某水塔爆破拆除不对称倒塌的研究

2017-10-23王泳

采矿技术 2017年5期

关键词：飞石民房水塔

王泳

(南昌陆军学院，江西南昌 330103)

某水塔爆破拆除不对称倒塌的研究

王泳

(南昌陆军学院，江西南昌 330103)

通过工程实例，对框架水塔实施不对称倒塌爆破拆除进行了研究和探讨，根据水塔的周围环境及其对爆破的要求，决定采用定向爆破。并对爆破参数和起爆网络进行了设计，针对爆破可能引起的飞石、振动等危害，提出了安全防护措施及施工关键技术，明确指出该类爆破拆除中需要注意问题和处理方法，以便类似工程借鉴。

水塔；爆破拆除；不对称倒塌

0 引言

随着城市建设不断发展，爆破拆除的环境越来越复杂，对爆破提出的要求也越来越高，这给爆破工作者带来新的挑战和困难，需要爆破工作者组合不同精湛的爆破技术与完美施工手段才可精准的完成爆破拆除任务，因此往往要采取折叠爆破或定位倒塌爆破，甚至多形式爆破，才能确保爆破拆除过程的安全。

1 工程概况

为加快江西省南昌市青山湖区旧城改造步伐，决定对青山湖区星辉村一水塔进行爆破拆除，该水塔为框架式钢筋混凝土结构，其高度34.0 m，水箱体为钢筋混凝土浇铸而成的圆筒结构，高约6.0 m，直径8.0 m，壁厚0.5 m。钢筋混凝土框架高28.0 m，水箱由钢筋混凝土框架支撑，框架由4根钢筋混凝土柱和3圈钢筋混凝土圈梁组成。

钢筋混凝土框架柱体截面积为正方形，其边长为30 cm×30 cm，因甲方无法提供水塔建设图纸，因此其钢筋混凝土柱体的配筋不详。

2 四周环境

被拆除水塔位于一小学旁边的一个院子内，其北边围墙外为小学，围墙内距水塔0.8 m处为结构一层的民房；东边相距围墙1.5 m，围墙外为宽6.0 m的村内道路，道路东边为民房；南边相距围墙30.0 m，围墙外是青山湖大道；西边40.0 m为民房，其周围环境见图1。

在爆破过程中，要求不能损伤水塔周边的建筑物，且爆破飞石或飞散物要求不能落到青山湖大道，避免造成道路损伤及影响交通。

图1 水塔四周环境

3 爆破方案选择

从水塔周边建构筑物来看，水塔向西偏南55°倒塌最为有利，这样可以避免水塔倒塌时损害北边民房和围墙，也可以满足倒塌范围要求，减少施工成本。

3.1 定向爆破倒塌因素分析

(1) 水塔中间上下水管直接从地表连接到顶部的储水罐中，且为刚性连接，分为前后两根直径不小于12 cm铸铁管位于水塔4个立柱的中心位置，会在水塔倒塌过程中产生支撑作用，同时会影响水塔向设计方向倒塌。

(2) 清理水塔上下用扶梯因直接固定在地上且为三角铁结构，爆破时会影响倒塌甚至会使定向出现偏斜。

(3) 水塔下部圈梁离地表只有4.5 m且为25 cm×25 cm的钢筋混凝土结构，在水塔爆破后触地瞬间，因其支撑地表可能会产生反弹，导致倒塌位置产生位移或不准。

3.2 立柱炸高设计

立柱的炸高决定着水塔倒塌是否顺利和方向的准确，也决定着施工的难易程度及工作量大小。采用下列公式计算立柱炸高：

H=k(B+Hmin)

式中，H为立柱的破坏高度，m；k为经验系数，k=1.0～2.0；B为倾倒方向立柱截面的长度，m；Hmin为立柱的最小破坏高度，m，根据经验Hmin一般不小于0.8 m。

通过计算，各立柱的炸高分别为：1号立柱2.0 m，2号立柱1.7 m，3号立柱1.4 m和4号立柱0.5 m，立柱标号见图2，以确保水塔按照设计方向倒塌。

图2 立柱标号

3.3 爆破参数设计

(1) 最小抵抗线w：由于本次爆破的是小截面构件，最小抵抗线取立柱截面最小边长的一半，即：

w=B/2

(1)

式中，w为最小抵抗线，m；B为立柱截面最小边长,m。

经计算w=0.15 m。

(2) 炮孔间距a：

a=(1.2～1.5)w

(2)

经计算取w=0.2 m，本次爆破采用单排炮孔。

(3) 孔深L：

L=2B/3

(3)

经计算L=0.2 m。

(4) 单孔装药量q：

q=kv

(4)

式中，k为单位炸药消耗量，本水塔爆破k=0.83～1.21 kg/m3；v为单孔爆破体积，m3。

经计算q=22.5～33.5 g，根据对爆破体的现场考察和工程爆破实践经验取q=30 g。

根据以上计算结果，爆破参数见表1。

4 起爆网路设计

为了确保起爆网路可靠、安全，实现倒塌方向不对称和微差时间的准确性，决定采用电子雷管起爆网路，其中1号立柱10个炮孔均设置起爆时间为0 ms，2号立柱9个炮孔均设置起爆时间为400 ms，3号立柱7个炮孔均设置起爆时间为375 ms和4号立柱2个炮孔均设置起爆时间为700 ms，总计使用电子雷管28个，使网路连接更加简单和便捷，起爆网路见图3。

表1 爆破参数

图3 起爆网路

5 爆破安全计算

5.1 爆破震动计算

爆破振动按公式(5)计算:

(5)

式中，v为被保护对象所在地面质点震动速度，cm/s；Q为最大同段起爆药量，本工程中设计的最大段起爆药量为0.3 kg；R为爆破中心至被保护物的距离；k、k1、α为与爆破点至被保护物之间的地形，地质以及爆破类型等有关的系数与指数，k=150，k1=0.5，α=1.7。

因本次爆破最大段药量为0.3 kg，炸药不直接在与房屋基础一致的地下爆破，而是通过水塔立柱炮孔内炸药爆炸后间接传递给周边房屋，且经过不同介质和路径衰减，因此爆破振动对房屋的损害可以忽略不计。

5.2 塌落振动

塌落触地振动是本次爆破控制重点，对于塌落触地振动速度的计算，采用周家汉教授提出的建筑物爆破拆除时的塌落振动速度计算公式：

(6)

式中，v1为塌落引起的地面振动速度，cm/s；M为下落构件的质量，M=200 t；g为重力加速度，9.8 m/s；H为构件的重心高度，H=31.0m；σ为地面介质的破坏强度，一般取10 MPa；R为离冲击触地点的距离，本工程中水塔倒塌后距西边民房最近为8.5 m，距北边民房最远为30.0 m；k1，β为塌落振动速度衰减系数和指数，k1=3.37～4.09，取k1=3.8；β=1.80～1.66，取β=1.8。

经计算水塔倒塌时引起的塌落振动距北边民房为1.56 cm/s，距西边民房为15.07 cm/s。由此可见爆破塌落振动远大于民房抗振值，因此，需对东、西民房采取措施进行防护，以免爆破时民房损害而引起纠纷。

5.3 爆破空气冲击波计算

为了确保周围人员和建构筑物安全，采用裸露爆破时空气冲击波的安全允许距离计算公式：

(7)

式中，R为空气冲击波对人员的最小允许距离，m；Q为毫秒爆破时按照一次爆破的总药量，kg，Q=0.88 kg；经过计算R=23.95 m，因本工程采用浅孔控制爆破和加强堵塞爆破，同时爆破空气冲击波扩散条件好，所以爆破时空气冲击波不会对周围民房造成损害。

5.4 爆破飞石计算

爆破飞石距离按照式(8)计算：

(8)

式中，v为飞石初始速度，m/s；Q为单孔最大药量，Q=0.03 kg；w为最小抵抗线，m；k为防护系数，0.2～0.5，取0.5；g为重力加速度，m/s2；S为个别飞石水平方向的距离，m；α为飞石的抛射角。

当α=45°时，个别飞石的水平距离最远，经计算S=132.85 m，由此可见爆破时安全警戒范围设置为200.0 m。

6 爆破防护

(1) 飞石的防护。对炮孔采用主动防护和被动防护两种，主动防护就是在选择炮孔位置、钻孔、计算装药量及微差时间时做到准确无误，力争不产生飞石；被动防护就是采用紧贴式防护炮孔，减少飞石发生和飞掷，即在布置炮孔的立柱部分，首先用草袋包裹一层立柱，同时给草袋浸水以增加草袋抗拉力，草袋外面用铁丝网包裹，铁丝网外面用竹笆包裹，3层防护物品紧密连接，以确保飞石不造成损害。

(2) 塌落振动防护。上述计算表明塌落振动有可能会对周边民房造成损害，同时也可能在水塔落地瞬间引起石块飞溅造成事故，因此决定在水塔倒塌范围内铺设厚度为2.0 m、宽度为13.0 m的粘土，以缓冲水塔落地时的冲击力和防止飞溅物的发生。