水压爆破法在薄壁圆筒结构拆除中的应用

2020-03-23欧阳作林李浩然左金库杨起帆

工程爆破 2020年1期

欧阳作林，李浩然，左金库，杨起帆

(1.石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，石家庄 050043；2.河北省大型结构健康诊断与控制实验室，石家庄 050043；3.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043)

随着我国经济建设的高速发展以及城市改、扩建工程的大规模实施，市区内废弃烟囱、水塔等高耸建筑物的拆除越显增多。此类建筑物呈现薄壁特征，人工拆除难度大，具有较高的危险性。拆除爆破在拆除速度、人工消耗、安全性上有很大的优势，但对炸药能量控制、爆破飞石与振动控制等方面提出了较高的要求。因此，深入研究薄壁圆筒结构拆除设计方案，开展相应的风险分析，提出有效的防治措施，是非常有必要的。

20世纪40年代末期，水压爆破技术在挪威、瑞典等国家开始应用于拆除城市构筑物[1]。之后几年，水压爆破技术作为城镇构筑物拆除的优选方案推广至全世界，众多学者对此技术开展了广泛研究。关志中等[2]用水压爆破技术定向拆除钢筋混凝土跳伞塔，研究了水压爆破的控制原理，扩大了水压爆破技术的应用范围。张云鹏[3]将水压爆破应用于炮孔之中，分析了炮孔水压爆破的基本原理及应用情况。梁锐等[4]采用水压爆破与钻孔爆破相结合的技术，成功拆除钢筋混凝土空心管柱支撑。谢俊杰等[5]介绍了不同结构的构筑物拆除时，装药量计算宜选用的经验公式。黄炳香等[6]将水压爆破法应用于天然气开采上，改善了开采时爆破落煤的情况，防止了岩爆和瓦斯泄漏。许冠光[7]以某军用碉堡为例，比证钻孔爆破法和水压爆破法，表明水压爆破法在工期、费用及安全性上均有优势。李翠林等[8]以某特殊结构楼房为例，对比钻孔爆破、人工(机械)拆除、静态破碎和水压爆破的优缺点，用水压爆破法进行施工设计并对工程进行风险控制。周佳等[9]利用水压爆破与聚能爆破结合，解决了隧道在施工过程中超、欠挖的难题。水压爆破技术不仅能减少炸药消耗量，而且可以有效降低爆破危害，如：冲击波、飞石、噪声、地震波，对爆破安全防护与爆破器材的节约具有重要意义。

城市内拆除水塔、烟囱等薄壁圆筒形构筑物，以往采取的方法多为钻孔爆破，工作量大，易产生飞石，并伴随产生大量粉尘。本文介绍了以某民宿家属楼内水塔拆除为例，采用水压爆破定向倒塌技术对其拆除的过程，所得结论可为水压爆破拆除高耸薄壁构筑物方案设计与风险控制提供参考。

1 爆破方案选择及设计

1.1 爆破方案

人工机械拆除、钻孔爆破和水压爆破的拆除方案对比如表1所示。

表1 拆除方案对比

通过比较可以看出，水压爆破拆除法规避了钻凿炮孔的大量施工程序，工程成本低，爆破网路简单，只要爆破设计方案合理，爆破时可有效减少飞石、振动、冲击波、噪声和粉尘等危害效应，是一种经济安全、简便高效的拆除爆破方法，故在薄壁圆筒结构拆除中优先采用。

1.2 装药量计算公式

装药量的确定对爆破效果有着决定性作用，药量计算公式的选择是水压爆破成功与否的关键一步，选择符合待拆除构筑物特点的计算公式尤为重要[10]。

1)考虑注水体积和材料强度的经验公式。在水塔注水体积和结构材料强度一定时，多个药包装药量计算公式为[11]

(1)

式中：Q为总装药量，kg；K为装药系数，敞口式爆破K=0.78，封口式爆破K=0.6；δ为构筑物壁厚，m；V为注水体积，m3；σ为结构材质的抗拉强度，MPa(见表2)；n为药包数量。

表2 混凝土抗压强度与抗拉强度的关系

2)冲量准则公式。把水压爆破产生的水中冲击波对构筑物壁的破坏视为冲量作用的结果。基于冲量作用产生的位移与构筑物在等效静载作用下产生相同位移的原理，以材料的极限抗拉强度作为破坏强度的依据，建立爆破时装药量的计算公式。当构筑物为圆筒形结构时，装药量的计算公式为[11]

Q=K0K(K1δ)1.6R1.4

(2)

式中：Q为单药包装药量，kg；K0为构筑物开口、闭口的系数，闭口构筑物K0=1，开口构筑物K0=1.33～1.66；K为构筑物的装药系数，可根据爆破后所需要求的破碎情况，选取K=3～10；K1为结构物的坚固性系数，可由下式[11]确定：

(3)

3)考虑结构材质和截面面积的经验公式。若已知构筑物结构材质和截面面积时，爆破装药量的计算公式为[10]

Q=KcKeS

(4)

式中：Q为单药包装药量，kg；Kc为结构系数，当构筑物建筑材料为钢筋混凝土时Kc=0.3～0.35；Ke为炸药换算系数；S为药包所在截面面积，m2。

1.3 药包布设原则

水压爆破的药包数量主要取决于结构的几何形状与爆破效果要求，对于截面为圆形且高耸的圆柱体构筑物，应将总药量分成几个药包，沿中轴线竖直方向分开布置。对于钢筋混凝土承重管柱，炸高的计算公式为[11]

H=K(B+Hmin)

(5)

式中：H为炸高，m；K为经验系数，一般取1.5～2.0；B为管柱外径，m；Hmin为管柱失稳的最小破坏高度，m，可由下式[11]确定：

(6)

式中：E为钢筋的弹性模量，N/mm2；J为钢筋的惯性矩，m4；pm为立柱受压的临界荷载，N。

管柱形成转动支座的炸高，可按下式[11]计算：

H′=1.5B

(7)

可由式(8)检验药包允许放置在水中的最小深度是否符合要求[11]。

hmin≥(0.35～0.5)B

(8)

式中：hmin为药包放置在水中的最小深度，m。

实践证明，药包放置在水中的深度到达一定值后，若继续增大药包放置深度，对爆破结果的影响也不大[12]。为了避免药包爆炸时发生水柱上冲和高压气体的逸出，影响爆破效果，入水深度不能太小，最低不能小于0.4 m。

上、下层药包间距可按下式[11]计算：

B=(1.0～1.8)R

(9)

式中：R为药包中心距拆除物内壁的最短长度，m。

2 工程案例

2.1 工程概况

某废弃水塔高约20 m，外径4 m，结构无破损，位于闹市内居民区内，在其东北、西南、西北方向17、23、28 m处都有居民楼，东侧与南侧6 m为马路，水塔周边环境如图1所示。

图1 水塔周边环境Fig.1 Surrounding environment of water tower

水塔支撑方式为钢筋混凝土管柱六柱支撑，混凝土强度为C30，纵向钢筋Φ20@200，箍筋Φ10，断面为圆环形，外径φ0.6 m，内径φ0.4 m，水塔承重柱如图2所示。

注：1～6为管柱编号图2 水塔承重柱结构Fig.2 Structure of water tower bearing columns

2.2 装药量计算

设计水塔向西定向倒塌，管柱1、2失稳是拆除水塔的关键。根据式(5)计算此次爆破炸高H=K(B+Hmin)=1.5×(0.6+0.362)=1.44 m；管柱5、6要形成转动支座，由式(7)计算其炸高H′=1.5B=1.5×0.6=0.9 m。药包最小入水深度，由式(8)计算，得hmin≥(0.35～0.5)B=0.5×0.6=0.3 m，取最小入水深度为0.4 m。药包间距，由式(9)计算，得B=(1.0～1.8)×0.2=0.36 m，取药包间距35 cm。

破坏高度及爆破高度为倒向侧炸高与铰链测炸高。为确保水塔向西定向倒塌，根据炸高、药包间距，参照经验稍增加西侧承重柱的注水深度及装药量，管柱1、2注水深度取2.55 m，设置6个药包；管柱3、4注水深度取1.85 m，设置4个药包；管柱5、6注水深度取1.15 m，设置2个药包。

分别采用不同的经验公式计算管柱装药量。根据式(1)，得出管柱1～6的装药量Q1～Q6,其中Q1=Q2=163 g,Q3=Q4=108 g,Q5=Q6=61 g；根据式(2)，得出所有管柱内单个药包装药量Q′=27 g；根据式(4)，得出所有管柱内单个药包装药量Q″=47 g。

根据Q1～Q6可得到管柱1～4单药包装药量为27 g，管柱5～6单药包装药量为30.5 g。与Q′、Q″对比可知，考虑注水体积和材料强度的经验公式与冲量准则公式所计算的单个药包量相近，而考虑结构材质和截面面积的经验公式计算出的药量偏大，故以式(1)、式(2)所得药量作为基准。同时，考虑到水塔与周边最近建筑物距离为17 m，做防护可有效减少爆破风险，预防炸而不倒的情况，每个药包取30 g，使用2号岩石乳化炸药，取45 g。

2.3 药包布置

药包在管柱中轴线上分散布置[13]，药包间隔及入水深度如图3所示。各药包用导爆管连接，并将导爆管引出管柱外，再用毫秒延时电雷管连接。管柱1、2接MS1段延时电雷管，管柱3、4接MS3段延时电雷管，管柱5、6接MS5段延时电雷管。药包由导爆管引爆，整个网路由电雷管起爆，采用簇联方式。

图3 各管柱药包布置Fig.3 Charges of each bearing column

3 爆破风险评价与控制

3.1 爆破施工准备工作

施工准备工作主要有施工调查、防水堵漏等，这些工作都直接关系到爆破的安全和效果。

1)施工调查。收集、掌握水塔的结构，包括材质、各部位的尺寸及布筋情况；确定水塔是否具备水压爆破的施工条件，包括水源情况，泄水条件，以及水塔的储、漏水情况；确定水压爆破是否为最佳方案。

2)防水堵漏。对水塔进行防水堵漏，做到密封不漏水的效果。

3.2 爆破实施阶段风险控制

水压爆破法不需要对构筑物进行钻孔，且装药、网路连接、防护也简单，但是此次水塔拆除施工安全仍有需要注意的事项。

1)药包制作。使用的炸药种类和爆破器材必须是防水的，如果雷管脚线长度不够引出水面以上，那么要把脚线接头密封在塑料袋内。

2)网路连接。水压爆破的药包少，因此网路连接简单。但要注意由于水压爆破现场地面都会有水，网路的接头不能进水，线路接头都要用防水胶布包好，并把接头用木块垫起存在水面以上。

3)注水设计。在进行堵漏后就可以连续注水直到达到设计水位，定位安放药包。

3.3 爆破有害效应分析

爆破飞石和爆破振动是炸药爆炸产生的主要危害效应，经常威胁着人们的生命和财产安全[14]。

1)爆破飞石。水压爆破只要药量控制得当，一般很少有飞石，但工程爆破中出现飞石是难以避免的，因此要把飞石控制在安全范围以内。爆破飞石距离的远近直接影响附近人员、建筑物、交通、电力设施的安全。在爆破施工中需依照规定要求进行操作，不能擅自改变设计方案，对于施工中发现的设计问题或者与实际情况不符合的地方，应向设计人员提出，再修正设计方案。为防止个别飞石对周围居民楼造成影响，决定采取以下措施：①药包加工时药量精确，放置位置准确；②地面清理干净，不留任何杂物；③倒塌范围内铺垫多量砂土和2层铁丝网，用来减小水塔倒塌时产生飞溅物的反弹速度。

2)爆破振动。爆破振动效应对临近构筑物的安全影响，是工程爆破的敏感问题，产生的地面振动应保证周边建筑物的安全。拆除爆破一般会有爆破产生的振动和构筑物塌落的触地振动。

炸药爆炸时，地面振动速度的计算公式为[11]

(10)

式中：v为待保护居民楼所在地的振动速度，cm/s；Q为爆破时炸药当量，kg；R为水塔到待保护构筑物之间的长度，m；K1为衰减系数，对于水压爆破K1=0.5～0.7；K=91.5；α=1.48。

此次水塔拆除取K1=0.7。距离水塔最近的居民楼为17 m，计算得其振动速度为0.415 cm/s，符合《爆破安全规程》[15]中一般民用建筑物2～3 cm/s的要求，由此可知炸药爆炸产生的振动不会对周边居民楼产生危害。

水塔质量较大，拆除触地时也会产生较强振动，这个振动也不可忽视，振动速度可由下式检验[16]

(11)

式中：v为待保护居民楼所在地的触地振动速度，cm/s；M为水塔质量，取1.3×105kg；g为重力加速度，取9.8 m/s2；H为水塔重心高度，取9 m；R为倒塌处到待保护居民楼的距离，取17 m。

计算得，距离最近居民楼的触地振动速度为2.09 cm/s，为降低触地振动，在倒塌范围内铺垫多层砂土，减弱振动波对居民楼的影响。