城市復(fù)雜環(huán)境下水塔爆破拆除的應(yīng)用

蒙海霖 程貴海 覃翔

【摘 ?要】論文針對(duì)一個(gè)鋼筋混凝土水塔作出拆除爆破方案設(shè)計(jì)，該水塔采取東南方向定向倒塌的方式。論文對(duì)爆破切口和定向窗進(jìn)行確定，采用數(shù)碼電子雷管起爆，確保了炮孔起爆的安全性和延時(shí)準(zhǔn)確性。針對(duì)工程復(fù)雜環(huán)境采取一系列安全防護(hù)措施，有效實(shí)現(xiàn)該水塔安全快速拆除，為同類拆除工程提供借鑒。

【Abstract】In this paper， the demolition and blasting design of a reinforced concrete water tower is made. The water tower adopts the way of directional collapse in southeast direction. In this paper， the blasting incision and directional window are determined， and the digital electronic detonator is used to ensure the safety and delay accuracy of blasting hole. In view of the complex environment of the project， a series of safety protection measures are taken to effectively realize the safe and rapid demolition of the water tower， which provides reference for similar demolition projects.

【關(guān)鍵詞】復(fù)雜環(huán)境;水塔拆除爆破;數(shù)碼雷管

【Keywords】complex environment; water tower demolition and blasting; digital detonator

【中圖分類號(hào)】TU746.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2021）05-0190-03

1 工程概況及施工難點(diǎn)

1.1 工程概況

待拆除的舊水塔是位于欽州市北部灣大道欽州鐵路地區(qū)小區(qū)內(nèi)的鋼筋混凝土扇形結(jié)構(gòu)水塔，因欽州鐵路地區(qū)建設(shè)需要對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的舊水塔進(jìn)行拆除，擬采用爆破方法進(jìn)行拆除。待拆除水塔總高44m，水塔底部有高1m、直徑3.8m的基礎(chǔ)，水塔下部為圓筒形，筒身高33m，直徑3.2m，壁厚0.18m，底部北偏東25°有1個(gè)高2.1m、寬0.7m的門，筒體和上部水倉(cāng)間連接位置高1m，直徑3.8m。水塔上部為倒錐形水倉(cāng)，水倉(cāng)高7m，直徑15m。水倉(cāng)頂部附屬物高2m。水塔內(nèi)西北側(cè)和西側(cè)有2根直徑0.25m的水管，需提前拆除，如圖1所示。

1.2 施工環(huán)境及難點(diǎn)

①周邊環(huán)境較為復(fù)雜，水塔周圍需保護(hù)對(duì)象較多。最近的居民房距離爆心約有46m，西南角約88m處有小區(qū)內(nèi)部的電力變壓器，西側(cè)15m處有村民祠堂，往西北40m處是車流量較大的北部灣大道。②端部水箱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的剛度。在原地卸除筒體垂直方向支撐后，水箱與地面的沖擊作用可能不會(huì)使水箱發(fā)生解體，而產(chǎn)生擴(kuò)散前沖或滾動(dòng)的可能。③警戒時(shí)間較短，工作任務(wù)繁重。由于待拆水塔靠近生活區(qū)和公路，在設(shè)立爆破警戒區(qū)時(shí)，警戒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將影響附近居民的正?；顒?dòng)。

2 爆破方案的設(shè)計(jì)

針對(duì)本水塔的爆破拆除，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和水塔自身結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)水塔向南偏東40°方向倒塌，該方向?yàn)閳?chǎng)內(nèi)最開闊的方向，水塔僅44m，可滿足倒塌的需要，依靠水塔筒體及水倉(cāng)自身的重量向南偏東40°定向倒塌，待倒塌之后由于與地面的撞擊而破壞水塔筒體與水倉(cāng)，使鋼筋混凝土水塔破碎。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是避免在高處爆破水塔筒體與水倉(cāng)時(shí)產(chǎn)生不可控制的飛石，砸壞周邊房屋、設(shè)施以及砸傷周邊人員，安全性高。

2.1 爆破切口與定向窗設(shè)計(jì)

在水塔下部利用爆破形成預(yù)期尺寸的切口，由于切口的存在導(dǎo)致上部分筒體自身重力超過(guò)預(yù)留支撐體的極限抗壓強(qiáng)度，那么預(yù)留支撐體就會(huì)受力不均衡而使水塔坍塌。另外，如果預(yù)留支撐體的支撐力大于本身重力，支撐體能夠繼續(xù)支撐。梯形切口具有易于順利倒塌、便于施工、有利于縮小倒塌距離順利倒塌的特點(diǎn)。因此，爆破切口形狀選擇梯形，利于水塔的拆除爆破。水塔底部直徑D=3.2m，采取梯形切口，切口長(zhǎng)度為外周長(zhǎng)的0.618倍，即切口長(zhǎng)度為L(zhǎng)=0.6×3.14×D≈6m，切口高度由經(jīng)驗(yàn)公式H=（1/6～1/3）D=0.53～1.1m。為確保順利倒塌，切口加大至H=1.5m。在設(shè)計(jì)傾倒中心線兩側(cè)，布置2個(gè)寬0.3m、高0.3m的三角形定向窗，采用風(fēng)鎬預(yù)先鑿出2個(gè)對(duì)稱的定向窗，保證水塔按預(yù)定方向傾倒。水塔爆破切口如圖3所示。

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

炮孔直徑d=38mm，炮孔深度L=2δ/3=0.12m，最小抵抗線W=δ/2=0.09m。

孔距a和排距b：

a=（1～2.5）W=0.125～0.3125cm，取0.3m。

b=（0.8～1）a=0.24～0.3m，取0.25m。

單孔裝藥量q=k×a×b×δ≈0.04kg=27g，k為單位耗藥量，取本次炸藥單耗為2kg/m3。

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)絡(luò)

炮孔排數(shù)設(shè)計(jì)7排。分4部分起爆：左上部分、左下部分、右上部分及右下部分。其中左上部分先爆，設(shè)置延時(shí)時(shí)間為0ms，然后左下部再爆，設(shè)置延時(shí)時(shí)間為25ms，對(duì)于右上部分，設(shè)置延時(shí)時(shí)間為50ms。右下部分設(shè)置延時(shí)75ms。炮孔總數(shù)為101個(gè)?？组g采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)填裝，孔內(nèi)各采用1發(fā)數(shù)碼雷管起爆。采用數(shù)碼電子雷管網(wǎng)路，每發(fā)雷管并聯(lián)接入母線，形成整個(gè)起爆網(wǎng)路，如圖4所示。

3 爆破安全校核

3.1 爆破振動(dòng)校核

根據(jù)爆破振動(dòng)速度公式計(jì)算：R=Q。式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m;Q為最大的單段裝藥量，0.75kg;V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，一般民用建筑取2cm/s;K和α為爆心到計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，K取180，α取1.7。其中R為12.8m，爆破中心點(diǎn)位于地面以上4.3m，水塔直徑3.2m，水塔到村民祠堂15.5m，由薩道夫斯基振動(dòng)預(yù)測(cè)計(jì)算可知，在距離爆源12.8m外的居民建筑物將不會(huì)受到爆破振動(dòng)的影響。

3.2 塌落振動(dòng)校核

本次水塔機(jī)構(gòu)，頂端水箱占整體重量的大部分，因此，在倒塌時(shí)對(duì)地面的沖擊強(qiáng)度較大，塌落振動(dòng)的危害不可忽視。倒塌著地時(shí)引起的振動(dòng)大小與塌落物的質(zhì)量、剛度、重心高度和觸地點(diǎn)土質(zhì)條件有關(guān)。水塔塌落振動(dòng)對(duì)周圍建筑物的影響，塌落振動(dòng)速度計(jì)算公式：v0=k0

式中：v0為塌落引起的地面振動(dòng)速度，cm/s。R為觀測(cè)點(diǎn)至沖擊地面中心的距離，m。此處取水箱大致塌落處到南邊小區(qū)住宅樓的距離17m作為計(jì)算數(shù)值。m為倒錐水箱構(gòu)件的質(zhì)量，kg。經(jīng)測(cè)量水箱重126t。H為水箱構(gòu)件的重心高度，m。重心位于大約離地面40m位置處。σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度取值一般為10MPa。g為重力加速度，取9.8m/s2。k0為觸地振動(dòng)速度衰減系數(shù)，取值范圍為3.37～4.09，參考類似工程取值為3.8。β為觸地振動(dòng)速度衰減指數(shù)1.80～1.66，參考類似工程取值為1.8。

根據(jù)公式得出距離塌落處17m的村民祠堂在受到水箱塌落影響下產(chǎn)生的地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度約為0.96cm/s。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中要求一般民用建筑取2cm/s，理論塌落振動(dòng)小于所要求的安全振動(dòng)數(shù)值，故可以得出，水箱的塌落振動(dòng)不會(huì)對(duì)住宅樓造成影響。但本著安全第一、預(yù)防為主的原則，仍然需要采取一定的安全防范措施。

3.3 空氣沖擊波

對(duì)建筑物和人員的爆破沖擊波安全距離計(jì)算可采用公式：

式中：Ri、Rr分別為建筑物和人員在爆破空氣沖擊波影響下的安全距離，m。Q為最大段裝藥量，kg。K為安全控制系數(shù)，對(duì)建筑物取0.5～1，對(duì)人員取5～8。由上文可知最大裝藥量Q=0.702kg，則通過(guò)計(jì)算Ri=1.8m，Rr=14.3m，爆破空氣沖擊波影響較輕微，只要人員撤離至安全警戒范圍以外，不會(huì)對(duì)周圍人員等造成損傷。

3.4 爆破飛散物影響

拆除爆破個(gè)別飛散物對(duì)人員的安全允許距離根據(jù)公式確定：RMAX=Kr·q·D

式中：RMAX為人員安全距離，m。Kr與爆破參數(shù)、炸藥裝填方式和地形地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于一般混凝土建筑取值范圍為1.0～1.5，本次取值1.3。q為本次工程所取單耗，kg/m3。D為炮孔直徑，mm。在還未有覆蓋防護(hù)措施的情況下，飛石飛散距離由公式計(jì)算得出98.8m，對(duì)相關(guān)人員的安全警戒范圍也應(yīng)設(shè)置為100m外的區(qū)域。為確保安全，倒塌方向警戒距離為200m。周邊城鎮(zhèn)居民生活設(shè)施建筑較為復(fù)雜，需要采取必要的措施，將爆破飛散物的飛散距離進(jìn)行進(jìn)一步控制。

4 安全防護(hù)措施

4.1 防止爆破飛散物的措施

①近體防護(hù)設(shè)置。對(duì)爆破切口位置進(jìn)行嚴(yán)密防護(hù)，先采用竹排進(jìn)行覆蓋，外側(cè)再覆蓋上一層地毯，地毯和排架之間用鐵絲擰緊加固，進(jìn)行雙層防護(hù)。

②合理布置炮孔。按照設(shè)計(jì)要求的網(wǎng)度布置炮孔，炮孔的深度、孔距、排距以及炮孔排列方式等參數(shù)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)鉆鑿，并根據(jù)試炮情況及爆破體地質(zhì)條件調(diào)整炮孔參數(shù);鉆鑿炮孔后，認(rèn)真檢查炮孔質(zhì)量，不合要求的炮孔重新鉆鑿，保證炮孔質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

③采用先進(jìn)電子雷管起爆技術(shù)，選擇合理的起爆網(wǎng)路，降低單孔藥量，減少爆破飛石的產(chǎn)生。

④保證炮孔堵塞質(zhì)量，選擇密封性好的粘土作為堵塞材料并嚴(yán)格確保安全的堵塞長(zhǎng)度。

⑤在倒塌方向距離水塔35m、40m、45m 3個(gè)位置開挖防護(hù)溝，溝寬約3m、長(zhǎng)約30m、深約3m的防護(hù)坑，并用開挖的泥土堆積在防護(hù)坑外側(cè)，堆積成1個(gè)長(zhǎng)約45m、寬約3m、高約3m的防護(hù)土堆，用于防止水塔倒塌后頂部水倉(cāng)沖擊過(guò)遠(yuǎn)，避免對(duì)倒塌方向的房屋造成損傷。

4.2 防止振動(dòng)危害的措施

①在水塔與村民祠堂之間，西北側(cè)2m的位置開挖減震溝，溝寬1m、深2m，防止爆破振動(dòng)對(duì)背側(cè)村民祠堂造成影響。

②在村民祠堂和小區(qū)公寓樓地基處，布置TC-4850測(cè)振儀對(duì)該2處重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

③嚴(yán)格控制同段起爆藥量;施工前期嚴(yán)格按設(shè)計(jì)打眼驗(yàn)收。

5 爆破效果及總結(jié)

5.1 爆破效果

水塔筒體按預(yù)定設(shè)置時(shí)間起爆，筒體在自身重力下完全解體，水箱塌落后未產(chǎn)生滾動(dòng)現(xiàn)象。爆破飛散物在有防護(hù)的基礎(chǔ)上，散落在爆心兩側(cè)的距離僅為10m左右。爆破振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，村民祠堂的振動(dòng)速度為0.91cm/s，小區(qū)公寓樓振動(dòng)速度為0.17cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》振動(dòng)速度要求。爆堆位置符合方案中設(shè)計(jì)要求，未對(duì)周圍目標(biāo)產(chǎn)生影響。從爆破到清渣完成僅用2h。

5.2 工程總結(jié)

①本次水塔爆破周圍環(huán)境十分復(fù)雜，通過(guò)對(duì)水塔結(jié)構(gòu)、材料以及受力情況的了解，進(jìn)行精細(xì)的施工和有效的防護(hù)，確保了整個(gè)拆除工程的順利開展。

②減震溝能有效減小爆破振動(dòng)，村民祠堂的爆破振動(dòng)速度與計(jì)算理論值相比減小了37%，而小區(qū)公寓樓的爆破振動(dòng)速度只減小了10%，說(shuō)明在實(shí)際工程應(yīng)用中減震溝的開挖能大大降低爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的危害。

③鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高聳建筑上部結(jié)構(gòu)不易解體，在拆除過(guò)程中應(yīng)避免其在塌落過(guò)程后產(chǎn)生的慣性滾動(dòng)，堆壘防護(hù)土墻和開挖防護(hù)溝十分有必要。

【參考文獻(xiàn)】

【1】葉家明，戴春陽(yáng)，李洪偉，等.傘形水塔拆除爆破關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算與數(shù)值模擬[J].爆破，2020，37（04）：106-110.

【2】王宇，姚穎康，賈永勝，等.鋼筋混凝土煙囪爆破拆除失穩(wěn)下坐和空中斷裂現(xiàn)象研究[J].爆破，2018，35（04）：116-123.

【3】陳飛權(quán)，汪澤，劉桐.緊鄰既有管線100.4m高鋼筋混凝土煙囪定向爆破拆除[J].價(jià)值工程，2019，38（33）：271-273.

【4】張耀良，郭惠良，夏云鵬.復(fù)雜環(huán)境下水塔爆破新方法研究[J].工程爆破，2020，26（06）：64-69.

【5】王泳.某水塔爆破拆除不對(duì)稱倒塌的研究[J].采礦技術(shù)，2017，17（05）：134-136.