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​武汉3.5km沌阳高架桥爆破拆除设计与施工

futao 拆除案例 2019-05-24 702 0
川渝拆除17713551981

武汉3.5km沌阳高架桥爆破拆除设计与施工

1.1工程概况

沌阳高架桥位于湖北省武汉市经济技术开发区东风大道上,桥长3476.5m,桥面宽16m,双向4车道,设计时速40km/h,于1997年建成通车(图8-1)。

随着社会经济的发展、汽车保有量的增加,现有高架桥已不能满足使用要求,且高架桥中央和两侧未设置隔离墩和防撞墩,存在较大安全隐患。经技术经济比较研究,武汉市政府决定拆除现有高架桥,对东风大道进行快速化改造。

2013年5月18日22:00,武汉爆破有限公司对2953.20m长主桥采取“一次点火起爆,自中间分别向南北两端对桥墩实施逐排延时爆破”拆除方案

24.77s内,高架桥自中间向南北两端呈多米诺骨牌式逐排纵向倒塌,爆破获得圆满成功。

图8-1武汉沌阳高架桥

图8-1武汉沌阳高架桥

1.1桥梁结构

沌阳高架桥由主桥和引道两部分组成,两端引道长523.3m,主桥长2953.20m,如图8-2所示。其中,主桥共181孔,16m跨径为主要跨径,共154孔;18m跨径为调整跨径,共26孔;15.5m跨径为特殊跨径,共1孔。全桥共22联,联长在128~144m,分8孔一联和9孔一联两类,其中:2×16+4×18+2×16=136m共3联,9×16=144m共5联,3×16+18+4×16=130m共3

图8-2沌阳高架桥典型联立面

图8-2沌阳高架桥典型联立面

联,2×16+3×18+3×16=134m共2联,16+5×18+2×16=138m共1联,

8×16=128m共7联,15.5+7×16=127.5m共1联。主桥先张法预应力混凝土空心板为先简支、后刚构-连续体系,全桥不同跨径的预应力混凝土空心板构造相同,高度为80cm,中部空心板宽度为100cm,位于外侧的空心板宽度为247cm,位于高架桥中心线内侧的空心板宽度为220cm。下部构造为隐蔽式钢筋混凝土暗帽梁,梁高90cm,固结墩、单排支座墩顶帽梁宽120cm,双排支座墩顶帽梁宽2×90cm。桥墩为双柱式钢筋混凝土墩,全桥墩柱截面尺寸相同,均为55cm×100cm,桥墩基础为混凝土扩大基础,桥台为重力式混凝土U型台。固结墩、单排支座墩、双排支座墩的连接如图8-3~图8-5所示,主桥典型横断面如图8-6所示。

图8-3固结墩连接示意图及实景照片(单位:cm)

图8-3固结墩连接示意图及实景照片(单位:cm)

图8-4单排支座墩连接示意图及照片(单位:cm)

图8-4单排支座墩连接示意图及照片(单位:cm)

图8-5双排支座墩连接示意图及照片(单位:cm)

图8-5双排支座墩连接示意图及照片(单位:cm)

图8-6主桥典型横断面(单位:cm)

图8-6主桥典型横断面(单位:cm)

8.1.1.2设计标准与主要材料

设计荷载:汽车-20级,挂车-100级,无人行荷载。

桥面宽度:0.5m(护栏)+4×3.75m(行车道)+0.5m(护栏),全宽16m,双向4车道,不设非机动车道及人行道;主桥、引道宽度相同。

桥面坡度:最大纵坡≤3.5%,横坡2%,超高最大横坡一2%。

桥下净高:①高架桥与下部干道立交道口≥5m;②高架桥下机动车辅道

≥4.5m。

高架桥不同部位的混凝土标号如表8-1所示。

表8-1高架桥不同部位混凝土标号

表8-1高架桥不同部位混凝土标号

高架桥桥墩配筋如表8-2所示。

表8-2高架桥桥墩配筋

表8-2高架桥桥墩配筋

续表

续表

8.1.1.3爆破环境

1)周边建(构)筑物与城市道路

沌阳高架桥桥体两侧分布有大量居民楼、企事业单位办公楼和工厂厂房;

110kV高压线横跨高架桥(高压线与桥面相距15m),高压铁塔距桥体仅24m;高架桥与5条城市干道立体交叉(图8-7)。

图8-7沌阳高架桥周边环境

图8-7沌阳高架桥周边环境

2)地下管网

调查勘测结果表明,高架桥下部分布有各类市政管网共计32条,主要分布于5处十字路口(表8-3、图8-8)。其地下管网具有以下特点:①输送物质多种多样,包括天然气、自来水、雨水、污水、强弱电(高压电缆、移动和电信通信电缆)等;②管线材质不同、埋设深度各异,包括钢管、铸铁管、混凝土预制管等,埋设深度分布在0.5~6m;③部分管线为有压状态,如自来水管、天然气管道等,具有不同的流速、流量和压力参数;④各类地下管线与居民、企业生活生产息息相关,高架桥爆破拆除过程中除一些特殊管线可临时关闭外,多数管线均要求保持持续运营的工作状态。

表8-3沌阳高架桥沿线地下管线分布状况

表8-3沌阳高架桥沿线地下管线分布状况

图8-8车城南路路口管线示意

图8-8车城南路路口管线示意

8.1.2爆破方案

8.1.2.1工程特点

沌阳高架桥爆破拆除工程是武汉市东风大道快速化改造项目的控制性工程,是武汉市重大市政工程项目,具有以下特点和难点:

(1)工期紧。根据市委市政府统一部署安排,3.5km高架桥爆破拆除计划工期仅30天,全面封闭施工现场供爆破单位实施装药、联网、爆前检查等特殊作业的时间仅为36小时。

(2)难度大。拆除爆破工程缺少像建筑工程那样一套系统的设计方法和行业规范,爆破设计难度大;高架桥拆除爆破涉及桥梁、结构、道路、安全和爆破工程等多项作业内容,项目组织管理难度大;沌阳高架桥横跨5条城市主干道,交通流量大,作业期间须确保交通顺畅,交通组织难度大。

(3)风险高。高架桥两侧分布大量居民楼、企事业单位办公楼和工厂厂房,桥体上部横跨110kV高压线,地下分布720高压天然气管道、800自来水管和110kV高压线等各种市政管线共计32根。工程涉爆,安全风险高,任何环节的微小漏都会带来灾难性事故,须确保万无一失。

(4)任务重。桥梁长3.5km,共360根墩柱,炮孔数量数千个,装药量近2t,起爆网路总长近10km,各类防护材料数千吨,施工任务极其繁重。

8.1.2.2总体方案

根据沌阳高架桥工程结构与周边环境特点,确定沌阳高架桥拟采用机械拆除两端引道、逐排坍塌一次性爆破拆除主桥的总体方案。爆破拆除总体方案包括以下内容:

(1)采用一次点火起爆,自中间(83、84、85*桥墩处)逐跨向两端起爆,实现主桥自中间向两端呈多米诺骨牌式逐跨原地坍塌。

(2)爆破飞散物防护采用覆盖防护、近体防护和保护性防护相结合的综合防护措施。

(3)地下管线拟采用铺设钢板、沙袋墙、轮胎等综合减振措施。

8.1.3爆破参数设计

8.1.3.1基础理论研究与关键技术研发结合沌阳高架桥爆破拆除工程实例,本书第2~6章,对复杂环境下超大型高架桥精细爆破拆除关键技术进行了系统研究。

(1)在等直压杆模型基础上,考虑墩柱裸露钢筋形态,运用结构力学能量分析法,建立了“初弯曲压杆失稳”力学模型,更加精确地确定了墩柱的合理爆高;运用多刚体动力学理论,系统分析了简支梁桥、连续梁桥和组合体系桥的塌落过程,为定量分析桥梁连续垮塌形态、计算合理起爆时差提供了有效依据;采用流固耦合的数值模拟方法,分析了多箱梁结构水中冲击波和爆生气泡与箱梁混凝土壁的作用机制和动力力学特征,定量研究了爆破参数对其破碎效果的影响,为箱梁结构水压爆破的定量化设计提供了重要的参考。

(2)结合沌阳高架桥工程实例,选取有代表性的桥墩,按相同几何尺寸、混凝土强度和配筋情况在试验场建造了12个独立墩柱模型和1个4墩柱单跨桥体模型。通过独立墩柱模型试验,有效地确定了孔网间距、炸药单耗和经济合理的防护形式等参数;通过1:1单跨物理模型爆破试验确定了桥墩排间的最佳延期时间,并研究了不同材质地下管线在爆破振动和塌落冲击荷载下的变形效应。

(3)应用LS-DYNA显示动力分析软件和自主开发的SLM-DEM数值仿真软件,研究了桥墩的局部破碎机理和高架桥的整体塌落过程,不仅实现了预测爆破效果的目的,还连续、动态、重复地研究了高架桥结构整体倒塌与局部断裂破坏的详细过程,为进一步确定桥墩排间的合理起爆时差、桥体塌落冲击与防护提供了理论依据。

(4)对城市超大型高架桥爆破拆除起爆网路进行了系统研究,明确了高架桥起爆网路设计原则,提出了高架桥非电导爆管接力式起爆网路的设计方法,研发了适用于城市超大型高架桥爆破拆除的“宽间隔、长延时、互动有序、复式交叉”起爆网路,并推导了不同复式起爆网路的可靠度计算公式。

(5)针对高架桥爆破拆除触地冲击、爆破冲击波、噪声、飞石和粉尘等有害效应,开展了系列理论与试验研究。针对超大型高架桥爆破拆除塌落冲击和振动影响范围大的特点,提出了基于动量守恒定律的触地振动半经验、半理论简化计算模型;采用动力有限元分析方法,揭示了触地冲击荷载作用下地下管道的动力响应特征;揭示了高架桥爆破拆除粉尘扩散规律,提出了预测粉尘扩散过程的数学模型;研发了高架桥爆破拆除有害效应综合防护技术。

8.1.3.2主要爆破参数

1)墩柱破坏高度

综合理论计算、模型试验和数值模拟计算结果,依据墩柱的不同高度,确定爆高H=3~8m。

2)炮孔布置

炮孔沿墩柱长边方向布孔,位于中心线上,炮孔间距30cm,如图8-9所示。

图8-9墩柱炮孔布设(单位:cm)

图8-9墩柱炮孔布设(单位:cm)

3)孔网参数

对比分析12个1:1独立墩柱模型试验参数,确定沌阳高架桥爆破孔网参数与炸药单耗如表8-4所示。

表8-4孔网参数及爆破药量设计

表8-4孔网参数及爆破药量设计

钻孔施工过程中,发现墩柱内部有一上下贯通的落水管(未反映在图纸中,图8-10),落水管内充满松散黄沙。为彻底消除落水管影响,采取在墩柱上下端各钻一个炮孔,通过水洗、风吹的方式,先将立柱预埋落水管内的黄沙冲出,然后再对其进行注浆处理(图8-11)。

图8-10墩柱内预埋落水管

图8-10墩柱内预埋落水管

图8-11墩柱落水管注浆处理

图8-11墩柱落水管注浆处理

4)箱梁水压爆破参数

为降低后期破碎强度,加快拆除清运速度,决定对箱梁结构实施水压爆破。

高架桥箱梁单跨长度为18m,两端帽梁各1m,爆破长度为16m(图8-12和图8-13)。

图8-12高架桥箱梁水压爆破平面

图8-12高架桥箱梁水压爆破平面

本书第2章构建的多箱梁结构动力有限元模型,采用流固耦合数值模拟方法,分析了多箱梁结构水中冲击波和爆生气泡与箱梁混凝土的作用机制和动力学特征,阐明了多箱梁结构混凝土的破坏机制和特征,并分析了爆破参数对其破碎效果的影响。在上述研究基础上,确定沌阳高架桥每跨箱梁水压爆破区域为左右两侧6个注水腔体,每个注水腔体平均布置6个单重为200g的药包,药包布置如图8-14所示,箱梁水压爆破现场注水及装药如图8-15和图8-16所示。

箱梁水压爆破药包起爆雷管(MS16)引出箱梁后簇联,用MS1段导爆管雷管接力引入桥体主起爆网路,与所在墩柱同时起爆。

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图8-13高架桥箱梁水压爆破横断面(单位:m)

图8-14箱梁水压爆破药包布置(单位:cm)

图8-14箱梁水压爆破药包布置(单位:cm)

图8-15箱梁注水

图8-15箱梁注水

图8-16箱梁水压爆破现场装药

图8-16箱梁水压爆破现场装药

5)起爆网路

本书第5章对城市高架桥爆破拆除起爆网路进行了系统研究。沌阳高架桥爆破拆除采用自行研发的“宽间隔、长延时、互动有序、复式交叉”起爆网路。为验证该起爆网路的可靠性,检验雷管延期精度、雷管准爆性能,估算网路连接施工时间及快速绑扎导爆管束的准爆效果等,对新型起爆网路在高架桥现场进行了1:1网路模拟试验(图8-17和图8-18)。

图8-17起爆网路1:1模拟试验

图8-17起爆网路1:1模拟试验


图8-18起爆网路拟爆后效果

图8-18起爆网路拟爆后效果

经试验证实,90级宽间隔、长延时起爆网路连接传爆准爆性达到了100%,未发现拒爆雷管,网路理论延期时间与实际传爆时间吻合,90级复式起爆网路敷设连接耗时约1.5h,快速绑扎导爆管束技术对爆破效果没有影响,且提高了施工速度。

沌阳高架桥实际爆破时所有墩柱炮孔内均装MS16(1020ms)导爆管雷管,孔外采用MS8(250ms)导爆管雷管逐跨接力延时,自中间(83#、84#、85#

桥墩处)向南北端逐排延时起爆,起爆网路连接如图8-19所示。

8.1.4爆破有害效应防控

8.1.4.1触地冲击与地下管网防护

由物理模型试验和数值计算结果可知,高架桥爆破产生的爆破振动和塌落冲击对各种地下管线不会产生破坏。但是,为确保地下管线绝对安全,并根据相关权属单位要求,采取主动减振和被动防护方法对地下管线进行保护。

1)主动减振

临近地下管线的桥墩墩柱通过降低墩柱爆破高度,即使墩柱上部、帽梁和桥面首先冲击墩柱预留部分,在墩柱附近形成悬空区,不直接冲击地面,主动减少桥梁上部结构对地下管线的冲击力(图8-20)。

图8-19起爆网路连接示意

图8-19起爆网路连接示意

2)被动防护

根据管道用途、材质和埋深的不同,针对不同管线采取不同的缓冲降振措施。

(1)对于天然气管线,在管道正上方顺管道方向铺设宽2m、厚20cm的沙垫层,沙垫层上铺设宽2m、厚2cm的钢板,钢板上再铺设4层废旧汽车轮胎。钢板两侧各铺设1条宽1.5m、高1m的沙袋墙,塌落体冲击力首先由沙袋墙承受,减缓冲击(图8-21)。

图8-20高架桥爆破拆除调整墩柱爆高主动减振

图8-20高架桥爆破拆除调整墩柱爆高主动减振

图8-21天然气管道触地冲击防护

图8-21天然气管道触地冲击防护

(2)对于给排水管道,采取在管线两侧各铺设1道高0.6m、宽1.5m的沙袋墙的保护措施(图8-22)。

图8-22给排水管道触地冲击防护

图8-22给排水管道触地冲击防护

(3)对于电力、电信管线采取先铺设沙垫层和钢板,再在管线两侧各铺设一道高0.6m、宽1.5m的沙袋墙的防护措施(图8-23)。

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图8-23电力、电信管道触地冲击防护

8.1.4.2飞石防护

根据高架桥墩柱炸药单耗与飞石防护模型试验结果,确定飞石防护由内至外采用3层棉絮、1层钢丝网、1层竹跳板,立柱底部堆砌一圈1m高沙袋,近体防护采用从桥面两侧护栏向下悬挂2层密目网至地面的综合防护方式(图8-24)。

图8-24飞石防护

图8-24飞石防护

8.1.4.3粉尘控制

根据爆炸水雾降尘试验和数值模拟结果(详见第6章),确定粉尘综合防护措施为:①爆破装药联网前对桥面进行清扫和洒水冲洗;②在变电站等敏感地段,在墩柱四周悬挂水袋,利用爆破飞散物击破水袋产生水雾和散落水滴吸附灰尘(图8-25);③在桥面上铺设大型水袋,按100m2范围布置1个长6m、宽0.9m、装水高度约0.15m的水袋,采取4个单重为50g的药包起爆方式进行起爆,水袋起爆时间先于桥面塌落时间250ms(图8-26)。


图8-25墩柱四周悬挂水袋

图8-25墩柱四周悬挂水袋


图8-26桥面铺设水袋

图8-26桥面铺设水袋


8.1.5爆破效果

沌阳高架桥于2013年5月18日22:00准时起爆,高架桥在24.77s内成功实现多米诺骨牌式逐排纵向倒塌。爆破后,高架桥桥体塌落充分,塌落姿态平稳,弯道部位未出现侧翻现象,桥体距地面仅30~50cm;邻桥两跨桥体水平张开位移10~20cm,垂向最大错位20~30cm;采用水压爆破的箱梁破碎良好,且无飞散现象,说明各项爆破参数选取合理(图8-27)。

图8-27沌阳高架桥爆破效果

图8-27沌阳高架桥爆破效果

图8-27沌阳高架桥爆破效果(续)

图8-27沌阳高架桥爆破效果(续)

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