大型孔外延时拆除爆破网路可靠性研究

程贵海，陈善江，胡华瑞，凌宇恒，张勤彬，覃　翔

(广西大学资源环境与材料学院，广西 南宁 530004)

爆破主要涉及岩土爆破、水下爆破、特种爆破、矿山爆破、拆除爆破等领域，爆破技术随着科技进步也取得了长足的发展[1]。拆除爆破在生活中较为常见，该爆破工程的实施包括爆破方案的设计、爆破器材的选取、网路技术防护等方面，其中爆破网路可靠性因与爆破效果息息相关而显得尤为重要[2-4]。因此，对爆破网路可靠性研究具有重要的理论意义和使用价值国内外学者针对拆除爆破相关问题已进行了一系列研究。在国外，M.Monjezi等[5]借助人工神经网路模型来预测和分析爆破结果，以此优化爆破方案；Koji Uenishi等[6]、Luccioni等[7]、Noriyuki Utogawa[8]通过对钢筋混凝土构筑物爆破拆除的仿真模拟，还原了拆除物爆破后的破坏过程，并得出爆破相关数据。在国内，冯叔瑜等[9]根据大量混凝土框架结构爆破拆除工程的高速摄影和录像资料，分析了爆炸物和爆破参数之间的联系。郑炳旭等[10]通过近景摄影测量系统并结合数据定量分析了建筑爆破拆除倒塌过程，获得爆破物倒塌过程中关键参数。胡勇辉等[11]用BP神经网络对采矿成本的预测与控制模型的方法，可准确地对爆破参数进行优化，为爆破开采设计提供新思路。国内外对拆除爆破相关问题的研究虽有较多值得借鉴之处，但鲜有人就拆除爆破网路可靠性对爆破效果的影响进行专门的分析研究，且研究成果不够理想[12-13]。可见，对于爆破网路可靠性方面有待进一步研究。

本文以广西贵港枢纽交通桥拆除爆破为例，结合爆破器材、网路连接方式、起爆方式等方面，分析可能影响其爆破网路可靠性的因素，并对此进行计算，分析并总结上述影响因子对网路可靠性的影响，提出网路安全的防护新方法，为实现大型孔外延时拆除爆破达到最优爆破效果提供技术保障。

1　工程概况

贵港航运枢纽位于贵港市南环路的郁江南岸引航道上游，大桥东连接南环路，东侧桥下有江南大道穿过，东北侧约79 m有村庄民房，北约9.6 m为在建新桥基础，西北、西南为工地，西约230 m连接郁江二桥，南侧有南环路至江南大道转盘。周边环境十分复杂，建构筑物较多，施工难度较大。待拆的交通桥为中承式钢筋混凝土肋拱桥结构，桥总长147.0 m，总净宽18.6 m，桥面机动车道9.0 m，非机动车及人行道2 m×3.0 m，拱上桥面为12跨6.0 m，整体式连续梁板结构72.0 m，拱轴线弧长为105.3 m，拱背外弧长为107.2 m，拱腹内弧长为103.5 m，拱顶距桥面高13.0 m，桥由桥台、引桥跨、主孔跨、拱肋、桥台前台、支柱、吊杆等构成。本次爆破需拆除主孔跨、桥台前台、支柱、拱肋；而桥台、引桥跨不进行爆破，总工程量约3 100 m3。

2　爆破方案

2.1　爆破参数

由于贵港桥梁环境复杂，需粉碎性爆破使桥梁钢筋与混凝土充分解体，以便后期水下清渣。对主孔跨、拱肋、桥台前台、支柱、桥面等横跨航道的部分进行全部布孔实现粉碎性爆破，即采用孔外延时-多孔间微差控制爆破的方法进行拆除，其中桥梁布孔达五千多，爆破工程相关参数如表1所示。

表1　爆破参数

2.2　爆破器材

鉴于爆破点工程环境复杂，附近有各种电线网路，在不影响爆破效果的前提下从起爆安全角度出发，采用非电力起爆网路起爆。爆破选用2#岩石乳化炸药、毫秒3段导爆管雷管、毫秒15段导爆管雷管、导爆管、四通管、起爆针、胶质导线、胶布和起爆器等。

2.3　网路连接方式

采用孔外延时-多孔间微差的非电起爆网路，在网路联接中孔内用高段位雷管，孔外用低段位雷管，以保证孔内雷管起爆后，后传爆雷管的网路不被破坏。网路连接中孔内采用15段导爆管雷管引爆炸药，每束连接炮孔个数不超过20个，并采用2发毫秒3段导爆管雷管将各束串联，形成孔外延时-多孔间微差非电起爆网路[14]，如图1所示。

图1　起爆网路图

图2　起爆分区图

2.4　起爆顺序

考虑爆破过程中横向与纵向钢筋的抗拉和剪切强度及混凝土强度，通过对桥梁结构截面的分析，将该桥分为8大起爆区域，如图2所示。各区域间以50 ms进行延时控制，各区域内分成若干组，组间同样以50 ms进行延时控制，以形成从桥两端到中间(Ⅰ、Ⅰ′→Ⅱ、Ⅱ′→Ⅲ、Ⅲ′→Ⅳ、Ⅳ′)的爆破顺序，该方法可有效减少同段爆破药量，且实现对各部分结构逐步均匀卸载[15]。

3　网路可靠性

3.1　可靠性因素分析

在桥梁爆破拆除过程中，采用孔外延时-多孔间微差爆破方案对五千多炮孔正常起爆，其爆破网路非常复杂。为避免爆破网路破坏，要合理设计并优化网路、保障爆破网路传爆的可靠性。

3.1.1爆破飞石切断网路连接

由于爆破的不确定因素产生大量爆破飞石，可能会对周围网路连接的造成破坏，出现拒爆现象。式(1)为产生爆破飞石到破坏网路的时间计算式。

Δt=t1+t2+t3

(1)

式中：Δt为飞石造成网路破坏的时间，s；t1为炮孔起爆延时的时间，ms；t2为飞石传播的时间，ms；t3为导爆管传爆时间，ms。

拆除爆破中，个别飞石可能是造成爆破网路破坏的主导因素，其初速度按式(2)计算[16]。

V0=B(Q1/3/W)2

(2)

式中：Q为起爆药量，kg；W为最小抵抗线，m；B为介质系数，混泥土介质系数为B=9.60。此次桥梁的拆除爆破产生爆破飞石的个别飞石初速度约7.1～91.9 m/s。

孔内采用15段雷管，延时时长为880±60 ms；孔外用3段雷管，延时时长为50±10 ms，最小孔距为0.4 m，导爆管传爆速度约195 0 m/s。Ⅰ区第一组炮孔起爆的最短安全延时时间约820 ms，其后每组间隔爆破最短安全延时时间均为40 ms。因此，计算分析起爆网路引爆开始至传爆到最后1炮孔孔内导爆管的最长传爆时间大于第1炮孔孔内的延时时间，先爆炮孔飞石可能对后爆起爆网路的造成破坏，须做好相应安全防护，才能保证网路的安全。

3.1.2雷管爆炸产物及金属碎片切断传爆网路

雷管爆炸后，爆炸产物及金属破片主要集中在雷管两侧及尾部正下方。金属碎片的飞散具有极强的方向性，以雷管底部猛炸药处为中心呈球状扩散，假设炸药能量全部用于壳体飞散，碎片初速度v0按式(3)计算[17]。

(3)

式中：D为炸药的爆速，m/s；β=m/M，m为装药质量，kg,M为金属质量，kg。

破片速度一般在1 500～2 100 m/s之间，金属碎片的初速度在空气传播中因受阻力作用随时间增大而逐渐减小。但金属碎片的度大，传播时间远小于导爆管传爆与孔外延时的时间，导爆管雷管爆炸产生的破片及金属射流易对邻近导爆管产生影响，致使网路传爆中断或破坏周围网路[18]。

3.1.3拱肋破碎坠落砸断网路

拱轴线弧长约107 m，拱顶距桥面0～13 m，爆破碎石在爆破后坠落具有较大的冲击力，可能会破坏桥面其他网路。碎石破坏网路的时间按式(4)计算。

t=t1+t4

(4)

式中：t为碎石破坏网路的时间，s；t4为碎石下落时间，s。

由于爆破碎石飞散具有不定向性，沿垂直桥面方向坠落时间最短，也是导致拱肋下方网路破坏的主因。桥拱为第Ⅳ区，其炮孔传爆的最短安全延时时间t1=820+40×4=980 ms，约传爆至第16束炮孔，根据安全延迟时间可计算约在肋拱3/5处第一组炮孔开始起爆，最短t4=70 ms。因此桥面板网路约传爆21～30 m距离，无法使桥面板网路传爆完毕，可能造成拱肋下桥面的网路破坏。

基于上述网路破坏因素，对爆破网路可靠性的传爆进行了定量计算并分析，爆破飞石、雷管金属碎片切断网路及拆除物砸断网路是造成拆除爆破网路可靠性的主要因素。为了实现多炮孔和所有雷管有效起爆，避免因传爆时出现拒爆、中断和盲炮等事故，甚至导致爆破作用方向改变从而产生爆破灾害，改善爆破效果好，提高爆破质量，应高度重视网路安全，并做好网路可靠性的安全防护，保证网路安全的传爆。

3.2　防护措施

大规模拆除爆破，对爆破技术要求高，采用孔外延时多孔间微差控制爆破的起爆方式，起爆网路传爆可靠性关系到整个爆破工程的成败，网路安全防护的重要性可想而知。将爆破网路最薄弱环节处作为突破口，进行技术创新，以优化网路设计提高网路可靠性。

3.2.1跳线技术

跳线技术指通过分析网路可能会遭到破坏的因素，准确计算网路延时时间，从其他区或组间在相同起爆时间点的位置接一条网络线路，使两区或组间联通，实现网路稳定传爆。

3.2.1.1区间跳线

Ⅰ区、Ⅰ′区的延时安全时间约为820 ms，网路可以稳定传爆13束约15～22 m；Ⅲ区、Ⅲ′区延时时间约为760 ms，在Ⅰ区、Ⅰ′区的影响下约传爆12束约15～21 m；Ⅰ区和Ⅲ区待拆除的部分网路可以在有效延时时间内传爆完毕，不会遭到爆破飞石等因素的损坏。

Ⅱ区、Ⅱ′区与Ⅳ区、Ⅳ′区待拆处的工程量大，炮孔数量多、密度大且传爆距离长，易受先爆炮孔的影响而破坏网路，须采取网路的安全防护措施。Ⅰ区、Ⅰ′区与Ⅲ区、Ⅲ′区位于桥面板下，对Ⅱ区、Ⅱ′区与Ⅳ区、Ⅳ′区桥面上网路破坏较小可忽略。在Ⅱ区、Ⅱ′区与Ⅳ区、Ⅳ′区采用区间跳线技术，经网路安全计算和分析，可在Ⅱ区第三组和Ⅳ区第一组的第13束，在Ⅱ区第7组第13束和Ⅳ区第二组的第16束以后开始跳线，根据梁开水等[19]对导爆管起爆网路可靠度分析，在每组6束之间跳线一次，见图3。

3.2.1.2组间跳线

Ⅱ区、Ⅱ′区炮孔数量多，区间跳线无法保证该区域的网路安全，所以Ⅱ区、Ⅱ′区同时采用组间跳线技术。第1组的第1束炮孔起爆之前网路约传爆至第13束约15～22 m，在每隔6束之间加一组跳线，各组网路之间相互连通。桥的起爆方式为从两头到中间对称起爆，可在对称Ⅱ区、Ⅱ′区的对称组的相同传爆时间点、相同位置跳线。本工程在第15束开始跳线，梁开水等[19]通过网络可靠度计算，在对称组每个隔10束之间跳线，可改善网路安全性；通过组间跳线可以有效保护网路安全，实现复杂、大数量炮孔微差起爆，且不影响微差爆破效果(图4)。

图3　区间跳线图

图4　组间跳线图

3.2.2软性材料的压盖或铺盖

由于桥面板炮孔密集，在传爆过程中导爆管易因前排炮孔先爆，爆破网路较易被金属碎片切断或飞石砸断。因此，工程爆破中经常会出现网路传爆中断而致局部盲炮或拒爆的现象，严重时会导致爆破作用方向改变引发事故。

本工程采用孔外延时微差爆破技术，爆破前用软性材料压盖在孔外延时雷管上，可有效减弱爆破过程中飞散的碎片对网路的影响。考虑到本工程量大和成本，就地取材采用沙袋覆压于雷管上，对网路也具有一定防护作用。用软性材料铺盖在拱肋下约3/5处桥面板的网路上，以减缓爆破网路因拱肋爆破飞石或飞散金属碎片对爆破网路的影响。

3.3　工程应用分析

本拆除爆破工程采用多炮孔小药量的形式，结合孔外延时网路特征，利用跳线技术设计爆破网路和爆破方案，其中桥梁布孔达五千余个。整个爆破工程实施过程中，基本按照设计方式传爆，未出现任何影响爆破效果的故障，且爆破效果满足设计要求，完全符合预期效果。主要表现在：①实现桥梁结构的完全破碎，且钢筋与混凝土分离情况达到预期效果，水下清渣作业实施顺利；②利用跳线技术设计的孔外延时微差控制拆除爆破技术，通过严格控制同段起爆药量及起爆顺序，爆破震动速度、飞石距离及其他方面均满足《爆破安全规程(GB6722—2014)》[20]的相关要求；③实施爆破对周围环境及河道的影响较小，且不存在任何未知安全隐患。

4　结　论

1) 通过对影响爆破网路可靠性的因素计算分析，显示对于常规爆破网路可靠性的保护，可借助传统技术手段实现网路安全传爆。

2) 对于大规模、复杂的爆破工程，采用孔外延时微差爆破，利用跳线技术和通过软性材料的压盖可有效提高爆破网路的可靠性。

3) 通过案例可知，借助跳线技术的孔外延时爆破网路可靠性好，设计、使用简捷且爆破效果良好，对于大型矿山爆破开采提供有价值的参考依据，具备较好的推广实践意义。

[1]郑炳旭.中国爆破新技术[M].北京:冶金工业出版社,2012.

[2]郭连军,张国建.爆破CAD系统中的模糊预测模型的可靠性分析[J].中国矿业,2001,10(4):32-34.

[3]耿俊艳.拆除爆破技术及其安全科学研究[D].青岛:山东科技大学,2005.

[4]张文龙.钢筋混凝土结构冷却塔爆破拆除设计与数值仿真[D].衡阳:南华大学,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]冯叔瑜,吕毅,杨杰昌,等.城市控制爆破[M].北京:中国铁道出版社，1987.

[10]郑炳旭,魏晓林,陈庆寿.钢筋混凝土高烟囱爆破切口支撑部破坏观测研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(S2):3513-3517.

[11]胡勇辉,刘连生.基于BP神经网络的沉积岩型矿山爆破开采成本的预测与控制模型[J].中国矿业,2013,22(11):75-79,87.

[12]孙梅,侯建华,刘大斌.一种适用于中小采石场的简易非电起爆网路[C]∥第七届工程爆破学术会议论文集.2001.

[13]李秦,符可军,张森永,等.铀矿井下反射四通非电起爆网路可靠性分析[J].中国矿业,2012,21(S1):484-487.

[14]崔晓荣,李战军,周听清,等.拆除爆破中的大规模起爆网路的可靠性分析[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,刘小春.拆除爆破飞石及其防护研究[J].湘潭矿业学院学报,1999,14(3):9-13.

[17]张华,郭宝义,谢兴华.金属壳雷管径向破片速度计算及测试[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版,2005,24(4):540-542.

[18]胡升海,房泽法,熊鹏,等.雷管爆炸对邻近导爆管影响的试验研究[J].爆破,2014(1):118-123.

[19]梁开水,赵翔,张志旭.导爆管起爆网路可靠度分析[J].爆破器材,2006,35(5):22-24.

[20]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.爆破安全规程(GB 6722—2014)[S].2014.