水塔爆破拆除及塌落振動安全核算

馬劉博,林 飛,夏治園,常彬彬,王 猛

(1.安徽理工大學化學工程學院,安徽 淮南232001;

(2.中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽 淮北235000;

(3.安徽省盛大爆破工程技術有限公司,安徽 合肥230026)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,落后產(chǎn)能逐步被淘汰,許多建筑物需要拆除。 如倒錐形水塔結(jié)構(gòu)的高聳構(gòu)筑物一般情況下采用爆破拆除方法。 此類建筑拆除爆破時會產(chǎn)生許多爆破危害效應,其中塌落觸地振動的影響較大,對塌落振動速度的研究也尤為重要。 周家漢[1]通過數(shù)據(jù)監(jiān)測修正了之前提出的塌落振動預測速度公式。 許名標[2]表示,高聳構(gòu)筑物爆破拆除時引發(fā)的塌落振動效應影響較大。

1 工程概況

因工程要求,對蚌埠某地一座水塔進行拆除爆破。 水塔高35 m,整體結(jié)構(gòu)為圓筒形狀鋼筋混凝土,外直徑2.5 m,壁厚0.2 m,水塔底部北側(cè)有一0.7×1.8 m2門洞。 儲水池結(jié)構(gòu)為圓臺狀,上口直徑8 m,下口直徑2.8 m,壁厚約0.2 m,高4 m。 周圍環(huán)境如圖1 所示。 水塔正東側(cè)20 m 是綠化帶和公司道路,南側(cè)距離2 層樓房(待拆除)約5 m,再往南為綠化帶和道路,距離控制室30 m,控制室南側(cè)為變電站(爆破時不得對其產(chǎn)生影響);北側(cè)與圍墻最遠距離58 m,居民樓在圍墻外;西側(cè)距離80 m 為公司圍墻。

圖1 水塔環(huán)境及測點布置

2 爆破拆除方案

2.1 切口形式

結(jié)合水塔自身結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境,由于水塔正北側(cè)有工作門,參考工程經(jīng)驗,確定傾倒方向為正西方向偏北5°左右,將切口設計在與門等高位置[3-5]即0.3 ～1.8 m 的位置。 因正北方有工作門,可能影響預留承重的對稱性[6],造成水塔倒塌方向偏離目標。 所以為了保證對稱性,在傾倒方向?qū)ΨQ位置開鑿相同的門洞,門洞可充當爆破切口,提高爆破效果,減少炮孔數(shù)量,在爆破缺口邊緣處布置兩個尺寸相同的三角形定向窗。

2.2 切口長度

爆破缺口設在臺階以上0.2 m,開口弧長L 的取值影響水塔的傾倒方向,通常爆破切口的圓心角為180° ～240°,門洞位于切口范圍內(nèi)可適當增大爆破缺口。 因此,本次爆破取切口長度L=(1/2 ～2/3)πD =3.9 ～5.2 m,實際取L=5.0 m;

2.3 切口高度

切口高度h 是保證其內(nèi)部鋼筋在其自重載荷作用下能夠發(fā)生彎曲變形的一個重要參數(shù)。 對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),切口高度的選擇影響因素有壁厚和材質(zhì),水塔爆破瞬間形成切口,結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性,形成傾覆力矩,迫使水塔按預定方向倒塌,所以由壓桿的強度、剛度及鋼結(jié)構(gòu)設計原理計算切口高度[7]。式中:d 為豎筋直徑,d=0.02 m;μ 為軸心壓桿長度系數(shù),取μ=0.5;[λ]為鋼筋結(jié)構(gòu)設計所規(guī)范的長細比,一般取[λ]=150。 根據(jù)式(1)以及同類形水塔爆破經(jīng)驗,結(jié)合筒體本身結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗公式計算,爆破缺口高度選1.5 m。

2.4 爆破參數(shù)設計

炮孔以矩形方式布置(見圖2),炮孔直徑38 ～42 mm;炮孔深度L=2/3h=0.13 m;炮孔間距a=(0.8 ～1.5)L=0.1 ～0.2 m,取a=0.2 m;炮孔排距b=a=0.2 m。 單耗取q=4.0 kg/m3。 單孔藥量Q=qabh=4 ×0.2 ×0.2 ×0.2=0.032 kg,取Q=0.035 kg;爆破切口布置成梯形,共布置7 排炮孔,每排18個炮孔(除去已有門洞和開鑿的定向窗不需鉆孔),總炮孔數(shù)126 個,總炸藥量4.4 kg,需要雷管160 發(fā)。

圖2 爆破切口

2.5 爆破網(wǎng)路

網(wǎng)路設置為非電起爆系統(tǒng),先簇聯(lián)后串聯(lián),每簇抓接14 ～16 根導爆管,共10 簇,每個激發(fā)點采用兩發(fā)導爆管雷管。 雷管用四通和導爆管連接成封閉網(wǎng)路,網(wǎng)路激發(fā)采用導爆管雷管(瞬發(fā)或同段別)激發(fā)。

3 爆破安全

3.1 安全防護設計

為了減小觸地振動,可以增大撞擊接觸面積和改變觸地點土層條件,在塔頂觸地處用編織袋裝黃土堆成高3 m,寬3 m,長10 m 的緩沖帶并用防護網(wǎng)包裹,壓上砂包。 為控制觸地產(chǎn)生的飛濺物,防止路面被砸壞,在水塔傾倒軸線上放置足夠?qū)挼哪景濉?水塔塌落砸到木板時,應力分布面積變大,路面受到的壓力變小,從而保護路面[8]。 待拆水塔周圍建筑物較多,爆破產(chǎn)生的飛石可能對建筑物和人員造成傷害,因此在爆破切口處用5 層草袋和2 層竹籬笆覆蓋,既能防止爆破引起的飛石,還能降低爆破沖擊波以及爆破噪聲的影響。

3.2 振動安全核算

高聳構(gòu)筑物拆除爆破倒塌時,塌落振動比爆炸振動對周圍環(huán)境影響大的多,因此振動速度安全校檢可以主要考慮塌落振動的影響。

1)建筑物爆破拆除后結(jié)構(gòu)沖擊地面產(chǎn)生的塌落觸地振動大小一般與結(jié)構(gòu)體質(zhì)量、建筑物重心高度和地面接觸土層條件等有關,周家漢教授通過較多測試數(shù)據(jù)及理論分析得出了塌落振動速度預測公式:

式中:v 為塌落引起地表的振動速度;R 為建筑物與塌落中心的距離,取R=30 m;M 為塌落建筑物的質(zhì)量;g 為重力加速度,取g=9.8 m/s2;σ 為地面介質(zhì)的破壞強度,一般取σ=10 MPa;H 為水塔重心的高度;K1、β 分別為振動速度衰減系數(shù)和指數(shù),取K=3.9,取β=-1.7。 通過測量水塔整體高度及相關文獻,估算水塔質(zhì)量為180 t;重心高度約26 m;代入公式(2)中,算出控制室的地表振動速度估計值:v=1.44 cm/s。 該值小于重點觀測對象控制室所允許的振動速度,因此塌落觸地振動不會對其造成危害。

2)根據(jù)能量守恒定律,建筑物爆破拆除的傾倒過程是能量不斷轉(zhuǎn)換的過程。 即爆破產(chǎn)生的瞬時能量使建筑物底部破碎,失去支撐,重心偏移,在重力勢能下形成傾覆力矩產(chǎn)生傾倒的趨勢。 倒塌的勢能在過程中轉(zhuǎn)化為塑性鉸消耗能、結(jié)構(gòu)破碎能、結(jié)構(gòu)下落到地面觸地時產(chǎn)生的動能和其它的能量耗散,其中的觸地動能是塌落振動大小的直接影響因素。 觸地動能一般分為三部分:一部分是使地面變形破碎的能量;一部分是反作用于建筑,使結(jié)構(gòu)單元破碎的能量;最后一部分能量則用來產(chǎn)生地震波向遠處傳播[8],對塌落振動速度大小的影響最大。

而在水塔爆破拆除中,傾倒過程中水塔并未解體,破壞解體消耗的功較少,消耗的塑性功也比較少,所以整體上在忽略一些能量耗散的情況下,可以把水塔釋放的總位能全部轉(zhuǎn)化為觸地動能,用來產(chǎn)生地震波向外傳播。 爆破后水塔的傾倒過程類比于剛性桿件發(fā)生定向轉(zhuǎn)動倒塌,傾倒的水塔在原則上視為集中質(zhì)量的下落,如果不考慮頻率和相位,并假設塌落振動為彈性振動,則振動強度與水塔的高度和總質(zhì)量有關。 水塔爆破拆除時在倒塌過程中整體結(jié)構(gòu)未充分解體,與地面接觸后像落錘強夯擊地面一樣產(chǎn)生強烈的振動效應,隨距離的增加逐漸衰減。

炸藥爆炸中能量分配方程式[10]為:

EE=EF+ES+EK+ENM(3)

將爆炸總能量EE分為:巖石破碎能量EF,巖石震動能量ES,巖石動能EK,未知形的能量ENM(耗散熱等)。 深孔松動爆破時,巖土介質(zhì)的動能較小,是可以忽略的部分。 而在觸地沖擊中,能量也分為水塔倒地撞擊破壞的破碎能量EF,地面巖土介質(zhì)動能EK,震動能量ES,以及未知的能量耗散ENM(耗散熱等)。 受觸地沖擊時,地面巖土產(chǎn)生的動能非常小,也可忽略不計。

通過上述定性對比可以發(fā)現(xiàn),兩者之間有一一對應的關系。 觸地沖擊能量的組成與爆炸能量的組成在形式上是相似的,由此聯(lián)想到用這種能量轉(zhuǎn)化的方式去預測振動速度。

綜合考慮下,可以把水塔倒塌觸地過程類似于巖土爆破。 釋放的總位能用來折合炸藥爆炸的能量

則TNT 當量

炸藥爆炸產(chǎn)生的地震波可以采用薩道夫斯基公式對地震波強度預估[11]。

把公式(4)(5)代入公式(6)中,可得:

式中:R 為測點與塌落中心的距離,m;Qv為查閱《爆破手冊》 得到TNT 炸藥的理論爆熱,取4.184 MJ/kg;M 為塌落建筑物的質(zhì)量;g 為重力加速度,取g=9.8 m/s2;H 為水塔重心的高度;α 為地震波衰減指數(shù);v 為介質(zhì)質(zhì)點的振動速度值;K 為與地質(zhì)、地形等條件有關的場地系數(shù)。 本次爆破觸地沖擊地面為10 cm 混凝土層,其下為淺薄覆土層和土夾石。 沖擊振動能量主要以表面波形式傳播,即主要是在較為堅硬的介質(zhì)區(qū)域內(nèi)傳播。 在無試驗數(shù)據(jù)的條件下,《爆破作業(yè)安全規(guī)程》中堅硬巖石的K 值范圍為50 ～150、α 值的范圍為1.3 ～1.5。由于場地硬度相對較小,所以場地系數(shù)K,衰減指數(shù)α 取偏軟值。

在此,場地系數(shù)K 取堅硬巖石中偏小的數(shù)值55,而衰減指數(shù)α 取值偏向于中硬巖石爆破時的衰減趨勢,取1.57,后續(xù)具體數(shù)值可根據(jù)其他工程試驗進行調(diào)整。 計算可得30 m 處控制室地表振速為:0.93 cm/s。

4 振動測試

爆破現(xiàn)場共設置4 個振動測點,測點情況如圖3 所示。 由于爆破振動很小,這里僅分析塌落振動,塌落振動及理論公式計算結(jié)果如表1 所示。

圖3 不同測點振動波形圖

表1 不同測點塌落振動測試結(jié)果

通過測量的振動速度數(shù)據(jù)顯示,其大小均符合安全標準。 兩種塌落振動速度理論計算公式在一定程度上都能預測振動速度的大小。 公式(7)在形式上與周家漢公式較為相似,只是一些衰減指數(shù)的取值范圍不同。 本次數(shù)據(jù)顯示,新公式的預測振動速度誤差較小,能夠較為準確地預測振速。 實際振動速度的衰減較慢,與地質(zhì)環(huán)境有關,而振速預測公式的衰減較大與衰減指數(shù)的取值有關。 振速預測公式都是在理論基礎上的研究,而實際工程中影響因素太多,并且也會采取一些減小振動影響的措施,誤差也會比較大,振速的預測只是為了在施工前給設計人員一個參考范圍。 與實際振速相比,周家漢理論公式(2)中的實際衰減系數(shù)K1僅為理論狀況下參數(shù)的1/4 ～1/3。 而公式(7)適用于爆破時消耗在塑性鉸和解體破壞時的能量較小的情況,其實際衰減指數(shù)α 和場地系數(shù)K 也要根據(jù)實際情況和多次工程試驗的積累去估算范圍。 在振中距相同的情況下,1 號、2 號測點的振速差值比3號、4 號測點的振速差值大。 因為水塔倒塌沖擊地面中心與南面控制室之間為綠化帶,泥質(zhì)土層對觸地振動也有一定緩沖作用。

5 爆破效果

起爆瞬間,筒壁切口位置破碎,切口外包覆的草袋及竹籬笆有鐵絲約束,有效控制了沖擊波及飛石影響。 爆破切口形成后,其重量由預留筒壁承擔,形成傾覆力矩向預定倒塌方向傾斜,傾斜速度較慢,隨后水塔整體下坐,塔頂準確落入土堆。 水塔傾倒過程中未完全破碎解體,觸地時塔身破壞,塔頂破碎。 針對此水塔設計的爆破切口,有效地保留了支撐面積、保障了支撐體強度,防止水塔爆破瞬間下坐,有充足時間形成傾倒趨勢,確保了傾倒方向的準確。 爆破完成后經(jīng)檢測周圍房屋及控制室設備未受到影響,達到了預期目標。 爆破后效果如圖4 所示。

圖4 水塔爆后效果圖

6 結(jié)語

1)相同距離的振動衰減程度與傳播介質(zhì)有關,建筑結(jié)構(gòu)倒塌觸地引起的地震波在泥質(zhì)土層中的傳播衰減較快,因此,在設計爆破方案時可以注重利用地形條件,盡可能減小塌落振動效應的影響。

2)在不考慮能量耗散的情況下,以能量轉(zhuǎn)換的角度得出了一種在一定程度上新型預測塌落觸地振動速度的公式,其中的系數(shù)還要經(jīng)過工程試驗的積累去完善。