跨線渡槽爆破拆除過程的安全風險管控

張志雄，廖承立，葉雪云，黃海東

(1.北部灣大學 建筑工程學院，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 電子與信息工程學院，廣西 欽州 535011)

隨著我國基礎建設的廣泛開展，工程爆破領域的發展也迎來了新的契機。爆破安全技術在交通工程、港口與航道工程、采礦工程等諸多領域得到廣泛應用[1-3]。出現一批新的安全評價分析方法和系統分析理論，促進了現場施工的安全管理[4]。這些成果大多數集中在現場安全辨識、安全風險分析的基礎理論上[5-7]，較少關注施工全過程安全風險的管控。特別是拆除爆破方面對施工安全的要求非常嚴格[8]，作業安全條件受制于現場復雜多變的環境。因此，爆破施工安全更是所有爆破工程的首要任務，如何實現工程爆破過程安全風險的有效控制已成為當前研究熱點[9-11]。Tian等[12]探究了隧道爆破開挖的振動規律以減小爆破沖擊對支護結構和圍巖的擾動。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]采用分區控制爆破實現了對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，鮮有關于跨線渡槽結構的爆破拆除方面的報道。

本文將結合連續多跨線渡槽爆破拆除安全評價危害因素的重要度，利用LS-DYNA軟件的數值模擬技術對爆破方案進行優化，對參數設計、網絡設計可靠度、鉆孔穿孔質量、人工預處理質量、爆區鄰近構筑物保護、槽體坐塌振動、空氣沖擊波等方面的影響因素進行研究，以獲取有針對性的安全技術與管控措施。

1 爆破方案

1.1 項目簡介

待拆除渡槽構件保存完整，承載結構穩固，因項目建設而拆除，西距高等級公路S322線與縣道X090交會處約1 500 m，渡槽主體距某單位廠區倉庫最近處約8 m，待爆主體周邊環境具體分布如圖1所示。渡槽結構參數見文獻[15]，此處不再贅述。

圖1 待拆除渡槽周邊環境示意圖

1.2 項目安全管控流程

拆除項目的爆破作業屬于高危行業，其施工作業因牽涉的環境復雜，且事關人民群眾生命安全及社會公共安全，導致施工安全管理難度大。安全風險管控已成為涉爆施工項目的重要工作內容，施工管理、安全技術、防護措施等方面的處置不當均可能導致巨大經濟損失及危及生命安全。如圖2所示，項目前期準備→爆破方案設計→安全評價→施工作業→爆后安全檢查→交工驗收等環節的組織管理很專業，爆破施工組織很嚴密，對技術人員與操作人員素質要求也非常高。

圖2 爆破項目安全管控流程圖

1.3 爆破方案

渡槽跨越X090線，從爆破警戒到路面清碴時間不宜太長，適合采用整體爆破一次坐塌的方案。考慮到U型槽體、雙肋拱及排架支持組合結構的力學特點，爆破方案對渡槽墩臺上部105 m的五連跨主體結構實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拆除的方案。網絡設計為電起爆網絡，主網絡采用多股銅芯軟導線連接，單孔裝雙發并聯瞬發電雷管，然后再串聯至干網。

爆破存在的難點有：(1)對廠區房屋和周邊附屬設施保護等級要求高。爆破點距廠房較近，庫房結構抗震性能較差，要求降低爆破振動的破壞效應，控制好塌落體觸地振動速度，以實現對埋地國防光纜、電信光纜、公路路面的保護，以及最大限度地降低爆破對鄰近構筑物的損壞。(2)安全防護要求高。爆區環境復雜，爆破飛石危害較大，因此，需要設計好孔網參數、控制好打孔質量與裝藥質量，以控制爆破飛散物的方向、速度及距離。通過有效的防護確保跨線渡槽下方的電信光纜、過往車輛、現場施工設備與人員的安全。(3)工期緊，中斷交通時間不宜過長，須控制在30 min內。爆破后需分解路面塌落體，并迅速清理，以快速恢復道路交通及廠區的正常生產。

2 安全風險的辨識及評價

2.1 安全評價流程

根據我國涉爆安全管理的相關標準和規定，從管理層面對涉爆單位、爆破項目和作業人員提出安全要求。按照中國爆破協會規范要求，須完成渡槽拆除爆破的安全評價，具體流程如圖3所示。利用與項目資質相匹配的安全評價咨詢機構或者工程爆破監理單位為工程爆破提供的安全評價報告、專家組群體智慧為爆破工程進行科學決策。根據專家組的科學指導以及建議意見，優化爆破設計與施工，并辨識爆破的主要危害因素，實現安全風險的有效管控，以期達到安全爆破的目標。

圖3 爆破安全性評價流程

2.2 安全風險的辨識

針對渡槽爆破拆除的安全評價要求，結合待拆除渡槽工程踏勘資料，構建了4個一級評價集與17個二級單因素評價集組成的爆破安全評價集。通過模糊層次分析法(fuzzy analytic herarchy process，FAHP)獲得影響因素的權重，評價結果見表1，詳細的分析過程見參考文獻[6]。根據以往研究結果，對二級單因素按照權重進行排序：爆破方案及參數設計>爆破網絡設計及可靠度>炮孔鉆孔質量>爆破斷點位置設計>預處理質量>爆區周圍建筑>爆破坐塌設計>安全教育及技術交底>炮孔裝藥質量>安全警戒>影響交通情況>炮孔填塞長度及質量>現場雜散電流情況>安全防護>爆區內管線>安全檢查>天氣狀況及能見度。

表1 渡槽爆破拆除安全評價因素集A

3 風險控制的措施

根據安全評價報告及專家組的建議，須加強爆破方案參數設計優化、爆破網絡設計可靠性、鉆孔施工質量、預處理質量、爆區周圍建筑保護及安全防護等方面的安全風險控制措施。結合評審專家的意見，開展了渡槽拆除爆破過程的數值模擬、現場爆破試驗、等效爆破網絡試驗、主動防護措施及安全參數校驗方面的研究。

3.1 數值模擬優化爆破坐塌方案

渡槽拆除采用整體爆破一次性坐塌方案，根據渡槽結構力學特征及各部件尺寸，該方案對渡槽墩臺上部105 m的五連跨主體結構實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求解軟件構建渡槽模型，模擬了連續多跨線渡槽結構在爆炸沖擊荷載作用下構件的受力、解體、渡槽整體失穩、坍塌、爆碴的堆積形態的準瞬態過程，以檢驗斷點設計的科學性。經過數值模擬確定了圖5的斷點設計及預處理方案。

圖4 渡槽初始與最終坐塌的數值模型

3.2 爆破斷點及切口設計

如圖5所示，渡槽筒身的D1～D5點采用人工預處理切口。渡槽東西兩側肋拱爆破點位置的選取、孔網參數、藥卷結構與藥量、炮孔堵塞及起爆方式均一致，分別在渡槽的肋拱頂面E1～E5點和肋拱腳底F1～F10點布設爆破斷點。

3.3 預處理

按圖5(a)所示，在拱肋及拱頂設計3排孔狀爆破斷點，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切一條寬度約20～30 cm的貫穿切口，提前解除附屬構件對承載構件肋拱的約束，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，與兩側人行道蓋板連接成整體，這樣就不會給肋拱折斷重力坐塌解體帶來牽制。

圖5 爆破切口設計及預處理

3.4 爆破參數確定及網絡可靠性檢驗

為了提高控制爆破的質量，在拱肋橫梁處開展現場驗證試驗，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。試爆結果表明:兩試驗孔都能完全切斷拱肋橫梁；根據爆破后遺留地面的飛散物測定，填入75 g炸藥的炮孔飛石散落地面的距離較遠，可達8 m；選用50 g炸藥時飛散距離較適當。

爆破網絡采用電雷管起爆網絡，單孔裝雙發并聯瞬發電雷管，然后再串聯。在野外實施起爆網絡模擬試驗，利用CHA-500起爆器引爆等效網絡，進行空爆試驗以驗證爆破網絡的可靠性。

3.5 爆破振動校驗及防護

爆破振動校驗采用Садовский經驗公式[16]：

(1)

式中，v為允許質點爆破振動速度，cm·s-1；K′為城市控制爆破的修正系數，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。將相關數據代入公式(1)，可得表2。

表2 爆破振動理論計算值

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

(2)

式中，vt為爆破對象塌落觸地振動速度，cm·s-1；Kt為衰減系數，一般取3.37；σ為地面介質的破壞強度，MPa，若倒塌區域公路路面為水泥硬化路面，則取σ=10 MPa；β為衰減系數，β=1.66；R1為觀測點至撞擊中心的距離，取30 m；M為爆破目標倒塌部分的質量，M=400 t；H為爆破對象重心高度，H=5 m。

通過計算，得出vt=0.79 cm·s-1，在安全值以內。考慮國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，實測數值見表3。

3.6 爆破飛石控制

此次爆破最高點為渡槽拱肋頂部孔，采用松動爆破裝藥參數，炮孔充分堵塞，抵抗線屬上厚下薄，防止爆破飛散物上沖，用物體平拋運動軌跡公式計算：

(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。經測定，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。將數據代入公式(3)，經計算得Rt=70 m，則人員的爆破安全警戒半徑設置為100 m，爆區內實施清場，全部人員必須撤至安全點躲炮。如圖6所示，鄰近倉庫方向炮孔的裝藥量為50 g，爆區全部裝藥孔采用多層編織袋覆蓋和炮泥填塞的防護措施。

4 爆破效果與結論

4.1 爆破效果

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

4.2 結論

(1)在跨線渡槽拆除爆破管理過程中規范企業爆破作業工藝流程，將方案設計、安全評價、爆破施工等納入項目管理，實現全過程管控，充分發揮安全評價專家的智庫作用，實現危害因素辨識和有效控制充分結合。

(2)通過構建跨線渡槽爆破拆除的數值模型，模擬其受力→解體→失穩→坍塌→爆碴堆積形態的準瞬態過程，優化爆破拆除過程的渡槽坐塌順序，實現方案設計階段的技術防控。

(3)通過試驗驗證合理藥量分配、模擬等效電阻電爆網絡、覆蓋和填塞防護措施，有效降低了危險因素的影響，實現了對電信與國防光纜、周圍構筑物等的有效防護。