大型鋼筋混凝土筏板拆除爆破的參數優化

費鴻祿，羅 婷，錢起飛，張廣貝

(1.遼寧工程技術大學爆破技術研究院，遼寧 阜新 123000；2.中建八局第一建設有限公司，濟南 250100)

工程中常采用試爆效果來優化爆破方案，爆破效果直接關系整個工程的安全性及經濟效益，合理的爆破技術設計是爆破工程的重要保障，在城市拆除或對爆破振動要求嚴格時，爆破設計參數尤為重要。

通過現場試爆分析爆破振動規律和特點，精心設計和施工達到控制爆破振動和飛石的目的，是復雜環境要求下爆破主要解決的問題。爆破振動信號提取與分析方法國內外已有很多文獻。曹越等[1]對實測數據分析并利用db8小波基對橋墩基礎振動信號進行小波分析，研究了不同頻帶的相對能量分布，評價了爆破振動對橋梁的安全性。陳順祿等[2]針對鋼筋混凝土基礎快速拆除爆破的爆破振動信號進行小波分析，利用分析得到的主振頻率與建筑物的固有頻率的差異，對爆破方案進行合理的調整；馬華原等[3]基于小波變化的方法，通過對田灣核電站基礎開挖爆破中的信號監測，分析了爆破地震輸入結構物的能量特性，得到輸入能量的時-頻特性，從而進一步提取對結構引起有害振動的分量，再結合關鍵保護目標的結構頻響特性，給出了準確的結構安全預測結果；邱賢陽等[4]利用HHT能量譜對高精度雷管短延時爆破降振效果進行分析，提出基于HHT能量降能率能很好地衡量延時爆破干擾降振的效果；付曉強等[5]從瞬時能量的角度研究了爆破振動不同頻率的能量作用機理，驗證了HHT方法的自適應性和高效性在爆破振動信號分析中的優良特性；關曉磊等[6]用HHT時頻能量譜的時頻角度分析振動信號能量分布，更好地就爆破振動對建筑物是否有影響作出判斷。對于大型混凝土基礎的拆除，由于結構特點，一些機械拆除技術受到限制，爆破拆除或爆破拆除與機械拆除相結合的技術被廣泛應用。Park Hoon等[7]為了拆除大截面鋼筋混凝土基礎結構，提出了分段拆除爆破技術。為了達到良好的爆破效果，Park Hyoung Ki等[8-9]研究了爆破參數與爆破效果的關系，為爆破施工的優化提供了依據；李夕兵等[10]研究了單段與多段延時爆破中結構體對爆破振動的不同響應；李順波等[11]通過爆破模型試驗研究了不同延時間隔下爆破振動降振效果。

延時爆破技術可以運用到混凝土地基基礎的拆除中，但是僅僅通過驗證爆破振動速度和安全距離不足以說明爆破效果的優良，考慮到炸藥能量利用率以及后期清渣工程的便捷性等因素，還應該通過爆破產生的能量和鋼筋混凝土擠壓破碎的實際效果調整爆破方案參數。本文依托沈陽市沈河區團結路59號地塊項目拆除工程，基于HHT變換法對振動信號進行處理，結合鋼筋混凝土移動方向分析爆破設計參數的合理性，進而進行爆破參數的優化。

1 工程背景

待拆除筏板基礎位于沈陽市沈河區團結路59號，位于鬧市區，周邊臨近社會道路，周圍環境十分復雜(見圖1)。爆區附近商業樓林立，居民住宅區距離爆區最近僅有22 m，西面辦公樓距離爆區9 m，北臨團結路，西臨友好街，南臨天后宮街主要干道，外部交通不間斷，還有加油站、加氣站等危險待保護建筑和設施，所以控制爆破振動及飛石格外重要。筏板基礎底板距離地面7.5 m，厚2.2 m，內含4層鋼筋，鋼筋直徑25 mm，上下各有一層厚0.2 m C40混凝土墊層，總爆破方量20 000 m3,筏板基礎底板局部結構如圖2所示。

圖1 周圍環境

圖2 筏板基礎底板局部結構

2 HHT變換理論

HHT理論首先利用EMD將復雜信號分解成有限個固有模態函數(IMF)，然后對分解得到的IMF分量進行Hilbert變換得到瞬時頻譜[12]，綜合所有IMF分量的瞬時頻譜就得到Hilbert譜。

Hilbert譜是時間頻率平面上的幅度分布，可以采用等高線形式或者三維空間圖形表示[13]，Hilbert譜的表達式為

(1)

式中：Re表示信號的實部;j為虛部;ai(t)為幅值函數;i為IMF的個數;ωi(t)為頻率函數。

對Hilbert譜的時間頻率積分得到Hilbert譜瞬時能量譜：

(2)

3 爆破參數設計與優化

綜合考慮本次拆除爆破工程的施工特點，嚴格控制爆破飛石和爆破振動，確定采用預裂爆破、逐孔延時爆破、壓渣爆破相結合的技術，筏板基礎四周采用預裂爆破技術，且在主爆破區前實施。爆破前預先在距離防護邊墻四周0.5 m處，鉆取隔振炮孔以降低爆破振動及對周邊防護墻等設施的影響。本文主要針對延時時間及起爆點位置進行方案優化。

3.1 初始爆破參數設計

1)孔網參數?？紤]到鉆孔施工和爆破效果，利用機械拆除筏板基礎表面0.2 m混凝土墊層，對其余厚1.8 m鋼筋混凝土基礎進行爆破。為了鉆孔方便，采用垂直鉆孔，梅花形布孔，炮孔直徑42 mm，根據筏板基礎板厚度及以往類似工程經驗取孔深1.5 m，考慮到鉆孔直徑、裝藥量、周邊環境、拆除爆破底板尺寸和內部配筋情況，最小抵抗線W不小于0.6 m，取W=0.6 m。為了達到爆破塊度均勻，減小大塊率，利于挖裝和清理，炮孔應盡量均勻布置，孔距a=(1.0～1.5)W，取a=1 m。排距b=(0.8～1.0)W，取b=0.6 m。

2)單位炸藥消耗量q。單位炸藥消耗量選取0.60、0.55、0.50 kg/m3進行試爆，試爆參數如表1所示，試爆效果如圖3所示。

表1 試爆參數

圖3 試爆效果

從圖3可以看出單位炸藥消耗量為0.50 kg/m3時，堵壓炮孔的沙袋撕裂嚴重，存在穿孔現象，混凝土表面裂隙不明顯，說明單位炸藥消耗量選取不合理；單位炸藥消耗量取0.55 kg/m3時，混凝土表面有明顯裂縫，且無飛石等情況出現；單位炸藥消耗量取0.60 kg/m3時，表面雖有裂縫但堵壓沙袋損毀嚴重，單位炸藥消耗量設計過大。最終根據試爆效果確定本工程單位炸藥消耗量為q=0.55 kg/m3。單孔藥量根據計算公式：

Q=qabH

(3)

式中：H為爆破部位高度，m。

確認單孔藥量為0.56 kg。炸藥采用乳化炸藥，裝藥方式為連續裝藥結構。雷管采用數碼電子雷管。

3.2 爆破延時時間優化

根據試爆效果設計了3個方案，為了更客觀地評價3個延時時間和起爆點選取的爆破方案的特點，除延時時間及起爆點位置的其余爆破參數不發生改變，針對爆破工程的不同參數方案取距離爆破區最近處20 m，高程7.71 m的惠園小區西側測點進行監測，且保證每次測點距離爆區距離一致(測點見圖1)再結合爆破效果進行優化，具體方案如表2所示。由于篇幅有限，這里選取炮孔的部分雷管延時設置方案做示例(見圖4)。

表2 爆破參數

圖4 起爆點及延時時間設置方式

3.2.1 瞬時能量分析

通過監測得到的3個方向上的振動信號，分析出垂直方向上的振速最大，所以本文選擇垂直方向上的爆破振動信號能更好地反應爆破振動實質特征。對3個方案監測分別得到3組垂直振動信號，經過HHT變換得到與之對應的瞬時能量譜(見圖5)。

圖5 各方案振速與其對應的瞬時能量譜

瞬時能量譜反應信號隨時間的變化，數碼電子雷管逐孔起爆在整個振動過程中，振速有多個大小接近的峰值，瞬時能量表現為一個最大峰值，其余時刻瞬時能量波動平穩。精確延時起爆形成的地震波在時間上分散出現，減少了振動峰值的疊加，使振動能量在時間軸上出現均勻分布的趨勢[14]，由圖5可以觀察到各方案的瞬時能量的峰值出現時間與峰值振動速度出現的時間基本一致，這符合數碼電子雷管爆破的實質特征。方案1振動速度和瞬時能量最大，不利于控制爆破振動和爆破飛石，此方案不宜選用；方案2和方案3振動速度相當，但是方案3的瞬時能量分布更為均勻，說明作用在鋼筋混凝土之間的力更均勻，爆破效果更好。

3.2.2 混凝土移動方向分析

通過控制單孔藥量和采用高精度雷管逐孔起爆技術嚴格控制爆破振動。逐孔起爆作用原理是利用先起爆形成的裂隙和附加自由面為后期起爆的炮孔增加瞬時自由面，本工程爆破過程中,瞬間自由面的形成受爆區內同時起爆的炮孔內藥包影響，因此根據爆破等時線(延時時間的變化趨勢)，就可確定出瞬間自由面在不同時刻的形態。通過分析炮孔位置與瞬間自由面的相對位置，就可以對炮孔相鄰區域內鋼筋混凝土的移動方向做出判斷[15]。結合等時線和鋼筋混凝土移動方向可以對爆堆的形態進行判斷。

根據炮孔延時起爆方案，利用計算機軟件模擬爆破等時線及鋼筋混凝土移動方向如圖6所示。

圖6 等時線及鋼筋混凝土移動方向

由圖6看出方案1的鋼筋混凝土向臨空面的左側擠壓，方案2鋼筋混凝土整體也向臨空面左側擠壓，方案3鋼筋混凝土從兩側向臨空面的中間擠壓，鋼筋混凝土擠壓破碎效果更好。方案2對比方案1只改變了延時時間，未做起爆點位置的改變，但是等時線及鋼筋混凝土移動的相對位置的變化說明方案2的延時時間設置的更合理，方案3對比方案2，起爆點位置做了調整，鋼筋混凝土移動方向滿足了預期效果，說明中間起爆的起爆方式更為合理。

4 數值模擬

利用ANSYS/LS-DYNA對3種爆破參數方案分別進行數值模擬，將模擬的爆破效果與實際爆破效果進行對比分析，驗證方案的可行性。

4.1 模型建立

利用ANSYS/LS-DYNA建立3個單層單元有限元模型模擬1.8 m鋼筋混凝土基礎爆破效果。模型尺寸長3.7 m、寬1.8 m、高1.8 m，從下至上依次為0.35 m混凝土層、0.55 m炸藥高度，0.9 m填塞高度，在模型左右邊界、下邊界以及后邊界施加無反射邊界條件。根據模型大小設置兩排炮孔，炮孔孔徑取42 mm，梅花形布孔，模型如圖7所示，其中爆破延時時間及起爆點布置情況根據3個方案依次調整。

圖7 數值模型

4.2 破壞狀態對比分析

采用數碼電子雷管對筏板基礎進行爆破后，筏板基礎表面部分區域出現明顯裂縫，混凝土墊層斷裂，機械清除筏板基礎表面混凝土后，下部混凝土破碎成塊，塊度均勻。爆破時震感不強烈，爆區上層結構穩定，未出現塌落、爆破飛石等不良情況，爆破未對周圍建(構)筑物、周邊道路通行及周邊人民生活造成影響。為了與現場實際爆破效果做對比，對爆體進行切片處理，截取某時刻各方案實際爆破效果與模擬爆破效果對比如圖8所示。

圖8 各方案爆破效果對比

根據截取的模擬爆破效果圖可以直觀的看到3個方案的鋼筋混凝土擠壓方向，方案1鋼筋混凝土向一側擠壓，改變延時后的方案2有少部分改變擠壓方向的趨勢但效果并不明顯，方案3則是可以直觀地看出混凝土由兩側向中間擠壓，與現場實際爆破效果相一致。

4.3 應力分析

在模型的一個自由面上沿x方向平均取點(見圖9)，得到3個方案的應力曲線(見圖10)，根據應力曲線分析爆破時產生的應力情況。其中B、D、F點接近前排炮孔點。

圖9 測點布置

圖10 3種方案的應力時程

根據3個應力圖可以看出應力發生主要變化的時間是0～0.2 s，0.2 s之后應力均趨于平穩狀態。前兩組應力圖說明B點應力最先發生變化，應是第1個炮孔起爆引起的變化，方案2的H點出現較多負向應力，可能是鋼筋混凝土擠壓方向造成的結果；第3組應力圖可以看到D點應力首先發生變化，與方案3的中間起爆方式有關，B點和F點應力也依次發生變化，與延時時間設置變化一致，D點兩側應力依次發生變化且越靠近D點越大，這將使得鋼筋混凝土向D點附近擠壓，進而達到更優的鋼筋混凝土破碎效果。

5 結論

1)對爆破振動信號進行HHT變換，將分析得到的瞬時能量譜與爆破振速進行比較，基于各方案下振速圖和瞬時能量譜的一致性，通過數值模擬和試爆效果確定了合理的延時時間和起爆點位置。

2)此次爆破孔間延時39/31 ms，排間延時101 ms，V型起爆的方案更合理，既能夠合理控制振動飛石，又能夠增強鋼筋混凝土之間的擠壓破碎效果。

3)拆除爆破采用逐孔起爆技術達到了良好的爆破效果，提高了工作效率，對同類大體積鋼筋混凝土基礎的拆除具有很好的參考價值。