不同預(yù)處理方法對(duì)鋼筋混凝土水塔爆破拆除效果的影響

夏曼曼，鄭德明，戴春陽(yáng)，潘寶玉

(安徽天明爆破工程有限公司,滁州 239000)

在水塔、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)物爆破拆除設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，為了精確控制倒塌方向、保證建筑物順利倒塌、有效減少爆破飛石、爆破振動(dòng)、爆破沖擊波等有害效應(yīng)，獲得更好的爆破效果，通常會(huì)對(duì)建筑物進(jìn)行預(yù)處理。所謂“預(yù)處理”是指在建筑物爆破拆除施工中[1,2]，為了滿足工程技術(shù)要求，在不破壞整體穩(wěn)定性的情況下，對(duì)某些非承重部位實(shí)施預(yù)先拆除或削弱部分結(jié)構(gòu)的施工方法，破壞其局部結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理，建筑物的整體性受到一定程度的破壞，有利于充分利用其重心失穩(wěn)而順利倒塌。因此，控制爆破拆除時(shí)，對(duì)其某些部位做預(yù)處理，對(duì)于降低工程消耗和保證爆破安全都具有重要的意義。

隨著時(shí)代的發(fā)展，預(yù)處理技術(shù)不斷發(fā)展更新，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、預(yù)處理的部位以及周邊環(huán)境等條件影響，目前進(jìn)行預(yù)處理的方式通常包括人工預(yù)處理、爆破預(yù)處理和機(jī)械預(yù)處理3類[3]。

以兩座已拆除水塔為例，通過(guò)比較爆破預(yù)處理和機(jī)械預(yù)處理對(duì)于鋼筋混凝土水塔爆破拆除產(chǎn)生的影響，以期為同類工程提供一些施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程環(huán)境

1.1 周邊環(huán)境

1#水塔位于天長(zhǎng)市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，四周環(huán)境較復(fù)雜，東側(cè)6.5 m有水泵房；東北側(cè)17 m有3間小平房和2層樓房；南側(cè)2 m處有廁所，100 m處有廠房和辦公樓；西側(cè)3 m處有變電房和廠房，位于變電房1 m處有變壓器；西南25～60 m處有廠房和辦公樓；北側(cè)距公路20 m。煙囪周圍環(huán)境如圖1所示。

圖 1 1#水塔周圍環(huán)境示意圖(單位:m)Fig. 1 Schematic diagram of the surrounding environment of the 1# water tower(unit:m)

2#水塔位于阜陽(yáng)市潁州區(qū)，北面26 m為居民區(qū)，南側(cè)46 m為民房，5 m處為公路，西南側(cè)14 m為橋梁，東側(cè)9 m為阜陽(yáng)潁淮農(nóng)商行新辦公大樓工地圍擋，周圍環(huán)境示意圖如2所示。

圖 2 2#水塔周邊環(huán)境示意圖(單位：m)Fig. 2 Schematic diagram of the surrounding environment of the 2# water tower(unit:m)

1.2 水塔結(jié)構(gòu)

1#水塔高24 m，為薄壁鋼筋混凝土筒狀結(jié)構(gòu)，無(wú)破壞，無(wú)傾斜。水塔筒身外直徑2.61 m，壁厚20cm，鋼筋單層布筋，周長(zhǎng)8.2 m，筒體下部南側(cè)有1個(gè)尺寸為180 cm×80 cm的小門(mén)，水塔頂部有倒錐形大圓盤(pán)水箱[4]。

2#水塔高36 m，塔身為鋼筋混凝土筒式圓形結(jié)構(gòu)，高度為30 m，頂部呈傘形，底部直徑2.53 m，壁厚22 cm，在水塔底部北側(cè)0.5 m標(biāo)高處有一尺寸為190 cm×80 cm的檢修門(mén)。

2 爆破設(shè)計(jì)

2.1 爆破總體方案

高聳建(構(gòu))筑物爆破拆除一般有定向倒塌式、定向折疊倒塌式、原地坍塌式，根據(jù)2座水塔結(jié)構(gòu)及爆區(qū)周圍環(huán)境，均采用定向倒塌式，1#水塔倒塌方向?yàn)闁|偏南約62°方向，2#水塔倒塌方向?yàn)闁|偏北方向。

2.2 爆破切口設(shè)計(jì)

(1)切口形式及角度

爆破缺口的目的是為了創(chuàng)造失穩(wěn)條件，因此缺口的形狀的優(yōu)劣將直接決定水塔定向倒塌是否準(zhǔn)確[5]。一般說(shuō)高聳構(gòu)筑物定向爆破倒塌切口的形式有矩形、正梯形、倒梯形等不同形狀[6-9]。1#水塔傾倒爆破的缺口采用展開(kāi)形狀為組合梯形，2#水塔采用正梯形切口形狀，采用正梯形爆破切口既能滿足水塔倒塌方向的準(zhǔn)確性又能減少藥孔數(shù)量。

通常情況下，爆破切口的長(zhǎng)度是以水塔的重力引起的截面彎矩(MP)等于或稍大于預(yù)留支撐截面極限抗彎力矩(MR)為主要依據(jù)來(lái)確定的[7]。根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)，切口的長(zhǎng)度一般取斷面圓周(πd)的0.5～0.67，相對(duì)應(yīng)的切口圓心角為180～241°。1#水塔爆破切口角度選取198°，2#水塔設(shè)計(jì)切口圓心角為209°，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，實(shí)際切口角度為200°。兩座水塔的爆破切口圖如圖3(a)、(b)所示。

圖 3 水塔爆破切口示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of blasting cut of water tower(unit:m)

(2)切口高度

缺口的高度H是水塔爆破拆除的重要參數(shù)[10-12]。對(duì)于鋼筋混凝土的高聳建筑物來(lái)說(shuō)，采用爆破形成拆除切口時(shí)應(yīng)考慮切口形成后應(yīng)使其在傾倒至爆破切口閉合時(shí)，重心位置偏移到切口標(biāo)高處筒壁范圍以外。根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)公式確定切口高度H

H≥(3～5)δ

式中，δ為切口處壁厚，1#水塔H取值范圍是0.6～1.0 m，2#水塔H取值范圍是0.66～1.1 m，為保證缺口內(nèi)混凝土全部脫離，考慮到部分混凝土碎塊無(wú)法完全脫離鋼筋，一般缺口高度應(yīng)適當(dāng)增加，再加上要考慮炮孔間排距的完整布置，因此1#水塔最終確定爆破缺口高度為1.5 m，2#水塔爆破缺口高度為1.2 m。

2.3 爆破參數(shù)

爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 1#、2#水塔拆除爆破參數(shù)Table 1 Demolition blasting parameters of 1# and 2# water towers

2.4 預(yù)處理方案

為保證水塔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方向倒塌，1#水塔在小門(mén)正對(duì)方向筒壁上用爆破的方法炸出1個(gè)尺寸相同的小門(mén)，在爆破切口兩側(cè)分別人工開(kāi)設(shè)1個(gè)長(zhǎng)0.5 m、高0.5 m三角形的定向窗；2#水塔爆前采用機(jī)械預(yù)處理，預(yù)處理措施有以下兩點(diǎn)：

①在檢修門(mén)相對(duì)的另一側(cè)用空心鉆開(kāi)鑿?fù)怀叽绱笮〉男￠T(mén)。

②在爆破切口兩端對(duì)稱開(kāi)設(shè)定向窗，定向窗尺寸為：10 cm(寬)×20 cm(高)(直角三角形，見(jiàn)圖4)。

圖 4 2#水塔定向窗預(yù)處理Fig. 4 Pretreatment of directional window of the 2# water tower

3 爆破效果及分析

3.1 爆破效果

1#水塔起爆后，大約經(jīng)過(guò)3 s之后開(kāi)始向預(yù)定方向沿廁所邊線倒塌，水塔鋼筋砼儲(chǔ)水筒重重落在地上，未破碎，整個(gè)倒塌過(guò)程歷時(shí)約5 s，周圍建筑物均未損壞，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目的。

2#起爆后，切口內(nèi)混凝土全部剝離飛出，配筋外露，水塔未能倒塌。觀察發(fā)現(xiàn)水塔爆破缺口中，鋼筋已經(jīng)發(fā)生大的變形，失去了承載能力，而支撐部分的混凝土未發(fā)生較大形變，剩余支撐部分強(qiáng)度仍能滿足要求，水塔未能倒塌。見(jiàn)圖5。

3.2 爆破結(jié)果分析

(1)余留支撐體截面面積

切口形成后，余留支撐體截面面積計(jì)算[13]

(1)

通過(guò)(1)式計(jì)算出1#水塔余留支撐體面積為0.68 m2，2#水塔余留支撐體面積為0.70 m2，從計(jì)算結(jié)果比較可知，2#水塔余留支撐體面積較大，這也是導(dǎo)致其炸后不倒的主要因素之一。

(2)定向窗夾角

定向窗作為高聳煙囪控制爆破拆除時(shí)筒體沿設(shè)計(jì)方向傾倒的一個(gè)必要條件，定向窗夾角直接影響到后部支撐部位的應(yīng)力分布狀態(tài)以及切口閉合的進(jìn)程，因而對(duì)煙囪倒塌的平穩(wěn)性和后坐問(wèn)題都有很大影響，理論研究表明；定向窗夾角越大，尖端應(yīng)力集中影響范圍越大，剪切破壞區(qū)域也越大，而且最大剪應(yīng)力越高，因而越容易發(fā)生后坐。1#水塔定向窗角度為45°，2#水塔定向窗角度63.5°，比較兩者大小發(fā)現(xiàn)定向窗夾角大小并不是影響鋼筋混凝土水塔倒塌的關(guān)鍵。

(3)切口高度

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水塔而言，切口處被炸掉的是混凝土，而豎向鋼筋依然保留在結(jié)構(gòu)中，起著支撐上部的作用。如果爆破切口高度僅滿足切口上下閉合時(shí)重心偏離出支撐面，但滿足不了使鋼筋失穩(wěn)失去承載能力的高度，鋼筋混凝水塔將會(huì)出現(xiàn)炸而不倒的情況。

對(duì)于爆破切口處裸露的鋼筋，當(dāng)支撐力較大、滿足強(qiáng)度要求時(shí)，就要按剛度要求確定爆破切口高度。要保證鋼筋混凝土高聳構(gòu)筑物倒塌，就要使切口裸露鋼筋長(zhǎng)細(xì)比大于規(guī)定的容許長(zhǎng)細(xì)比[λ]，即[10,14]

λ≥[λ]

(2)

一般取[λ]=150

根據(jù)材料截面的幾何特性的計(jì)算公式，鋼筋的長(zhǎng)細(xì)比為

λ=μh/i

(3)

其中μ為構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，對(duì)于兩端固定的壓桿，取μ=0.5；h為爆破切口的高度；i為鋼筋截面的回轉(zhuǎn)半徑，i=D/4(D為鋼筋直徑)。

將(3)式代入(2)式中，可得爆破切口的高度為

h≥[λ]D/4μ=75D

(4)

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入(4)式中，可得1#、2#水塔滿足剛度要求的切口高度為1.5 m，而在實(shí)際施工中2#水塔切口高度為1.2 m，小于1.5 m，從2#水塔第一次爆破的效果來(lái)看，鋼筋全部裸露豎立，起著支撐作用，水塔沒(méi)有倒塌，其主要原因是切口高度不夠，使切口處鋼筋的穩(wěn)定承載能力大于水塔重量對(duì)鋼筋施加的壓應(yīng)力。

(4)2#水塔爆后不倒，除以上分析外，1#水塔采用爆破法開(kāi)鑿對(duì)稱小門(mén)及組合三角形部分(不包含定向窗)，2#水塔爆前采用機(jī)械預(yù)處理在檢修門(mén)相對(duì)的另一側(cè)用空心鉆開(kāi)鑿?fù)怀叽绱笮〉男￠T(mén)，采用爆破法進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，炸藥的爆炸作用對(duì)保留支撐部位的強(qiáng)度產(chǎn)生了弱化作用[15,16]。

3.3 2#水塔處理方案

2#水塔而后進(jìn)行二次爆破，在保證對(duì)稱性的前提下，在定向窗的頂部外覆炸藥，爆破后，水塔發(fā)生傾倒，達(dá)到預(yù)期效果。爆破后效果如圖6所示。

圖 6 2#水塔二次處理后爆破效果Fig. 6 Blasting effect of the2# water tower after secondary treatment

4 結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土水塔爆破拆除效果受多種因素影響，預(yù)處理對(duì)于水塔定向爆破拆除具有十分重要的意義，爆破前對(duì)水塔實(shí)施適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，能夠有效地保證爆破安全和水塔順利定向倒塌。當(dāng)水塔爆破切口角度偏小時(shí)，采用爆破預(yù)處理更有利于保證水塔的順利倒塌；爆破切口形成后余留支撐體截面面積大，不利于鋼筋混凝土水塔的順利倒塌；定向窗夾角大小對(duì)鋼筋混凝土水塔能否倒塌沒(méi)有直接關(guān)系；爆破切口高度是影響鋼筋混凝土水塔倒塌的關(guān)鍵因素，爆破施工時(shí)要考慮水塔中配筋的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定承載能力，選取合理的爆破切口高度。