拱桥主拱圈爆破拆除施工技术研究

曾培文

拆除原理

拱桥的稳定原理：桥面所受的动荷载及自重荷载的竖向应力通过立柱传递给拱身，拱身再将传递过来的应力通过桥身内力转化为横向应力，最后传递到桥墩，从而达到受力平衡稳定。

破坏机理：通过在桥身布置多处炸点，炸点范围内的混凝土容易爆破破碎，形成多个断面。拱身的内力状态发生重组，受自重荷载作用，连接拱身的纵向钢筋受拉力作用开始变形，最终，钢筋拉断，整个桥体倒塌。

主拱圈总体拆除方案及施工流程

桥上附属结构拆除后，大桥拱圈采用钻孔爆破的方式进行拆除。结合大桥结构形式，钻孔部位为：拱肋、拱上立柱、立柱上横梁。

爆破施工工艺流程为：桥面开窗→搭设钻孔平台→布孔→钻孔→炸药装填、联网→爆破。

钻孔作业施工通道

为了方便施工人员下至拱脚及立柱进行钻孔作业，需要在桥面开窗口，搭建钻孔作业施工通道。设计沿桥面纵向中线开窗口，窗口规格1.0m×0.8m，每跨开窗口2个，位置如下图所示。

图 22 桥面开窗口位置正面图

搭设钻孔平台

由于拱肋施工钻水平孔，需要从拱肋侧面钻孔，因此，钻孔前需要在拱肋侧面和底部搭设钻孔操作平台。

在需要钻孔爆破的拱肋附近，从桥面或拱波上开窗口，用钢管和扣件从窗口和拱肋两侧相连，搭成平台框架，在框架上和侧面铺设竹跳板，形成安全钻孔操作平台。

图 23 搭设钻孔平台示意图

爆破参数设计

炸点布置

由于四个拱圈结构相同，为方便表述，以一个拱圈为例进行标识，其他三拱炸点位置相同。

因沿线航道净空限高9m，大型设备无法进入，因此需增加炸点，尽量将主拱圈分解成小块，便于小型设备打捞。

炸点位置按结构分为：拱肋、小立柱和立柱上横梁、墩上立墙。

图 24 炮孔布置图立面图

爆破器材

（1）炸药：

采用安全环保的乳化炸药，药卷直径为32mm。

（2）雷管：

毫秒系列高安全的非电导爆管雷管。炮孔内炸药用高安全的非电导爆管毫秒雷管起爆；炮孔内雷管用“大把抓”捆绑的非电导爆管毫秒雷管起爆；

（3）导爆管和四通：

用四通和导爆管连接“大把抓”引出的雷管脚线，形成封闭的回路。

（4）击发枪：

从“大把抓”和四通的复式网路形成的封闭回路中引出两条导管，形成起爆网络，用击发枪进行起爆。

图 29 起爆网路连接“大把抓”连接形式示意图

起爆顺序

本次爆破采用分区段、延时起爆技术，分散了一次齐响药量，减小爆破振动和爆破冲击波。设计拱顶位置先起爆，拱侧后起爆，采用一次点火，孔内延期，孔外大把抓捆绑非电导爆管毫秒雷管。

依据以往的爆破拆除经验。拱圈爆破的顺序采取由中间到两边的顺序，通过优先爆破中间的炸点，可增加倒塌的自由面提高爆破效果。

图 31 起爆顺序图

雷管精确延时设计

按照设计的起爆顺序，对雷管段别进行设计，各炸点采用一个段位的雷管，共准备6个雷管段位。

爆破安全校核

安全是爆破拆除工程的关键环节，爆破产生的危害有很多，例如：爆破飞石、爆破振动、空气冲击波、噪音、毒气和灰尘等。如果施工时没有进行有效地控制，那么爆破就可能会给人们的日常生活带来很多麻烦。本工程所处市区内，且附近有既有建构筑物，安全问题不容忽视，因此有必要对爆破安全进行缜密的考虑，并作出应对措施，最大限度的减小爆破对周围的影响。根据国家爆破安全的有关规定，要求进行如下安全设计。

爆破地震波的安全校核

本次爆破采用微差爆破，根据炸点延时时间及单个炸点的装药量计算（参照表3雷管段别排布表），本次爆破的最大单响药量为64.4kg。

根据《爆破安全规程》（GB6722-2014）中爆破对保护对象位置质点振动速度公式为：

式中：

——爆破振动安全允许距离，单位为米（m）；

——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，单位为kg；

——保护对象所在地质点振动安全允许速度，单位为cm/s；

——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可按照下表3确定，或通过现场试验确定。

表 4 不同岩性的K、α值

岩性	K	α
坚硬岩石	50～150	1.3～1.5
中硬岩石	150～250	1.5～1.8
软岩石	250～350	1.8～2.0

——拆除爆破爆破振动经验系数，取 。

图 32 最大单段炸点距离建构筑物距离图

取Q=64.4kg，K=150，α=1.6，R=125m，把各参数代入上述爆破振动计算公式，可得v=0.13<5.0cm/s，爆破振动速度随距离的增大而减小，因而对于大于125米范围外的建构筑物，爆破振动速度小于0.13cm/s。

对于距离和顺方向河北村最近炸点A1，取Q=4.9kg，K=150，α=1.6，R=50m，把各参数代入上述爆破振动计算公式，可得v=0.14<5.0cm/s，因而，爆破振动不会对既有建构筑物造成影响。

结论：综上所述，爆破振动不会对周围既有建构筑物造成影响。

塌落震动验算

爆破后拱圈坍塌过程中势能转化为动能对河面、河道形成冲击力产生振动，目前建筑物塌落震动的计算公式为：

式中 ——振动速度，cm/s；

、 ——衰减系数，一般取 ， ；

——缓冲系数，与塌落位置、介质状况等因素有关，取 ；

——塌落构筑物质量（t）；

——建筑物质心高度（m）；

——介质的破坏强度，一般取10MPa；

——冲击塌落中心到建筑物的最近距离，取50m；

——重力加速度，一般取9.8m/s²；

本次爆破时，拱圈落入河床分为两个阶段。第一阶段为拱圈落入水面。落水之后，经过河水缓冲作用，拱圈沉入水底速度大大降低，进入第二阶段，从水面逐步沉入河床。由于第二阶段的拱圈冲击河床速度远小于第一阶段拱圈入水速度，因此，拱圈冲击河床的冲击力也大大减小，产生的冲击振动也大大减小。因此，上述公式中，H取值按拱圈至水面高度即可。

本次爆破是将拱圈切成多段，且各炸点之间起爆时间相互错开，拱圈各部分塌落冲击河道的时间点有差异，产生的振动不叠加，故只需验证距离保护点最近距离的炸点塌落时产生的震动即可，质量为115t，质心高度取5米，按照上述公式进行计算得出 <5cm>，故桥体塌落振动不会对周围建构筑物产生影响。

爆渣落水产生涌浪分析

大桥爆破后，结构体瞬间落入水中，产生涌浪。按以往实测及经验，以涌浪生成区上下游30m范围内的平均涌浪高度作为参考。涌浪平均高度可按下式计算：

式中： ——涌浪平均升程高度，单位为m；

——落入河中物体质量，单位为t；

——塌落体距水面高度差，单位为m。按一般潮水位计算，拱顶距水平面平均距离取5米。

——水的密度，单位为t/m³；

——涌浪生成区域面积，单位为m²；

——水域平均深度，取5m深度；

依据和顺大桥施工图，得出单个拱圈总重600t，考虑极限条件，按照主拱圈一次同时落水计算，则各参数取值如下：

M=600t，S=320m2（8*40）， t/m3，H=5m， =5m，代入上式计算 =1.875m。

实际上，拱圈在爆破之后分解成块落入水中，实际产生的涌浪高度远小于2.5m，而洪水期河水上涨高度达3-4m，因此爆渣落水之后产生的涌浪不会造成影响。

空气冲击波

爆破空区冲击波按照下述公式计算：

式中 、 为经验系数和指数，分别取值k=0.67， ；

R——爆破中心点至保护人员的距离（单位：米）。本次爆破中取和顺方向最短距离，R=135m；

——爆破时的最大单响药量，本次爆破中最大单响药量64.4kg；

将上述值带入公式中，计算得出 =0.007。

跟据爆破安全规程建筑物的破坏程度与超压关系可知，本次爆破对周围的建筑设施没有任何不良影响。

爆破飞石控制

为了严格控制飞石，采用了严密覆盖措施，即采用在拱顶桥面爆破部分覆盖沙袋，然后在拱圈两侧用竹笆、安全网防护，可有效控制使飞石距离小于30m。

安全警戒设计

初步设计警戒范围为和顺大桥爆破点周边200m范围，如下图所示。

图 33 警戒区域

爆破前1小时要对爆破四周所示范围进行警戒，航道要封航（水上警戒距离为上下游各300m），无关人员撤离出警戒范围，并在各个出入口安排专人进行警戒；爆破前对附近道路实施交通管制，防止行人和车辆出入。爆破完成后，立即组织清渣船进行打捞清渣，恢复河道。