水壓爆破法在薄壁圓筒結構拆除中的應用

歐陽作林，李浩然，左金庫，楊起帆

(1.石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊 050043；2.河北省大型結構健康診斷與控制實驗室，石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊 050043)

隨著我國經濟建設的高速發(fā)展以及城市改、擴建工程的大規(guī)模實施，市區(qū)內廢棄煙囪、水塔等高聳建筑物的拆除越顯增多。此類建筑物呈現薄壁特征，人工拆除難度大，具有較高的危險性。拆除爆破在拆除速度、人工消耗、安全性上有很大的優(yōu)勢，但對炸藥能量控制、爆破飛石與振動控制等方面提出了較高的要求。因此，深入研究薄壁圓筒結構拆除設計方案，開展相應的風險分析，提出有效的防治措施，是非常有必要的。

20世紀40年代末期，水壓爆破技術在挪威、瑞典等國家開始應用于拆除城市構筑物[1]。之后幾年，水壓爆破技術作為城鎮(zhèn)構筑物拆除的優(yōu)選方案推廣至全世界，眾多學者對此技術開展了廣泛研究。關志中等[2]用水壓爆破技術定向拆除鋼筋混凝土跳傘塔，研究了水壓爆破的控制原理，擴大了水壓爆破技術的應用范圍。張云鵬[3]將水壓爆破應用于炮孔之中，分析了炮孔水壓爆破的基本原理及應用情況。梁銳等[4]采用水壓爆破與鉆孔爆破相結合的技術，成功拆除鋼筋混凝土空心管柱支撐。謝俊杰等[5]介紹了不同結構的構筑物拆除時，裝藥量計算宜選用的經驗公式。黃炳香等[6]將水壓爆破法應用于天然氣開采上，改善了開采時爆破落煤的情況，防止了巖爆和瓦斯泄漏。許冠光[7]以某軍用碉堡為例，比證鉆孔爆破法和水壓爆破法，表明水壓爆破法在工期、費用及安全性上均有優(yōu)勢。李翠林等[8]以某特殊結構樓房為例，對比鉆孔爆破、人工(機械)拆除、靜態(tài)破碎和水壓爆破的優(yōu)缺點，用水壓爆破法進行施工設計并對工程進行風險控制。周佳等[9]利用水壓爆破與聚能爆破結合，解決了隧道在施工過程中超、欠挖的難題。水壓爆破技術不僅能減少炸藥消耗量，而且可以有效降低爆破危害，如：沖擊波、飛石、噪聲、地震波，對爆破安全防護與爆破器材的節(jié)約具有重要意義。

城市內拆除水塔、煙囪等薄壁圓筒形構筑物，以往采取的方法多為鉆孔爆破，工作量大，易產生飛石，并伴隨產生大量粉塵。本文介紹了以某民宿家屬樓內水塔拆除為例，采用水壓爆破定向倒塌技術對其拆除的過程，所得結論可為水壓爆破拆除高聳薄壁構筑物方案設計與風險控制提供參考。

1 爆破方案選擇及設計

1.1 爆破方案

人工機械拆除、鉆孔爆破和水壓爆破的拆除方案對比如表1所示。

表1 拆除方案對比

通過比較可以看出，水壓爆破拆除法規(guī)避了鉆鑿炮孔的大量施工程序，工程成本低，爆破網路簡單，只要爆破設計方案合理，爆破時可有效減少飛石、振動、沖擊波、噪聲和粉塵等危害效應，是一種經濟安全、簡便高效的拆除爆破方法，故在薄壁圓筒結構拆除中優(yōu)先采用。

1.2 裝藥量計算公式

裝藥量的確定對爆破效果有著決定性作用，藥量計算公式的選擇是水壓爆破成功與否的關鍵一步，選擇符合待拆除構筑物特點的計算公式尤為重要[10]。

1)考慮注水體積和材料強度的經驗公式。在水塔注水體積和結構材料強度一定時，多個藥包裝藥量計算公式為[11]

(1)

式中：Q為總裝藥量，kg；K為裝藥系數，敞口式爆破K=0.78，封口式爆破K=0.6；δ為構筑物壁厚，m；V為注水體積，m3；σ為結構材質的抗拉強度，MPa(見表2)；n為藥包數量。

表2 混凝土抗壓強度與抗拉強度的關系

2)沖量準則公式。把水壓爆破產生的水中沖擊波對構筑物壁的破壞視為沖量作用的結果?；跊_量作用產生的位移與構筑物在等效靜載作用下產生相同位移的原理，以材料的極限抗拉強度作為破壞強度的依據，建立爆破時裝藥量的計算公式。當構筑物為圓筒形結構時，裝藥量的計算公式為[11]

Q=K0K(K1δ)1.6R1.4

(2)

式中：Q為單藥包裝藥量，kg；K0為構筑物開口、閉口的系數，閉口構筑物K0=1，開口構筑物K0=1.33～1.66；K為構筑物的裝藥系數，可根據爆破后所需要求的破碎情況，選取K=3～10；K1為結構物的堅固性系數，可由下式[11]確定：

(3)

3)考慮結構材質和截面面積的經驗公式。若已知構筑物結構材質和截面面積時，爆破裝藥量的計算公式為[10]

Q=KcKeS

(4)

式中：Q為單藥包裝藥量，kg；Kc為結構系數，當構筑物建筑材料為鋼筋混凝土時Kc=0.3～0.35；Ke為炸藥換算系數；S為藥包所在截面面積，m2。

1.3 藥包布設原則

水壓爆破的藥包數量主要取決于結構的幾何形狀與爆破效果要求，對于截面為圓形且高聳的圓柱體構筑物，應將總藥量分成幾個藥包，沿中軸線豎直方向分開布置。對于鋼筋混凝土承重管柱，炸高的計算公式為[11]

H=K(B+Hmin)

(5)

式中：H為炸高，m；K為經驗系數，一般取1.5～2.0；B為管柱外徑，m；Hmin為管柱失穩(wěn)的最小破壞高度，m，可由下式[11]確定：

(6)

式中：E為鋼筋的彈性模量，N/mm2；J為鋼筋的慣性矩，m4；pm為立柱受壓的臨界荷載，N。

管柱形成轉動支座的炸高，可按下式[11]計算：

H′=1.5B

(7)

可由式(8)檢驗藥包允許放置在水中的最小深度是否符合要求[11]。

hmin≥(0.35～0.5)B

(8)

式中：hmin為藥包放置在水中的最小深度，m。

實踐證明，藥包放置在水中的深度到達一定值后，若繼續(xù)增大藥包放置深度，對爆破結果的影響也不大[12]。為了避免藥包爆炸時發(fā)生水柱上沖和高壓氣體的逸出，影響爆破效果，入水深度不能太小，最低不能小于0.4 m。

上、下層藥包間距可按下式[11]計算：

B=(1.0～1.8)R

(9)

式中：R為藥包中心距拆除物內壁的最短長度，m。

2 工程案例

2.1 工程概況

某廢棄水塔高約20 m，外徑4 m，結構無破損，位于鬧市內居民區(qū)內，在其東北、西南、西北方向17、23、28 m處都有居民樓，東側與南側6 m為馬路，水塔周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 水塔周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment of water tower

水塔支撐方式為鋼筋混凝土管柱六柱支撐，混凝土強度為C30，縱向鋼筋Φ20@200，箍筋Φ10，斷面為圓環(huán)形，外徑φ0.6 m，內徑φ0.4 m，水塔承重柱如圖2所示。

注：1～6為管柱編號圖2 水塔承重柱結構Fig.2 Structure of water tower bearing columns

2.2 裝藥量計算

設計水塔向西定向倒塌，管柱1、2失穩(wěn)是拆除水塔的關鍵。根據式(5)計算此次爆破炸高H=K(B+Hmin)=1.5×(0.6+0.362)=1.44 m；管柱5、6要形成轉動支座，由式(7)計算其炸高H′=1.5B=1.5×0.6=0.9 m。藥包最小入水深度，由式(8)計算，得hmin≥(0.35～0.5)B=0.5×0.6=0.3 m，取最小入水深度為0.4 m。藥包間距，由式(9)計算，得B=(1.0～1.8)×0.2=0.36 m，取藥包間距35 cm。

破壞高度及爆破高度為倒向側炸高與鉸鏈測炸高。為確保水塔向西定向倒塌，根據炸高、藥包間距，參照經驗稍增加西側承重柱的注水深度及裝藥量，管柱1、2注水深度取2.55 m，設置6個藥包；管柱3、4注水深度取1.85 m，設置4個藥包；管柱5、6注水深度取1.15 m，設置2個藥包。

分別采用不同的經驗公式計算管柱裝藥量。根據式(1)，得出管柱1～6的裝藥量Q1～Q6,其中Q1=Q2=163 g,Q3=Q4=108 g,Q5=Q6=61 g；根據式(2)，得出所有管柱內單個藥包裝藥量Q′=27 g；根據式(4)，得出所有管柱內單個藥包裝藥量Q″=47 g。

根據Q1～Q6可得到管柱1～4單藥包裝藥量為27 g，管柱5～6單藥包裝藥量為30.5 g。與Q′、Q″對比可知，考慮注水體積和材料強度的經驗公式與沖量準則公式所計算的單個藥包量相近，而考慮結構材質和截面面積的經驗公式計算出的藥量偏大，故以式(1)、式(2)所得藥量作為基準。同時，考慮到水塔與周邊最近建筑物距離為17 m，做防護可有效減少爆破風險，預防炸而不倒的情況，每個藥包取30 g，使用2號巖石乳化炸藥，取45 g。

2.3 藥包布置

藥包在管柱中軸線上分散布置[13]，藥包間隔及入水深度如圖3所示。各藥包用導爆管連接，并將導爆管引出管柱外，再用毫秒延時電雷管連接。管柱1、2接MS1段延時電雷管，管柱3、4接MS3段延時電雷管，管柱5、6接MS5段延時電雷管。藥包由導爆管引爆，整個網路由電雷管起爆，采用簇聯(lián)方式。

圖3 各管柱藥包布置Fig.3 Charges of each bearing column

3 爆破風險評價與控制

3.1 爆破施工準備工作

施工準備工作主要有施工調查、防水堵漏等，這些工作都直接關系到爆破的安全和效果。

1)施工調查。收集、掌握水塔的結構，包括材質、各部位的尺寸及布筋情況；確定水塔是否具備水壓爆破的施工條件，包括水源情況，泄水條件，以及水塔的儲、漏水情況；確定水壓爆破是否為最佳方案。

2)防水堵漏。對水塔進行防水堵漏，做到密封不漏水的效果。

3.2 爆破實施階段風險控制

水壓爆破法不需要對構筑物進行鉆孔，且裝藥、網路連接、防護也簡單，但是此次水塔拆除施工安全仍有需要注意的事項。

1)藥包制作。使用的炸藥種類和爆破器材必須是防水的，如果雷管腳線長度不夠引出水面以上，那么要把腳線接頭密封在塑料袋內。

2)網路連接。水壓爆破的藥包少，因此網路連接簡單。但要注意由于水壓爆破現場地面都會有水，網路的接頭不能進水，線路接頭都要用防水膠布包好，并把接頭用木塊墊起存在水面以上。

3)注水設計。在進行堵漏后就可以連續(xù)注水直到達到設計水位，定位安放藥包。

3.3 爆破有害效應分析

爆破飛石和爆破振動是炸藥爆炸產生的主要危害效應，經常威脅著人們的生命和財產安全[14]。

1)爆破飛石。水壓爆破只要藥量控制得當，一般很少有飛石，但工程爆破中出現飛石是難以避免的，因此要把飛石控制在安全范圍以內。爆破飛石距離的遠近直接影響附近人員、建筑物、交通、電力設施的安全。在爆破施工中需依照規(guī)定要求進行操作，不能擅自改變設計方案，對于施工中發(fā)現的設計問題或者與實際情況不符合的地方，應向設計人員提出，再修正設計方案。為防止個別飛石對周圍居民樓造成影響，決定采取以下措施：①藥包加工時藥量精確，放置位置準確；②地面清理干凈，不留任何雜物；③倒塌范圍內鋪墊多量砂土和2層鐵絲網，用來減小水塔倒塌時產生飛濺物的反彈速度。

2)爆破振動。爆破振動效應對臨近構筑物的安全影響，是工程爆破的敏感問題，產生的地面振動應保證周邊建筑物的安全。拆除爆破一般會有爆破產生的振動和構筑物塌落的觸地振動。

炸藥爆炸時，地面振動速度的計算公式為[11]

(10)

式中：v為待保護居民樓所在地的振動速度，cm/s；Q為爆破時炸藥當量，kg；R為水塔到待保護構筑物之間的長度，m；K1為衰減系數，對于水壓爆破K1=0.5～0.7；K=91.5；α=1.48。

此次水塔拆除取K1=0.7。距離水塔最近的居民樓為17 m，計算得其振動速度為0.415 cm/s，符合《爆破安全規(guī)程》[15]中一般民用建筑物2～3 cm/s的要求，由此可知炸藥爆炸產生的振動不會對周邊居民樓產生危害。

水塔質量較大，拆除觸地時也會產生較強振動，這個振動也不可忽視，振動速度可由下式檢驗[16]

(11)

式中：v為待保護居民樓所在地的觸地振動速度，cm/s；M為水塔質量，取1.3×105kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；H為水塔重心高度，取9 m；R為倒塌處到待保護居民樓的距離，取17 m。

計算得，距離最近居民樓的觸地振動速度為2.09 cm/s，為降低觸地振動，在倒塌范圍內鋪墊多層砂土，減弱振動波對居民樓的影響。

4 結論

1)裝藥量計算與藥包布置方案是水壓爆破的關鍵，針對待拆除工程的結構特點，選擇合適的計算公式對爆破效果及安全尤為重要。

2)爆破飛石和振動是爆破有害效應的重要指標，在水塔倒塌方向鋪設砂土與鋼絲網緩沖層，能有效減緩落地時的沖擊力，減少所產生的飛石與振動。

3)水壓爆破法在拆除超高薄壁圓筒結構過程中產生飛石少，振動小，操作簡化，施工安全，經濟效益好，其優(yōu)勢有利于進一步擴展到特殊構筑物的拆除中。