复杂环境下框架式水塔定向爆破拆除技术

田灵伟

(江西省公安厅治安总队)

常见的水塔结构有框架结构、砖混筒形结构及伞形钢筋混凝土结构[1-4]，不同类型水塔的爆破拆除方法各不相同，砖混筒形结构水塔爆破拆除技术与砖混烟囱爆破拆除技术基本相同；伞形钢筋混凝土结构水塔与钢筋混凝土烟囱爆破拆除技术相似[5-7]；立柱式框架结构水塔结构比较独特，种类繁多，其立柱有4、5、6、8个等不同数量，爆破拆除技术不尽相同[8-13]。一般而言，在同等环境条件下，立柱越多越有利于爆破，立柱越少，爆破难度越高。本研究以某4个立柱式框架结构水塔为例，对其复杂环境下的爆破拆除技术及防护措施进行研究与实践。

1 工程概况

待拆除水塔位于江西省南昌市经济技术开发区冠山派出所附近(图1)。水塔为框架式钢筋混凝土结构(图2)，水箱体为钢筋混凝土浇筑而成的圆筒结构，高约5.0 m，直径5.0 m，壁厚0.3 m[14]。钢筋混凝土框架高20 m，水箱由钢筋混凝土框架支撑，框架由4根钢筋混凝土柱、3圈钢筋混凝土圈梁、楼梯及3根水管组成。钢筋混凝土框架柱体截面为正方形，尺寸为40 cm×40 cm，底层经加固，尺寸为60 cm×60 cm[14]。水塔四周环境复杂，周边有民房、教堂、幼儿园、派出所办公室等(图3)。总体上，水塔爆破拆除工程环境复杂，对爆破振动、塌落振动和飞石等爆破危害效应控制要求高，危害控制困难；水塔附近有幼儿园、街道和小区活动场所等，警戒难度高。

图1 待拆除水塔

图2 水塔结构尺寸

图3 水塔爆破环境示意

2 拆除爆破方案

定向倒塌的环境条件是预定倒塌的方向应有一片空地，其长度应大于1.0～1.2倍水塔高度。根据现场实际情况，为避免水塔爆破、倒塌过程的飞石影响到周围房屋安全，本研究水塔爆破倒塌方向选择向西南方向倒塌，倒塌方向场地长约28 m，宽约15 m，采用控制爆破拆除方案，该方向为下坡地，在储水罐倒塌范围挖坑和修建挡墙，防止罐体倒塌后生产滚动。

实施爆破前需进行预处理，将水塔与地面连接的水管和楼梯切除，切除高度为第二圈梁以下。根据现场情况，对水塔倒塌范围内和周边保护对象进行防护，即清理水塔倒塌范围内的砖块、碎石等易引起飞溅的物体。

3 缺口设计

3.1 爆破缺口高度计算

爆破缺口高度按下述2种方式进行计算：

(1)按被拆除物上部结构重心位于倾倒方向的支撑点外侧计算[15-17]

(1)

式中，L为2个外承重柱(墙)之间的跨度，取5 m；H为上部结构的重心高度，取22 m；h为缺口高度，m。经计算，h≥0.58 m。

(2)按倒塌角理论计算倾覆解体缺口高度[18-19]

h=Ltanφ，

(2)

式中，h为缺口高度，m；φ为倒塌角，对于框架结构，φ≥29°。经计算，h= 2.75 m。

根据上述计算，缺口只要在底部第1层圈梁以下便可满足要求，为保证水塔顺利倒塌，缺口高度取2.8 m。结合以往类似工程经验，爆高取值为1#柱2.8 m，2#、3#柱2.1 m，4#柱0.7 m。从地面0.5 m以上开始钻孔，以便于施工。

3.2 验 算

3.2.1 重心偏出验算

采用式(2)缺口计算值进行爆破设计可以保证水塔发生倒塌，由于水塔倒塌时必须控制向西南面倒塌，因此前排立柱爆高要大，后排相应减小，形成一定切口角度。同时，炸高还应满足倾倒时炸高缺口闭合后，框架整体重心应到达或移出框架底平面范围以外，方可使之完全倾倒，否则在框架强度较高的情况下，可能会出现“倾而不倒”现象[14]。因此必须满足重心偏出要求，即：h前排-h后排≥0.58 m。经验算，4个柱体的爆高满足重心偏出要求。

3.2.2 钢筋屈服验算

立柱作为承载结构，爆破后缺口范围内的钢筋裸露，其顶部承受的荷载超过钢筋的极限抗压强度或达到压杆的临界荷载时，钢筋必将发生塑性变形使承重立柱失稳，因此立柱的爆破破坏高度须满足[19-20]：

h≥50d，

(3)

式中，d为立柱主筋直径，取0.025 m。经计算，h≥1.52 m，因此1#、2#、3#立柱满足屈服条件，4#立柱作为铰链，无此条件要求。

3.3 爆破参数

底层立柱截面尺寸为60 cm × 60 cm，采用单排布孔方式，1#、2#、3#立柱炸药单耗取1.2 kg/m3，4#立柱取0.8 kg/m3。具体爆破参数见表1。

表1 爆破参数

3.4 起爆网路

水塔向西南方向倾倒，1#立柱爆后所产生的倾覆力矩需要一定的作用时间，同时为了防止爆破后水塔出现下坐和后座现象，设计后3个立柱作为一响，因此设计1#柱与2#、3#、4#柱间隔270 ms(在200～300 ms区间内取值)，具体雷管段别见表1。起爆网络由孔内导爆管雷管和孔外大把抓雷管组成，以确保起爆网络安全可靠。孔内孔外统一用双发毫秒导爆管雷管连接，将网络连接至起爆站，采用起爆器引发激发针进行起爆[14]。

4 爆破安全计算

4.1 爆破振动

爆破振动速度的计算公式为

(4)

式中，v为被保护对象所在地面的质点振动速度，cm/s；Q为最大同段起爆药量，本研究设计的最大段起爆药量为2.1 kg(2#、3#、4#柱体)；R为爆破中心至被保护物的距离，由水塔周边环境来看，最需要保护的对象为北面的幼儿园楼房，距离水塔立柱最近处为4 m，2#、3#、4#立柱药包中心与幼儿园楼房的最近距离为6.5 m；k、k1及α为与爆破点至被保护物之间的与地形、地质以及爆破类型等有关的系数与指数，k、k1取 32.1，α取1.58。

经计算，水塔北侧幼儿园楼房的爆破振动速度为2.46 cm/s，小于允许振动值2.5 cm/s。根据以往工程经验，拆除爆破由于单孔药量少，且装药均匀、分散，爆破振动实际测量值往往较计算值小很多，由此可以认为，本研究爆破振动安全。

4.2 塌落振动

对于塌落触地振动速度的计算，可采用建筑物爆破拆除时的塌落振动速度计算公式进行计算

(5)

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，水塔罐体和立柱等体积约为40 m3，按密度2.4 t/m3计算得出整体质量为96 t；g为重力加速度，9.8 m/s；H为构件的重心高度，取22 m；σ为地面介质的破坏强度，一般取10 MPa；R为水塔与冲击触地点与保护物的距离，取15 m；k′、β为塌落振动速度衰减系数和指数，k′=3.37～4.09，本研究k′=3.37；β=-1.80～-1.66，本研究β=-1.66。

本研究水塔重心塌落点距西南面派出所办公室15 m，计算塌落振动值为2.57 cm/s，倒塌区域铺设减振土层后能够减振约50%，且倒塌区域为土层山坡，因此减振后的振动值为1.29 cm/s，小于允许安全振动速度1.5～3.0 cm/s。故按减振设计要求进行爆破作业，能够保证塌落振动处于安全允许范围内。

4.3 爆破飞石

依据炸药单耗计算个别飞石距离的经验公式为

Rf=V2/2g，

(6)

式中，Rf为无覆盖条件下拆除爆破飞石的飞散距离，m；V为飞石速度，本研究取20 m/s。

经计算，Rf=20.4 m。因此靠近北面幼儿园等保护区方向，应加强飞石防护，根据以往经验，通过安全防护后，能够将飞石危害控制在安全范围内。

5 防护设计

5.1 个别飞散物防护措施

5.1.1 直接覆盖防护

直接覆盖于爆破体上进行的防护，是防止爆破碎块飞散的有效方法。柱体上装好药并完成堵塞后，引出和保护好导爆管，而后在所有待爆立柱上进行2层地毯+2层铁丝网+2层竹笆+3层密目网包覆防护(图4)。

图4 覆盖防护示意

5.1.2 近体防护

在爆破体近距离处设置防护，也称间接防护，距离一般为1～3 m，能够遮挡从覆盖防护物中飞出的爆破碎块[21]。近体防护一般采用挂有防护材料的围挡排架或密目网。本研究采用2道近体防护(图5)：第1道防护，围绕水塔四周悬挂4层密目网和2层彩条布，距离水塔1.5 m，上部通过毛竹支架搭接于爆破点上部圈梁和立柱上，下部通过尼龙绳捆绑于圈梁和立柱上；第2道防护，在幼儿园和水塔之间的树干中间布置与第1道近体防护强度一致的第2道防护，高度应超过幼儿园玻璃墙高。

图5 幼儿园方向防护示意

5.1.3 保护性防护

在水塔四周楼房玻璃门窗或重要设施布置保护性防护，可在需要保护的物体上进行架空式遮挡覆盖防护。以幼儿园玻璃墙为例，在玻璃墙上采用1层草袋+1层竹板+1层草袋+1层竹板进行防护，其他方位玻璃门窗可参照该防护方案进行处理(图5)。

5.2 爆破空气冲击波防护措施

采用个别飞散物防护措施后可大大降低爆破空气冲击波危害，尤其是增加了彩条布进行防护，可将冲击波危害控制在安全范围内。

5.3 水塔蓄水罐体滚动防护措施

在倒塌范围内开挖防滚动倒塌落坑和防滚动土墙。在倒塌方向距离水塔18 m处开挖防倒塌落坑，开挖尺寸(长×宽×深)不小于8 m×8 m×1.5 m。在落坑的三面铺设土墙，尺寸不小于顶宽2 m、底宽4 m、高2 m(图6)。

图6 水塔蓄水池滚动防护措施示意

5.4 水管保护垫层

沿水管走向铺设保护垫层，垫层尺寸为顶宽1 m、底宽2 m、高1.5 m，与防滚挡土墙重叠部分按挡土墙标准设计施工。

6 爆破效果

爆破后，水塔按设计倒塌方向倾斜并出现下坐现象，下坐高度约5 m；继续倾倒，立柱在第2、3节圈梁处(高度10～15 m)折断；继续倾倒下落，储水箱体落地翻滚，倒塌结束(图7)。爆破后水塔共分为4个部分：第1部分，第1节圈梁以下，为爆破破碎区和下坐区，解体良好；第2部分，第1～2节圈梁处，为定向倾倒区，由于该区上部构件在倾倒过程中折断导致该区质量小，落地后的圈梁和立柱基本未破坏而支撑在地面，仅在圈梁与立柱交接处有破损；第3部分，第2～3节圈梁处，为折断区，下坐后第1节圈梁着地起支撑作用，并且由于重心偏离而继续倒塌，由于倒塌过程中受剪切作用而折断；第4部分，水箱罐体部分，为落地翻滚区，由于罐体质量大，落地前冲与立柱脱离，且倒塌方向为下坡向，从而造成罐体翻滚。爆破倒塌方向准确，立柱落点距1#柱原位置约10 m，罐体原始落点距1#柱原位置约15 m，翻滚距离约6 m，水塔最终落点距1#柱原位置约21 m，落入设计坑口1/2处。爆破未造成周边房屋损坏，北面幼儿园楼房及玻璃未破损，爆破未出现任何安全事故。

图7 爆破效果

7 结 论

(1)框架结构水塔爆破中，前后排延期时间设计为200～300 ms较适宜，本研究爆破设计取270 ms，取得良好效果。

(2)后3个立柱作为一响起爆，可有效防止后坐。

(3)通过包覆防护、近体防护及保护性防护相结合可有效控制爆破飞石和爆破空气冲击波，能够将危害控制在4 m范围内。

(4)4立柱式框架结构水塔爆破后，会出现下坐现象，下坐高度为底部第1节圈梁以下高度，倒塌距离因水塔下坐而缩短，且在倒塌过程中会出现折断现象。

(5)为防止水塔蓄水罐体倒塌后翻滚，须在罐体落地区域开挖坑堤。

(6)为保证水塔倒塌彻底，应对第1、第2节圈梁进行弱化处理或进行钻孔弱爆破。