王 銘 陳能革 顧紅建

(1.馬鋼集團礦業(yè)有限公司；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；5.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

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復雜環(huán)境下六角形框架結(jié)構(gòu)水塔控制爆破拆除

王 銘1,2陳能革1顧紅建2,3,4,5

(1.馬鋼集團礦業(yè)有限公司；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；5.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

銅陵縣胥壩鄉(xiāng)灌溉飲用水廠的水塔為六角形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，周邊民房密集，環(huán)境復雜。由于廢棄多年，地基下沉，亟待拆除以消除安全隱患。通過優(yōu)化炸高、裝藥量、起爆順序等，實現(xiàn)了該水塔的定向倒塌。通過采用爆破防護、溝埂組合措施，較好地控制了爆破飛石和爆破振動。實踐表明：拆除爆破后，水塔附近民房未受到任何破壞，爆破效果較理想。

鋼筋混凝土水塔 爆破拆除 定向倒塌 爆破危害控制

目前，國內(nèi)外高聳建筑物通常采用爆破法進行拆除，爆破法拆除高聳構(gòu)筑物具有準確定向性、傾倒過程平穩(wěn)性以及減小有害效應(yīng)危害性等特點。隨著我國爆破拆除技術(shù)的快速發(fā)展，在諸多高聳建筑物爆破拆除過程中，積累了豐富的爆破技術(shù)及施工經(jīng)驗。趙根等[1]成功實施了向家壩右岸施工場地高50 m的磚煙囪的拆除爆破，并采用DDA程序?qū)υ摕焽璧膬A倒過程進行了數(shù)值模擬；汪龍等[2]采用控制爆破技術(shù)，合理選取切口長度、高度等參數(shù)，成功拆除了高60 m的鋼筋混凝土冷卻塔。結(jié)合國內(nèi)外高聳建筑物爆破拆除經(jīng)驗，通過優(yōu)化爆破參數(shù)、加強爆破危害效應(yīng)控制、精心組織現(xiàn)場施工，對銅陵縣胥壩鄉(xiāng)灌溉飲用水廠水塔進行安全爆破拆除。

1 工程概況

1.1 水塔概況

銅陵縣胥壩鄉(xiāng)灌溉飲用水廠的水塔高31 m，由于廢棄多年，地基下沉，水塔產(chǎn)生了一定的傾斜，存在較大的安全隱患，對周圍居民的正常生產(chǎn)生活造成了嚴重威脅。該水塔周圍環(huán)境復雜，東、南、北側(cè)皆有民房，爆破難度大，施工安全要求高。水塔塔身自上而下分為5節(jié)，相鄰立柱間采用橫撐連接，最下部立柱斷面尺寸為450 mm×450 mm，上部斷面尺寸為400 mm×400 mm，橫撐斷面尺寸為600 mm×250 mm。該水塔頂部為φ8 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水箱，容積約200 m3。自上而下每段立柱的主筋依次為4φ14，4φ16，8φ16，8φ18，8φ20 mm；箍筋為φ6 mm@200 mm。自上而下每段橫撐的主筋依次為3φ22，3φ25，1φ28，2φ25，4φ22，2φ22，2φ20 mm；箍筋依次為φ10 mm@250 mm和φ10 mm@230 mm、φ6 mm@250 mm、φ6 mm@250 mm、φ6 mm@250 mm、φ6 mm@250 mm。

1.2 周圍環(huán)境

水塔由一道圍墻與周圍民房隔開，與東側(cè)材料庫和值班房的距離分別為1.9，5.9 m，與南側(cè)水池的距離為5.4 m。水塔距周邊民房較近，與圍墻南側(cè)、西南側(cè)、北側(cè)及西北側(cè)民房的距離分別為21.8，19.0，12.5，15.0 m。在圍墻西南側(cè)有一個廁所和一個水塘，與水塔的距離分別為17.9，20 m。距水塘西側(cè)約50 m處為一條鄉(xiāng)村水泥道路。水塔周圍環(huán)境見圖1，現(xiàn)場情況見圖2。

2 爆破方案設(shè)計

(1)倒塌方式。水塔東、南、北側(cè)皆有民房，僅西側(cè)場地較開闊，設(shè)計采用定向倒塌方案；自西(倒塌方向)至東爆破切口高度依次遞減，確保倒塌方向的可靠性[3-4]。設(shè)計第1排立柱首先起爆，后3排立柱延期爆破。設(shè)計傾倒方向兩側(cè)切口的現(xiàn)狀和爆高對稱布置，傾倒重心左右起爆順序?qū)ΨQ，減小側(cè)向塌散寬度，避免影響側(cè)向民房安全。

(2)預拆除。在不破壞水塔整體穩(wěn)定性的情況下，對其上部的構(gòu)筑物實施預拆除，有利于水塔的順利倒塌，確保施工作業(yè)安全。為確保水塔定向倒塌，對水塔上的人形梯和水管進行預拆除，避免梯子和水管等對水塔的倒塌造成影響，同時拆除水塔西側(cè)的圍墻及廁所。

圖1 水塔周圍環(huán)境(單位：m)

圖2 水塔周邊環(huán)境現(xiàn)場情況

(3)爆破切口高度。爆破切口是確保高聳建筑物的傾倒開設(shè)的，其原理是用爆破方式破壞底部部分承重結(jié)構(gòu)的強度，使其失去承載能力，造成上部結(jié)構(gòu)在重力作用下偏心，當產(chǎn)生的重力偏心矩大于預留支撐截面的抵抗力矩且上部結(jié)構(gòu)的重心能夠偏離其落地的支撐點時，構(gòu)筑物便可傾倒塌落。該水塔自西向東共4排立柱，設(shè)計爆破切口高度分別為2.4，1.8，0.6 m，在最后1排立柱布置2個炮孔進行松動爆破，形成鉸支，起到鉸鏈支撐作用[5]，使水塔在向前傾倒的同時避免后坐。

(4)爆破孔網(wǎng)參數(shù)。設(shè)計鉆孔直徑40 mm，孔距30 cm，孔深27 cm，堵塞長度18 cm，綜合考慮炸藥單耗取1.2 kg/m3，計算單孔裝藥量為72.9 g[6-7]。由于水塔立柱配筋較密集，鉆孔施工時，易遇鋼筋，可適當左右調(diào)整，并確保鉆孔的左右對稱性。

(5)起爆網(wǎng)路。采用導爆管非電起爆網(wǎng)路。各炮孔內(nèi)裝入2發(fā)同段別雷管，根據(jù)起爆順序依次為MS1段、MS3段、MS5段、MS7段，孔外用簇聯(lián)方式連接至起爆地點；同排對稱立柱段別相同，確保左右對稱同時起爆，保證倒塌方向的準確性。爆破前須對炮孔深度、傾角等參數(shù)進行準確測量，并嚴格控制堵塞質(zhì)量和堵塞長度。在施工過程中應(yīng)做好爆破網(wǎng)路的檢查和防護工作，避免爆破防護時對起爆網(wǎng)絡(luò)造成損害。

3 爆破危害效應(yīng)控制

3.1 爆破安全距離計算

3.1.1 水塔拆除塌落振動速度計算

水塔爆破塌落振動速度的計算公式為[8]

(1)

式中，Vt為塌落引起的地面振動速度，cm/s；R為觀測點至沖擊地面中心的距離，m；M為下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；g為重力加速度，9.8 m/s2；h為構(gòu)件的高度，m；σ為塌落地面介質(zhì)的破壞強度，一般取10 MPa；Kt、β分別為塌落振動速度衰減系數(shù)和指數(shù)，分別取3.37、-1.8。

根據(jù)水塔建筑設(shè)計圖紙，水塔質(zhì)量M為168 t，高度h為31 m，房屋至沖擊地面中心的距離R為22 m，本研究Kt取3.37，β取-1.8。

通過在地面開挖減震溝、壘筑條形沙包土埂，以改變水塔觸地狀況，水塔倒塌時塔體并非同時觸地，式(1)中的衰減系數(shù)Kt為原狀地面的1/3。據(jù)計算可知，水塔塌落于最近房屋附近引起的地面振動速度為0.72 cm/s，小于民房安全允許振動速度2.0 cm/s。

3.1.2 爆破飛石距離計算

據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)，爆破飛石安全距離的計算公式為

Rf=20Kfn2W ，

(2)

式中,Rf為爆破飛石安全距離，m；Kf為安全系數(shù)，取1.5；n為爆破作用指數(shù)，取0.75；W為最小抵抗線，m。

經(jīng)計算可得，爆破飛石安全距離為3.8 m。綜合考慮爆破施工安全，設(shè)計爆破安全警戒范圍為300 m，并嚴格按照設(shè)計警戒范圍在主要交通要道、路口等位置安排警戒人員，防止發(fā)生爆破傷害事故。

3.2 爆破危害控制措施

(1)塌落振動控制措施。建(構(gòu))筑物拆除爆破產(chǎn)生的振動效應(yīng)包括爆破產(chǎn)生的振動和建(構(gòu))筑物塌落的觸地振動，通常后者遠大于前者，以控制觸地振動效應(yīng)為主。在水塔西南側(cè)和西北側(cè)距民房3 m 處，分別開挖一條規(guī)格為15 m×0.9 m×1.8 m(長×寬×深)的減震溝，降低塌落振動對兩側(cè)民房的影響。在倒塌方向上設(shè)置2道高1 m的條形沙包埂，作為塌落沖擊時的緩沖墊層，以減弱塌落振動效應(yīng)，形成溝埂組合防護措施。

(2)爆破飛散物控制措施。爆破出現(xiàn)的飛散物有2種：一種是炸藥爆炸巖石或混凝土等材料時，被爆炸氣體和沖擊波能量拋擲出的碎塊；另一種是建(構(gòu))筑物構(gòu)件爆破傾倒解體過程中，地面碎塊被壓縮空氣沖擊波裹挾拋擲出或落地碰撞時飛濺出的碎塊。為有效控制爆破飛散物的危害，在每根立柱的爆破切口位置采用多層材料復式防護法進行直接防護，里層采用草墊，外層采用鐵絲網(wǎng)和竹笆，防護材料采用鐵絲捆扎牢固，防止滑落并在外側(cè)懸掛一層竹笆進行遮擋防護。施工時注意保護爆破網(wǎng)絡(luò)，同時嚴格控制堵塞長度，確保堵塞質(zhì)量；在周邊民房窗戶等位置采取竹笆遮攔措施；將水塔倒塌方向地面的磚塊等雜物清理干凈，防止水塔倒塌落地時引起飛濺傷害事故。

4 施工作業(yè)安全措施

(1)水塔上人行梯子和水管預先拆除時應(yīng)注意安全，由工程技術(shù)人員進行現(xiàn)場指揮；登高作業(yè)時應(yīng)系安全帶并戴安全帽。圍墻拆除時須由上而下進行，將拆下的磚等材料搬離作業(yè)區(qū)，防止水塔倒塌時引起二次傷害事故。

(2)鉆孔操作臺應(yīng)搭設(shè)牢固，清理平整好地面；鉆孔作業(yè)人員須戴安全帽，并注意作業(yè)安全，防止發(fā)生人員高處墜落或水塔上部墜落碎塊傷人事故。

(3)在民房窗戶等位置搭設(shè)防護時須由專人負責固定爬梯，同時防護材料應(yīng)固定牢固，防止防護倒塌傷人。

(4)開挖減震溝時，嚴禁無關(guān)人員進入挖掘機工作范圍內(nèi)，同時在減震溝附近設(shè)置安全警示牌，防止發(fā)生機械傷人或墜落事故。

(5)在水池周圍拉設(shè)安全警示條幅，設(shè)置“水深危險，禁止靠近”等警示牌，避免施工人員溺水事故的發(fā)生。

(6)在爆區(qū)周邊路口等位置，嚴格按照設(shè)計的爆破安全警戒范圍安排警戒人員，禁止爆破期間過往車輛、人員等進入爆區(qū)，確保爆破作業(yè)安全。

(7)爆破后對倒塌情況進行檢查，確認有無盲炮，待確定安全后解除警戒。

5 結(jié) 語

針對銅陵縣胥壩鄉(xiāng)灌溉飲用水廠的六角形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)水塔，通過嚴格控制爆破切口高度、孔網(wǎng)參數(shù)、起爆順序等，精心組織爆破施工，水塔爆破后實現(xiàn)了定向倒塌，塔體充分解體，混凝土粉碎較徹底。通過采取開挖減震溝、爆破防護等控制措施，爆破危害控制效果較好，無爆破飛石產(chǎn)生，周邊民房未受到損害?，F(xiàn)場爆破振動監(jiān)測結(jié)果顯示，振動速度在民房的安全允許范圍內(nèi)，有效保證了該水塔周邊建筑物的安全，可供類似工程參考。

[1] 趙 根，張文煊.磚煙囪定向拆除與爆破效果DDA數(shù)值模擬[J].爆破，2005，22(4)：74-76.

[2] 汪 龍，張 磊，支文超.復雜環(huán)境下60 m高冷卻塔的拆除爆破[J].爆破，2011，28(2)：76-78.

[3] 齊世福，夏裕帥，謝興博.復雜環(huán)境下高大樓房控制爆破技術(shù)[J].工程爆破，2015，21(1)：20-24.

[4] 許名標.框架結(jié)構(gòu)水塔定向爆破拆除技術(shù)[J].爆破，2008，25(1)：49-51.

[5] 傅菊根，姜建農(nóng)，張宇本.高聳建筑物爆破拆除切口高度理論計算[J].工程爆破，2006，12(2)：56-58.

[6] 汪旭光.爆破設(shè)計與施工[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

[7] 汪旭光，于亞倫.拆除爆破理論與工程實例[M].北京：人民交通出版社，2008．

[8] 周家漢.爆破拆除塌落振動速度計算公式的討論[J].工程爆破，2009，15(1)：1-4.

2016-07-06)

王 銘(1967—)，男，副總經(jīng)理，工程師，243000安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。