复杂环境下跨路桥梁拆除爆破方案优化研究

福建省大井垄大桥因道路改造需爆破拆除,该桥梁为钢筋混凝结构,长187 m,宽24 m,中间有5排墩柱,共6跨,跨径30 m,周围环境复杂,桥梁底面距离桥下马路最高达到29 m,需严格控制爆破飞石、爆破振动、触地振动等危害.通过理论分析并运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件对对称起爆、单向起爆和中间起爆三个预选方案进行模拟,通过对比爆堆范围和触地振动大小,发现中间起爆方式效果最好.通过对比不同排间延期时间的模拟结果,对原设计的短延期爆破方案进行优化,最终采用中间起爆长延期的爆破方案.同时采用预铺缓冲层、多层缠绕防护和砂土堤防护等措施来控制爆破危害.现场爆破结果表明:采用优化方案和振动控制措施后取得了良好的爆破效果,大桥实际爆堆形态与模拟结果大致吻合,各监测点的峰值振动速度与模拟结果较为接近,对周围重要设施的影响均符合要求.     

水下钻孔爆破岩石各区应力的数值模拟

结合连续介质力学和动力非线性有限元理论知识,通过ANSYS/LS-DYNA建立20 m水深和无水两种情况下的钻孔爆破模型,采用多物质ALE算法,模拟得出了从孔底起爆时爆炸冲击波引起的应力响应,并根据岩石破碎机理判断出粉碎区、裂隙区和弹性振动区,在5~8倍的药柱半径范围内,由冲击波压碎岩石形成粉碎区,临界径向压应力为207 MPa左右,在10~14倍的药柱半径范围内,岩石被割裂形成裂隙区,且切向拉应力起主导作用,其临界值为16.1 MPa左右,对比分析两种模型的计算结果可知,水介质的存在会减缓冲击波与爆轰气体的衰减速率。     

岩石介质中双孔爆破效应的数值模拟研究

基于动力分析软件LS-DYNA及Langrange-Euler耦合算法,数值模拟研究了双炮孔同时起爆和微差起爆(微差时间分别为0.05 ms、0.1 ms、0.3 ms和5 ms)时爆炸冲击波在岩石介质中的传播规律和爆破对炮孔周围岩体振动效应的影响。研究表明:双炮孔同时起爆初期,损伤破碎区的扩展类似于单孔爆破;当爆炸冲击波相互叠加后,两炮孔中间纵向单元和药柱内外两侧横向近区单元的压力和等效应力随爆心距的增大而减小,而自由面上单元呈现出先增后减的变化趋势,且在距药柱10 cm外出现内侧单元的压力和应力值均高于外侧;微差起爆可缓解爆破振动和改善爆破效果,以同时起爆药柱完全引爆所需时间0.3 ms为例,当微差小于0.3 ms时,随着微差时间的延长,微差起爆对周围岩体单元的压力和等效应力峰值的降低幅度越大,同时缓解岩体纵向爆破隆起和z方向的振动效应也越明显,但超过0.3 ms后则微差起爆的改善效果受到一定限制。     

连拱隧道中导洞不同起爆位置振动效应研究

为研究隧道掘进爆破炮孔不同起爆位置振动效应,在连拱隧道中导洞开挖过程中开展相关试验研究,并基于CEEMDAN-小波包对监测到的爆破振动信号进行降噪处理。研究表明：1)采用CEEMDAN-小波包法对爆破振动信号进行去噪,重构,能有效保留爆破振动信号真实信息;2)炮孔不同起爆位置质点峰值振速,反向起爆>中间起爆>正向起爆;振动频率大小范围,正向起爆>反向起爆>中间起爆,其中正向起爆的频率分布更广,且具有多个峰值,有利于能量朝高频转移;3)对重构后的爆破振动信号进行Hilbert变换,发现隧道掏槽段爆破瞬时能量关系为：反向起爆>中间起爆>正向起爆;随着雷管段别的增加,反向起爆和正向起爆波形较宽、质点峰值振速较大,中间起爆振动波形较窄、质点峰值振速较小;4)对比分析炮孔不同起爆位置破岩块度,反向起爆更为均匀,效果最佳。     

微差爆破中起爆顺序对爆破振动的影响分析

为了研究不同起爆顺序对爆破振动的影响,通过设置不同测点对大量的微差爆破进行了振动监测。监测数据回归及小波包分析发现:不同的起爆顺序下,爆破抛掷方向不同,爆破抛掷反方向的振动强度最大。不同方向上的爆破地震波主频大小以及振动信号的频带能量分布均具有规律性;爆破抛掷反方向15Hz以内频带所占比例明显高于其他方向,反方向上产生的爆破地震波对周围结构危害相对较大。     

多层复合壁容器状结构水压破爆的药量计算

本文通过对容器状构筑物结构和形状的分析，运用炸药在水中爆炸产生的水中冲击波和介质中应力波传播的特性，提出了不同介质的多层复合壁容器状结构水压爆破的药量计算方法。     

导流涵洞的水压爆破拆除

采用钻孔爆破和水压爆破相结合的方法拆除钢筋混凝土三孔导流涵洞。文中论述了钻孔爆破和水压爆破参数的确定、安全技术措施、起爆网络和起爆顺序 ,对作用在涵洞壁上的水中冲击波峰值压力及有关参数进行了计算。此外 ,还介绍了爆破震动监测及对监测结果的分析 ,并在分析的基础上讨论了局部涵洞壁出现裂缝的原因。     

导流涵洞的水压爆破拆除

采用钻孔爆破和水压爆破相结合的方法拆除钢筋混凝土三孔导流涵洞。文中论述了钻孔爆破和水压爆破参数的确定、安全技术措施、起爆网络和起爆顺序 ,对作用在涵洞壁上的水中冲击波峰值压力及有关参数进行了计算。此外 ,还介绍了爆破震动监测及对监测结果的分析 ,并在分析的基础上讨论了局部涵洞壁出现裂缝的原因。     

延时起爆技术对中深孔爆破地震波强度的控制

减小大孔径中深孔爆破地震波的危害,关键在于控制最高一段起爆药量及产生的爆破振动的能量。本文阐述了在不同的爆区环境下,通过采用孔内分段间隔起爆、孔间分组传爆、排的延时传爆及调整起爆顺序等减振技术措施,可以有效地降低中深孔爆破产生的地震波危害。     

延时起爆技术对中深孔爆破地震波强度的控制

减小大孔径中深孔爆破地震波的危害,关键在于控制最高一段起爆药量及产生的爆破振动的能量。本文阐述了在不同的爆区环境下,通过采用孔内分段间隔起爆、孔间分组传爆、排的延时传爆及调整起爆顺序等减振技术措施,可以有效地降低中深孔爆破产生的地震波危害。     

水下爆破激励堤岸振动主频的衰减规律

为了探究水下爆破激励堤岸岩土振动的主频及其传播过程的衰减规律,采用量纲分析法,考虑水、土介质变化物征,建立了影响爆破振动主频各物理量之间的泛函。结合江西省宜春市秀江双桥爆破拆除作业获得的水下爆破振动在堤岸及其近邻域传播测试数据,通过回归拟合,求解爆破振动主频公式。得到爆破振动主频预测值与实测值的平均相对误差为8.87%,较未考虑水土介质变化特征的预测方法得到的平均相对误差小。结果表明,通过引入监测点距爆心之间水、土介质传播域距离比值系数,使得振动主频的预测表达式符合水下爆破振动在堤岸传播的工程物理实际。     

底部空气柱装药爆破减振理论和实验研究

为降低大型露天矿山爆破振动对周边构筑物的影响,采用底部空气柱装药结构爆破减振技术。通过公式推导,找出岩石爆破中质点峰值振动速度和装药结构轴向不耦合系数的关系式。采用底部空气柱装药水下爆炸实验,研究峰值压力、冲量、比冲击波能与空气柱长度之间的关系。结果表明,空气柱长度增加,可提高能量利用率,降低峰值压力,有效降低爆破振动。在舟山绿色石化二期矿山开采爆破工程中,当填塞长度、装药量相同时,通过底部空气柱长度递减的对比实验,采用逐孔爆破技术可清楚得出底部空气柱装药结构能够有效降低爆破振动。     

底部空气柱装药爆破减振理论和实验研究

为降低大型露天矿山爆破振动对周边构筑物的影响,采用底部空气柱装药结构爆破减振技术。通过公式推导,找出岩石爆破中质点峰值振动速度和装药结构轴向不耦合系数的关系式。采用底部空气柱装药水下爆炸实验,研究峰值压力、冲量、比冲击波能与空气柱长度之间的关系。结果表明,空气柱长度增加,可提高能量利用率,降低峰值压力,有效降低爆破振动。在舟山绿色石化二期矿山开采爆破工程中,当填塞长度、装药量相同时,通过底部空气柱长度递减的对比实验,采用逐孔爆破技术可清楚得出底部空气柱装药结构能够有效降低爆破振动。     

水下爆破的危害控制

结合水下工程爆破实践经验和相关理论,分析了水下工程爆破中地震效应、水击波效应、爆破涌浪、爆破飞石以及爆破污染等危险有害因素产生的原因和判断依据,并针对其成因,提出了相应的安全控制和防护措施,力求将水下爆破的危害控制到最小程度。     

水下爆破破冰爆炸冲击波传播规律数值分析

利用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟研究水下爆破破冰过程中爆炸冲击波压力的作用特征和传播规律,对比分析在冰体覆盖的相对封闭条件和常规水下爆炸时水中压力变化的差异性。研究表明:爆炸冲击波产生的水压力以炸药为中心向四周传播,对冰面破碎起主要作用,被扰动冰体主要发生振动折裂。炸药周围近区压力初始峰值大体上相同,爆源远区相差较大,冰盖的存在减弱了爆破能量的耗散。对于相同集中药包,入水深度直接影响爆破破冰效果。和常规水下爆炸相比,在冰体覆盖的相对封闭条件下水中峰值压力较小,衰减速度较慢。     

水下爆破振动特征及衰减规律研究

针对传统质点峰值振动速度公式因没有考虑水体波动对爆破振动传播的影响导致预测结果精度较差的问题,以某核电站水下爆破实验为背景,分析了水下钻孔爆破时地面质点振动特征和水下爆破地震波的衰减规律。由现场实测爆破振动速度数据分析结果可知,水下爆破产生的地震波具有振幅小,衰减慢等特点,传统的质点峰值振动速度公式不适用于水下爆破振动传播的预测,鉴于此,对其进行修正。修正后的预测公式考虑水深比的影响,将拟合系数从0.45提高到0.92,由此可见,修正的预测公式能够更好地反映水下爆破振动衰减规律。由于爆破振动的频谱特征也是决定其灾害程度的重要因素,因此通过傅里叶变换,对比分析了水下爆破与露天爆破的频谱特征。结果表明,水下爆破具有明显的滤频效应,具有主频小,频带窄,能量小等特点。研究结果可为水下爆破灾害的有效控制提供依据。     

深孔间隔装药爆破对不同孔壁介质的影响

数值模拟研究了岩石、混凝土和土三种不同孔壁介质深孔间隔装药爆破时的扩孔特征、压力场、应力场、速度场和能量分布及传播衰减规律,还分析了间隔介质(空气和水)和起爆方式等对孔壁介质中冲击波传播规律的影响。研究表明:由于岩石、混凝土和土三种孔壁介质的波阻抗和可压缩性不同,导致爆破后分别形成"狼牙棒"型、"纺锤"型和"圆柱"型三种爆腔。与岩石和混凝土相比,在土体中的扩孔宽度分别提高约60%和约45%,土能缓解孔壁压力和等效应力、降低爆破振动效应、减缓爆炸冲击波的衰减速度和提高能量利用率,而在岩石和混凝土介质中,上述效果的差异性不太明显。与水间隔装药相比,在岩石和混凝土孔壁介质中采用空气间隔装药结构能降低约7%的孔壁压力。在岩石和混凝土孔壁介质中,采用底部起爆方式能够提高炸药的能量利用率,中部起爆方式能够减缓爆破振动效应,而在土体中并不明显。     

埋地输油管道对爆破振动的动力响应

为了控制爆破振动对油气管道的影响,利用ANSYS/LS-DYNA软件对埋地管道在爆破作用下不同方向的受力过程进行数值模拟,建立埋地管道三维有限元模型,采用多物质流固耦合算法模拟爆破过程。结果表明:基于流固耦合方法模拟得到的振速与现场实测结果基本一致,利用该模拟方法研究爆破振动对埋地输油管道的影响是可行的。经过爆破模拟分析,得到埋地管道上的有效应力变化规律。迎爆面和背爆面受到的应力远高于管顶、管底受到的应力,且迎爆面的有效应力大于背爆面,说明迎爆面是最容易发生变形的;管顶和管底位于管道的中轴面上,受到的应力较小,变形也较小。     

孔底设复合消能结构的岩体爆破振动特性研究

爆破振动的特性、控制方法及措施一直是工程爆破界的研究热点。基于白鹤滩水电站坝基开挖中开展的孔底设复合消能的岩体爆破开挖试验,结合动力有限元技术数值模拟,以及对实测振动傅里叶频谱分析,研究了孔底设复合消能结构的岩体爆破振动特性。数值模拟与现场监测结果表明:孔底设复合消能结构相对于常规装药结构能够大幅减小炮孔底部岩体的爆破振动速度,减小幅度达到30%以上,相应的傅里叶幅值谱峰值和主频率也有降低,可见爆破孔孔底设复合消能结构可有效降低孔底的峰值振动速度,从而控制孔底岩体的爆破损伤范围。     

延期雷管的殉爆和抗冲击波性能

延期雷管的准确引爆是保证毫秒延时爆破作业成功实施的基本保证。但如果先被引爆的炮孔装药产生的冲击波传播至后爆炮孔对其内的雷管产生较大作用时,雷管有可能产生殉爆或受到损坏,这两种情况均不利于爆破工程的实施。作者观测了雷管在水中受到冲击波作用之后的殉爆与受损情况,并作了分析。结果表明,雷管受到的冲击波作用较大时(>130MPa)容易发生殉爆,作用较小时雷管容易受到损坏而可能无法被激发,但如果被成功激发,其起爆能力不会下降。因此,在爆破施工中,炮孔间距不应小于致使雷管损坏或殉爆的距离。必要时应该对延期雷管采取保护措施。