新科技成果在现代拆除爆破中的应用

王熙鹏

(天津市工程爆破协会 天津300384)

工程爆破就是利用炸药的爆炸能量对介质做功，以达到预定工程目标的作业。随着国民经济的发展，工程爆破在工程建设中的作用越来越重要。我国城镇化的快速推进使得城市的改建、扩建需求急速增长，大量原有建(构)筑物迫切需要尽快拆除。拆除爆破工程(以下简称“拆爆”)作为工程爆破的一个重要分支迅速崛起，并得以快速发展。

1 现代拆爆应运而生

拆除爆破作为一种特殊的工程爆破，不同于一般的爆破项目。它是利用炸药爆炸释放的能量，破坏被拆除建(构)筑物的主受力构件，使其丧失系统的承载能力或使其失效，在整个受力体系遭到破坏的情况下塌落、解体。综合而言，拆除爆破具有如下4个特点：

①拆除对象的种类繁多，各种建筑物、构筑物，其体积大小各异、结构复杂，且各种材料并存，超高拆除对象及保护性拆除占比增加。

②拆除爆破的起爆网路愈加复杂，如图 1所示。爆炸的延时精度往往要求很高。

图1 国内某拆除爆破工程的起爆网路图Fig.1 Initiation network of a demolition blasting project in China

③工期紧迫。由于工程建设速度的加快，拆除爆破的设计与施工必须在尽可能短的时间内完成。

④作业环境复杂，必须保障施工安全。由于爆区往往地处城市中央或城区繁华地带，拆除爆破时必须确保爆区周边人员、设备、设施及其他建(构)筑物的安全。

我国的拆除爆破始于20世纪50年代，随着爆破器材和钻孔机具的发展以及计算机技术的广泛应用，拆除爆破技术得到了迅速发展，技术水平也得到了提高，但对于爆破有害效应的控制一直没有明确要求。

自20世纪80年代以来，随着拆除对象逐渐趋向高层化，拆除方法在呈现多样化的同时对安全问题愈加重视，这就使得拆爆难度不断增大。拆爆要在拆除对象的倒塌方式、倒塌方向、介质破碎程度、爆破堆积范围与高度等“爆破效果”，以及空气冲击波、爆破震动、个别飞溅物、粉尘等“爆破有害效应的控制”两个方面进行严格控制。拆爆时不仅要解决爆破控制上的技术难题，而且还必须深入研究爆破工程与环境的关系。现代拆爆工程的特征初现端倪，即要求对设计、施工、安全及环境进行全面把控。

2 控制爆破的不断完善

控制爆破是对“爆破效果”和“有害效应”两者同时实现可控的爆破理论和技术。现代拆除爆破工程对控制爆破的研究提出了新的课题：①方案的优化。为了适应现代拆爆的发展，需要对拆爆的设计方案进行论证、比较，通过优化设计精选爆破参数，使其更加贴近工程实际、适应爆区当地的特点。保证爆破方案安全、可靠、合理且经济。②施工组织设计与方案(施工图)设计等相互关联、一体化。③强化对从业人员的培训和指导。以控制爆破为基础，对施工及从业人员的培训提供理论和实践上的支持。

当今，控制爆破的设计内容已不单单是方案设计，还包括技术设计、施工图设计、施工组织设计、环境设计、安全设计、培训设计等各种相关内容。爆破设计对细节的把握不断深入和具体。从传统的爆破参数确定与装药设计，到设计方案的论证和优化，再到对爆破作业环境的把控、全面的安全防护设计，都要精益求精。

传统的控制爆破理论，大多依赖经验参数的选择而非函数表达，这对爆破效果及有害效应的预测造成极大障碍，导致无法实现对环境进行有效模拟和把控。随着新科技革命的到来，一批现代科技成果陆续应用到工程实践中。以精细化、数字化和智能化为主要特征的新科技成果，为控制爆破技术提供了科学预测和有效控制的基础理论和工具。

3 新科技成果的应用

3.1 三维计算机辅助设计平台

拆除爆破专用的计算机辅助设计(CAD)是利用计算机及辅助设备对拆除爆破工程进行系统设计工作。

当前在拆除爆破领域，大量的设计应用在二维空间内，借助二维 CAD软件，可以很方便地利用已有建(构)筑物的二维资料。其设计手段基本停留在计算机“辅助绘图”的阶段。施工要点多采用放大视图(节点图)的方式来表达。由于与爆区、爆破对象缺乏实际的“有效关联”，很容易造成施工中的疏漏或误读。对于施工成本的预计、工程费用的计算等都需要人工去单独计算；并且很容易为爆破施工带来隐患，难以切实保证预期爆破效果的实现和有害效应的控制要求。另外，对于拆除对象的倒塌方向与爆堆范围的控制需要专门的设计计算，无法在二维图像上形象、直观地表达。

随着新技术在工程设计领域的应用，三维设计渐成趋势。许多建(构)筑物的资料，包括总图(环境)资料都是三维数据。因此，三维的拆除爆破计算机辅助设计应用得越来越广泛。

在三维 CAD设计中，利用已有的三维资料建立爆区、爆破对象的三维实体模型，对爆破工程进行系统化设计，建立单一数据源，各种要素相互关联。构建结构化数据体系、一体化应用模型，这样既避免了二维设计时易出现的疏漏和误读，又方便对设计方案进行修改和调整，加上建立在云平台的社区式协同特点，变“文件共享”的串行工作为“同步、一体化”的并行工作模式；改变当前的“文件交付”方式为“数据交付”方式，从而大幅提高设计工作的效率和工程质量。

三维 CAD在设计完成后即可进行工艺设计，马上对爆破作业的施工工序进行分解，进而完成施工组织设计、施工计划及工程预算编制等相关内容；同时与各施工环节密切相关的施工组织、计划、预算等设计、统计等工作都可以更方便地展开，实现了现代拆爆系统的一体化设计。

使用三维 CAD更便于进行优化。在完成主要设计内容、确定爆破方案后，可与数值模拟相对接。通过数值模拟对爆破结果进行预测、仿真、优化设计，进而制定出更合理、可靠的爆破施工及项目管理方案。同时还可以确保实际爆破中存在的问题在早期就被发现和解决。

3.2 高速图像分析技术

采用高速摄影的方法拍摄实体的变化过程，运用光学测量技术把空间信息和时间信息完整地记录下来。利用与这种高速摄影技术相匹配的高速图像分析软件，对高速摄影记录的信息(如：运动规律、飞行轨迹、姿态变化以及力学弹性等)进行分析。

对于现代拆除爆破工程，减少爆破产生的粉尘污染是控制爆破有害效应中必不可少的环节。当前，虽然降尘方法层出不穷，但实际效果却仍有待增强。为了更有效地降尘，就需要深入研究粉尘的形成、扩散机理，以采取直接、有效的降尘措施。采用高速图像分析技术对建(构)筑物材料在爆轰载荷下解体、扩散的过程进行记录，通过这些数据对粉尘的形成过程进行解析，进而制定合理的技术方案及措施，对粉尘这一有害效应实施有效的控制。

3.3 无人机技术

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器，由于其体积小、造价低、携带方便、对环境要求低，近年来被大量应用于工程实践，如图2所示。

图2 工作人员正在操纵无人机进行航拍Fig.2 A technology manipulates a drone for erial photography

在爆破设计初期，设计人员需要对爆破作业环境的实时状况进行详细、全面的掌握。目前普遍使用卫星地图来实际了解爆区及周边环境，但由于卫星地图更新周期比较长、更新频率偏低，因此难以实时掌握爆区及周边环境的状况，时常要派驻人员进行现场勘查。借助无人机技术，在工程现场对整个爆区及周边环境进行详实的查勘、记录，可以大幅降低项目成本，同时为后续工序的实施如钻孔、装药、敷设网路等建立统一的参照依据。

3.4 虚拟现实(VR)技术

虚拟现实依靠计算机系统生成具有临场感觉的环境，让人借由各种特殊装置(专用头盔、眼镜等)将自己“投射”到这个环境中，模拟真实操作，以实现某些特定的目的。虚拟现实是一种可视化操作的崭新方式，是一种实现人与环境互动的高级模拟系统。图3展示了一种虚拟现实的成套装备。

图3外国某公司研制的成套 VR装备，使用者穿戴后可以感受打击、高温与爆炸Fig.3 A foreign company developed complete set of VR equipment that make people feel the blow，heat and explosion after wearing it

虚拟现实技术的人机交互远比一般计算机的人机交互要形象和具体，其多感知性和沉浸性可以更便于向他人展示设计结果。利用这一技术就可以将纸面上的爆破方案直观地展现在观众眼前，使观众可以对即将发生的爆破过程进行更真切的了解、观察和体验。这在投标述标、介绍方案、技术研讨等场合都将发挥重要作用。

当前，在施工作业前对操作要点的说明过分依赖图纸和说明书，施工要求难以全面、形象地表达。通过虚拟现实技术就可以让作业人员“身临其境”、实际操作、正确掌握，纠正错误的操作方式，可以切身体会到个人学习需求的满足感。这远比现场面授的效果要好得多。这对于保证施工质量，提高工作效率会起到相当大的作用。

在安全培训、爆破作业人员的培训中，虚拟现实技术也可以完全取代现有的面授培训。在面授培训中，对于爆破作业的具体操作方法、爆破作业的钻孔与装药的具体做法，由于没有实际设施而很难使学员正确把握操作细节。利用虚拟现实技术可以轻而易举地做到这一点。

图4 国内某公司利用VR套件进行的安全培训Fig.4 Security training for a company in China using VR

对于爆破作业环境潜在的安全隐患，在施工准备阶段与面授培训中，通过图像和语言来解说很难让人切身体会到人身的伤害苦痛。引入虚拟现实技术则可以使作业人员真切体验到安全的重要性。图 4展示的是采用虚拟现实技术进行安全培训的实景。

4 现代拆爆的发展愿景

我们正生活在第4次科技革命的浪潮中，数字技术的发展使各个行业纷纷转型。新兴的现代拆除爆破行业同样不会例外。随着新科技成果的不断涌现，控制爆破技术在新科技成果的带动下必将不断完善。而现代拆爆对新技术手段的应用，对完善爆破设计理论、提高设计水平和施工水平定会有所助益。现代拆爆将在控制爆破技术的推动下不断创新，数字化、系统化、智能化的现代拆爆离我们已经越来越近，一个个巨大的飞跃即将展现在我们面前。■

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