摘 要: 待拆除水塔位于江西省新余市闹市区内。该水塔全高约55 m,倒锥形水池容积300 m3。根据水塔周边环境,在对水塔进行受力分析的基础上,采用在水塔倾倒中心线处开定向窗、爆破切口长度内两端开凿定位导向口等控制爆破技术,成功地对待拆除水塔实施了定向爆破拆除,为同类工程施工提供了宝贵的经验。
关键词: 倒锥壳水塔; 控制爆破拆除; 定向窗; 定位导向口
1 工程概况
1.1 爆破工点的周围环境
待拆除水塔为江西省新余市粮油饲料公司1986年9月建设的一座第三代水塔———倒锥壳水塔。水塔位于新余市闹市区内,周围环境十分复杂。根据实测:水塔南侧为一条东西走向的大街,大街两侧为沿街楼房(楼房底层均为店面),水塔离楼房最近点为12 m;水塔西侧10 m,北侧25 m,东侧60 m均有楼房(见图1:水塔周围环境示意图)。根据调查,水塔东侧(水塔设计倒塌方向)地面、地下、空中60 m内均无需保护的设施。
1.2 水塔结构概况
由于新余市粮油饲料公司机构多次变动,建造该水塔的有关设计、施工资料均未找到,水塔的结构概况主要靠实测获得。
1.2.1 结构尺寸
水塔全高约为55 m。水塔塔身为钢筋混凝土圆筒;塔身高45 m,外径2.4 m,内径2.0 m,壁厚
0.2 m。塔身与倒锥形水池底座交接部位高约2.0m。倒锥形水池垂直高度6.0 m;水池底圆内径为图1 水塔周围环境示意图(单位:m)3.1 m,顶圆外径为13.1 m,顶圆内径为12.8 m,壁厚0.15 m;水池顶盖呈圆弧状,顶盖最大直径13. 1m,厚0.1 m,顶盖垂直高度约2 m。水塔塔身下部南侧有一个0.6 m×2.0 m的门。倒锥形水池内有一个内盖和可供人员上下池顶的钢筋混凝土圆筒。内盖外径为3.1 m,厚0.1 m;圆筒外径为1.1 m,内径为0.8 m(见图2)。
图2 水塔结构示意图(单位:m)
图3 爆破切口形状图(单位:m)
1.2.2 配筋与自重
预开定向窗揭露出的塔身下部配筋情况为:塔身壁厚0.2 m,中央布一层钢筋。轴筋(竖直方向的钢筋)为25 mm的螺纹钢,间距为0.08 m;箍筋(水平方向的钢筋)为8~12 mm(8与12这2种钢筋间隔使用)的圆钢,间距0.2 m。根据实测数据,并参阅有关资料,钢筋混凝土平
均按每立方米重2.6 t计算待拆水塔的自重,计算结果如下:地平面以上塔身自重125.79 t,倒锥形水池(包括池内的构造及池盖)自重82.48 t,地平面以上水塔总重量p为208.27 t。
1.2.3 水塔的垂直度
根据反复实测:水塔塔身的垂直度较好,但上部倒锥形水池的池顶的中心向北偏移,以a-a线为基准线,把水池池顶的中心投到塔身上,水池池顶的中心向北偏移了13 cm。
2 方案选择及倒塌中心线的确定
根据水塔高度和周围环境,采用朝东方向定向倒塌方案。按既不产生后坐,也不允许产生前冲,倒锥形水池的落点定在东西走向的两排楼房中央,并以此作为水塔定向倒塌的理论中心线(简称a-a线),进行有关设计计算。根据作图和计算,水塔实际倒塌的中心线与a-a线的左右偏差不允许超过10°,否则,将砸在南侧或北侧的楼房上。周围的环境对这次爆破的定向准确度要求较高。若把水塔的理论设计定向倒塌中心线定在两建筑物的中央(即a-a线上),位于水塔塔身底部南侧的门有一小半(约为门宽的25)落在爆破切口内。这种情况下,门对倒塌方向将产生很大影响,实际倒塌中心线将向南偏移,门的影响可使倒塌中心线最大向南偏9.3°。为此,理论设计倒塌中心线应向北偏移。由于锥形水池池顶的中心向北偏移13 cm,这一因素将使水塔的倒向向北偏,最大偏向可达5°。若只考虑池顶中心向北偏这一因素,则理论设计倒塌中心线应向南移。综合考虑门和水池中心向北偏移这2个因素,理论设计倒塌的中心线在a-a线北侧,与a-a线的夹角为5°,预计实际倒塌中心线会在a-a线上或南侧,与理论设计倒塌中心线的夹角在5°~8°之间,与a-a线的夹角在0°~3°之间(见图1)。考虑到水塔塔身壁厚仅0.2 m,为了确保水塔在爆破倾倒前的稳定性,就不再作切断余留截面中心部位的钢筋等预处理措施。
3 爆破切口设计
3.1 切口形状
爆破切口形状近似为等腰梯形“ ”。爆破切口两端的定位导向口顶角为45°(见图3)。
3.2 切口长度的确定
水塔为1986年度建的钢筋混凝土建筑,强度高、完整性好,切口长度原则上为塔身外周长的23。考虑到门的影响等因素[1],爆破切口所对应的圆周角α=230°,约为外周长的0.64,爆破切口长度l=πd360°×230°= 4.82 m。
3.3 余留截面受力计算
水塔塔身混凝土抗压强度бe=20 mpa。爆破后,余留截面面积为0.384 m2,若按爆破切口形成
瞬间,水塔总重量均匀加压在余留截面上,余留截面上受压pe=208 2703 840×0.1 = 5.4 mpa<20 mpa,故可确保余留截面不被瞬间压碎。混凝土为脆性材料,其抗拉强度远低于抗压强
度,一般约为抗压强度的112~116。当切口形成后,根据理论分析和工程实践,余留截面将在重力分力作用下(倒塌方向余留截面受压,背面受拉)遭到破坏,一部分被压碎,一部分被拉断,水塔按指定方向倒塌。
3.4 爆破切口高度的计算
所用钢筋的类别按常规考虑,25螺纹钢筋按16锰钢,弹模e=2.2×105mpa,容许应力[бp]=
2.1×102mpa,抗拉强度[бb]=5.2×102mpa。
3.4.1 按底端固定,顶端自由的欧拉压杆公式求爆破切口高度h1
hmin=π2ejnp=2.2×105×1.917 48×83208 270=64 cm式中,e为25螺纹钢筋的弹模;j为25螺纹钢筋的截面积惯性矩,j =164πd4= 1.917 48 mm4;n
为水塔轴筋数量,n=83;p为水塔总重量,p=208 270 kg;h1= k(b+hmin)=1.8(0.2+0.64)=
1.52 m;式中,k为经验系数;k=1.5~2.0,取1.8;b为爆破切口处壁厚,b=0.2 m。
3.4.2 按倾覆力矩与余留支撑截面极限抗拉能力来验算切口高度h2
h2=38k(1+1.75[бb]ps)d2zc=4.5
8(1+1.755 200×132.5208 270)24022 628=84 cm式中,k为系数,k=1.1~1.5,本设计取1.5;s
为余留截面钢筋总截面积,s =π4d2n=π4×2.52×27=132.5 cm2;d为切口处水塔的外径,d=40cm;zc为水塔重心离地的高度,zc=2 628 cm。其它符号同前。实际取切口高度为1.8 m。
4 爆破参数
孔深l,l =23b=13 cm;孔间距(水平方向炮孔间距)a,a=16 cm;排间距(垂直方向炮孔间距)b,b=20 cm;总孔数n,n=229个;单孔装药量q,q = kabb=3 000×0.16×0.2×0.2=19.2 g。
式中,k为炸药单耗,根据试爆,k取3 000 g/m3,实际取20 g。总装药量q,q =∑q=229×20=4 580 g。布孔方式:梅花形布孔,由倒塌中心线开始,对称地向两侧布孔。定位导向口处内只布了3个炮孔,这3个炮孔的孔位离定位导向口的边界线不小于15 cm,以避免爆破时破坏定位导向口的外轮廊[2,3]。
5 起爆方式及起爆网路
主爆、定位导向口和定向窗均采用普通20段毫秒电雷管全串联网路,由gm-1000型高能起爆器起爆。主爆使用1、3、5、7段毫秒电雷管,并由定向窗开始,两侧对称地依次安排各段毫秒电雷管。
6 塔体触地引起的地震震速计算触地冲量:
i = m2gzc=208 270 2×9.8×26.28=
4 726 802 n•s
触地引起的地震速度:
v =0.08(
3i
r)1.67=0.08(4.7×10616)1.67=
4.05 cm/s
式中,m和zc分别为水塔的质量和重心的高度,g为重力加速度,r为水塔落地产生最大振速点离最近建筑物的距离。
7 主爆前的预处理
在设计的爆破切口长度内,两端开凿2个形状一致的定位导向口,定位导向口的形状为等腰直角三角形,顶角为45°,切口宽度为60 cm,高度为60cm(见图3)。用爆破法先形成初始轮廊,再用尖凿修整到符合设计要求,并在主爆前割去孔内所有钢筋。设计在倾倒中心线处开设一个与该中心线对称的0.6 m×1.8 m的定向窗,定向窗用爆破倾倒中心线处的3排炮孔形成。主爆前割去定向窗内的全部钢筋。用高标号的水泥砂浆和红砖封堵塔身下部的门洞,尽量消除门洞对水塔倒塌方向的影响。切除塔身内所有的管线和供行人上下的楼梯,从地面开始切除高度大于3.0 m。
8 安全技术措施
为严防爆破飞石,除用炮泥堵塞炮孔至孔口外,还对爆破部位进行严格的覆盖。根据现场材料情况,采用在施爆表面堆码装满谷壳的麻袋,外层用二层紧密搭接的竹荆笆包住,再用多根10#铁丝把覆盖物固定在施爆部位上。为降低水塔倒塌落地时产生的冲击地震及可能产生的落地冲击飞石,采取在倒塌方向上铺一层无砖石等硬物的砂土;在水塔倒塌中心线上45 m和50 m处,用装满砂土的编织袋堆2条与倒塌中心线垂直的,长10 m,底宽2 m,高1 m的堤。
9 爆破效果
起爆后约2 s,水塔开始倾斜;然后稍有缓慢下坐并继续向倒塌方向倾斜;约4 s后,迅速倾倒;约5s,水塔整体按预定方向倒塌。爆后现场调查,水塔基本仍为一体,但塔身上部被损,塔身下部25 m基本无大破损,只出现裂缝。倒锥形水池已部分被压扁。没有出现后坐或前冲,但下坐约2.0 m。水塔最远落点约为52.5 m,倒锥形水池最大边缘处的落点离水塔基础的距离约为49.5 m。水塔完全按设计者预期的倒塌方向倒塌,实际倒塌中心线在a-a线的南侧,与理论设计倒塌中心线的夹角为7°,与预计倒塌中心线(即a-a线)的夹角为2°,完全符合设计者预计目标。震动小,爆破点50 m以外无震感;水塔周围10 m以外无飞石;爆破周围建筑物无任何损坏,完全达到设计要求。
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