大型孔外延時拆除爆破網路可靠性研究

程貴海，陳善江，胡華瑞，凌宇恒，張勤彬，覃　翔

(廣西大學資源環境與材料學院，廣西 南寧 530004)

爆破主要涉及巖土爆破、水下爆破、特種爆破、礦山爆破、拆除爆破等領域，爆破技術隨著科技進步也取得了長足的發展[1]。拆除爆破在生活中較為常見，該爆破工程的實施包括爆破方案的設計、爆破器材的選取、網路技術防護等方面，其中爆破網路可靠性因與爆破效果息息相關而顯得尤為重要[2-4]。因此，對爆破網路可靠性研究具有重要的理論意義和使用價值國內外學者針對拆除爆破相關問題已進行了一系列研究。在國外，M.Monjezi等[5]借助人工神經網路模型來預測和分析爆破結果，以此優化爆破方案；Koji Uenishi等[6]、Luccioni等[7]、Noriyuki Utogawa[8]通過對鋼筋混凝土構筑物爆破拆除的仿真模擬，還原了拆除物爆破后的破壞過程，并得出爆破相關數據。在國內，馮叔瑜等[9]根據大量混凝土框架結構爆破拆除工程的高速攝影和錄像資料，分析了爆炸物和爆破參數之間的聯系。鄭炳旭等[10]通過近景攝影測量系統并結合數據定量分析了建筑爆破拆除倒塌過程，獲得爆破物倒塌過程中關鍵參數。胡勇輝等[11]用BP神經網絡對采礦成本的預測與控制模型的方法，可準確地對爆破參數進行優化，為爆破開采設計提供新思路。國內外對拆除爆破相關問題的研究雖有較多值得借鑒之處，但鮮有人就拆除爆破網路可靠性對爆破效果的影響進行專門的分析研究，且研究成果不夠理想[12-13]。可見，對于爆破網路可靠性方面有待進一步研究。

本文以廣西貴港樞紐交通橋拆除爆破為例，結合爆破器材、網路連接方式、起爆方式等方面，分析可能影響其爆破網路可靠性的因素，并對此進行計算，分析并總結上述影響因子對網路可靠性的影響，提出網路安全的防護新方法，為實現大型孔外延時拆除爆破達到最優爆破效果提供技術保障。

1　工程概況

貴港航運樞紐位于貴港市南環路的郁江南岸引航道上游，大橋東連接南環路，東側橋下有江南大道穿過，東北側約79 m有村莊民房，北約9.6 m為在建新橋基礎，西北、西南為工地，西約230 m連接郁江二橋，南側有南環路至江南大道轉盤。周邊環境十分復雜，建構筑物較多，施工難度較大。待拆的交通橋為中承式鋼筋混凝土肋拱橋結構，橋總長147.0 m，總凈寬18.6 m，橋面機動車道9.0 m，非機動車及人行道2 m×3.0 m，拱上橋面為12跨6.0 m，整體式連續梁板結構72.0 m，拱軸線弧長為105.3 m，拱背外弧長為107.2 m，拱腹內弧長為103.5 m，拱頂距橋面高13.0 m，橋由橋臺、引橋跨、主孔跨、拱肋、橋臺前臺、支柱、吊桿等構成。本次爆破需拆除主孔跨、橋臺前臺、支柱、拱肋；而橋臺、引橋跨不進行爆破，總工程量約3 100 m3。

2　爆破方案

2.1　爆破參數

由于貴港橋梁環境復雜，需粉碎性爆破使橋梁鋼筋與混凝土充分解體，以便后期水下清渣。對主孔跨、拱肋、橋臺前臺、支柱、橋面等橫跨航道的部分進行全部布孔實現粉碎性爆破，即采用孔外延時-多孔間微差控制爆破的方法進行拆除，其中橋梁布孔達五千多，爆破工程相關參數如表1所示。

表1　爆破參數

2.2　爆破器材

鑒于爆破點工程環境復雜，附近有各種電線網路，在不影響爆破效果的前提下從起爆安全角度出發，采用非電力起爆網路起爆。爆破選用2#巖石乳化炸藥、毫秒3段導爆管雷管、毫秒15段導爆管雷管、導爆管、四通管、起爆針、膠質導線、膠布和起爆器等。

2.3　網路連接方式

采用孔外延時-多孔間微差的非電起爆網路，在網路聯接中孔內用高段位雷管，孔外用低段位雷管，以保證孔內雷管起爆后，后傳爆雷管的網路不被破壞。網路連接中孔內采用15段導爆管雷管引爆炸藥，每束連接炮孔個數不超過20個，并采用2發毫秒3段導爆管雷管將各束串聯，形成孔外延時-多孔間微差非電起爆網路[14]，如圖1所示。

圖1　起爆網路圖

圖2　起爆分區圖

2.4　起爆順序

考慮爆破過程中橫向與縱向鋼筋的抗拉和剪切強度及混凝土強度，通過對橋梁結構截面的分析，將該橋分為8大起爆區域，如圖2所示。各區域間以50 ms進行延時控制，各區域內分成若干組，組間同樣以50 ms進行延時控制，以形成從橋兩端到中間(Ⅰ、Ⅰ′→Ⅱ、Ⅱ′→Ⅲ、Ⅲ′→Ⅳ、Ⅳ′)的爆破順序，該方法可有效減少同段爆破藥量，且實現對各部分結構逐步均勻卸載[15]。

3　網路可靠性

3.1　可靠性因素分析

在橋梁爆破拆除過程中，采用孔外延時-多孔間微差爆破方案對五千多炮孔正常起爆，其爆破網路非常復雜。為避免爆破網路破壞，要合理設計并優化網路、保障爆破網路傳爆的可靠性。

3.1.1爆破飛石切斷網路連接

由于爆破的不確定因素產生大量爆破飛石，可能會對周圍網路連接的造成破壞，出現拒爆現象。式(1)為產生爆破飛石到破壞網路的時間計算式。

Δt=t1+t2+t3

(1)

式中：Δt為飛石造成網路破壞的時間，s；t1為炮孔起爆延時的時間，ms；t2為飛石傳播的時間，ms；t3為導爆管傳爆時間，ms。

拆除爆破中，個別飛石可能是造成爆破網路破壞的主導因素，其初速度按式(2)計算[16]。

V0=B(Q1/3/W)2

(2)

式中：Q為起爆藥量，kg；W為最小抵抗線，m；B為介質系數，混泥土介質系數為B=9.60。此次橋梁的拆除爆破產生爆破飛石的個別飛石初速度約7.1～91.9 m/s。

孔內采用15段雷管，延時時長為880±60 ms；孔外用3段雷管，延時時長為50±10 ms，最小孔距為0.4 m，導爆管傳爆速度約195 0 m/s。Ⅰ區第一組炮孔起爆的最短安全延時時間約820 ms，其后每組間隔爆破最短安全延時時間均為40 ms。因此，計算分析起爆網路引爆開始至傳爆到最后1炮孔孔內導爆管的最長傳爆時間大于第1炮孔孔內的延時時間，先爆炮孔飛石可能對后爆起爆網路的造成破壞，須做好相應安全防護，才能保證網路的安全。

3.1.2雷管爆炸產物及金屬碎片切斷傳爆網路

雷管爆炸后，爆炸產物及金屬破片主要集中在雷管兩側及尾部正下方。金屬碎片的飛散具有極強的方向性，以雷管底部猛炸藥處為中心呈球狀擴散，假設炸藥能量全部用于殼體飛散，碎片初速度v0按式(3)計算[17]。

(3)

式中：D為炸藥的爆速，m/s；β=m/M，m為裝藥質量，kg,M為金屬質量，kg。

破片速度一般在1 500～2 100 m/s之間，金屬碎片的初速度在空氣傳播中因受阻力作用隨時間增大而逐漸減小。但金屬碎片的度大，傳播時間遠小于導爆管傳爆與孔外延時的時間，導爆管雷管爆炸產生的破片及金屬射流易對鄰近導爆管產生影響，致使網路傳爆中斷或破壞周圍網路[18]。

3.1.3拱肋破碎墜落砸斷網路

拱軸線弧長約107 m，拱頂距橋面0～13 m，爆破碎石在爆破后墜落具有較大的沖擊力，可能會破壞橋面其他網路。碎石破壞網路的時間按式(4)計算。

t=t1+t4

(4)

式中：t為碎石破壞網路的時間，s；t4為碎石下落時間，s。

由于爆破碎石飛散具有不定向性，沿垂直橋面方向墜落時間最短，也是導致拱肋下方網路破壞的主因。橋拱為第Ⅳ區，其炮孔傳爆的最短安全延時時間t1=820+40×4=980 ms，約傳爆至第16束炮孔，根據安全延遲時間可計算約在肋拱3/5處第一組炮孔開始起爆，最短t4=70 ms。因此橋面板網路約傳爆21～30 m距離，無法使橋面板網路傳爆完畢，可能造成拱肋下橋面的網路破壞。

基于上述網路破壞因素，對爆破網路可靠性的傳爆進行了定量計算并分析，爆破飛石、雷管金屬碎片切斷網路及拆除物砸斷網路是造成拆除爆破網路可靠性的主要因素。為了實現多炮孔和所有雷管有效起爆，避免因傳爆時出現拒爆、中斷和盲炮等事故，甚至導致爆破作用方向改變從而產生爆破災害，改善爆破效果好，提高爆破質量，應高度重視網路安全，并做好網路可靠性的安全防護，保證網路安全的傳爆。

3.2　防護措施

大規模拆除爆破，對爆破技術要求高，采用孔外延時多孔間微差控制爆破的起爆方式，起爆網路傳爆可靠性關系到整個爆破工程的成敗，網路安全防護的重要性可想而知。將爆破網路最薄弱環節處作為突破口，進行技術創新，以優化網路設計提高網路可靠性。

3.2.1跳線技術

跳線技術指通過分析網路可能會遭到破壞的因素，準確計算網路延時時間，從其他區或組間在相同起爆時間點的位置接一條網絡線路，使兩區或組間聯通，實現網路穩定傳爆。

3.2.1.1區間跳線

Ⅰ區、Ⅰ′區的延時安全時間約為820 ms，網路可以穩定傳爆13束約15～22 m；Ⅲ區、Ⅲ′區延時時間約為760 ms，在Ⅰ區、Ⅰ′區的影響下約傳爆12束約15～21 m；Ⅰ區和Ⅲ區待拆除的部分網路可以在有效延時時間內傳爆完畢，不會遭到爆破飛石等因素的損壞。

Ⅱ區、Ⅱ′區與Ⅳ區、Ⅳ′區待拆處的工程量大，炮孔數量多、密度大且傳爆距離長，易受先爆炮孔的影響而破壞網路，須采取網路的安全防護措施。Ⅰ區、Ⅰ′區與Ⅲ區、Ⅲ′區位于橋面板下，對Ⅱ區、Ⅱ′區與Ⅳ區、Ⅳ′區橋面上網路破壞較小可忽略。在Ⅱ區、Ⅱ′區與Ⅳ區、Ⅳ′區采用區間跳線技術，經網路安全計算和分析，可在Ⅱ區第三組和Ⅳ區第一組的第13束，在Ⅱ區第7組第13束和Ⅳ區第二組的第16束以后開始跳線，根據梁開水等[19]對導爆管起爆網路可靠度分析，在每組6束之間跳線一次，見圖3。

3.2.1.2組間跳線

Ⅱ區、Ⅱ′區炮孔數量多，區間跳線無法保證該區域的網路安全，所以Ⅱ區、Ⅱ′區同時采用組間跳線技術。第1組的第1束炮孔起爆之前網路約傳爆至第13束約15～22 m，在每隔6束之間加一組跳線，各組網路之間相互連通。橋的起爆方式為從兩頭到中間對稱起爆，可在對稱Ⅱ區、Ⅱ′區的對稱組的相同傳爆時間點、相同位置跳線。本工程在第15束開始跳線，梁開水等[19]通過網絡可靠度計算，在對稱組每個隔10束之間跳線，可改善網路安全性；通過組間跳線可以有效保護網路安全，實現復雜、大數量炮孔微差起爆，且不影響微差爆破效果(圖4)。

圖3　區間跳線圖

圖4　組間跳線圖

3.2.2軟性材料的壓蓋或鋪蓋

由于橋面板炮孔密集，在傳爆過程中導爆管易因前排炮孔先爆，爆破網路較易被金屬碎片切斷或飛石砸斷。因此，工程爆破中經常會出現網路傳爆中斷而致局部盲炮或拒爆的現象，嚴重時會導致爆破作用方向改變引發事故。

本工程采用孔外延時微差爆破技術，爆破前用軟性材料壓蓋在孔外延時雷管上，可有效減弱爆破過程中飛散的碎片對網路的影響。考慮到本工程量大和成本，就地取材采用沙袋覆壓于雷管上，對網路也具有一定防護作用。用軟性材料鋪蓋在拱肋下約3/5處橋面板的網路上，以減緩爆破網路因拱肋爆破飛石或飛散金屬碎片對爆破網路的影響。

3.3　工程應用分析

本拆除爆破工程采用多炮孔小藥量的形式，結合孔外延時網路特征，利用跳線技術設計爆破網路和爆破方案，其中橋梁布孔達五千余個。整個爆破工程實施過程中，基本按照設計方式傳爆，未出現任何影響爆破效果的故障，且爆破效果滿足設計要求，完全符合預期效果。主要表現在：①實現橋梁結構的完全破碎，且鋼筋與混凝土分離情況達到預期效果，水下清渣作業實施順利；②利用跳線技術設計的孔外延時微差控制拆除爆破技術，通過嚴格控制同段起爆藥量及起爆順序，爆破震動速度、飛石距離及其他方面均滿足《爆破安全規程(GB6722—2014)》[20]的相關要求；③實施爆破對周圍環境及河道的影響較小，且不存在任何未知安全隱患。

4　結　論

1) 通過對影響爆破網路可靠性的因素計算分析，顯示對于常規爆破網路可靠性的保護，可借助傳統技術手段實現網路安全傳爆。

2) 對于大規模、復雜的爆破工程，采用孔外延時微差爆破，利用跳線技術和通過軟性材料的壓蓋可有效提高爆破網路的可靠性。

3) 通過案例可知，借助跳線技術的孔外延時爆破網路可靠性好，設計、使用簡捷且爆破效果良好，對于大型礦山爆破開采提供有價值的參考依據，具備較好的推廣實踐意義。

[1]鄭炳旭.中國爆破新技術[M].北京:冶金工業出版社,2012.

[2]郭連軍,張國建.爆破CAD系統中的模糊預測模型的可靠性分析[J].中國礦業,2001,10(4):32-34.

[3]耿俊艷.拆除爆破技術及其安全科學研究[D].青島:山東科技大學,2005.

[4]張文龍.鋼筋混凝土結構冷卻塔爆破拆除設計與數值仿真[D].衡陽:南華大學,2016.

[5]MONJEZI M,SINGH T N,KHANDELWAL Manoj,et al.Prediction and analysis of blast parameters using artificial neural network[J].Noise & Vibration Worldwide,2006,37(5):8-16.

[6]Koji Uenishi,Hiroshi Takahashi,Hiroshi Yamachi,et al.PC-based simulations of blasting demolition of RC structures[J].Construction and Building Materials 2010,24:2401-2410.

[7]LUCCIONI B M,AMBROSINI R D,DANESI R F.Analysis of building collapse under blastloads[J].Engineering Structure.2004,26:63-71.

[8]NORIYUKI Utogawa.Simulation of demolition of reinforced concrete building by controlled explosion[J].Microcomputers in Civil Engineering,1992(7):151-159.

[9]馮叔瑜,呂毅,楊杰昌,等.城市控制爆破[M].北京:中國鐵道出版社，1987.

[10]鄭炳旭,魏曉林,陳慶壽.鋼筋混凝土高煙囪爆破切口支撐部破壞觀測研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(S2):3513-3517.

[11]胡勇輝,劉連生.基于BP神經網絡的沉積巖型礦山爆破開采成本的預測與控制模型[J].中國礦業,2013,22(11):75-79,87.

[12]孫梅,侯建華,劉大斌.一種適用于中小采石場的簡易非電起爆網路[C]∥第七屆工程爆破學術會議論文集.2001.

[13]李秦,符可軍,張森永,等.鈾礦井下反射四通非電起爆網路可靠性分析[J].中國礦業,2012,21(S1):484-487.

[14]崔曉榮,李戰軍,周聽清,等.拆除爆破中的大規模起爆網路的可靠性分析[J].爆破,2012,29(2):110-113.

[15]KAZUNORI Fujikake,PEERASAK Aemlaor.Damage of reinforced concrete columns under demolition blasting[J].Engineering Structures 2013,55:116-125.

[16]林大能,劉小春.拆除爆破飛石及其防護研究[J].湘潭礦業學院學報,1999,14(3):9-13.

[17]張華,郭寶義,謝興華.金屬殼雷管徑向破片速度計算及測試[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版,2005,24(4):540-542.

[18]胡升海,房澤法,熊鵬,等.雷管爆炸對鄰近導爆管影響的試驗研究[J].爆破,2014(1):118-123.

[19]梁開水,趙翔,張志旭.導爆管起爆網路可靠度分析[J].爆破器材,2006,35(5):22-24.

[20]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.爆破安全規程(GB 6722—2014)[S].2014.