方形剪力墻雷達塔爆破拆除技術

茆恒陽，周 恒，廖和平，萬 佳

(1.安徽地質爆破工程有限公司，合肥 230011；2.中國科學技術大學近代力學系，合肥 230026)

1 工程概況

合肥駱崗機場遷建工程所屬THALES二次雷達塔，根據工程建設規劃，需要爆破拆除。該雷達塔高39.6 m，底部為近似正方形的剪力墻結構，邊長7.2 m，壁厚0.3 m，雙層雙向Ф16鋼筋網。雷達塔1層東、南、北面各有一個1.2 m×2.1 m高的窗戶，窗戶下邊緣離地0.9 m，西側門洞為1.2 m×2.1 m。雷達塔4個拐角均布置有30 cm寬的暗柱，暗柱內豎向Ф22螺紋鋼筋。塔內部有連梁及樓梯一直通向雷達站頂部，頂部為直徑14 m的圓形框架結構雷達底座。雷達塔外觀如圖1所示，雷達塔一層平面如圖2所示。

圖1 雷達塔外觀Fig.1 The radar tower appearance

圖2 雷達塔一層平面Fig.2 Plane of the radar tower

爆破周邊環境較復雜，雷達塔東15 m為圍墻及通信線纜；南側距離10 m為1座2層鋼筋混凝土結構配電房；西側距2 m有1棟2層鋼筋混泥土框架結構辦公樓，其在第2層與雷達塔體有連廊相接，西北方向30 m為變壓器，80 m處有居民區；東北側距離60 m為工地搭建辦公及居住板房(見圖3)。

圖3 周圍環境Fig.3 Surrounding environment

2 爆破方案

根據雷達塔結構特點及周邊環境條件，確定雷達塔向正北方向傾倒。預拆除剪力墻體，采用“化墻為柱”的鉆孔爆破法；采取多重近體防護來防爆破飛石，建土堤緩沖減振，實施后部墻體偏心爆破并結合兩側圓弧狀支撐預防強烈后坐。

2.1 爆破切口

1)爆破切口形狀。根據雷達塔的結構特點和實際工程爆破經驗，本工程采用“化墻為柱”的鉆孔爆破法。爆破切口開設絕對對稱，以準確控制倒塌方向(見圖4)。

圖4 爆破切口Fig.4 Blasting cut

2)爆破切口高度。參考類似工程經驗，要使雷達塔失穩傾倒，爆破切口高度[1]應為

h≥(3.0～5.0)δ

(1)

式中：h為雷達塔底部爆破切口高度；δ為雷達塔底部剪力墻壁厚。

(2)

式中：L為兩外承重墻之間的跨度即爆破切口方向的水平長度，實取7.2 m；H為上部結構的重心高度，該雷達塔整體結構相同，近似為質量規則的幾何體，雷達塔的高度為39.6 m，其幾何中心高度按19.8 m計算；h為爆破切口的相對高度，m。

經計算，1.41 m≤h≤9.9 m。經重心偏移分析，當爆破切口達到高度為2.0 m時，可使雷達塔失穩倒塌(見圖5)。

圖5 重心偏移分析Fig.5 Center of gravity shift analysis

由于底部剪力墻鋼筋含量較高，為確保倒塌，實際取爆破切口高3.6 m。上述條件均能滿足。

3)爆破切口長度。爆破倒塌方向的墻體預拆除寬度為4.2 m，炸高取3.6 m；倒塌方向背面墻體(南側墻體)為形成有利于倒塌的鉸鏈，布設3排孔，炸高0.4 m。

4)預拆除。為減少鉆孔數量，增加自由面，以定向窗為中心，“化墻為柱”預拆除[3]，保留雷達塔4個拐角展開寬度為3 m，高度同所在位置炸高。“化墻為柱”后暴露在外的所有鋼筋均在爆破前割斷。采用機械或人工拆除1、2層內所有樓梯及連梁，同時將雷達塔內部碎渣清出。西側2層樓房與雷達塔的連廊部分一并予以拆除，且割斷鋼筋。

2.2 爆破參數

雷達塔壁鉆孔采用梅花形布孔，孔徑38 mm，最小抵抗線W=15 cm，孔距a=25 cm，排距b=25 cm，孔深L=20 cm，炸藥單耗q=2.0 kg/m3，則單孔裝藥量Q=37.5 g，實際取40 g?？紤]到雷達塔質量大、剪力墻薄而抗剪能力強，為了有效破壞剪力墻剛度，利于倒塌，防止產生后坐，南側剪力墻采用偏心爆破法，鉆孔深度取墻厚度一半，即L南=15 cm。爆破主要參數如表1所示。

表1 爆破參數

Table1Blastingparameters

名稱炮孔直徑/mm孔深/mm孔距/mm排距/mm單耗/(kg·m-3)單孔裝藥量/g剪力墻382002502502.040南側支撐剪力墻381502502501.225

2.3 起爆網路

為確保網路的準爆性，每個藥包可靠起爆，實現雷達塔的定向傾倒，采用孔內延時、非電毫秒導爆管雷管起爆網路，網路連接采用“簇聯”法，孔內依次逐排采用MS1段、MS3段、MS5段、MS7段雷管，孔外采用MS1段雷管綁扎，四通聯接成復式網路。

2.4 機械二次解體

由于雷達塔混凝土標號高、強度大、結構風化程度低，爆破定向倒塌之后，塔身大部分僅有少量裂紋未破裂，利用機械工具進行二次解體。

3 爆破安全與防護

3.1 振動控制

1)爆破振動校核。爆破振動速度按照拆除爆破振動計算公式[4]：

(3)

式中：Q為最大段別裝藥量，kg；R為與保護目標的距離，m；v為爆破安全允許質點振速，cm/s；k、a為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關系數和衰減指數，取k=150、a=1.5；k′為修正系數，一般取值0.25～1.0，距爆源近、且爆破體臨空面較少時取大值，反之取小值，本工程取k′=0.3。

由于是地表以上爆破，最大段別裝藥量及總藥量均較小，且采用延時爆破方法，振動速度可控制在允許范圍內，不會對周圍保護對象造成損害。

2)塌落振動校核。雷達塔塌落會對地面產生強烈的沖擊而形成塌落振動，其強度比爆破振動大且頻率低。需重點校核與防護。塌落振動速度根據下式[5]計算：

(4)

式中：vt為塌落引起的振動速度，cm/s ；R為保護物與沖擊點的距離，m，主要塌落位置距離最近保護物為南邊的配電房和西邊的辦公樓，R=26 m；M為構件質量，t，估算質量M=800 t；H為建筑物重心到地面的距離，估算H=19.8 m。σ、g、Kt、β分別為地面介質的破壞強度、重力加速度、觸地振動速度衰減系數、觸地振動速度衰減指數，可按經驗取σ=10 MPa、g=10 m/s2、Kt=3.37～4.09、β=-1.80～-1.66。

經計算，vt=3.14～3.83 cm/s，小于《爆破安全規程》[6](GB 6722-2014)的安全允許振動速度。施工時采取了降振措施，確保了爆破安全：一是通過排間延時起爆方式，使各排立柱塌落觸地時間不同步，從而減少觸地振動；二是在設計倒塌范圍內鋪設3道2 m厚土堤作為緩沖墊層，減少塔體產生的觸地振動的影響。

3.2 飛散物的控制

雷達塔定向爆破拆除可能產生的飛散物主要有兩個方面：一是爆破時的飛散物；二是雷達塔觸地沖擊產生的飛散物。

1)爆破飛散物防護。由于是淺孔爆破，鋼筋混凝土薄壁結構，爆破時容易產生飛散物。拆除控制爆破無防護條件下個別飛石的最大飛散距離，按經驗公式[7]計算：

(5)

式中：L為飛石最遠距離，m；QL為炸藥單位消耗量，kg/m3。經計算，L=70×2.00.53=101 m。

爆破時先采用雙層竹籬笆覆蓋在炮孔處，并用鐵絲與塔體聯為一體；然后在距離墻體外2 m處搭設雙層竹笆防護排架，確保安全。

2)觸地飛散物防護。在雷達塔觸地處鋪設3道土堆，并用竹笆鋪設在最底層，有效防止了二次飛濺。

4 數值模擬與實際倒塌過程比較

用共用節點的整體式模型，依據實際雷達塔尺寸，建立有限元模型。模型中僅保留主要結構，對雷達塔實際結構進行適當簡化。模擬倒塌過程中部分時刻傾倒情況如圖6所示，實際爆破傾倒過程如圖7所示；數值模擬傾倒角度與對應的時間如表2所示，根據傾倒角度與時間的關系繪制成曲線如圖8所示。

圖6 模擬傾倒過程Fig.6 Simulated dumping process

圖7 爆破實際傾倒過程Fig.7 Actual blasting dumping process

圖8 傾倒角度歷時曲線Fig.8 Dump angle duration curve

觀察模擬結果，雷達塔倒塌過程與實際情況接近。不同傾倒角度對應的時間與實際情況接近。在1.5～3 s時，傾倒角度歷時曲線斜率發生急劇，對應于支撐體受壓形成塑性鉸至爆破切口閉合的傾倒過程與實際相吻合。

5 爆破效果與結論

爆破后，雷達塔按預定方向倒塌，沒有發生明顯后坐現象，塔身觸地時靠近雷達塔的排水溝有少量淤泥被擠壓飛濺，由于該部位軟弱，事先未做清除處理，爆破飛石和爆破振動未對周邊建筑物造成危害，雷達塔倒塌效果如圖9所示。

圖9 爆破效果Fig.9 Blasting effect

1)對于薄壁剪力墻結構的筒體，其結構較為特殊，采用化墻為柱、對支撐墻體進行減弱爆破的方法進行拆除爆破是合理可行的。

2)在確保安全的前提下，條件允許的情況下適當增加預拆除工程量，可大大減少鉆孔工作量，既降低了炸藥使用量，又提高了效率。增加預拆除對復雜環境下的拆除爆破是有利的。

3)距離僅2 m的辦公樓墻體，爆破后完好無損，說明只要進行合理的防護，可確保保護對象的安全。

4)后部支撐體包括后部墻體與兩側圓弧狀墻體，對后部墻體采用偏心爆破，可有效防止出現強烈的后坐現象。