复杂环境下六角形框架结构水塔控制爆破拆除

王 铭 陈能革 顾红建

(1.马钢集团矿业有限公司；2.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司；3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室；5.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)



复杂环境下六角形框架结构水塔控制爆破拆除

王 铭1,2陈能革1顾红建2,3,4,5

(1.马钢集团矿业有限公司；2.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司；3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室；5.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

铜陵县胥坝乡灌溉饮用水厂的水塔为六角形钢筋混凝土框架结构，周边民房密集，环境复杂。由于废弃多年，地基下沉，亟待拆除以消除安全隐患。通过优化炸高、装药量、起爆顺序等，实现了该水塔的定向倒塌。通过采用爆破防护、沟埂组合措施，较好地控制了爆破飞石和爆破振动。实践表明：拆除爆破后，水塔附近民房未受到任何破坏，爆破效果较理想。

钢筋混凝土水塔 爆破拆除 定向倒塌 爆破危害控制

目前，国内外高耸建筑物通常采用爆破法进行拆除，爆破法拆除高耸构筑物具有准确定向性、倾倒过程平稳性以及减小有害效应危害性等特点。随着我国爆破拆除技术的快速发展，在诸多高耸建筑物爆破拆除过程中，积累了丰富的爆破技术及施工经验。赵根等[1]成功实施了向家坝右岸施工场地高50 m的砖烟囱的拆除爆破，并采用DDA程序对该烟囱的倾倒过程进行了数值模拟；汪龙等[2]采用控制爆破技术，合理选取切口长度、高度等参数，成功拆除了高60 m的钢筋混凝土冷却塔。结合国内外高耸建筑物爆破拆除经验，通过优化爆破参数、加强爆破危害效应控制、精心组织现场施工，对铜陵县胥坝乡灌溉饮用水厂水塔进行安全爆破拆除。

1 工程概况

1.1 水塔概况

铜陵县胥坝乡灌溉饮用水厂的水塔高31 m，由于废弃多年，地基下沉，水塔产生了一定的倾斜，存在较大的安全隐患，对周围居民的正常生产生活造成了严重威胁。该水塔周围环境复杂，东、南、北侧皆有民房，爆破难度大，施工安全要求高。水塔塔身自上而下分为5节，相邻立柱间采用横撑连接，最下部立柱断面尺寸为450 mm×450 mm，上部断面尺寸为400 mm×400 mm，横撑断面尺寸为600 mm×250 mm。该水塔顶部为φ8 m的钢筋混凝土结构水箱，容积约200 m3。自上而下每段立柱的主筋依次为4φ14，4φ16，8φ16，8φ18，8φ20 mm；箍筋为φ6 mm@200 mm。自上而下每段横撑的主筋依次为3φ22，3φ25，1φ28，2φ25，4φ22，2φ22，2φ20 mm；箍筋依次为φ10 mm@250 mm和φ10 mm@230 mm、φ6 mm@250 mm、φ6 mm@250 mm、φ6 mm@250 mm、φ6 mm@250 mm。

1.2 周围环境

水塔由一道围墙与周围民房隔开，与东侧材料库和值班房的距离分别为1.9，5.9 m，与南侧水池的距离为5.4 m。水塔距周边民房较近，与围墙南侧、西南侧、北侧及西北侧民房的距离分别为21.8，19.0，12.5，15.0 m。在围墙西南侧有一个厕所和一个水塘，与水塔的距离分别为17.9，20 m。距水塘西侧约50 m处为一条乡村水泥道路。水塔周围环境见图1，现场情况见图2。

2 爆破方案设计

(1)倒塌方式。水塔东、南、北侧皆有民房，仅西侧场地较开阔，设计采用定向倒塌方案；自西(倒塌方向)至东爆破切口高度依次递减，确保倒塌方向的可靠性[3-4]。设计第1排立柱首先起爆，后3排立柱延期爆破。设计倾倒方向两侧切口的现状和爆高对称布置，倾倒重心左右起爆顺序对称，减小侧向塌散宽度，避免影响侧向民房安全。

(2)预拆除。在不破坏水塔整体稳定性的情况下，对其上部的构筑物实施预拆除，有利于水塔的顺利倒塌，确保施工作业安全。为确保水塔定向倒塌，对水塔上的人形梯和水管进行预拆除，避免梯子和水管等对水塔的倒塌造成影响，同时拆除水塔西侧的围墙及厕所。

图1 水塔周围环境(单位：m)

图2 水塔周边环境现场情况

(3)爆破切口高度。爆破切口是确保高耸建筑物的倾倒开设的，其原理是用爆破方式破坏底部部分承重结构的强度，使其失去承载能力，造成上部结构在重力作用下偏心，当产生的重力偏心矩大于预留支撑截面的抵抗力矩且上部结构的重心能够偏离其落地的支撑点时，构筑物便可倾倒塌落。该水塔自西向东共4排立柱，设计爆破切口高度分别为2.4，1.8，0.6 m，在最后1排立柱布置2个炮孔进行松动爆破，形成铰支，起到铰链支撑作用[5]，使水塔在向前倾倒的同时避免后坐。

(4)爆破孔网参数。设计钻孔直径40 mm，孔距30 cm，孔深27 cm，堵塞长度18 cm，综合考虑炸药单耗取1.2 kg/m3，计算单孔装药量为72.9 g[6-7]。由于水塔立柱配筋较密集，钻孔施工时，易遇钢筋，可适当左右调整，并确保钻孔的左右对称性。

(5)起爆网路。采用导爆管非电起爆网路。各炮孔内装入2发同段别雷管，根据起爆顺序依次为MS1段、MS3段、MS5段、MS7段，孔外用簇联方式连接至起爆地点；同排对称立柱段别相同，确保左右对称同时起爆，保证倒塌方向的准确性。爆破前须对炮孔深度、倾角等参数进行准确测量，并严格控制堵塞质量和堵塞长度。在施工过程中应做好爆破网路的检查和防护工作，避免爆破防护时对起爆网络造成损害。

3 爆破危害效应控制

3.1 爆破安全距离计算

3.1.1 水塔拆除塌落振动速度计算

水塔爆破塌落振动速度的计算公式为[8]

(1)

式中，Vt为塌落引起的地面振动速度，cm/s；R为观测点至冲击地面中心的距离，m；M为下落构件的质量，t；g为重力加速度，9.8 m/s2；h为构件的高度，m；σ为塌落地面介质的破坏强度，一般取10 MPa；Kt、β分别为塌落振动速度衰减系数和指数，分别取3.37、-1.8。

根据水塔建筑设计图纸，水塔质量M为168 t，高度h为31 m，房屋至冲击地面中心的距离R为22 m，本研究Kt取3.37，β取-1.8。

通过在地面开挖减震沟、垒筑条形沙包土埂，以改变水塔触地状况，水塔倒塌时塔体并非同时触地，式(1)中的衰减系数Kt为原状地面的1/3。据计算可知，水塔塌落于最近房屋附近引起的地面振动速度为0.72 cm/s，小于民房安全允许振动速度2.0 cm/s。

3.1.2 爆破飞石距离计算

据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)，爆破飞石安全距离的计算公式为

Rf=20Kfn2W ，

(2)

式中,Rf为爆破飞石安全距离，m；Kf为安全系数，取1.5；n为爆破作用指数，取0.75；W为最小抵抗线，m。

经计算可得，爆破飞石安全距离为3.8 m。综合考虑爆破施工安全，设计爆破安全警戒范围为300 m，并严格按照设计警戒范围在主要交通要道、路口等位置安排警戒人员，防止发生爆破伤害事故。

3.2 爆破危害控制措施

(1)塌落振动控制措施。建(构)筑物拆除爆破产生的振动效应包括爆破产生的振动和建(构)筑物塌落的触地振动，通常后者远大于前者，以控制触地振动效应为主。在水塔西南侧和西北侧距民房3 m 处，分别开挖一条规格为15 m×0.9 m×1.8 m(长×宽×深)的减震沟，降低塌落振动对两侧民房的影响。在倒塌方向上设置2道高1 m的条形沙包埂，作为塌落冲击时的缓冲垫层，以减弱塌落振动效应，形成沟埂组合防护措施。

(2)爆破飞散物控制措施。爆破出现的飞散物有2种：一种是炸药爆炸岩石或混凝土等材料时，被爆炸气体和冲击波能量抛掷出的碎块；另一种是建(构)筑物构件爆破倾倒解体过程中，地面碎块被压缩空气冲击波裹挟抛掷出或落地碰撞时飞溅出的碎块。为有效控制爆破飞散物的危害，在每根立柱的爆破切口位置采用多层材料复式防护法进行直接防护，里层采用草垫，外层采用铁丝网和竹笆，防护材料采用铁丝捆扎牢固，防止滑落并在外侧悬挂一层竹笆进行遮挡防护。施工时注意保护爆破网络，同时严格控制堵塞长度，确保堵塞质量；在周边民房窗户等位置采取竹笆遮拦措施；将水塔倒塌方向地面的砖块等杂物清理干净，防止水塔倒塌落地时引起飞溅伤害事故。

4 施工作业安全措施

(1)水塔上人行梯子和水管预先拆除时应注意安全，由工程技术人员进行现场指挥；登高作业时应系安全带并戴安全帽。围墙拆除时须由上而下进行，将拆下的砖等材料搬离作业区，防止水塔倒塌时引起二次伤害事故。

(2)钻孔操作台应搭设牢固，清理平整好地面；钻孔作业人员须戴安全帽，并注意作业安全，防止发生人员高处坠落或水塔上部坠落碎块伤人事故。

(3)在民房窗户等位置搭设防护时须由专人负责固定爬梯，同时防护材料应固定牢固，防止防护倒塌伤人。

(4)开挖减震沟时，严禁无关人员进入挖掘机工作范围内，同时在减震沟附近设置安全警示牌，防止发生机械伤人或坠落事故。

(5)在水池周围拉设安全警示条幅，设置“水深危险，禁止靠近”等警示牌，避免施工人员溺水事故的发生。

(6)在爆区周边路口等位置，严格按照设计的爆破安全警戒范围安排警戒人员，禁止爆破期间过往车辆、人员等进入爆区，确保爆破作业安全。

(7)爆破后对倒塌情况进行检查，确认有无盲炮，待确定安全后解除警戒。

5 结 语

针对铜陵县胥坝乡灌溉饮用水厂的六角形钢筋混凝土框架结构水塔，通过严格控制爆破切口高度、孔网参数、起爆顺序等，精心组织爆破施工，水塔爆破后实现了定向倒塌，塔体充分解体，混凝土粉碎较彻底。通过采取开挖减震沟、爆破防护等控制措施，爆破危害控制效果较好，无爆破飞石产生，周边民房未受到损害。现场爆破振动监测结果显示，振动速度在民房的安全允许范围内，有效保证了该水塔周边建筑物的安全，可供类似工程参考。

[1] 赵 根，张文煊.砖烟囱定向拆除与爆破效果DDA数值模拟[J].爆破，2005，22(4)：74-76.

[2] 汪 龙，张 磊，支文超.复杂环境下60 m高冷却塔的拆除爆破[J].爆破，2011，28(2)：76-78.

[3] 齐世福，夏裕帅，谢兴博.复杂环境下高大楼房控制爆破技术[J].工程爆破，2015，21(1)：20-24.

[4] 许名标.框架结构水塔定向爆破拆除技术[J].爆破，2008，25(1)：49-51.

[5] 傅菊根，姜建农，张宇本.高耸建筑物爆破拆除切口高度理论计算[J].工程爆破，2006，12(2)：56-58.

[6] 汪旭光.爆破设计与施工[M].北京：冶金工业出版社，2015.

[7] 汪旭光，于亚伦.拆除爆破理论与工程实例[M].北京：人民交通出版社，2008．

[8] 周家汉.爆破拆除塌落振动速度计算公式的讨论[J].工程爆破，2009，15(1)：1-4.

2016-07-06)

王 铭(1967—)，男，副总经理，工程师，243000安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。