薄，防止爆破飛散物上沖，用物體平拋運(yùn)動(dòng)軌跡公式計(jì)算：

(3)

式中，v為爆破飛散物初始速度，m·s-1；H為爆破部位離地高度，m；g為重力加速度，取值9.8 m·s-2。經(jīng)測(cè)定，爆破飛散物速度v不超過50 m·s-1，拱肋頂部高度H=6.5 m。將數(shù)據(jù)代入公式(3)，經(jīng)計(jì)算得Rt=70 m，則人員的爆破安全警戒半徑設(shè)置為100 m，爆區(qū)內(nèi)實(shí)施清場(chǎng)，全部人員必須撤至安全點(diǎn)躲炮。如圖6所示，鄰近倉(cāng)庫(kù)方向炮孔的裝藥量為50 g，爆區(qū)全部裝藥孔采用多層編織袋覆蓋和炮泥填塞的防護(hù)措施。

4 爆破效果與結(jié)論

4.1 爆破效果

此次渡槽成功爆破拆除，實(shí)現(xiàn)了總長(zhǎng)152 m跨線渡槽整體一次坐塌的控制爆破，爆破實(shí)施后垮塌到路面的碴塊清理耗時(shí)僅20 min，現(xiàn)場(chǎng)很快恢復(fù)通行。爆破方案的優(yōu)化綜合考慮了評(píng)審專家的意見，爆破前利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)分析了筒體分解及立柱倒向，并確定了跨線渡槽筒體預(yù)切割位置，模擬出道路兩側(cè)的圓立柱排架傾倒方向，采取技術(shù)精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了控制措施和安全防護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)渡槽重力坐塌觸地的振動(dòng)較小，飛石控制在15 m以內(nèi)，鄰近倉(cāng)庫(kù)的石棉瓦和窗戶玻璃均未受損，電信光纜和國(guó)防光纜完好，僅有距離渡槽約10 m的倉(cāng)庫(kù)值班室窗戶玻璃被擊穿2個(gè)洞。該次爆破有效裝藥孔188個(gè)，單孔裝雙發(fā)并聯(lián)的瞬發(fā)電雷管，孔與孔之間采用48絲銅芯膠軟線(每百米電阻為7 Ω)串聯(lián)，采用CHA-500型高能脈沖起爆器激發(fā)起爆，無拒爆，總裝藥量10.85 kg。

4.2 結(jié)論

(1)在跨線渡槽拆除爆破管理過程中規(guī)范企業(yè)爆破作業(yè)工藝流程，將方案設(shè)計(jì)、安全評(píng)價(jià)、爆破施工等納入項(xiàng)目管理，實(shí)現(xiàn)全過程管控，充分發(fā)揮安全評(píng)價(jià)專家的智庫(kù)作用，實(shí)現(xiàn)危害因素辨識(shí)和有效控制充分結(jié)合。

(2)通過構(gòu)建跨線渡槽爆破拆除的數(shù)值模型，模擬其受力→解體→失穩(wěn)→坍塌→爆碴堆積形態(tài)的準(zhǔn)瞬態(tài)過程，優(yōu)化爆破拆除過程的渡槽坐塌順序，實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)階段的技術(shù)防控。

(3)通過試驗(yàn)驗(yàn)證合理藥量分配、模擬等效電阻電爆網(wǎng)絡(luò)、覆蓋和填塞防護(hù)措施，有效降低了危險(xiǎn)因素的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電信與國(guó)防光纜、周圍構(gòu)筑物等的有效防護(hù)。