復(fù)雜環(huán)境下框架式水塔定向爆破拆除技術(shù)

田靈偉

(江西省公安廳治安總隊)

常見的水塔結(jié)構(gòu)有框架結(jié)構(gòu)、磚混筒形結(jié)構(gòu)及傘形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[1-4]，不同類型水塔的爆破拆除方法各不相同，磚混筒形結(jié)構(gòu)水塔爆破拆除技術(shù)與磚混煙囪爆破拆除技術(shù)基本相同；傘形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水塔與鋼筋混凝土煙囪爆破拆除技術(shù)相似[5-7]；立柱式框架結(jié)構(gòu)水塔結(jié)構(gòu)比較獨特，種類繁多，其立柱有4、5、6、8個等不同數(shù)量，爆破拆除技術(shù)不盡相同[8-13]。一般而言，在同等環(huán)境條件下，立柱越多越有利于爆破，立柱越少，爆破難度越高。本研究以某4個立柱式框架結(jié)構(gòu)水塔為例，對其復(fù)雜環(huán)境下的爆破拆除技術(shù)及防護措施進行研究與實踐。

1 工程概況

待拆除水塔位于江西省南昌市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)冠山派出所附近(圖1)。水塔為框架式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(圖2)，水箱體為鋼筋混凝土澆筑而成的圓筒結(jié)構(gòu)，高約5.0 m，直徑5.0 m，壁厚0.3 m[14]。鋼筋混凝土框架高20 m，水箱由鋼筋混凝土框架支撐，框架由4根鋼筋混凝土柱、3圈鋼筋混凝土圈梁、樓梯及3根水管組成。鋼筋混凝土框架柱體截面為正方形，尺寸為40 cm×40 cm，底層經(jīng)加固，尺寸為60 cm×60 cm[14]。水塔四周環(huán)境復(fù)雜，周邊有民房、教堂、幼兒園、派出所辦公室等(圖3)?？傮w上，水塔爆破拆除工程環(huán)境復(fù)雜，對爆破振動、塌落振動和飛石等爆破危害效應(yīng)控制要求高，危害控制困難；水塔附近有幼兒園、街道和小區(qū)活動場所等，警戒難度高。

圖1 待拆除水塔

圖2 水塔結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 水塔爆破環(huán)境示意

2 拆除爆破方案

定向倒塌的環(huán)境條件是預(yù)定倒塌的方向應(yīng)有一片空地，其長度應(yīng)大于1.0～1.2倍水塔高度。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，為避免水塔爆破、倒塌過程的飛石影響到周圍房屋安全，本研究水塔爆破倒塌方向選擇向西南方向倒塌，倒塌方向場地長約28 m，寬約15 m，采用控制爆破拆除方案，該方向為下坡地，在儲水罐倒塌范圍挖坑和修建擋墻，防止罐體倒塌后生產(chǎn)滾動。

實施爆破前需進行預(yù)處理，將水塔與地面連接的水管和樓梯切除，切除高度為第二圈梁以下。根據(jù)現(xiàn)場情況，對水塔倒塌范圍內(nèi)和周邊保護對象進行防護，即清理水塔倒塌范圍內(nèi)的磚塊、碎石等易引起飛濺的物體。

3 缺口設(shè)計

3.1 爆破缺口高度計算

爆破缺口高度按下述2種方式進行計算：

(1)按被拆除物上部結(jié)構(gòu)重心位于傾倒方向的支撐點外側(cè)計算[15-17]

(1)

式中，L為2個外承重柱(墻)之間的跨度，取5 m；H為上部結(jié)構(gòu)的重心高度，取22 m；h為缺口高度，m。經(jīng)計算，h≥0.58 m。

(2)按倒塌角理論計算傾覆解體缺口高度[18-19]

h=Ltanφ，

(2)

式中，h為缺口高度，m；φ為倒塌角，對于框架結(jié)構(gòu)，φ≥29°。經(jīng)計算，h= 2.75 m。

根據(jù)上述計算，缺口只要在底部第1層圈梁以下便可滿足要求，為保證水塔順利倒塌，缺口高度取2.8 m。結(jié)合以往類似工程經(jīng)驗，爆高取值為1#柱2.8 m，2#、3#柱2.1 m，4#柱0.7 m。從地面0.5 m以上開始鉆孔，以便于施工。

3.2 驗 算

3.2.1 重心偏出驗算

采用式(2)缺口計算值進行爆破設(shè)計可以保證水塔發(fā)生倒塌，由于水塔倒塌時必須控制向西南面倒塌，因此前排立柱爆高要大，后排相應(yīng)減小，形成一定切口角度。同時，炸高還應(yīng)滿足傾倒時炸高缺口閉合后，框架整體重心應(yīng)到達或移出框架底平面范圍以外，方可使之完全傾倒，否則在框架強度較高的情況下，可能會出現(xiàn)“傾而不倒”現(xiàn)象[14]。因此必須滿足重心偏出要求，即：h前排-h后排≥0.58 m。經(jīng)驗算，4個柱體的爆高滿足重心偏出要求。

3.2.2 鋼筋屈服驗算

立柱作為承載結(jié)構(gòu)，爆破后缺口范圍內(nèi)的鋼筋裸露，其頂部承受的荷載超過鋼筋的極限抗壓強度或達到壓桿的臨界荷載時，鋼筋必將發(fā)生塑性變形使承重立柱失穩(wěn)，因此立柱的爆破破壞高度須滿足[19-20]：

h≥50d，

(3)

式中，d為立柱主筋直徑，取0.025 m。經(jīng)計算，h≥1.52 m，因此1#、2#、3#立柱滿足屈服條件，4#立柱作為鉸鏈，無此條件要求。

3.3 爆破參數(shù)

底層立柱截面尺寸為60 cm × 60 cm，采用單排布孔方式，1#、2#、3#立柱炸藥單耗取1.2 kg/m3，4#立柱取0.8 kg/m3。具體爆破參數(shù)見表1。

表1 爆破參數(shù)

3.4 起爆網(wǎng)路

水塔向西南方向傾倒，1#立柱爆后所產(chǎn)生的傾覆力矩需要一定的作用時間，同時為了防止爆破后水塔出現(xiàn)下坐和后座現(xiàn)象，設(shè)計后3個立柱作為一響，因此設(shè)計1#柱與2#、3#、4#柱間隔270 ms(在200～300 ms區(qū)間內(nèi)取值)，具體雷管段別見表1。起爆網(wǎng)絡(luò)由孔內(nèi)導(dǎo)爆管雷管和孔外大把抓雷管組成，以確保起爆網(wǎng)絡(luò)安全可靠。孔內(nèi)孔外統(tǒng)一用雙發(fā)毫秒導(dǎo)爆管雷管連接，將網(wǎng)絡(luò)連接至起爆站，采用起爆器引發(fā)激發(fā)針進行起爆[14]。

4 爆破安全計算

4.1 爆破振動

爆破振動速度的計算公式為

(4)

式中，v為被保護對象所在地面的質(zhì)點振動速度，cm/s；Q為最大同段起爆藥量，本研究設(shè)計的最大段起爆藥量為2.1 kg(2#、3#、4#柱體)；R為爆破中心至被保護物的距離，由水塔周邊環(huán)境來看，最需要保護的對象為北面的幼兒園樓房，距離水塔立柱最近處為4 m，2#、3#、4#立柱藥包中心與幼兒園樓房的最近距離為6.5 m；k、k1及α為與爆破點至被保護物之間的與地形、地質(zhì)以及爆破類型等有關(guān)的系數(shù)與指數(shù)，k、k1取 32.1，α取1.58。

經(jīng)計算，水塔北側(cè)幼兒園樓房的爆破振動速度為2.46 cm/s，小于允許振動值2.5 cm/s。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，拆除爆破由于單孔藥量少，且裝藥均勻、分散，爆破振動實際測量值往往較計算值小很多，由此可以認為，本研究爆破振動安全。

4.2 塌落振動

對于塌落觸地振動速度的計算，可采用建筑物爆破拆除時的塌落振動速度計算公式進行計算

(5)

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，水塔罐體和立柱等體積約為40 m3，按密度2.4 t/m3計算得出整體質(zhì)量為96 t；g為重力加速度，9.8 m/s；H為構(gòu)件的重心高度，取22 m；σ為地面介質(zhì)的破壞強度，一般取10 MPa；R為水塔與沖擊觸地點與保護物的距離，取15 m；k′、β為塌落振動速度衰減系數(shù)和指數(shù)，k′=3.37～4.09，本研究k′=3.37；β=-1.80～-1.66，本研究β=-1.66。

本研究水塔重心塌落點距西南面派出所辦公室15 m，計算塌落振動值為2.57 cm/s，倒塌區(qū)域鋪設(shè)減振土層后能夠減振約50%，且倒塌區(qū)域為土層山坡，因此減振后的振動值為1.29 cm/s，小于允許安全振動速度1.5～3.0 cm/s。故按減振設(shè)計要求進行爆破作業(yè)，能夠保證塌落振動處于安全允許范圍內(nèi)。

4.3 爆破飛石

依據(jù)炸藥單耗計算個別飛石距離的經(jīng)驗公式為

Rf=V2/2g，

(6)

式中，Rf為無覆蓋條件下拆除爆破飛石的飛散距離，m；V為飛石速度，本研究取20 m/s。

經(jīng)計算，Rf=20.4 m。因此靠近北面幼兒園等保護區(qū)方向，應(yīng)加強飛石防護，根據(jù)以往經(jīng)驗，通過安全防護后，能夠?qū)w石危害控制在安全范圍內(nèi)。

5 防護設(shè)計

5.1 個別飛散物防護措施

5.1.1 直接覆蓋防護

直接覆蓋于爆破體上進行的防護，是防止爆破碎塊飛散的有效方法。柱體上裝好藥并完成堵塞后，引出和保護好導(dǎo)爆管，而后在所有待爆立柱上進行2層地毯+2層鐵絲網(wǎng)+2層竹笆+3層密目網(wǎng)包覆防護(圖4)。

圖4 覆蓋防護示意

5.1.2 近體防護

在爆破體近距離處設(shè)置防護，也稱間接防護，距離一般為1～3 m，能夠遮擋從覆蓋防護物中飛出的爆破碎塊[21]。近體防護一般采用掛有防護材料的圍擋排架或密目網(wǎng)。本研究采用2道近體防護(圖5)：第1道防護，圍繞水塔四周懸掛4層密目網(wǎng)和2層彩條布，距離水塔1.5 m，上部通過毛竹支架搭接于爆破點上部圈梁和立柱上，下部通過尼龍繩捆綁于圈梁和立柱上；第2道防護，在幼兒園和水塔之間的樹干中間布置與第1道近體防護強度一致的第2道防護，高度應(yīng)超過幼兒園玻璃墻高。

圖5 幼兒園方向防護示意

5.1.3 保護性防護

在水塔四周樓房玻璃門窗或重要設(shè)施布置保護性防護，可在需要保護的物體上進行架空式遮擋覆蓋防護。以幼兒園玻璃墻為例，在玻璃墻上采用1層草袋+1層竹板+1層草袋+1層竹板進行防護，其他方位玻璃門窗可參照該防護方案進行處理(圖5)。

5.2 爆破空氣沖擊波防護措施

采用個別飛散物防護措施后可大大降低爆破空氣沖擊波危害，尤其是增加了彩條布進行防護，可將沖擊波危害控制在安全范圍內(nèi)。

5.3 水塔蓄水罐體滾動防護措施

在倒塌范圍內(nèi)開挖防滾動倒塌落坑和防滾動土墻。在倒塌方向距離水塔18 m處開挖防倒塌落坑，開挖尺寸(長×寬×深)不小于8 m×8 m×1.5 m。在落坑的三面鋪設(shè)土墻，尺寸不小于頂寬2 m、底寬4 m、高2 m(圖6)。

圖6 水塔蓄水池滾動防護措施示意

5.4 水管保護墊層

沿水管走向鋪設(shè)保護墊層，墊層尺寸為頂寬1 m、底寬2 m、高1.5 m，與防滾擋土墻重疊部分按擋土墻標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計施工。

6 爆破效果

爆破后，水塔按設(shè)計倒塌方向傾斜并出現(xiàn)下坐現(xiàn)象，下坐高度約5 m；繼續(xù)傾倒，立柱在第2、3節(jié)圈梁處(高度10～15 m)折斷；繼續(xù)傾倒下落，儲水箱體落地翻滾，倒塌結(jié)束(圖7)。爆破后水塔共分為4個部分：第1部分，第1節(jié)圈梁以下，為爆破破碎區(qū)和下坐區(qū)，解體良好；第2部分，第1～2節(jié)圈梁處，為定向傾倒區(qū)，由于該區(qū)上部構(gòu)件在傾倒過程中折斷導(dǎo)致該區(qū)質(zhì)量小，落地后的圈梁和立柱基本未破壞而支撐在地面，僅在圈梁與立柱交接處有破損；第3部分，第2～3節(jié)圈梁處，為折斷區(qū)，下坐后第1節(jié)圈梁著地起支撐作用，并且由于重心偏離而繼續(xù)倒塌，由于倒塌過程中受剪切作用而折斷；第4部分，水箱罐體部分，為落地翻滾區(qū)，由于罐體質(zhì)量大，落地前沖與立柱脫離，且倒塌方向為下坡向，從而造成罐體翻滾。爆破倒塌方向準(zhǔn)確，立柱落點距1#柱原位置約10 m，罐體原始落點距1#柱原位置約15 m，翻滾距離約6 m，水塔最終落點距1#柱原位置約21 m，落入設(shè)計坑口1/2處。爆破未造成周邊房屋損壞，北面幼兒園樓房及玻璃未破損，爆破未出現(xiàn)任何安全事故。

圖7 爆破效果

7 結(jié) 論

(1)框架結(jié)構(gòu)水塔爆破中，前后排延期時間設(shè)計為200～300 ms較適宜，本研究爆破設(shè)計取270 ms，取得良好效果。

(2)后3個立柱作為一響起爆，可有效防止后坐。

(3)通過包覆防護、近體防護及保護性防護相結(jié)合可有效控制爆破飛石和爆破空氣沖擊波，能夠?qū)⑽：刂圃? m范圍內(nèi)。

(4)4立柱式框架結(jié)構(gòu)水塔爆破后，會出現(xiàn)下坐現(xiàn)象，下坐高度為底部第1節(jié)圈梁以下高度，倒塌距離因水塔下坐而縮短，且在倒塌過程中會出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。

(5)為防止水塔蓄水罐體倒塌后翻滾，須在罐體落地區(qū)域開挖坑堤。

(6)為保證水塔倒塌徹底，應(yīng)對第1、第2節(jié)圈梁進行弱化處理或進行鉆孔弱爆破。