高耸桥墩保护性爆破拆除关键技术

林大能，黎谟炬，王 浩

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南金能爆破工程有限公司，长沙 410013)

在新建、改建铁路、公路，尤其是高速铁路、高速公路建设中，高耸桥墩的建设大量涌现。在施工中不可避免的出现一些质量不合格的桥墩，尤其是有的桥墩某一高度以上质量不合格，要求将某一标高以上部分的钢筋砼拆除，其余部分必须保留利用。高耸桥墩均为钢筋砼结构，配筋量大、砼标号高，需要拆除部分高度大。如果采用人工、机械进行拆除，脚手架搭设工程量大，费时费力，安全隐患大。采用爆破方式对高耸桥墩进行部分拆除是一种高效的施工手段，劳动强度低，能带来良好的经济效益和社会效益。我国已经有多次用控制爆破方法解决这类工程问题的报道。用控制爆破方法对桥墩的不合格部分进行拆除，合格部分加以保护的工程中，无损、安全、高效是三个重要标准。不合格部分拆除的同时，必须保证合格部分不受损害或损伤，确保能利用，减少损失。爆破有害效应对附近设施、设备、人员不能造成危害。谢先启、查静枝、钱祖辉等[1-3]分别就这类工程预留保护层大小、保留部分损伤情况检测与评价，爆破拆除技术等方面进行了研究。侯茂武等[4]提出在被保护部分与拆除部分连接处，布置单排水平导向孔，以隔断拆除部分爆破时对保留部分的冲击。宋磊等[5]采用分层浅孔爆破拆除的方法对铁路桥桥墩进行逐段拆除。袁岳琪等[6]采取合理布置切口、预切割支撑区受拉钢筋等技术措施成功地完成了32 m高公路桥部分爆破拆除，保留部分完好无损。本文拟系统总结研究高耸桥墩保护性爆破拆除关键技术，并介绍该技术在黔南高速公路高耸钢筋砼桥墩部分爆破拆除项目的成功应用。

1 高耸桥墩部分拆除施工方法

1.1 非爆破拆除

非爆破拆除施工法包括人工机械拆除施工法和静态破碎法。均需搭设脚手架或借助于消防设备在待拆除桥墩顶部开始，逐层向下施工，逐层循环作业，直到不合格部分桥墩完全拆除为止。非爆破拆除施工法能实现对保留部分钢筋砼的无损要求，对周围环境的影响小。但对大断面钢筋混凝土构件及工程量较大的破拆项目，搭设和拆除脚手架的工程量大，一直要搭设到待拆除桥墩的最高处，作业时间长，投入机械、设备、人员多。静态破碎钻孔密集、药剂起作用的时间长，并且对含筋量大、标号高的砼，破碎效果差。非爆破拆除法拆除高耸桥墩不合格部分结构需要长时间、高强度的高空作业，风险极大，综合效益差。

1.2 逐层浅孔爆破拆除

逐层浅孔爆破拆除施工法是利用风钻在桥墩顶部钻竖直孔，利用浅孔爆破的方法将桥墩逐层拆除。爆破过程中只需将混凝土炸碎脱网。施工中用消防升降机，将人员运送到桥墩顶部进行钻孔、装药、填塞、连线等作业。爆破后，再用消防升降机将人员运送到破碎桥墩部位，对破碎的钢筋砼体进行清理。多次循环作业直至将不合格部分桥墩完全拆除。该方法每次爆破规模小，只需对最靠近保留部分的分层采取密集钻孔、间隔装药、孔底装一段缓冲材料等手段，就能避免在拆除不合格部分桥墩时对保留部分的损害。该方法的缺点是：分层浅孔爆破施工，爆破点位置高，高空作业、高空清渣，风险较高、周期长、工期无法保证。对于不合格部分桥墩高度较大的情况下，分层数多，循环次数多。这种施工方法适用于不合格部分桥墩高度小，无法实现切口以上钢筋砼体在重力作用下失稳倾倒条件下的工程项目。

1.3 整体定向爆破

不合格部分桥墩高度大，在保留桥墩以上留一定尺寸的保护层后，向上布置爆破切口，利用切口以上桥墩钢砼重力与切口后缘线，形成倾覆力矩，当倾覆力矩产生的力能满足切口内钢筋被压弯失稳，切口后侧支撑区内钢筋能被拉断时，上部结构整体实现定向倾倒，这种拆除方法称为整体定向爆破倒塌法。该方法作业点相对集中，位置较低，对脚手架或消防升降机的要求较低，将脚手架搭设在倾倒的反方向及两侧，对保护层进行整修时，可不重新搭设脚手架。爆破位置集中在切口部分，爆破区域面积相对较小，位置低，通过加强防护，可以有效控制爆破飞石的影响范围。该施工方法效率高、工期快；应重视塌落体触地飞溅及振动对人员、设施、设备的影响；需要采取严格的安全技术和防护措施，爆破时应加强警戒工作。

2 整体定向爆破倒塌拆除关键技术

2.1 留用部分保护

留用部分的保护是这类工程的关键。钱祖辉[3]用超声波测试法研究了钢砼在爆破作用下的损伤问题，给出了参照萨道夫斯基公式[7]计算保护层厚度，保护层厚度与段起爆药量有关；并给出了试验条件下段起爆药量为7.3 kg时，最大损伤范围为2.0 m。谢先启用整体定向爆破倒塌法拆除不合格部分桥墩时在爆破部分和留用部分间留2.0 m保护层，实现了对留用部分的有效保护[1]。查静枝在类似工程中，采用了1.5 m高的保护层[2]。

上部桥墩重量大，整体定向爆破倒塌时，容易造成对切口以下部分砼体的撕裂破坏。在钢砼烟囱、水塔分段分次爆破时，经常出现这种现象。沪昆高铁湖南段在处理不合格桥墩部分拆除时，上部塌落体通过钢筋将下部拟留用部分桥墩完全破坏。为解决对留用部分的撕裂破坏，可在切口范围内及保护层某一标高开凿横向卸荷槽，将槽内钢筋烧伤、甚至割断。

在保护层下部与留用层界面处，钻凿密集的水平孔，孔深等于壁体厚度，隔断拆除部分爆破时对保留部分的冲击，起到卸荷作用。孔距不大于20 cm。保护层小时，可布设2排交错布置的水平密集卸荷孔，以保护留用部分钢砼不受损伤。切口参数设计应优化，充分考虑到结构特征，应避免两种情况出现：一是切口高度太小，造成上部钢砼体在倾倒时，切口上、下边缘过早闭合，钢砼体垂直分量过大，造成对未爆破部分损坏；二是切口高度过大，上部钢砼体在倾倒过程中倒悬撞击保留部位桥墩。对切口范围及卸荷槽的钢筋进行预处理，可克服在倾倒过程中，由于钢筋过大的拉力造成倒塌体倒悬对留用部分的撞击。建议切口高度应大于倾倒方向上桥墩边缘尺寸的1.5倍。

2.2 爆破有害效应分析与控制

爆破有害效应主要有飞石、空气冲击波、振动、噪音。根据实际工程的环境情况，采用不同措施对有害效应进行防护。爆破点位置一般较高，采用分散化装药，分段延时起爆，空气冲击波逸散空间大，一般危害性不大。用地毯与铁丝网多层间隔包裹，用铁丝将防护体进行绑扎，对控制飞石、空气冲击波、噪音有明显效果。爆破点越高，飞石飞散的距离越大，必须重视防护及爆破时人员撤离的范围，避免飞石和触地飞溅事故的发生。

利用萨氏公式估算爆破振动对下部保留桥墩及附近其他桥墩等设施的影响。

(1)

式中：v为某点质点峰值振动速度，cm/s；Q为段起爆最大药量，kg；R为某点到爆破中心的距离，m；K，α为场地地质条件、爆破方式系数。

计算对下部保留桥墩影响程度时，K=50,α=2.0，钢筋砼无损条件的许可质点峰值振动速度为17.08 cm/s。计算对本桥墩以外其他对象影响程度时，K=50,α=1.5。控制段起爆药量，在保护层中钻1～2排密集水平卸荷孔，可弱化上部切口爆破振动对留用部分桥墩的影响。

2.3 倒塌体触地有害效应及控制

倒塌体触地振动峰值振速可参考烟囱定向爆破触地振动计算公式[7-9]：

(2)

式中：v为质点峰值振动速度，cm/s；m为塌落体质量，kg；g为重力加速度，m/s2；h为塌落体重心高度，m；R为观测点与塌落体触地中心距离，m。

触地飞溅物及振动控制措施：在预计触地位置堆筑缓冲沙堆，特别重要的方向可架设排架挂铁丝网对可能产生的触地飞石进行拦截。

3 高耸桥墩部分爆破拆除案例

3.1 拆除对象特征和施工环境

黔南高速公路大桥建设中，4#左幅桥墩已施工完毕，经测量竖直度最大偏差达15 cm，决定将28 m以上部分墩柱拆除，28 m以下部分保留。大桥跨径为40 m，4#左幅桥墩为薄壁空心墩，断面尺寸6.5 m×3.0 m，壁厚为50 cm(见图1)。设计墩高57.87 m，每节高度为1.5 m，离地面高度为31.5 m处有隔板。4#左幅桥墩与3#墩净距为37.0 m，与5#墩净距为37.3 m。桥墩为双层螺纹钢筋网布筋，内侧竖向钢筋为 20@ 150，横向钢筋为 10@ 100；外侧竖向钢筋为 20+14(14为间隔布设)@ 200，横向钢筋为 10@ 100。已建桥墩呈南北走向排列，4#待拆除桥墩距离公路最近直线距离50 m。附近300 m范围内无民房，桥墩所在位置较低，四周为高山阻隔。爆破产生的振动与塌落触地振动不能破坏已建的桥墩，爆破振动及飞石等爆破公害不能影响周围建(构)筑物的安全。

图1 桥墩横断面尺寸Fig. 1 Cross-sectional dimensions of the bridge pier

3.2 爆破拆除方案

由于工期紧，拟采用定向爆破拆除。东、西两侧无保护对象，但桥墩断面东西向为长边，南北向为短边，朝东或朝西方向倒塌，切口高度、切口范围内的工作量较大，且不利于上部倒塌体尽快移出切口前缘线，对保护下部桥墩不利，因此采用向南定向爆破倒塌方案。爆破拆除段桥墩高度为29.87 m，爆破切口高2.4 m，设置2 m的隔离保护层，倾倒段长度为25.47 m，考虑1.2倍系数的前冲，上部倾倒段倒塌位置场地长度须大于30.56 m。4#桥墩与3#、5#桥墩的距离能满足定向倒塌要求。

3.3 切口设计及预处理

在墩身30 ～32.4 m处开设爆破切口，切口形状为矩形加三角形的组合体。根据切口断面倒向方向上桥墩的宽度尺寸、形成倾覆力矩的条件及切口以上钢筋砼的方量、配筋情况，用压杆失稳理论确定切口尺寸。切口高度2.4 m，切口上边长度为8.5 m，切口下边缘长度为10.5 m。切口边缘线偏离截面中心线50 cm。爆破切口布置如图2所示。

图2 爆破切口布置Fig. 2 Layout of the blasting cutting

为弱化切口内钢筋砼的强度，控制倒塌体通过钢筋对下部留用保护桥墩的撕裂作用，在切口范围内布置2个定向窗和1个导向窗，定向窗和导向窗布置炮孔进行爆破(兼作试爆用)后用风镐整修成型，并将窗口内暴露的钢筋全部拆除(见图2)。在桥墩切口壁体的外侧+28 m处开间隔卸荷槽，桥墩31.5 m高处有隔板，操作人员站在内腔中的隔板上在内侧壁体上开设间隔卸荷槽，卸荷槽内的钢筋均在装药前割断，弱化上部爆破拆除部分与下部保留部分的联系。在28 m位置钻1排孔距为20 cm、φ40 mm的隔离孔，孔深50 cm。卸荷槽布置如图3所示(另一侧的卸荷槽及钢筋处理与倾倒中心线对称)。

图3 内外壁卸荷槽布置Fig. 3 Blasting unloading grooves layout

3.4 爆破参数

3.4.1 炮孔布置及药量

定向窗和导向窗范围内布置炮孔进行小药量试爆。为保护外侧的工作平台，该范围内的炮孔适当超深，主要炸内侧，然后用风镐进行修整成型。每个定向窗布置6个孔，试验用单耗为1.5 kg/m3，单孔药量为30 g。导向窗内共置7排孔，每排5个孔，单耗为1.5 kg/m3，单孔药量为70 g。钻爆区内共布置13排孔，试验用单耗为1.5 kg/m3，单孔药量为70 g，试爆后将正式爆破时单耗调整为2.2 kg/m3。炮孔布置参数如表1所示。炮孔布置、起爆分区如图4所示(炮孔布置关于倾倒中心线对称)。炮孔布置参数如表1所示。

注：MS3、MS5、MS7、MS9分别对应第1、2、3、4起爆区。

表1 爆破参数

3.4.2 爆破器材及起爆网路

采用φ32 mm的乳化炸药，总药量为20.81 kg。导爆管雷管共计232发。采用MS3、MS5、MS7、MS9段非电导爆管雷管孔内延时，孔外每20根导爆管抓成1把，每把采用2发MS1段非电导爆管雷管过桥，将所有过桥雷管捆扎在一起用2发雷管分别连接起爆线组成2套网路激发。

3.5 爆破有害效应校核及控制措施

3.5.1 爆破振动校核

段起爆最大药量Q=5.40 kg， 根据式(1)可以计算出3#桥墩，4#桥墩处的质点峰值振速分别为0.35、0.34 cm/s，上部爆破时下部留用砼中峰值振速为15.03 cm/s。均远小于《爆破安全规程》(GB 6722-2014)的规定。

3.5.2 塌落振动校核

根据切口布置可计算出上部塌落体的质量m=529 t，质心高度h=42.74 m，代入式(2)可计算出距离触地点不同位置处的质点峰值振动速度(见表2)。

表2 不同位置的塌落振动估算

为确保安全，在3#墩与4#墩方向距4#墩15、20 m处地表设置两道长10 m、宽2 m、高2 m的沙土坎，沙土用编织袋装填，以减小桥墩塌落触地振动速度，起到缓冲作用。

3.5.3 爆破飞石防护

为防止个别飞石飞散过远，在切口区域覆盖麻袋，4个麻袋连成一块，将2层麻袋悬吊在爆破部位，用铁丝绑紧，然后再在爆破部位悬挂安全网，用铁丝固定。触地飞石利用缓冲土地及靠近保护桥墩附近拦截网进行防护。

4 爆破效果及体会

爆破后，切口以上部分按设计方向倒塌，坍塌体完全倾出下部保留桥墩位置，坍塌体未与下部保留部分接触。保护层有部分裂纹，保护层的中下部裂纹很少，保护层密集隔离孔以下的留用部分没有损坏。钢筋的断裂面均在卸荷槽位置，断面较平整(见图5)。坍塌体倒地后发生了小距离的翻滚，但未损坏3#桥墩。飞石、触地振动、空气冲击波得到有效控制，未对附近建(构)筑物造成损坏。

图5 爆破效果Fig. 5 Blasting effect

主要体会如下：

1)在桥墩内外壁开间隔卸荷槽，对钢筋进行预伤，有效防止了上部倒塌时对下部的撕裂作用；

2)密集钻孔能有效控制爆破振动及坍塌体倒塌时对留用部分的影响；

3)对于质心高的桥墩，拆除时，必须对坍塌体触地点进行缓冲防护，并要有防止翻滚的措施。