某水塔爆破拆除不對稱倒塌的研究

王 泳

(南昌陸軍學(xué)院， 江西 南昌 330103)

某水塔爆破拆除不對稱倒塌的研究

王 泳

(南昌陸軍學(xué)院， 江西 南昌 330103)

通過工程實(shí)例，對框架水塔實(shí)施不對稱倒塌爆破拆除進(jìn)行了研究和探討，根據(jù)水塔的周圍環(huán)境及其對爆破的要求，決定采用定向爆破。并對爆破參數(shù)和起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計，針對爆破可能引起的飛石、振動等危害，提出了安全防護(hù)措施及施工關(guān)鍵技術(shù)，明確指出該類爆破拆除中需要注意問題和處理方法，以便類似工程借鑒。

水塔；爆破拆除；不對稱倒塌

0 引 言

隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展，爆破拆除的環(huán)境越來越復(fù)雜，對爆破提出的要求也越來越高，這給爆破工作者帶來新的挑戰(zhàn)和困難，需要爆破工作者組合不同精湛的爆破技術(shù)與完美施工手段才可精準(zhǔn)的完成爆破拆除任務(wù)，因此往往要采取折疊爆破或定位倒塌爆破，甚至多形式爆破，才能確保爆破拆除過程的安全。

1 工程概況

為加快江西省南昌市青山湖區(qū)舊城改造步伐，決定對青山湖區(qū)星輝村一水塔進(jìn)行爆破拆除，該水塔為框架式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其高度34.0 m，水箱體為鋼筋混凝土澆鑄而成的圓筒結(jié)構(gòu)，高約6.0 m，直徑8.0 m，壁厚0.5 m。鋼筋混凝土框架高28.0 m，水箱由鋼筋混凝土框架支撐，框架由4根鋼筋混凝土柱和3圈鋼筋混凝土圈梁組成。

鋼筋混凝土框架柱體截面積為正方形，其邊長為30 cm×30 cm，因甲方無法提供水塔建設(shè)圖紙，因此其鋼筋混凝土柱體的配筋不詳。

2 四周環(huán)境

被拆除水塔位于一小學(xué)旁邊的一個院子內(nèi)，其北邊圍墻外為小學(xué)，圍墻內(nèi)距水塔0.8 m處為結(jié)構(gòu)一層的民房；東邊相距圍墻1.5 m，圍墻外為寬6.0 m的村內(nèi)道路，道路東邊為民房；南邊相距圍墻30.0 m，圍墻外是青山湖大道；西邊40.0 m為民房，其周圍環(huán)境見圖1。

在爆破過程中，要求不能損傷水塔周邊的建筑物，且爆破飛石或飛散物要求不能落到青山湖大道，避免造成道路損傷及影響交通。

圖1 水塔四周環(huán)境

3 爆破方案選擇

從水塔周邊建構(gòu)筑物來看，水塔向西偏南55°倒塌最為有利，這樣可以避免水塔倒塌時損害北邊民房和圍墻，也可以滿足倒塌范圍要求，減少施工成本。

3.1 定向爆破倒塌因素分析

(1) 水塔中間上下水管直接從地表連接到頂部的儲水罐中，且為剛性連接，分為前后兩根直徑不小于12 cm鑄鐵管位于水塔4個立柱的中心位置，會在水塔倒塌過程中產(chǎn)生支撐作用，同時會影響水塔向設(shè)計方向倒塌。

(2) 清理水塔上下用扶梯因直接固定在地上且為三角鐵結(jié)構(gòu)，爆破時會影響倒塌甚至?xí)苟ㄏ虺霈F(xiàn)偏斜。

(3) 水塔下部圈梁離地表只有4.5 m且為25 cm×25 cm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在水塔爆破后觸地瞬間，因其支撐地表可能會產(chǎn)生反彈，導(dǎo)致倒塌位置產(chǎn)生位移或不準(zhǔn)。

3.2 立柱炸高設(shè)計

立柱的炸高決定著水塔倒塌是否順利和方向的準(zhǔn)確，也決定著施工的難易程度及工作量大小。采用下列公式計算立柱炸高：

H=k(B+Hmin)

式中，H為立柱的破壞高度，m；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，k=1.0～2.0；B為傾倒方向立柱截面的長度，m；Hmin為立柱的最小破壞高度，m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)Hmin一般不小于0.8 m。

通過計算，各立柱的炸高分別為：1號立柱2.0 m，2號立柱1.7 m，3號立柱1.4 m和4號立柱0.5 m，立柱標(biāo)號見圖2，以確保水塔按照設(shè)計方向倒塌。

圖2 立柱標(biāo)號

3.3 爆破參數(shù)設(shè)計

(1) 最小抵抗線w：由于本次爆破的是小截面構(gòu)件，最小抵抗線取立柱截面最小邊長的一半，即：

w=B/2

(1)

式中，w為最小抵抗線，m；B為立柱截面最小邊長,m。

經(jīng)計算w=0.15 m。

(2) 炮孔間距a：

a=(1.2～1.5)w

(2)

經(jīng)計算取w=0.2 m，本次爆破采用單排炮孔。

(3) 孔深L：

L=2B/3

(3)

經(jīng)計算L=0.2 m。

(4) 單孔裝藥量q：

q=kv

(4)

式中，k為單位炸藥消耗量，本水塔爆破k=0.83～1.21 kg/m3；v為單孔爆破體積，m3。

經(jīng)計算q=22.5～33.5 g，根據(jù)對爆破體的現(xiàn)場考察和工程爆破實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)取q=30 g。

根據(jù)以上計算結(jié)果，爆破參數(shù)見表1。

4 起爆網(wǎng)路設(shè)計

為了確保起爆網(wǎng)路可靠、安全，實(shí)現(xiàn)倒塌方向不對稱和微差時間的準(zhǔn)確性，決定采用電子雷管起爆網(wǎng)路，其中1號立柱10個炮孔均設(shè)置起爆時間為0 ms，2號立柱9個炮孔均設(shè)置起爆時間為400 ms，3號立柱7個炮孔均設(shè)置起爆時間為375 ms和4號立柱2個炮孔均設(shè)置起爆時間為700 ms，總計使用電子雷管28個，使網(wǎng)路連接更加簡單和便捷，起爆網(wǎng)路見圖3。

表1 爆破參數(shù)

圖3 起爆網(wǎng)路

5 爆破安全計算

5.1 爆破震動計算

爆破振動按公式(5)計算:

(5)

式中，v為被保護(hù)對象所在地面質(zhì)點(diǎn)震動速度，cm/s；Q為最大同段起爆藥量，本工程中設(shè)計的最大段起爆藥量為0.3 kg；R為爆破中心至被保護(hù)物的距離；k、k1、α為與爆破點(diǎn)至被保護(hù)物之間的地形，地質(zhì)以及爆破類型等有關(guān)的系數(shù)與指數(shù)，k=150，k1=0.5，α=1.7。

因本次爆破最大段藥量為0.3 kg，炸藥不直接在與房屋基礎(chǔ)一致的地下爆破，而是通過水塔立柱炮孔內(nèi)炸藥爆炸后間接傳遞給周邊房屋，且經(jīng)過不同介質(zhì)和路徑衰減，因此爆破振動對房屋的損害可以忽略不計。

5.2 塌落振動

塌落觸地振動是本次爆破控制重點(diǎn)，對于塌落觸地振動速度的計算，采用周家漢教授提出的建筑物爆破拆除時的塌落振動速度計算公式：

(6)

式中，v1為塌落引起的地面振動速度，cm/s；M為下落構(gòu)件的質(zhì)量，M=200 t；g為重力加速度，9.8 m/s；H為構(gòu)件的重心高度，H=31.0m；σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，一般取10 MPa；R為離沖擊觸地點(diǎn)的距離，本工程中水塔倒塌后距西邊民房最近為8.5 m，距北邊民房最遠(yuǎn)為30.0 m；k1，β為塌落振動速度衰減系數(shù)和指數(shù)，k1=3.37～4.09，取k1=3.8；β=1.80～1.66，取β=1.8。

經(jīng)計算水塔倒塌時引起的塌落振動距北邊民房為1.56 cm/s，距西邊民房為15.07 cm/s。由此可見爆破塌落振動遠(yuǎn)大于民房抗振值，因此，需對東、西民房采取措施進(jìn)行防護(hù)，以免爆破時民房損害而引起糾紛。

5.3 爆破空氣沖擊波計算

為了確保周圍人員和建構(gòu)筑物安全，采用裸露爆破時空氣沖擊波的安全允許距離計算公式：

(7)

式中，R為空氣沖擊波對人員的最小允許距離，m；Q為毫秒爆破時按照一次爆破的總藥量，kg，Q=0.88 kg；經(jīng)過計算R=23.95 m，因本工程采用淺孔控制爆破和加強(qiáng)堵塞爆破，同時爆破空氣沖擊波擴(kuò)散條件好，所以爆破時空氣沖擊波不會對周圍民房造成損害。

5.4 爆破飛石計算

爆破飛石距離按照式(8)計算：

(8)

式中，v為飛石初始速度，m/s；Q為單孔最大藥量，Q=0.03 kg；w為最小抵抗線，m；k為防護(hù)系數(shù)，0.2～0.5，取0.5；g為重力加速度，m/s2；S為個別飛石水平方向的距離，m；α為飛石的拋射角。

當(dāng)α=45°時，個別飛石的水平距離最遠(yuǎn)，經(jīng)計算S=132.85 m，由此可見爆破時安全警戒范圍設(shè)置為200.0 m。

6 爆破防護(hù)

(1) 飛石的防護(hù)。對炮孔采用主動防護(hù)和被動防護(hù)兩種，主動防護(hù)就是在選擇炮孔位置、鉆孔、計算裝藥量及微差時間時做到準(zhǔn)確無誤，力爭不產(chǎn)生飛石；被動防護(hù)就是采用緊貼式防護(hù)炮孔，減少飛石發(fā)生和飛擲，即在布置炮孔的立柱部分，首先用草袋包裹一層立柱，同時給草袋浸水以增加草袋抗拉力，草袋外面用鐵絲網(wǎng)包裹，鐵絲網(wǎng)外面用竹笆包裹，3層防護(hù)物品緊密連接，以確保飛石不造成損害。

(2) 塌落振動防護(hù)。上述計算表明塌落振動有可能會對周邊民房造成損害，同時也可能在水塔落地瞬間引起石塊飛濺造成事故，因此決定在水塔倒塌范圍內(nèi)鋪設(shè)厚度為2.0 m、寬度為13.0 m的粘土，以緩沖水塔落地時的沖擊力和防止飛濺物的發(fā)生。

7 爆破效果

起爆后水塔首先向下座，接著向西南傾斜，再向西南方向緩緩倒塌，整個倒塌過程持續(xù)7 s，水塔倒塌長度18.3 m、寬度10.6 m，倒塌位置與設(shè)計的方向偏南了約3°，爆破效果見圖4。

圖4 爆破效果

8 結(jié) 論

(1) 對于對稱結(jié)構(gòu)的框架式水塔，在爆破場地受限時，可以通過設(shè)置不同立柱的炸高和不同的微差時間實(shí)現(xiàn)不對稱倒塌，達(dá)到爆破要求。

(2) 通過控制炸高和對圈梁的爆破可以實(shí)現(xiàn)倒塌長度的控制。

[1]馮叔瑜，呂 毅,等.城市控制爆破[M].北京：鐵道出版社，1985.

[2]汪旭光.爆破設(shè)計與施工[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

[3]汪旭光，于亞倫.拆除爆破理論與工程實(shí)踐[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4]劉殿中，楊仕春.工程爆破實(shí)用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[5]顧毅成，史雅語，金驥良.工程爆破安全[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

2017-05-06)

王 泳(1967-)，男，江西南昌人，教授，長期從事工程爆破理論與實(shí)踐研究，Email:wangyong67526@126.com。