制梁臺座預埋管爆破拆除技術

葉建軍,彭慶波,李 虎,韓學軍,王冠海,褚人猛

(1.湖北工業(yè)大學 土木建筑與環(huán)境學院,湖北 武漢 430068;2.中鐵十六局集團第一工程有限公司,北京 100048;3.湖北凱龍工程爆破有限公司,湖北 荊門 448004)

0 引言

制梁臺座是梁場生產(chǎn)預制混凝土梁的重要設施[1-4]。 預制梁用以在制梁臺座上澆筑混凝土、預應力張拉、蒸汽養(yǎng)護。 在完成預制梁生產(chǎn)后,制梁臺座需要拆除。

制梁臺座為鋼筋混凝土結構,其后期拆除通常采用人工、機械和爆破拆除3 種方法。 人工拆除方法工時長、費用高、勞動強度大,已淡出工程界,只在少量機械或爆破方法難以處理的小構件的拆除工程中使用;機械拆除方法效率雖然比人工拆除高,但噪聲和粉塵污染較嚴重。 相對而言,爆破拆除是最高效的方法。 對于地理位置偏僻的梁場,不必擔心爆破有害效應,制梁臺座的拆除應優(yōu)先選擇爆破方法。 爆破拆除通常的做法是在拆除時用鉆機鉆孔,然后裝藥進行爆破拆除。 然而,制梁臺座中分布有鋼筋,鉆孔難度較大、成本較高。 為了降低爆破拆除成本,結合全壽命設計周期理念[5],并借鑒大體積混凝土預埋管爆破拆除技術[6]和在建筑物周邊柱中預埋落水管爆破拆除技術[7],提出了一種利用制梁臺座的拉筋孔、蒸汽養(yǎng)護管等兼作拆除炮孔的制梁臺座預埋管布置方式,以實現(xiàn)一管多用,免鉆孔、低成本地拆除制梁臺座的目的。 筆者將詳細介紹該技術,并結合具體制梁臺座案例,對比研究按照原設計開展鉆爆法拆除和運用新的預埋管進行爆破拆除的技術經(jīng)濟性,為今后工程建設中預制梁場制梁臺座的拆除選擇提供參考。

1 制梁臺座預埋管爆破拆除技術

本技術的核心思想是運用全壽命設計理念,在制梁臺座澆筑之初就考慮到其拆除爆破:即在設計制梁臺座蒸汽養(yǎng)護管道和拉筋孔時,同時考慮這些孔洞作為將來拆除炮孔。 通常在澆筑制梁臺座時以預埋管的方式形成養(yǎng)護管道和拉筋孔,做到了一管兩用,以達到降低制梁臺座全壽命成本和工期的目的。

1.1 兼作拆除炮孔的制梁臺座預埋管布置方式

兼作拆除炮孔的制梁臺座預埋管布置方式如圖1 所示。 為兼顧預制梁的蒸汽養(yǎng)護及爆破拆除,預埋管參數(shù)設計如下:

圖1 兼作拆除炮孔的制梁臺座預埋管立體結構

1)拉筋孔。 拉筋孔在制梁臺座起固定側(cè)模的作用。 在常規(guī)的設計(如圖2 所示)中,拉筋孔水平布置,中軸線距離制梁臺座上表面10 ～15 cm。 形成拉筋孔的預埋管直徑為30 ～40 mm,水平間距30～50 cm 等距布置。 本技術中,當制梁臺座高度較大時,拉筋孔應考慮兼作爆破拆除的炮孔。 鑒于常規(guī)設計的拉筋孔與制梁臺座上表面的距離只有10～15 cm,不利于爆破安全和充分利用炸藥能量。為滿足爆破要求,拉筋孔與制梁臺座上表面的距離調(diào)整為25～30 cm。 考慮到乳化炸藥藥卷常用規(guī)格為?32、?35 mm,將拉筋孔孔徑調(diào)整為40 ～50 mm。預埋管管材選擇強度合適、價格便宜的PVC 塑料管。 爆破時可根據(jù)具體炸藥單耗選取合適間隔的拉筋孔作為炮孔,余下的拉筋孔閑置。

2)蒸汽養(yǎng)護主管。 常規(guī)的設計(如圖2 所示)中,蒸汽養(yǎng)護主管直徑為30 ～40 mm,沿制梁臺座長軸預埋,一端與進氣管連接,另一端延伸出制梁臺座的端部。 若把蒸汽養(yǎng)護主管兼作拆除炮孔,要重新調(diào)整設計,以滿足爆破拆除對炮孔參數(shù)要求。參照鋼筋混凝土結構垂直炮孔布置經(jīng)驗來設計制梁臺座水平蒸汽養(yǎng)護主管。 顧紅建等[8]在方形鋼筋混凝土基礎爆破設計時,垂直鉆孔孔深根據(jù)公式L=(0.8 ～0.9)H計算。 陳順祿等[9]在條形墻結構和板型結構的鋼筋混凝土基礎爆破設計時,垂直孔深取L=H-0.3 m。 參考汪旭光[10]主編《爆破設計與施工》提供的基礎工程垂直鉆孔孔深經(jīng)驗系數(shù)表,孔深L=KH,式中,K為經(jīng)驗系數(shù),H為厚度系數(shù)。 當?shù)撞繜o自由面而有施工縫時,K值應取0.75～0.85,炮孔孔底至施工縫的距離應大于10 cm。 制梁臺座底部與地面接觸,材料不連續(xù),相當于有施工縫。 因此,綜合借鑒上述拆除爆破經(jīng)驗,蒸汽養(yǎng)護主管中軸線與水平地面的距離調(diào)整為0.15～0.25 倍臺座高度,孔徑調(diào)整為40～50 mm。 為抵抗蒸汽高溫,同時不嚴重影響爆破效果,預埋蒸汽養(yǎng)護主管管材宜選擇耐高溫塑料管。

圖2 常規(guī)設計的制梁臺座立體結構

3)進氣管。 進氣管從地面下接入制梁臺座,與制梁臺座近端部的距離為30 ～50 cm,為使得端部混凝土也能達到同等破碎程度,調(diào)整進氣管與制梁臺座近端部的距離為15～30 cm。

4)蒸汽養(yǎng)護分管。 常規(guī)的設計(如圖2 所示)中,蒸汽養(yǎng)護分管直徑為10～15 mm,垂直于制梁臺座長軸方向,由蒸汽養(yǎng)護主管向制梁臺座兩側(cè)引出。若把蒸汽養(yǎng)護主管兼作拆除炮孔進行裝藥爆破,還應堵塞蒸汽養(yǎng)護分管,操作煩瑣。 在本技術設計預埋管時,將蒸汽養(yǎng)護分管移到臺座兩側(cè),避免了將來拆除時對其堵塞處理。 蒸汽養(yǎng)護分管上半邊管壁間隔1～2 m 鉆有若干直徑為8～12 mm 的蒸汽養(yǎng)護孔,水蒸氣從蒸汽養(yǎng)護孔噴出,如圖1 所示。

1.2 爆破拆除施工工藝

不同截面尺寸的制梁臺座,其爆破拆除方案設計不同。 當制梁臺座高度較低時,只需使用蒸汽養(yǎng)護主管作為拆除炮孔,選取合理的炸藥單耗裝藥爆破即可達到理想的破碎效果,其裝藥結構如圖3 所示。

圖3 蒸汽養(yǎng)護管裝藥結構

蒸汽養(yǎng)護主管作為炮孔裝藥施工時,應先拆除蒸汽養(yǎng)護分管,破壞制梁臺座端部混凝土,找到未裸露的蒸汽養(yǎng)護主管,破壞蒸汽養(yǎng)護主管與進氣管的連接部位,用高壓風機清理炮孔,將每個炸藥藥包均綁扎在一根導爆索上,隨后將端部的炸藥藥包綁扎在鐵絲上,拖拽鐵絲將炸藥拖入炮孔內(nèi),引出雷管腳線后用炮泥堵塞炮孔。 鑒于炮孔為深孔,在裝藥拖拽過程中,藥包與炮孔孔壁持續(xù)地摩擦易導致炸藥藥包破損、導爆索斷裂等情況。 使用裝藥長袋[11]進行裝藥可對炸藥藥包及導爆索產(chǎn)生有效保護,裝藥更加安全。

當制梁臺座高度較大時,應將拉筋孔作為爆破拆除炮孔,其裝藥結構如圖4 所示。

圖4 拉筋孔裝藥結構

2 案例分析

2.1 工程概況

臨洮安家咀至臨夏公路(簡稱安臨公路)AL4合同段起點位于李家坪村,終點三甲川,起訖里程K19+500 ～K32+800。 標段內(nèi)設一個預制梁場,制梁臺座32 個,30 m 和20 m 箱梁預制臺座均為16個,截面尺寸均為0.9 m×0.65 m。 原設計制梁臺座(以下簡稱原設計)如圖5、圖6 所示。

圖5 原設計制梁臺座正面結構(單位:mm)

圖6 原設計制梁臺座側(cè)面結構(單位:mm)

以安臨公路AL4 標段梁場31 m 制梁臺座為例,假定制梁臺座需要爆破拆除。

2.2 基于原設計的制梁臺座爆破拆除方案

2.2.1 原設計制梁臺座爆破拆除方案選擇

原設計蒸汽養(yǎng)護主管采用鋼管,在制梁臺座中沿長軸預埋,管道成本高,爆破時底部混凝土破碎效果差。 且受到材料的約束,爆破產(chǎn)生的能量甚至不足以破開鋼筋混凝土。 原設計的蒸汽養(yǎng)護主管管徑為32 mm,管徑太小需對炮孔進行擴孔。 擴孔前需拔出蒸汽養(yǎng)護主管,但管壁與混凝土粘連過于緊密,拔管不僅操作困難,反而極大提高了拆除成本。 即使拔出管道,但炮孔長達31 m,擴孔難度大,不能作為拆除的優(yōu)選方法。

綜合上述分析,利用原有預埋孔不能完成臺座拆除,最好的方案是重新鉆孔爆破。

2.2.2 炮孔布置

采用垂直鉆孔方式,最小抵抗線取0.41 m,從制梁臺座頂面垂直向下鉆孔,鉆取的炮孔緊貼蒸汽養(yǎng)護主管,孔徑為40 mm,孔深L為0.45 m,炮孔間距a為0.8 m,炮孔平面布置如圖7 所示。

圖7 炮孔平面布置(單位:mm)

2.2.3 裝藥結構

設計使用的炸藥為?32 mm 的乳化炸藥藥卷,單耗q取427 g/m3,單孔裝藥量Q=200 g,裝藥結構如圖8 所示。

圖8 鉆孔裝藥結構(單位:mm)

2.3 采用新技術制梁臺座爆破拆除方案

2.3.1 炮孔布置

考慮到制梁臺座高度較低,只需要使用蒸汽養(yǎng)護主管作為炮孔。 選擇?40 mm 耐高溫塑料管作為蒸汽養(yǎng)護主管,選擇?40 mm 的PVC 塑料管作為拉筋孔管道,如圖9 所示。

圖9 新設計制梁臺座預埋管布置結構(單位:mm)

2.3.2 裝藥結構

裝藥結構如圖10 所示,爆破選擇?32 mm 的乳化炸藥藥卷。 最小抵抗線W取0. 4 m,單耗q取427 g/m3,單點裝藥量Q=200 g,采用間隔裝藥,裝藥段長度為0.2 m,間隔段長度為0.6 m,兩端的炸藥內(nèi)均插入雷管,兩端堵塞段長度為0.3 m。

圖10 新設計制梁臺座預埋管裝藥結構(單位:mm)

3 原設計和新設計爆破拆除技術經(jīng)濟比較

3.1 主要工程量分析

基于原設計采用鉆爆法需垂直鉆孔39 個,每個孔深0.45 m,鉆孔總長度17.6 m。 每個炮孔堵塞長度為0.25 m,堵塞總長度為9.8 m。

新設計爆破時需破壞制梁臺座端部保護層鉆孔0.15 m,預埋的蒸汽養(yǎng)護主管作為炮孔,兩端均堵塞0. 3 m,進氣管堵塞0. 25 m,堵塞總長度為0.85 m。

3.2 主要材料消耗分析

基于原設計采用鉆爆法,炸藥單耗為427 g/m3,裝藥采用?32 mm 乳化炸藥藥卷,總炸藥量為7.8 kg,采用毫秒延期電子雷管微差爆破,消耗電子雷管39 發(fā)。

新設計預埋孔爆破拆除,炸藥單耗為427 g/m3,裝藥采用?32 mm 乳化炸藥藥卷,總炸藥量為7.8 kg。 由于新設計預埋炮孔為深孔,為保證穩(wěn)定傳爆,在炮孔內(nèi)部通長布置1 根導爆索,長度為30 m,兩端的藥卷內(nèi)均插入1 發(fā)電子雷管,從兩端向中間傳爆,共消耗電子雷管2 發(fā)。 新設計增加了蒸汽養(yǎng)護分管的管材消耗,蒸汽養(yǎng)護分管選擇?10 mm 的耐高溫塑料管,相比于原設計,多消耗的管道總長度為48.3 m。

3.3 原設計鉆爆法與新設計預埋管道爆破拆除直接成本分析

如表1 所示,拆除安臨公路AL4 標段預制梁場31 m 制梁臺座,新技術預埋管道爆破拆除成本為30.6 元/m3,鉆爆法拆除成本為143.5 元/m3,對比兩種爆破拆除方案,發(fā)現(xiàn)使用新技術預埋管道爆破拆除法比鉆爆法拆除成本節(jié)約了78.7%,具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。 基于原設計采用鉆爆法拆除不用消耗多余的管材和導爆索,但該方法電子雷管使用量大,價格昂貴,且鉆孔數(shù)量多,工程量大。 新技術預埋管爆破拆除法,雖然增加了管材和導爆索的費用,但電子雷管消耗量小,幾乎無須鉆孔,拆除成本大大降低。

表1 兩種方法拆除直接成本對比

4 結論

為降低制梁臺座全壽命成本,在制梁臺座澆筑之初,就應考慮到其爆破拆除的情況。 改進常規(guī)制梁臺座內(nèi)預埋管的布置方式,澆筑形成的制梁臺座既可滿足預制梁生產(chǎn)的需要,后期拆除時,內(nèi)部的預埋管又可作為爆破拆除的炮孔。 經(jīng)過兩種方案的對比分析,使用新技術預埋孔爆破拆除相比鉆爆法拆除,能夠大量減少鉆孔及爆破器材的消耗,避免了鉆孔產(chǎn)生的噪聲污染,縮短了工期,具有良好的經(jīng)濟效益。 其他工程中的臨時條形鋼筋混凝土結構(如梁場軌道梁、建筑移位的軌道梁等)設計、施工和拆除,預埋孔爆破拆除技術可供參考。

工程實踐中,制梁臺座的設計通常由路橋?qū)I(yè)或材料專業(yè)技術人員完成,他們往往并不具備爆破拆除的知識,也就不可能在設計預埋孔時兼顧考慮后期的爆破拆除方案。 因此,要在實際工程中運用全壽命設計理念,還需爆破專業(yè)技術人員參與制梁臺座的設計工作。 只有多專業(yè)、多部門人員的相互配合,才能在未來的類似臨時鋼筋混凝土結構工程中合理運用此技術。