蔣文俊，唐春海，程貴海

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004)

隨著國(guó)家持續(xù)對(duì)公共基礎(chǔ)設(shè)施不斷投入與完善，高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目日益增多，許多高速公路橋梁因不能滿足日益增長(zhǎng)的交通需求而面臨拆除。然而許多改擴(kuò)建項(xiàng)目是在既有線上完成的，新建橋梁位置與待拆除橋梁位置在空間上會(huì)產(chǎn)生一定的重疊，為了較小程度的影響現(xiàn)有交通，一般是在待拆橋梁一側(cè)先新建一座橋梁，達(dá)到通行條件后，再拆除舊橋梁。簡(jiǎn)支梁橋廣泛應(yīng)用在高速公路中，隨著改擴(kuò)建高速公路項(xiàng)目持續(xù)推進(jìn)，簡(jiǎn)支梁橋拆除是某些公路施工中不可避免的問題，因此，鄰近新建橋梁的簡(jiǎn)支梁橋拆除將是未來(lái)道路施工中經(jīng)常遇到的問題[1-2]。并且部分項(xiàng)目緊鄰城區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，需要保護(hù)的建(構(gòu))筑物較多，在確保橋梁順利拆除的同時(shí)又要嚴(yán)格控制爆破危害效應(yīng)，這對(duì)爆破技術(shù)提出了更高的要求，緊鄰運(yùn)營(yíng)新橋的簡(jiǎn)支梁橋拆除爆破技術(shù)成為了一項(xiàng)值得深入研究的技術(shù)問題。

隨著計(jì)算機(jī)水平與拆除爆破相關(guān)理論不斷的進(jìn)步，正確地使用AUTODYN與ANSYS/LS-DYNA等數(shù)值模擬軟件進(jìn)行爆破模擬分析可以預(yù)先得到待拆橋梁合理的爆破參數(shù)，為爆破設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)[3]。

本文針對(duì)柳南高速公路改快速路工程(三岸收費(fèi)站-那容互通立交)(三岸收費(fèi)站～那平江)項(xiàng)目那平大橋拆除爆破工程，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)橋梁的主要承重墩柱進(jìn)行了爆炸分析，確定了墩柱炮孔合理的孔距、孔深、單耗以及單孔裝藥量，待拆除橋梁的炮孔數(shù)量及單孔裝藥量得到了精準(zhǔn)控制；運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行倒塌分析，對(duì)橋梁的倒塌方式以及分段延時(shí)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證；橋梁采用定向傾斜倒塌，確保了待拆橋梁的倒塌方向及倒塌范圍可控，并且保證了橋梁在倒塌過程中不會(huì)對(duì)新橋產(chǎn)生影響；橋梁采用一次拆除爆破，對(duì)現(xiàn)有交通影響較小。

本文的研究對(duì)今后復(fù)雜環(huán)境下的高速公路多跨簡(jiǎn)支梁橋拆除爆破施工、有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際拆除爆破施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，在類似爆破工程中具有很好的應(yīng)用前景。

1 工程概況

1.1 待拆橋梁規(guī)模及結(jié)構(gòu)尺寸

那平大橋?qū)儆诙嗫缪b配式簡(jiǎn)支梁橋，全長(zhǎng)105 m，總寬28 m(斜寬39.57 m)，分左右兩幅，單幅寬13.65 m，兩幅間隔0.7 m，河面以上高16 m。全橋共5跨，長(zhǎng)5×20 m，兩側(cè)有橋臺(tái)外伸長(zhǎng)2.5 m；橋身為預(yù)制結(jié)構(gòu)，總寬28 m，分左右兩幅，單幅13.65 m；橋身下部為4列橋墩支撐，與橋身呈45°斜向布置，每列6根墩柱，墩柱上部直徑1.3m、高h(yuǎn)1=9.772～10.02 m，下部直徑1.5 m、高4.576～6.376 m，h2=2.576～3.376 m；單幅由10根空心梁拼接而成，預(yù)制梁長(zhǎng)20 m，寬1.265 m，高0.95 m，中空直徑0.55 m，壁厚0.175 m，底厚0.2 m，頂厚0.2 m；上部橋面鋪裝0.2 m；橋臺(tái)長(zhǎng)39.57 m，寬4.5 m，高2.539 m，其中蓋梁長(zhǎng)39.57 m，寬2.4 m，高1.2 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，那平大橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 那平大橋結(jié)構(gòu)

1.2 周邊環(huán)境

那平大橋周邊環(huán)境極其復(fù)雜，東西兩側(cè)連接原柳南高速公路，東側(cè)179 m有村莊民房，東北側(cè)227 m有村莊民房；南側(cè)為新建大橋，新舊兩橋橋面最近水平距離僅0.94 m(新橋橋面高0.5 m)，下部橋墩間最近距離僅10.7 m，新橋墩與舊橋垂直水平距離僅8.5 m，南側(cè)156 m為半島閑居小區(qū)；西南側(cè)78 m為南寧市仙葫學(xué)校圍墻，圍墻內(nèi)為球場(chǎng)，與學(xué)校樓房最近距離193 m；西側(cè)289 m有村莊民房；北側(cè)300 m范圍內(nèi)無(wú)村莊民房、管線等重要保護(hù)建(構(gòu))筑物，爆破區(qū)域周邊環(huán)境如圖2所示。

圖2 周邊環(huán)境

1.3 工程難點(diǎn)

1)周邊環(huán)境復(fù)雜，新建橋梁與待拆除橋面最近水平距離僅0.94 m，待拆除橋梁在爆破倒塌過程中要確保新橋的結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)也要確保周邊其他建(構(gòu))筑物的安全，爆破防護(hù)要求嚴(yán)格。

2)待拆除橋梁鋼筋密度大，對(duì)鉆孔要求較高，炮孔精準(zhǔn)度較難控制。

3)待拆除橋梁墩柱多，炮孔數(shù)量多，要確保倒塌方式及延時(shí)合理，起爆網(wǎng)路可靠。

2 數(shù)值模擬

2.1 墩柱爆炸數(shù)值模擬

根據(jù)待拆除橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋梁能否順利倒塌關(guān)鍵在于對(duì)墩柱支撐結(jié)構(gòu)的破壞[4-5]，在對(duì)類似大型橋梁正式實(shí)施爆破施工前，前期通常會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的試爆實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證單耗、孔排距等爆破參數(shù)取值的合理性。采用AUTODYN軟件，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)驗(yàn)證相關(guān)爆破參數(shù)的準(zhǔn)確性。由于待拆除橋梁地面上的墩柱主要以直徑1.3 m的墩柱為主，考慮到硬件設(shè)施條件有限，因此，取一段高2 m直徑為1.3 m的墩柱進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1.1 墩柱有限元模型

對(duì)模擬墩柱爆破部位設(shè)計(jì)單排布置炮孔方式，炮孔直徑d=38 mm，采用φ32 mm巖石乳化炸藥，規(guī)格為300 g/卷，單卷長(zhǎng)度為30 cm，設(shè)計(jì)孔深L=0.87 m，抵抗線W=0.43 m，孔距a=0.5 m，單耗q=0.65 kg/m3,單孔裝藥量Q=qsa=0.43 kg[6](s為墩柱橫截面面積)，共布置3個(gè)炮孔且同時(shí)起爆，墩柱炮孔布置及裝藥如圖3所示。墩柱有限元模型如圖4所示，鋼筋及藥包布置如圖5所示。

圖3 炮孔布置及裝藥

圖4 墩柱有限元模型

圖5 鋼筋及藥包布置

2.1.2 墩柱在爆炸荷載下的損傷破壞分析

由鋼筋混凝土墩柱在爆炸荷載下的損傷破壞過程(見圖6)可知，t=2.25 ms時(shí)，由于混凝土受到強(qiáng)烈的徑向壓縮，使得混凝土單元產(chǎn)生徑向位移，導(dǎo)致了墩柱外部混凝土徑向擴(kuò)張，可以看到墩柱頂部與中部出現(xiàn)了輕微的鼓包；t=9.3 ms時(shí)，墩柱外表面炮孔最小抵抗線方向形成較多徑向裂隙，小部分混凝土失效，由于墩柱模型中頂面為自由面，而墩柱外側(cè)混凝土與鋼筋共同受力，即使1號(hào)炮孔藥包中心與頂面的距離(0.5 m)大于最小抵抗線(0.43 m)，墩柱頂面中部較炮孔最小抵抗線方向出現(xiàn)了較大部分混凝土破碎并向上逸散的現(xiàn)象；t=12 ms時(shí)，墩柱外側(cè)混凝土持續(xù)擴(kuò)張，由于墩柱底部為固定端，受到的牽制作用較強(qiáng)，底部的鋼筋混凝土向外擴(kuò)張幅度較小；t=19 ms時(shí)，除了墩柱底部跟頂部有少量的混凝土與鋼筋黏結(jié)在一起之外，墩柱其余部位的混凝土幾乎全部破碎并脫離鋼筋骨架，主筋在拉、壓、剪力的作用下變形，具有一定向墩柱內(nèi)側(cè)的彎曲弧度，炮孔兩端主筋的彎曲幅度比其他主筋大，部分箍筋斷裂并脫離柱體，此時(shí)墩柱可視為被完全破壞，基本上喪失了承載能力，從模擬的結(jié)果來(lái)看，模擬的爆破參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6 墩柱在爆炸荷載下破壞過程及爆后鋼筋骨架形態(tài)

2.2 待拆橋梁倒塌數(shù)值模擬

待拆除橋梁在爆破倒塌過程中，如何保證新橋的結(jié)構(gòu)安全是爆破設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，并且在拆除爆破舊橋時(shí)既不影響新橋同時(shí)又要控制爆破振動(dòng)及其他爆破危害[7]。因此，具體采用何種倒塌方式才能最大限度的保護(hù)新橋需要提前驗(yàn)證。本部分利用ANSYS/LS-DYNA軟件，選取待拆除橋梁的南幅進(jìn)行數(shù)值模擬研究，主要研究橋梁上部結(jié)構(gòu)的倒塌過程[8]。

2.2.1 橋梁倒塌方案初擬

多跨簡(jiǎn)支梁橋的橋跨結(jié)構(gòu)從左至右(南寧-柳州方向)依次稱為第1跨、第2跨、第3跨、第4跨、第5跨，由1#、2#、3#、4#橋墩從北至南橫向排列的4根墩柱依次稱為第1排、第2排、第3排。

設(shè)計(jì)橋墩墩柱、系梁布孔，采用孔內(nèi)外延時(shí)起爆，設(shè)計(jì)地面以上的1#、2#、3#、4#橋墩單根墩柱由下至上延時(shí)起爆，即墩柱下部2個(gè)炮孔先起爆(有效隔絕爆破振動(dòng)傳播介質(zhì))，20 ms后單根墩柱上部同時(shí)起爆，設(shè)計(jì)系梁全部為爆破破壞部位，1#、2#、3#、4#橋墩上的蓋梁接觸到護(hù)坡或江岸兩側(cè)的泥土路面為侵蝕效果，護(hù)坡內(nèi)的橋墩未被破壞，提出以下3種不同的倒塌方案。

方案1：從中間向兩邊倒塌，從0 s開始起爆，2#、3#橋墩在0.05 s爆破切口完全形成，0.25 s時(shí)1#、4#橋墩爆破切口完全形成。

方案2：逐跨依次倒塌，從0 s開始起爆，在0.05 s時(shí)1#橋墩爆破切口完全形成，0.25 s時(shí)2#橋墩爆破切口完全形成，0.45 s時(shí)3#橋墩爆破切口完全形成，0.65 s時(shí)4#橋墩爆破切口完全形成。

方案3：逐排定向傾斜倒塌，從0 s開始起爆，0.05 s時(shí)第1排墩柱爆破切口完全形成，0.25 s時(shí)第2排墩柱爆破切口完全形成，0.45 s時(shí)第3排墩柱爆破切口完全形成。

2.2.2 各方案數(shù)值模擬的結(jié)果與分析

根據(jù)待拆除橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及與新橋的位置關(guān)系，待拆除橋梁的兩側(cè)護(hù)坡坡面均為斜面，而左側(cè)護(hù)坡坡面斜向新橋，在拆除爆破該橋梁時(shí)，對(duì)新橋構(gòu)成最大威脅的是第1跨橋身左端南側(cè)在倒塌過程中向新橋方向運(yùn)動(dòng)的位移，即82207單元(見圖7)x方向的位移。

圖7 82207單元位置

計(jì)算結(jié)果顯示：方案1、2、3在倒塌過程中左端南側(cè)向新橋方向的最大位移分別為0.624、0.610、0.570 m，從待拆除橋梁構(gòu)件在倒塌過程中是否對(duì)新建橋梁造成損傷的角度出發(fā)，3種方案均不會(huì)對(duì)新橋結(jié)構(gòu)造成損傷，方案1單次爆破部位較多，若想達(dá)到模擬的倒塌效果，則實(shí)際爆破工程中同段藥量較大，且橋梁倒塌是單跨或多跨同時(shí)塌至地面，將會(huì)造成爆破振動(dòng)、塌落振動(dòng)以及噪聲較大的爆破有害效應(yīng)，不利于保護(hù)周邊環(huán)境。

方案2中多跨簡(jiǎn)支梁橋關(guān)鍵時(shí)刻倒塌形態(tài)如圖8所示，采取逐跨倒塌時(shí)，若要保證倒塌效果，單個(gè)橋墩各墩柱相同起爆時(shí)間的爆破部位需要保證能同時(shí)起爆，當(dāng)采用導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路時(shí)，各段位導(dǎo)爆管雷管的延時(shí)時(shí)間具有誤差，因此造成橋梁的倒塌方向具有不確定性，有可能向新橋方向傾斜倒塌，造成的后果無(wú)法預(yù)測(cè)。

圖8 方案2多跨簡(jiǎn)支梁橋倒塌過程

方案3多跨簡(jiǎn)支梁橋的倒塌過程關(guān)鍵時(shí)刻倒塌形態(tài)如圖9所示，在t=0.45 s時(shí)，第3排橋墩墩柱被破壞，爆破切口完全形成，可以明顯看到蓋梁出現(xiàn)了傾斜倒塌趨勢(shì)，這是由于在第2個(gè)爆破切口與第3個(gè)爆破切口形成的時(shí)間內(nèi)，第3排的墩柱與蓋梁不足以完全支撐橋身的重量，蓋梁被上部結(jié)構(gòu)壓彎；t=0.72 s時(shí)，可以看到第1跨左端南側(cè)有部分橋身向上微傾，并與蓋梁分離，這是由于第1跨在第3排被破壞前，第1跨右端北側(cè)已經(jīng)失穩(wěn)并形成一個(gè)向下的傾覆力矩，引起了第1跨左端南側(cè)部分橋身向上運(yùn)動(dòng)，第5跨倒塌過程與第1跨類似，第2、3、4跨則保持較平整的姿態(tài)下落；在t=1.60 s時(shí)，第1跨與第5跨即將倒塌到護(hù)坡，第2～第4跨繼續(xù)保持下落，在t=2.3 s，橋梁倒塌結(jié)束。

圖9 方案3多跨簡(jiǎn)支梁橋倒塌過程

采取定向傾斜倒塌，即待拆除橋梁北側(cè)先失穩(wěn)傾斜，然后橋梁再整體失穩(wěn)倒塌，即使使用的導(dǎo)爆管雷管存在一定的延時(shí)誤差，橋梁倒塌方向也能較好地控制，結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，對(duì)新橋結(jié)構(gòu)威脅最大的第1跨左端南側(cè)在采用定向傾斜倒塌時(shí)，其位移較前兩個(gè)方案是最小的，對(duì)于被保護(hù)的新橋是最有利的，因此，實(shí)際工程中采取方案3的倒塌方式最為合理。

3 側(cè)向延時(shí)原地坍塌控制爆破方案

3.1 爆破方案選擇

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在預(yù)先了解待拆除橋梁的不同倒塌方式的倒塌效果情況下，針對(duì)待拆除橋梁及周邊環(huán)境的特點(diǎn)，制定的爆破方案如下。

1)采用局部拆除爆破，對(duì)地面上的墩柱以及系梁進(jìn)行破碎性爆破，倒塌后的橋體利用機(jī)械破碎。

2)采用定向傾斜倒塌，即由北向南排間延時(shí)單根墩柱多孔間延時(shí)起爆。

3)南北兩幅采用一次爆破，對(duì)原柳南高速公路和周邊的影響最小，工期相對(duì)較短。

3.2 爆破參數(shù)

直徑1.3 m的墩柱采用單排孔布置，對(duì)于直徑1.5 m的墩柱，采用雙排孔布置，對(duì)于系梁部位的爆破，采用單排孔布置。待拆除橋梁各爆破部位參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 簡(jiǎn)支梁橋爆破參數(shù)

3.3 起爆網(wǎng)路

本次爆破采用孔外延時(shí)排間延時(shí)的導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，起爆網(wǎng)路總體布置如圖10所示，全橋爆破部位共分為8個(gè)區(qū)域起爆，本次爆破設(shè)計(jì)炮孔內(nèi)全部采用MS15段導(dǎo)爆管雷管，A～D排單根墩柱上，每6～8個(gè)孔為1束，再采用2發(fā)MS1段導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行串聯(lián)；在靠近新橋一側(cè)的E、F排單根墩柱上，最底部4個(gè)炮孔為單獨(dú)一束，并與由下至上倒數(shù)第二束用2發(fā)MS3段導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行串聯(lián)，墩柱其余束之間采用2發(fā)MS1段導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行串聯(lián)。

圖10 起爆網(wǎng)路總體布置

在單列墩柱之間，A～D排采用2發(fā)MS5段導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行串聯(lián)，D～F排采用2發(fā)MS7段導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行串聯(lián)(見圖11)。

圖11 單列墩柱起爆網(wǎng)路

因網(wǎng)路較長(zhǎng)，為確保整體網(wǎng)路的可靠性，第1列與第2列及第3列與第4列墩柱之間組成復(fù)式起爆網(wǎng)路，最后將各列之間連接組成完整起爆網(wǎng)路。

4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

本次爆破在新橋橋墩位置與周邊民房共計(jì)安裝了4臺(tái)中科測(cè)振TC-4850型爆破振動(dòng)測(cè)試儀。1號(hào)、2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在新橋橋墩處，與爆區(qū)的距離分別為10.7、13 m；3號(hào)與4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在東南側(cè)的民房基礎(chǔ)上，距爆區(qū)水平距離為156、179 m,實(shí)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，1號(hào)與2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大振動(dòng)速度分別為6.52、5.24 cm/s，均小于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[9]規(guī)定的新澆大體積混凝土齡期超過28 d安全允許標(biāo)準(zhǔn)12 cm/s；3號(hào)與4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度分別為0.39、0.32 cm/s,均小于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[9]規(guī)定的一般民用建筑物安全允許標(biāo)準(zhǔn)2.0 cm/s。所以，本次爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)對(duì)新橋及周邊保護(hù)建筑物造成危害，驗(yàn)證了最大單響藥量的合理性。

5 爆破效果

經(jīng)過精心的爆破施工組織，那平大橋一次性成功拆除爆破，爆破過程如圖12所示，爆后效果如圖13所示。從爆破效果來(lái)看，全橋順利坍塌，說明上文驗(yàn)證的單耗以及孔排距是合理的，南幅橋身倒塌后較完整，只有北幅橋面觸地后有小部分出現(xiàn)開裂，橋梁倒塌效果與本文方案3的模擬結(jié)果大致相同，倒塌后的橋面采用機(jī)械破碎；經(jīng)過爆后仔細(xì)檢查，新橋外表未見有刮擦痕跡，說明拆除爆破橋梁在倒塌過程中未與新橋發(fā)生碰撞，有效保護(hù)了新橋的安全，未有爆破飛石影響周邊保護(hù)建筑物。

圖12 爆破過程 圖13 爆破效果

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)值模擬技術(shù)驗(yàn)證的爆破參數(shù)成功運(yùn)用到實(shí)際的多跨簡(jiǎn)支梁橋拆除爆破中，舊橋的順利倒塌，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。合理地運(yùn)用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行前期模擬分析試驗(yàn)，將模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)方案，能更有效地保證拆除爆破的成功，為復(fù)雜環(huán)境下的橋梁拆除爆破提供寶貴的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)指導(dǎo)其設(shè)計(jì)具有重要意義。