王 泳

(南昌陸軍學(xué)院， 江西 南昌 330103)

某水塔爆破拆除不對(duì)稱(chēng)倒塌的研究

王 泳

(南昌陸軍學(xué)院， 江西 南昌 330103)

通過(guò)工程實(shí)例，對(duì)框架水塔實(shí)施不對(duì)稱(chēng)倒塌爆破拆除進(jìn)行了研究和探討，根據(jù)水塔的周?chē)h(huán)境及其對(duì)爆破的要求，決定采用定向爆破。并對(duì)爆破參數(shù)和起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，針對(duì)爆破可能引起的飛石、振動(dòng)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(lèi)爆破拆除中需要注意問(wèn)題和處理方法，以便類(lèi)似工程借鑒。

水塔；爆破拆除；不對(duì)稱(chēng)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(lái)越復(fù)雜，對(duì)爆破提出的要求也越來(lái)越高，這給爆破工作者帶來(lái)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(guò)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(duì)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(zhǎng)為30 cm×30 cm，因甲方無(wú)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(gè)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?chē)h(huán)境見(jiàn)圖1。

在爆破過(guò)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(lái)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(shí)損害北邊民房和圍墻，也可以滿(mǎn)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(chǔ)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(gè)立柱的中心位置，會(huì)在水塔倒塌過(guò)程中產(chǎn)生支撐作用，同時(shí)會(huì)影響水塔向設(shè)計(jì)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(shí)會(huì)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(huì)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(jì)

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(jì)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(zhǎng)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(guò)計(jì)算，各立柱的炸高分別為：1號(hào)立柱2.0 m，2號(hào)立柱1.7 m，3號(hào)立柱1.4 m和4號(hào)立柱0.5 m，立柱標(biāo)號(hào)見(jiàn)圖2，以確保水塔按照設(shè)計(jì)方向倒塌。

圖2 立柱標(biāo)號(hào)

3.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

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

w=B/2

(1)

式中，w為最小抵抗線(xiàn)，m；B為立柱截面最小邊長(zhǎng),m。

經(jīng)計(jì)算w=0.15 m。

(2) 炮孔間距a：

a=(1.2～1.5)w

(2)

經(jīng)計(jì)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(jì)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(jì)算q=22.5～33.5 g，根據(jù)對(duì)爆破體的現(xiàn)場(chǎng)考察和工程爆破實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)取q=30 g。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

4 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

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

表1 爆破參數(shù)

圖3 起爆網(wǎng)路

5 爆破安全計(jì)算

5.1 爆破震動(dòng)計(jì)算

爆破振動(dòng)按公式(5)計(jì)算:

(5)

式中，v為被保護(hù)對(duì)象所在地面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度，cm/s；Q為最大同段起爆藥量，本工程中設(shè)計(jì)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(lèi)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(guò)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(guò)不同介質(zhì)和路徑衰減，因此爆破振動(dòng)對(duì)房屋的損害可以忽略不計(jì)。

5.2 塌落振動(dòng)

塌落觸地振動(dòng)是本次爆破控制重點(diǎn)，對(duì)于塌落觸地振動(dòng)速度的計(jì)算，采用周家漢教授提出的建筑物爆破拆除時(shí)的塌落振動(dòng)速度計(jì)算公式：

(6)

式中，v1為塌落引起的地面振動(dòng)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(dòng)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(jì)算水塔倒塌時(shí)引起的塌落振動(dòng)距北邊民房為1.56 cm/s，距西邊民房為15.07 cm/s。由此可見(jiàn)爆破塌落振動(dòng)遠(yuǎn)大于民房抗振值，因此，需對(duì)東、西民房采取措施進(jìn)行防護(hù)，以免爆破時(shí)民房損害而引起糾紛。

5.3 爆破空氣沖擊波計(jì)算

為了確保周?chē)藛T和建構(gòu)筑物安全，采用裸露爆破時(shí)空氣沖擊波的安全允許距離計(jì)算公式：

(7)

式中，R為空氣沖擊波對(duì)人員的最小允許距離，m；Q為毫秒爆破時(shí)按照一次爆破的總藥量，kg，Q=0.88 kg；經(jīng)過(guò)計(jì)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(shí)爆破空氣沖擊波擴(kuò)散條件好，所以爆破時(shí)空氣沖擊波不會(huì)對(duì)周?chē)穹吭斐蓳p害。

5.4 爆破飛石計(jì)算

爆破飛石距離按照式(8)計(jì)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(xiàn)，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(gè)別飛石水平方向的距離，m；α為飛石的拋射角。

當(dāng)α=45°時(shí)，個(gè)別飛石的水平距離最遠(yuǎn)，經(jīng)計(jì)算S=132.85 m，由此可見(jiàn)爆破時(shí)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(duì)炮孔采用主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)兩種，主動(dòng)防護(hù)就是在選擇炮孔位置、鉆孔、計(jì)算裝藥量及微差時(shí)間時(shí)做到準(zhǔn)確無(wú)誤，力爭(zhēng)不產(chǎn)生飛石；被動(dòng)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(shí)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(dòng)防護(hù)。上述計(jì)算表明塌落振動(dòng)有可能會(huì)對(duì)周邊民房造成損害，同時(shí)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(shí)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(gè)倒塌過(guò)程持續(xù)7 s，水塔倒塌長(zhǎng)度18.3 m、寬度10.6 m，倒塌位置與設(shè)計(jì)的方向偏南了約3°，爆破效果見(jiàn)圖4。

圖4 爆破效果

8 結(jié) 論

(1) 對(duì)于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的框架式水塔，在爆破場(chǎng)地受限時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置不同立柱的炸高和不同的微差時(shí)間實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)倒塌，達(dá)到爆破要求。

(2) 通過(guò)控制炸高和對(duì)圈梁的爆破可以實(shí)現(xiàn)倒塌長(zhǎng)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.

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[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(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[5]顧毅成，史雅語(yǔ)，金驥良.工程爆破安全[M].合肥：中國(guó)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(zhǎng)期從事工程爆破理論與實(shí)踐研究，Email:wangyong67526@126.com。