川渝拆除17713551981武漢3.5km沌陽高架橋爆破拆除設計與施工
1.1工程概況
沌陽高架橋位于湖北省武漢市經濟技術開發區東風大道上，橋長3476.5m，橋面寬16m，雙向4車道，設計時速40km/h，于1997年建成通車（圖8-1）。
隨著社會經濟的發展、汽車保有量的增加，現有高架橋已不能滿足使用要求，且高架橋中央和兩側未設置隔離墩和防撞墩，存在較大安全隱患。經技術經濟比較研究，武漢市政府決定拆除現有高架橋，對東風大道進行快速化改造。
2013年5月18日22：00，武漢爆破有限公司對2953.20m長主橋采取“一次點火起爆，自中間分別向南北兩端對橋墩實施逐排延時爆破”拆除方案，
24.77s內，高架橋自中間向南北兩端呈多米諾骨牌式逐排縱向倒塌，爆破獲得圓滿成功。
圖8-1武漢沌陽高架橋
1.1橋梁結構
沌陽高架橋由主橋和引道兩部分組成，兩端引道長523.3m，主橋長2953.20m，如圖8-2所示。其中，主橋共181孔，16m跨徑為主要跨徑，共154孔；18m跨徑為調整跨徑，共26孔；15.5m跨徑為特殊跨徑，共1孔。全橋共22聯，聯長在128~144m，分8孔一聯和9孔一聯兩類，其中：2×16+4×18+2×16=136m共3聯，9×16=144m共5聯，3×16+18+4×16=130m共3
圖8-2沌陽高架橋典型聯立面
聯，2×16+3×18+3×16=134m共2聯，16+5×18+2×16=138m共1聯，
8×16=128m共7聯，15.5+7×16=127.5m共1聯。主橋先張法預應力混凝土空心板為先簡支、后剛構-連續體系，全橋不同跨徑的預應力混凝土空心板構造相同，高度為80cm，中部空心板寬度為100cm，位于外側的空心板寬度為247cm，位于高架橋中心線內側的空心板寬度為220cm。下部構造為隱蔽式鋼筋混凝土暗帽梁，梁高90cm，固結墩、單排支座墩頂帽梁寬120cm，雙排支座墩頂帽梁寬2×90cm。橋墩為雙柱式鋼筋混凝土墩，全橋墩柱截面尺寸相同，均為55cm×100cm，橋墩基礎為混凝土擴大基礎，橋臺為重力式混凝土U型臺。固結墩、單排支座墩、雙排支座墩的連接如圖8-3～圖8-5所示，主橋典型橫斷面如圖8-6所示。
圖8-3固結墩連接示意圖及實景照片（單位：cm）
圖8-4單排支座墩連接示意圖及照片（單位：cm）
圖8-5雙排支座墩連接示意圖及照片（單位：cm）
圖8-6主橋典型橫斷面（單位：cm）
8.1.1.2設計標準與主要材料
設計荷載：汽車-20級，掛車-100級，無人行荷載。
橋面寬度：0.5m（護欄）+4×3.75m（行車道）+0.5m（護欄），全寬16m，雙向4車道，不設非機動車道及人行道；主橋、引道寬度相同。
橋面坡度：最大縱坡≤3.5%，橫坡2%，超高最大橫坡一2%。
橋下凈高：①高架橋與下部干道立交道口≥5m；②高架橋下機動車輔道
≥4.5m。
高架橋不同部位的混凝土標號如表8-1所示。
表8-1高架橋不同部位混凝土標號
高架橋橋墩配筋如表8-2所示。
表8-2高架橋橋墩配筋
續表
8.1.1.3爆破環境
1）周邊建（構）筑物與城市道路
沌陽高架橋橋體兩側分布有大量居民樓、企事業單位辦公樓和工廠廠房；
110kV高壓線橫跨高架橋（高壓線與橋面相距15m），高壓鐵塔距橋體僅24m；高架橋與5條城市干道立體交叉（圖8-7）。
圖8-7沌陽高架橋周邊環境
2）地下管網
調查勘測結果表明，高架橋下部分布有各類市政管網共計32條，主要分布于5處十字路口（表8-3、圖8-8）。其地下管網具有以下特點：①輸送物質多種多樣，包括天然氣、自來水、雨水、污水、強弱電（高壓電纜、移動和電信通信電纜）等；②管線材質不同、埋設深度各異，包括鋼管、鑄鐵管、混凝土預制管等，埋設深度分布在0.5~6m；③部分管線為有壓狀態，如自來水管、天然氣管道等，具有不同的流速、流量和壓力參數；④各類地下管線與居民、企業生活生產息息相關，高架橋爆破拆除過程中除一些特殊管線可臨時關閉外，多數管線均要求保持持續運營的工作狀態。
表8-3沌陽高架橋沿線地下管線分布狀況
圖8-8車城南路路口管線示意
8.1.2爆破方案
8.1.2.1工程特點
沌陽高架橋爆破拆除工程是武漢市東風大道快速化改造項目的控制性工程，是武漢市重大市政工程項目，具有以下特點和難點：
（1）工期緊。根據市委市政府統一部署安排，3.5km高架橋爆破拆除計劃工期僅30天，全面封閉施工現場供爆破單位實施裝藥、聯網、爆前檢查等特殊作業的時間僅為36小時。
（2）難度大。拆除爆破工程缺少像建筑工程那樣一套系統的設計方法和行業規范，爆破設計難度大；高架橋拆除爆破涉及橋梁、結構、道路、安全和爆破工程等多項作業內容，項目組織管理難度大；沌陽高架橋橫跨5條城市主干道，交通流量大，作業期間須確保交通順暢，交通組織難度大。
（3）風險高。高架橋兩側分布大量居民樓、企事業單位辦公樓和工廠廠房，橋體上部橫跨110kV高壓線，地下分布720高壓天然氣管道、800自來水管和110kV高壓線等各種市政管線共計32根。工程涉爆，安全風險高，任何環節的微小漏都會帶來災難性事故，須確保萬無一失。
（4）任務重。橋梁長3.5km，共360根墩柱，炮孔數量數千個，裝藥量近2t，起爆網路總長近10km，各類防護材料數千噸，施工任務極其繁重。
8.1.2.2總體方案
根據沌陽高架橋工程結構與周邊環境特點，確定沌陽高架橋擬采用機械拆除兩端引道、逐排坍塌一次性爆破拆除主橋的總體方案。爆破拆除總體方案包括以下內容：
（1）采用一次點火起爆，自中間（83、84、85*橋墩處）逐跨向兩端起爆，實現主橋自中間向兩端呈多米諾骨牌式逐跨原地坍塌。
（2）爆破飛散物防護采用覆蓋防護、近體防護和保護性防護相結合的綜合防護措施。
（3）地下管線擬采用鋪設鋼板、沙袋墻、輪胎等綜合減振措施。
8.1.3爆破參數設計
8.1.3.1基礎理論研究與關鍵技術研發結合沌陽高架橋爆破拆除工程實例，本書第2~6章，對復雜環境下超大型高架橋精細爆破拆除關鍵技術進行了系統研究。
（1）在等直壓桿模型基礎上，考慮墩柱裸露鋼筋形態，運用結構力學能量分析法，建立了“初彎曲壓桿失穩”力學模型，更加精確地確定了墩柱的合理爆高；運用多剛體動力學理論，系統分析了簡支梁橋、連續梁橋和組合體系橋的塌落過程，為定量分析橋梁連續垮塌形態、計算合理起爆時差提供了有效依據；采用流固耦合的數值模擬方法，分析了多箱梁結構水中沖擊波和爆生氣泡與箱梁混凝土壁的作用機制和動力力學特征，定量研究了爆破參數對其破碎效果的影響，為箱梁結構水壓爆破的定量化設計提供了重要的參考。
（2）結合沌陽高架橋工程實例，選取有代表性的橋墩，按相同幾何尺寸、混凝土強度和配筋情況在試驗場建造了12個獨立墩柱模型和1個4墩柱單跨橋體模型。通過獨立墩柱模型試驗，有效地確定了孔網間距、炸藥單耗和經濟合理的防護形式等參數；通過1：1單跨物理模型爆破試驗確定了橋墩排間的最佳延期時間，并研究了不同材質地下管線在爆破振動和塌落沖擊荷載下的變形效應。
（3）應用LS-DYNA顯示動力分析軟件和自主開發的SLM-DEM數值仿真軟件，研究了橋墩的局部破碎機理和高架橋的整體塌落過程，不僅實現了預測爆破效果的目的，還連續、動態、重復地研究了高架橋結構整體倒塌與局部斷裂破壞的詳細過程，為進一步確定橋墩排間的合理起爆時差、橋體塌落沖擊與防護提供了理論依據。
（4）對城市超大型高架橋爆破拆除起爆網路進行了系統研究，明確了高架橋起爆網路設計原則，提出了高架橋非電導爆管接力式起爆網路的設計方法，研發了適用于城市超大型高架橋爆破拆除的“寬間隔、長延時、互動有序、復式交叉”起爆網路，并推導了不同復式起爆網路的可靠度計算公式。
（5）針對高架橋爆破拆除觸地沖擊、爆破沖擊波、噪聲、飛石和粉塵等有害效應，開展了系列理論與試驗研究。針對超大型高架橋爆破拆除塌落沖擊和振動影響范圍大的特點，提出了基于動量守恒定律的觸地振動半經驗、半理論簡化計算模型；采用動力有限元分析方法，揭示了觸地沖擊荷載作用下地下管道的動力響應特征；揭示了高架橋爆破拆除粉塵擴散規律，提出了預測粉塵擴散過程的數學模型；研發了高架橋爆破拆除有害效應綜合防護技術。
8.1.3.2主要爆破參數
1）墩柱破壞高度
綜合理論計算、模型試驗和數值模擬計算結果，依據墩柱的不同高度，確定爆高H=3～8m。
2）炮孔布置
炮孔沿墩柱長邊方向布孔，位于中心線上，炮孔間距30cm，如圖8-9所示。
圖8-9墩柱炮孔布設（單位：cm）
3）孔網參數
對比分析12個1：1獨立墩柱模型試驗參數，確定沌陽高架橋爆破孔網參數與炸藥單耗如表8-4所示。
表8-4孔網參數及爆破藥量設計
鉆孔施工過程中，發現墩柱內部有一上下貫通的落水管（未反映在圖紙中，圖8-10），落水管內充滿松散黃沙。為徹底消除落水管影響，采取在墩柱上下端各鉆一個炮孔，通過水洗、風吹的方式，先將立柱預埋落水管內的黃沙沖出，然后再對其進行注漿處理（圖8-11）。
圖8-10墩柱內預埋落水管
圖8-11墩柱落水管注漿處理
4）箱梁水壓爆破參數
為降低后期破碎強度，加快拆除清運速度，決定對箱梁結構實施水壓爆破。
高架橋箱梁單跨長度為18m，兩端帽梁各1m，爆破長度為16m（圖8-12和圖8-13）。
圖8-12高架橋箱梁水壓爆破平面
本書第2章構建的多箱梁結構動力有限元模型，采用流固耦合數值模擬方法，分析了多箱梁結構水中沖擊波和爆生氣泡與箱梁混凝土的作用機制和動力學特征，闡明了多箱梁結構混凝土的破壞機制和特征，并分析了爆破參數對其破碎效果的影響。在上述研究基礎上，確定沌陽高架橋每跨箱梁水壓爆破區域為左右兩側6個注水腔體，每個注水腔體平均布置6個單重為200g的藥包，藥包布置如圖8-14所示，箱梁水壓爆破現場注水及裝藥如圖8-15和圖8-16所示。
箱梁水壓爆破藥包起爆雷管（MS16）引出箱梁后簇聯，用MS1段導爆管雷管接力引入橋體主起爆網路，與所在墩柱同時起爆。
圖8-13高架橋箱梁水壓爆破橫斷面（單位：m）
圖8-14箱梁水壓爆破藥包布置（單位：cm）
圖8-15箱梁注水
圖8-16箱梁水壓爆破現場裝藥
5）起爆網路
本書第5章對城市高架橋爆破拆除起爆網路進行了系統研究。沌陽高架橋爆破拆除采用自行研發的“寬間隔、長延時、互動有序、復式交叉”起爆網路。為驗證該起爆網路的可靠性，檢驗雷管延期精度、雷管準爆性能，估算網路連接施工時間及快速綁扎導爆管束的準爆效果等，對新型起爆網路在高架橋現場進行了1：1網路模擬試驗（圖8-17和圖8-18）。
圖8-17起爆網路1：1模擬試驗
圖8-18起爆網路擬爆后效果
經試驗證實，90級寬間隔、長延時起爆網路連接傳爆準爆性達到了100%，未發現拒爆雷管，網路理論延期時間與實際傳爆時間吻合，90級復式起爆網路敷設連接耗時約1.5h，快速綁扎導爆管束技術對爆破效果沒有影響，且提高了施工速度。
沌陽高架橋實際爆破時所有墩柱炮孔內均裝MS16（1020ms）導爆管雷管，孔外采用MS8（250ms）導爆管雷管逐跨接力延時，自中間（83#、84#、85#
橋墩處）向南北端逐排延時起爆，起爆網路連接如圖8-19所示。
8.1.4爆破有害效應防控
8.1.4.1觸地沖擊與地下管網防護
由物理模型試驗和數值計算結果可知，高架橋爆破產生的爆破振動和塌落沖擊對各種地下管線不會產生破壞。但是，為確保地下管線絕對安全，并根據相關權屬單位要求，采取主動減振和被動防護方法對地下管線進行保護。
1）主動減振
臨近地下管線的橋墩墩柱通過降低墩柱爆破高度，即使墩柱上部、帽梁和橋面首先沖擊墩柱預留部分，在墩柱附近形成懸空區，不直接沖擊地面，主動減少橋梁上部結構對地下管線的沖擊力（圖8-20）。
圖8-19起爆網路連接示意
2）被動防護
根據管道用途、材質和埋深的不同，針對不同管線采取不同的緩沖降振措施。
（1）對于天然氣管線，在管道正上方順管道方向鋪設寬2m、厚20cm的沙墊層，沙墊層上鋪設寬2m、厚2cm的鋼板，鋼板上再鋪設4層廢舊汽車輪胎。鋼板兩側各鋪設1條寬1.5m、高1m的沙袋墻，塌落體沖擊力首先由沙袋墻承受，減緩沖擊（圖8-21）。
圖8-20高架橋爆破拆除調整墩柱爆高主動減振
圖8-21天然氣管道觸地沖擊防護
（2）對于給排水管道，采取在管線兩側各鋪設1道高0.6m、寬1.5m的沙袋墻的保護措施（圖8-22）。
圖8-22給排水管道觸地沖擊防護
（3）對于電力、電信管線采取先鋪設沙墊層和鋼板，再在管線兩側各鋪設一道高0.6m、寬1.5m的沙袋墻的防護措施（圖8-23）。
圖8-23電力、電信管道觸地沖擊防護
8.1.4.2飛石防護
根據高架橋墩柱炸藥單耗與飛石防護模型試驗結果，確定飛石防護由內至外采用3層棉絮、1層鋼絲網、1層竹跳板，立柱底部堆砌一圈1m高沙袋，近體防護采用從橋面兩側護欄向下懸掛2層密目網至地面的綜合防護方式（圖8-24）。
圖8-24飛石防護
8.1.4.3粉塵控制
根據爆炸水霧降塵試驗和數值模擬結果（詳見第6章），確定粉塵綜合防護措施為：①爆破裝藥聯網前對橋面進行清掃和灑水沖洗；②在變電站等敏感地段，在墩柱四周懸掛水袋，利用爆破飛散物擊破水袋產生水霧和散落水滴吸附灰塵（圖8-25）；③在橋面上鋪設大型水袋，按100m2范圍布置1個長6m、寬0.9m、裝水高度約0.15m的水袋，采取4個單重為50g的藥包起爆方式進行起爆，水袋起爆時間先于橋面塌落時間250ms（圖8-26）。
圖8-25墩柱四周懸掛水袋
圖8-26橋面鋪設水袋
8.1.5爆破效果
沌陽高架橋于2013年5月18日22：00準時起爆，高架橋在24.77s內成功實現多米諾骨牌式逐排縱向倒塌。爆破后，高架橋橋體塌落充分，塌落姿態平穩，彎道部位未出現側翻現象，橋體距地面僅30~50cm；鄰橋兩跨橋體水平張開位移10~20cm，垂向最大錯位20~30cm；采用水壓爆破的箱梁破碎良好，且無飛散現象，說明各項爆破參數選取合理（圖8-27）。
圖8-27沌陽高架橋爆破效果
圖8-27沌陽高架橋爆破效果（續）
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