复杂环境下倒锥壳薄壁钢筋混凝土水塔的爆破拆除

万 佳 宋 超 茆恒阳

（安徽省地质矿产勘查局327地质队）

水塔、烟囱等高耸建（构）筑物爆破拆除时，只要场地条件允许，一般采用爆破工作量小、拆除效率高的定向倒塌方式。为了精确控制倒塌方向，减小爆破振动、爆破飞散物、爆炸冲击波等有害效应，通常会对构筑物进行预处理，如开设导向窗、定向窗、提前拆除内衬、砌筑封堵检修门等。现将爆破拆除的2座水塔（1#和2#水塔）环境复杂，倒塌方向有限，支撑区均有检修门，通过分析对比2座水塔的预处理情况、爆破参数和爆破效果，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

1#水塔建于20世纪90年代，为钢筋混凝土倒锥壳结构，混凝土标号高，钢筋密，全高为35 m，支筒部分高28 m，中环梁高32 m，水塔水箱部分直径为11 m。支筒底部直径为2.4 m，底部周长为7.54 m，壁厚为0.18 m。底部南偏西45°有2.2 m×0.6 m的检修门。

水塔东侧65 m处为平房，东南方向4 m处为围墙，150 m处为道路；在水塔和围墙间的上方，距离水塔筒体2.5 m有供电线路通过；水塔南侧35 m处为某居民小区；水塔西南方向7 m处为1座变压器；西北侧120 m处为民房，100 m左右有1座信号塔；北侧160 m处为S440省道；东北侧130 m处为民房。水塔周围环境如图1所示。

2#水塔建成于1995年，为钢筋混凝土倒锥壳结构，底部混凝土风化严重，钢筋较稀疏，全高31 m，支筒部分高22 m，中环梁高25 m，水塔水箱部分直径为11 m。支筒底部周长为7.64 m，壁厚为0.20 m。底部正东方向有2.2 m×0.6 m的检修门。

水塔东侧3 m处为彩钢瓦棚，15 m处为道路，道路边为输电线路；南侧10 m处为041乡道，32 m处为某中学；西南侧10 m处为1座变压器，连接西北东南方向的通电线缆；西侧10 m处为1座泵房，泵房西侧为水池；西北侧20 m处为住户，北侧30 m处为原水厂住户，东北侧13 m处为门卫室。水塔周围环境如图2所示。

2 爆破方案

2座水塔均采用定向爆破拆除，倒塌方向根据水塔结构特点及周边环境条件选择。2座水塔建设年代久远，结构设计图纸缺失，布筋情况和混凝土强度通过开凿定向窗获取；工程环境复杂，倒塌方向要求严格，检修门的存在对倒塌方向可能带来不利影响，水塔薄壁钢筋混凝土结构对炸药单耗和爆破飞散物的控制难度大。

1#水塔检修门位于南偏西45°位置，南侧35 m有居民小区；西南侧7 m有变压器；东北方向相对空旷，倒塌方向确定为东偏北40°（图1），开设定向窗和导向窗，爆破切口距离支筒底部0.2 m开始向上布设。

2#水塔检修门位于正东位置，东侧3 m处有水厂彩钢棚、15 m处为道路及电线；南侧32 m为某中学，北侧30 m为民房。为将爆破对周围环境影响降至最低，在爆破前将西侧泵房、变压器和电线拆除，采用总体向正西方向倒塌（图2）的方案，定向窗及爆破切口距离支筒底部基座0.2 m开始向上布设。

2.1 爆破切口

爆破切口是影响爆破效果的关键因素。根据类似工程经验，采用类正梯形爆破切口，爆破切口开设对称，从而准确控制倒塌方向。

参考类似工程经验，要使水塔失稳倾倒，爆破切口高度［1］应为

式中，h为切口高度，m；δ为水塔壁厚，m。

实际施工中，1#水塔底部混凝土标号高，钢筋密，切口高度为1.2 m；2#水塔底部混凝土风化严重，钢筋稀疏，切口高度为1.0 m。

切口长度L通常应满足下式［2］：

式中，D为水塔底部直径，2.4 m。

计算得：3.77 m＜L＜5.02 m。取值：1#水塔L1=4.8 m，2#水塔L2＝4.8 m。2座水塔爆破缺口对应圆周角均为229.3°。

为了确保1#水塔能够按设计方向倒塌，在切口两侧预先开设定向窗，在倒塌中心线上开设导向窗。定向窗开设长度为0.5 m、背高为0.2 m，中间部位导向窗开设长度为0.4 m，高1.20 m。切口形状及炮孔布置如图3所示。

2#水塔炮孔布置和定向窗的开设与1#水塔基本一致。定向窗开设长度为0.50 m、背高为0.20 m，但是在钻孔时发现混凝土标号不高且风化严重，强度较低，所以炸高确定为1.0 m，中间部位未开设导向窗。切口形状及炮孔布置如图4所示。

1#水塔爆破前，采用红砖将检修门砌牢，红砖与检修门上侧接触部分采用木锲锲紧、锲密。2#水塔检修门未做任何处理。

2.2 爆破参数

1#水塔壁厚0.18 m，最小抵抗线W1＝0.09 m；2#水塔壁厚0.2 m，W2＝0.1 m。钻孔直径为38 mm，孔距a＝0.20 m，排距b＝0.20 m，孔深L1＝0.12 m，L2＝0.14 m，炸药单耗q＝2.0 kg/m3，则单孔装药量Q＝37.5 g，实际取40 g。爆破主要参数［3］如表1所示。1#水塔实际钻孔106个，总装药量为4.24 kg；2#水塔实际钻孔108个，总装药量为4.32 kg。

2.3 起爆网路

为确保起爆网路的可靠性及减少最大单段装药量，减小爆破振动，采用孔内延时的非电毫秒导爆管雷管起爆网路，采用“簇联”法联接，由倒塌中心线向外侧依次采用ms3段、ms5段雷管，孔外采用ms3段雷管绑扎，四通联接成复式网路。

3 爆破安全与防护

3.1 振动控制

3.1.1 爆破振动校核

爆破振动速度可根据萨道夫斯基公式进行计算，对于拆除爆破，按照拆除爆破振动计算公式［4］：

式中，R为与保护目标的距离，1#水塔为南侧居民小区35 m，2#水塔为南侧中学32 m；v为爆破安全允许质点振速，cm/s；k、a为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，取k=150、a=1.5；k'为与爆破方式有关的装药分散经验系数，取0.3。

计算得1#水塔振速v1＝0.31 cm/s，2#水塔振速v2＝0.42 cm/s。实测数据分别为v'1＝0.28 cm/s，v'2＝0.38 cm/s，与计算数据基本吻合，均符合《爆破安全规程》（GB 6722—2014）的要求。振动速度控制在安全允许范围内，没有对周围保护对象造成损害。

3.1.2 塌落振动校核

水塔塌落会对地面产生强烈的冲击而形成塌落振动，其强度比爆破振动大且频率低，需重点校核与防护。塌落振动速度根据下式［5］计算：

式中，vt为塌落引起的地面振动速度，cm/s；R'为保护物与冲击地面中心的距离，1#水塔主要塌落位置距离最近保护物为南侧居民小区，R'=35 m，2#水塔主要塌落位置距离最近保护物为南侧32 m中学及北侧30 m民房；M为构件质量，估算1#水塔150 t，2#水塔130 t；H为构筑物重心到地面的距离，估算1#水塔为20 m，2#水塔为18 m。σ、g、Kt、β分别为地面介质的破坏强度、重力加速度、衰减系数、衰减指数，可按经验取σ=10 MPa、g＝10 m/s2、Kt＝4.09、β＝-1.66。

经计算，1#水塔塌落振动速度为0.94 cm/s，实测数据为0.88 cm/s；2#水塔计算值为1.06 cm/s，实测数据为0.87 cm/s。1#水塔及2#水塔的实际塌落振动均小于《爆破安全规程》（GB 6722—2014）的安全允许振动速度，未对居民小区、中学及民房等保护对象造成危害［6］。

为减小塌落振动可能产生的危害，施工时采取了降振措施：1#水塔在水箱落地点两侧及前方开挖深度在2.5～3 m的减震沟，在设计水箱触地位置上铺设软土和竹笆，从而降低水箱触地塌落振动。2#水塔水箱落地点为有盖板水池，水池可以很好地起到缓冲作用，同时在水池盖板上方铺设0.3 m厚黄土，黄土上再铺设草垫和双层竹笆，并提前抽干水池内积水。

3.2 飞散物的控制

水塔定向爆破拆除可能产生的飞散物主要有2个方面：一是爆破时的飞散物；二是水塔触地冲击产生的飞散物。

由于水塔是钢筋混凝土薄壁结构，爆破时极容易产生飞散物。拆除控制爆破无防护条件下个别飞石的最大飞散距离，按经验公式［7］计算：

式中，α为飞石抛射角，取45°；g为重力加速度，取10 m/s2；f1为介质系数，混凝土一般为9.23～9.60，取9.5；f2为防护系数，1层防护时取2，2层防护时取1，3层防护时取0.5，实际采用2层钢丝网和3层竹笆防护，防护层为5层，取0.1；V0为个别飞石初速度，一般为15～30 m/s，取20 m/s。

则计算可得Smax=19.4 m。

爆破时采用多重防护，即用双层密目铁丝网包围爆破切口，外侧用一层竹笆覆盖并用铁丝与筒体联为一体；在距离墙体外1.5 m处搭设双层竹笆防护排架。实测2座水塔爆破产生的飞散物最远距离约12 m，防护效果很好，确保了爆破飞散物不产生危害。

爆破前对1#水塔水箱中环梁预估落地点进行处理，先铺设厚0.3 m的软土，再铺设长15 m、宽10 m的双层竹笆，用扎丝联接竹笆使之成为整体，并在其上面铺1层彩条布。

2#水箱中环梁落点下方为水池，爆破前对场地进行处理，在水塔预估落地点水池盖板上铺设厚0.3 m软土，再铺设长15 m、宽10 m的双层竹笆和草垫，并用扎丝联接竹笆使之成为整体，在其上面铺1层彩条布，爆破前抽干水池内积水。

2座水塔爆破倒塌后，因采取了有效的防护措施，在水箱触地时，未引起二次飞溅。

4 爆破效果

2座水塔基本按照设计方向倒塌，爆破振动、塌落振动和爆破分散物均控制在安全允许范围内，没有对周边环境和保护对象造成危害。1#水塔倒塌方向比预定方向向北偏转约3°，筒体产生撕裂，水箱翻转碎裂。检修门码砌的红砖在爆破后，由于爆破冲击波及水塔倒塌对底部的拉伸作用，有个别砖块飞散至后方7 m处的变压器下面。

2#水塔完全按照设计方向倒塌，水箱翻转碎裂。为防止爆炸冲击波引起后方飞石的危害，在施工时没有进行砌筑封堵，但是对检修门进行了多层防护，达到了预期效果。爆破后，距离仅3 m的彩钢瓦完好无损。水塔倒塌效果见图5。

5 结语

（1）水塔检修门位于支撑区时，如果在支撑部分正中间，对倒塌方向没有影响；检修门不在支撑区，因缺口两侧压力区不对称，会使筒体产生较小角度偏转，在爆破钢筋混凝土水塔时应引起重视。

（2）检修门位于支撑区时，可以不做封堵，支撑区强度能够满足倒塌要求，不会产生后坐。封堵强度低于水塔筒体时，在爆炸冲击波的作用下，反而会在支撑后部方向产生飞石危害，造成次生危害，对于检修门附近有保护物的应综合考虑是否封堵。

（3）切口形状、定向窗、导向窗、爆破参数应根据水塔混凝土风化程度和配筋情况合理选取。在开设定向窗的情况下，缺口对应圆周角可以控制在230°左右，尤其对于混凝土风化严重筒体，应尽量不超过230°，以预防后坐。

（4）水箱触地点有减震沟和现有水池时，可以起到很好的缓冲作用，对减小塌落振动是有利的。