摘 要:结合某薄壁钢筋混凝土烟囱和水塔的定向爆破拆除,提出了确保定向爆破安全、成功的几条重要技术措施:①爆破切口圆心角可减小到208°;②在后支撑中心点加钢斜腿支撑,既增大了抵抗烟囱的下坐支撑力,又克服了烟囱的后坐力;③采用“<”形锐角定向窗切口,使定向窗端部受力更均匀;④首次试用快干水泥堵塞炮孔,有效防止了浅眼爆破的冲炮;⑤采用砂包墙埂作飞石防护屏障,既彻底阻挡了飞石,又屏蔽了爆破声响。最终爆破效果相当完美。
关键词:定向爆破;拆除;烟囱;水塔;定向窗
1 引 言
我国利用定向爆破技术拆除了大量的钢筋混凝土烟囱和水塔,大多数工程都取得了成功,但并非说明钢筋混凝土烟囱和水塔定向爆破技术已十分完善,实际工程中仍然存在定向性偏差、塌落振动较大、爆破飞石和触地飞溅较远等问题。2005年3月在铁道科学研究院家属区进行了一次定向爆破拆除钢筋混凝土烟囱和水塔,通过某些技术改进成功地实现了准确定向、无爆破飞石、无触地飞溅和轻微的塌落振动。本文结合测试分析谈谈此钢筋混凝土烟囱和水塔定向爆破成功的一点体会。
2 工程特点
铁科院家属区内有一座烟囱和水塔并用的构筑物,建于1980年,属于钢筋混凝土薄壁筒体结构,底部筒壁厚160~180mm,混凝土标号为c30,竖向配筋为16@180,一周共64根,横向配筋为8@150。内衬耐火砖层厚240mm,与筒壁间隙90mm,烟囱高40m,在32~37m高度搭挂一倒锥形水塔。见图1。烟囱底部直径4m、顶口直径2m,顶部水塔最大直径10m。底部正东侧有一宽2•2m、高1•6m的烟道口,倒塌方向为正西。倒塌场地环境条件较好,环境平面图如图2所示。
图1 烟囱水塔结构形状图
图2 爆破环境平面图
该烟囱定向爆破的技术难点主要有以下几方面:①烟囱为薄壁结构,且后部有较大的烟道口,当后部烟道口封堵强度和支撑力不够,爆破时烟囱切口部位可能会首先发生下坐,从而引起倾倒方向失控;②薄壁筒体爆破时,因堵塞长度短,常规药量下容易发生冲炮,装药量偏大又引发大量的飞石,且爆破声响过大;③虽然烟囱倾倒正前方场地空旷,但北侧靠居民楼较近,触地飞溅和塌落振动的控制极为重要。
3 爆破设计要点
根据现场环境条件,烟囱倾倒方向拟选择正西方向,为方便爆破切口部位钻孔施工,烟囱爆破缺口高度选择在0•3~1•5m处。根据力学分析,实现钢筋混凝土烟囱和水塔顺利倒塌的切口尺寸应满足以下原则:
(1)要保证烟囱不发生爆破瞬时后坐,确保按预定方向顺利倾倒,在爆破形成切口瞬间,烟囱自重p作用力在余留截面上的压应力应小于钢筋混凝土的抗压强度[σ压],取[σ压] =25mpa。
(2)在烟囱爆破切口闭合过程中,烟囱自重产生的倾覆力矩在余留截面上所产生的拉应力σ拉必须大于钢筋混凝土的抗拉强度[σ拉]。
(3)在烟囱发生倾倒后,达到切口闭合时烟囱的重心偏移应大于烟囱底部的外半径。据此,爆破切口圆心角、定向窗和后支撑处理按如下思路设计:设爆破切口弧长对应圆心角为β,爆破切口形成后,切口内纵筋失稳而退出工作,余留支撑截面上承载着全部重力和重力偏心矩。考虑到该钢筋混凝土烟囱和水塔为薄壁筒体结构,底部壁厚仅18cm,并且在后部支承截面还开设了2•2m宽的烟道口,虽然后部烟道口砌砖墙封闭了,但其强度比不上钢筋混凝土墙壁,为确保烟囱和水塔定向倾倒,采取了三条措施满足上述力学分析原则:①将爆破切口圆心角减小为208°,增加余留截面的支撑力,防止烟囱和水塔自重压力过大,发生快速下坐;②在后支撑中心点加一钢管斜支腿,既增大了抵抗烟囱水塔下坐的支撑力,又克服了烟囱水塔的后坐力,加强了定向倾倒的可靠性;③采用“<”形锐角定向窗切口。通常高耸构筑物定向爆破的定向窗形状为矩形、正梯形或倒梯形等。根据受力分析和模拟计算〔1〕,认为梯形角定向窗的尖端受力条件不如“<”形锐角受力均匀,而且小锐角比大锐角好,为了施工方便开设的定向窗夹角最小为α=20°,如图3所示。实践证明,这些措施对薄壁结构的钢筋混凝土烟囱和水塔定向爆破拆除发挥了重要作用,烟囱和水塔倒塌定向非常准确。
4 定向窗和爆破参数的合理取值
4•1 爆破缺口高度h的确定
爆破缺口高度h是保证定向倒塌的一个重要参数。缺口高度过小,烟囱在倾倒过程中会出现偏
转,达不到正确的倒塌方向;爆破缺口过大,会增加钻孔和防护工作量,也会加速烟囱下坐。根据计算爆破缺口高度h取1•2~1•3m就能保证烟囱和水塔完全倾倒。
4•2 定向窗的布置及尺寸
为了确保烟囱按设计的倒塌方向倒塌,在爆破
图3 烟囱爆破的定向窗和后支撑处理
缺口两端用风镐和人工方法开凿两个定向窗,其作用是将保留部分与爆破缺口部分隔开,保证烟囱爆破按预定的方向倒塌。定向窗为三角形,顶角角度20°、顶角长1•0m、高0•35m,见图4。
图4 切口及定向窗示意图
4•3 炮孔参数
炮孔布置在爆破缺口范围内,相邻排间炮孔采用梅花形布置。炮孔深度取0•7倍烟囱混凝土壁厚,则炮孔深l为12cm。由于烟囱壁厚仅为18cm,这种薄壁结构爆破参数不能按常规考虑,参照类似成功实例〔2〕,取孔距a=20cm,和排距b =20cm,炸药单耗q应大于3kg/m3。则单孔装药量q = q•a•b•δ=21g,实际单孔装药量为上部25g、下部35g。
5 炮孔堵塞与飞石防护
由于爆破部位筒壁很薄,炮孔深度仅12cm,装药部位至少留有雷管长度6cm,这样实际堵塞长度只有6cm,若用一般炮泥堵塞很难密实,极易发生冲炮。一旦冲炮出现,不仅影响爆破效果,而且还产生强烈冲击波,在居民密集区造成不良后果。鉴于堵塞质量的重要性,我们首次尝试用快干水泥堵塞炮孔。快干水泥的凝固时间可以根据需要通过改变配方来调整,通常在20min至2h内完全凝固。由于本次爆破炮孔较少,装药时间短,我们选用了20min就能凝固的快干水泥,2h后基本达到85%以上的强度,炮孔堵塞质量得到了全面可靠的保证。爆破拆除钢筋混凝土结构对个别飞石的防护,除了精心设计之外,必须精心施工,但由于施工误差,常会有个别炮孔存在抵抗线差异,而导致药量过大,产生飞石。特别是对于薄壁钢筋混凝土结构的爆破,由于选取的炸药单耗量很大,大量飞石是不可避免的,所以必须对爆破飞石进行严密防护。本次爆破对飞石控制采取了最严密的防护措施,在距烟囱爆破缺口外围0•5m处堆码一道砂包墙埂作防护屏障,砂包墙埂高2m、宽0•5~1m。关于烟囱水塔触地飞溅的防护措施,仍然采用常规的砂包缓冲埂〔3〕,以及水箱头部触地点开挖松散填土坑等方法。这些措施既能防止触地飞溅,又能降低触地振动。
6 爆破效果分析
根据爆破倒塌过程的录像资料和测振数据分析,本次爆破取得了非常满意的效果,具体有以下几方面:
(1)倾倒方向非常准确。烟囱和水箱完全按设计倾倒方向准确地落入预设置的松土坑内,没有方向性偏差。
(2)爆破振动和触地振动轻微。从30m远处的测振结果来看,垂直质点振动速度峰值为0•2~
0•5cm/s;在起爆后3s,有烟囱和水塔发生下坐破坏时产生的振动,其垂直质点速度峰值为0•22cm/s,持续时间长达1•5s。若没有后部钢管斜支撑,可能下坐破坏还要提前,这对准确控制定向倾倒是不利的。最大触地振动垂直质点速度为0•5cm/s(图5),比类似工程的同比数据要小得多。
(3)飞石防护效果好、爆破声响小。根据爆破后
图5 烟囱和水塔爆破拆除时检测地震波形图
现场调查和倒塌过程的录像资料,发现爆破体周围向前最远的飞石距离仅7m,烟囱和水箱触地没产生任何飞溅。爆破烟尘和触地烟尘较少,当水车洒水1min后,就可看清烟囱主体了。距离爆破点60m远处墙壁前进行了噪音测试,最大声响为85db。爆破声响较小与炮孔堵塞质量
好及砂包墙埂的屏蔽有关。
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