摘 要: 介绍了复杂环境下大直径厚壁砖混结构水塔的定向控制爆破拆除工程实例,通过本水塔爆破拆除的实例,论述了水塔拆除的爆破方案及爆破设计,爆破切口参数的选择和安全防护措施,同时进行安全验算及安全防护措施,从而达到了预期的效果。
关键词: 水塔; 控制爆破; 定向窗
1 工程概况
1. 1 水塔结构尺寸
某学校内一废弃砖混水塔需要采用控制爆破方法进行拆除。该水塔建于20世纪70年代,塔高37.5m,其中圆桶形塔身高30 m,底部外径为7.5m,壁厚0.6m,圆柱形水箱高7. 5 m,外径9.5m,容水量约为400m3。水塔西面有一入口,高1.8 m,宽1 m。水塔的桶体结构系水泥砂浆红砖砌筑,强度较高,质量好;水塔的水箱结构为钢筋混凝土结构。水塔整体结构完整坚固,无风化裂缝和偏移现象。
1. 2 周边环境情况分析
水塔周边环境条件较差,北面偏西距营房约40 m,中间隔着篮球场,南面距正在使用的三层教
学楼60 m,西面相距2 m处有水泵地下泵房和通信实验大楼,东面距礼堂40 m,有一条马路由北向南从水塔正东面通过。具体环境示意图见图1。
图1 爆破周边环境示意图(单位:m)2 爆破拆除的方案选择
2. 1 定向倒塌方案
该方案的核心是让水塔绕定轴转一个角度后失稳、倾倒,在转动的过程中可以利用时间差使水塔结构在空间尽量的扭曲、折断、拉开、压碎;着地获得10 m/s左右的瞬间速度,靠撞击获得进一步的破碎。定向倒塌的环境条件是预定倒塌的方向要有一段空地,其长度必须大于2/3水塔的高度。本次水塔爆破可选择北偏东30°的方向为倒塌轴线方向,该方向前无建筑物,场地空旷,但危及由北至南的道路,爆破时和爆破后需封闭道路施工。
2. 2 折叠倒塌方案
在定向倒塌场地条件不够(空地长小于2/3水塔的高度)时,可以考虑采用折叠爆破。折叠方案实际上就是把水塔在高度上分成若干段,然后从上到下分段顺序起爆,即上一段向下折叠到一定角度再起爆下一段,以减少塌落长度。此次水塔爆破拆除,如采取该方案,需要搭架子进行高空作业,在水塔上部同时钻眼爆破,爆破操作时间较长,并且由于水塔总高度上截面材质均匀,在上部自重约120 t的空储水筒的压力下,极有可能在瞬间, 1 s之内发生崩溃,导致原地坍塌效应。
2. 3 原地倒塌方案
将最小层所有的支撑结构砖墙炸毁相同的高度,建筑物就可以实现原地坍塌,为减少二次破碎工作,可考虑将上部空储水筒先行进行切割,钻孔截断。该方案对此次水塔爆破来说,能减少对路面的破坏,不足之处是边上水泵地下泵站距水塔仅1 m之远,储水筒体落地后,稍有不甚就有可能摧毁水泵房,造成停水。综合该水塔的实际环境条件和自身结构特性,对以上几种爆破拆除方案进行对比分析后,采取第一种,定向倒塌控制爆破方案。
3 控制爆破拆除设计[1~4]
3. 1 预处理设计
设计的爆破切口区展开图为组合梯形,切口底部高程为地坪以上+0. 5 m,如图2所示。为确保水塔定向倾倒的准确性,并使预留部分不受爆破的影响,爆破前在爆破切口的两端及中间位置处,利用爆破、人工相结合的方法,预先在切口两端各开设宽1m,高1 m的三角形控制方向小窗口,其中东边的定向窗均为砖混结构,开凿时采用小药量爆破加风镐修整而成,西边的定向窗利用原水塔的出入口进行修整,主要用风镐施工,对水塔的内衬预先进行处理,用氧割预先拆除水塔内上下的钢制楼梯和一些连接件。水塔内出入的门洞预先采用相同强度的砖砌筑封闭。
图2 爆破切口展开形状和炮眼布置示意图(单位:m)
3. 2 参数设计
爆破切口长度和高度的确定。待爆破拆除水塔底部外圆周长为23 m,根据爆破实践经验,考虑该水塔壁厚整体坚固,爆破切口长度通常是塔体圆周长的2/3,故取切口长度为16 m。爆破切口的高度通常为筒体壁厚的1. 5~3倍,此处爆破取爆破切口高度2 m,从距地面0. 5 m处钻炮眼,切口形状如图2所示,展开图形为一组合梯形。
3. 3 炮眼布置及装药结构
水塔控制爆破的炮眼布置如图2所示,具体参数如下,炮孔深度为0. 4 m,孔距为0. 5 m,排距为0. 5 m,呈梅花型间隔布置,炮孔数量总计为134个。孔内装药为2号岩石乳化炸药,根据实际情况采取孔底集中装药的结构,孔口用炮泥进行良好地堵塞。
3. 4 装药量计算
单孔爆破装药量为
q =kabδ=1 000×0.5×0.5×0.6=150 g
每个孔内装设150 g2号岩石炸药,孔口进行良好地堵塞。一次爆破起爆最大装药量为
q1=54q =150×54=8.1 kg
3. 5 微差起爆时间的选择
根据被爆破拆除的水塔结构特性,考虑到炮孔的数量,比较合理的毫秒微差间隔时间应为50 ms,故在本次爆破施工中采用3个段位的电雷管,分别为ms1、ms3、ms5三种电雷管,由中轴线附近竖向炮孔约30个装设ms1电雷管,由中间向两边对称进行布设,分别为ms3和ms5电雷管,各有约50个炮孔。全部电雷管采用串联的连接方式,通过远距离用gm-2000高能起爆器引爆。
4. 1 地下水管的保护
由于爆破期间不能停止供水管道的供水,为防止水塔触地后损坏浅埋在地下的水管,爆破前,在水塔倒塌轴线方向上横向设置数道沙袋隔墙,用以缓冲水塔筒体落地后的直接地冲击作用。
4. 2 周围建筑物的防护
为减轻水塔筒体落地后造成的地震冲击,以及爆破时产生的地震震动对周围建筑物造成影响,在距通信实验楼和教学楼中间部位开挖2条减震沟,沟体长度为8 m,宽约0. 5 m,深约0. 5 m。
4. 3 爆破飞石的控制
本次控制爆破拆除水塔的爆破安全防护重点之一是爆破飞石。在爆破切口与定向窗部位用橡胶管帘覆盖进行第一层遮挡,外围一圈相距1 m的距离上用竹板和土工布进行二次全面围护,围护层高度为3 m,并在上部用竹篱笆搭盖,防止爆破飞石向上串出。
4. 4 空气冲击波的防护
在爆破切口与定向窗部位周围一圈用竹篱笆和土工布遮挡覆盖,阻挡削弱冲击波的作用。
4. 5 起爆网路可靠性检查
1)采用同厂同批生产的电雷管,雷管电阻值相差不超过0. 2ω。
2)连接网路时,剪除雷管脚线多余的长度部分,降低网路总电阻,同时也防止出现短路现象。
3)为防止网路漏电,网路中各接头采用电工胶布严密包好。
5 爆破安全校核[1~4]
5. 1 爆破震动校核
爆破时引起的建筑物地面质点的振动速度v可按下式计算v =k′kdq13/rα
式中,q为齐发爆破总装药量,或毫秒微差爆破中单段起爆的最大药量, kg;r为爆区中心离建筑物最近的距离,m;kd为受地形、地质条件影响的系数,一般取kd=150;α为地震波衰减指数,一般取α=1.5;k′为减振系数,一般k′=0. 3~0. 7。北面房屋的质点振动速度最大,其距离为40 m,考虑到该次爆破的设计方案、地形地质条件,其各参数选取如下,q取8. 1 kg,r取40 m,kd取150,α取1.5,减振系数k′考虑到中间部位地面为软土,并设计有减震沟,衰减较明显,所以取k′=0.4,可以计算出v=0. 672 cm/s。根据爆破区周围的建构筑物的状况,由于是砖混结构房屋,基础为素混凝土条基,安全上容许的质点振动最大速度值参考选为2 cm/s。最大振动速度符合要求。
5. 2 塌落振动
根据中科院的经验公式v =0.083i/r1.67式中,i=m2gh,为水塔倒地时的冲量,n•s;r为落地构件距建筑物最近的距离,m。由于水塔向东北方向倒塌,北面房屋的质点振动速度最大,考虑水塔储水筒落地的位置,其距离考虑为30 m,水塔储水筒体按30 m高计算,其各参数选取如下,m取120 ,tr取30 m,g取9. 8 cm2/s,h取30 m,可以计算出v=1. 08 cm/s。由于是砖混结构房屋,安全上容许的质点振动最大速度值参考选为2 cm/s。最大振动速度符合要求。
6 爆破效果
在点火起爆瞬间,水塔抖动了一下,大约稳定4s之后,开始向预定方向倒塌,水塔下部的砖混筒体以极快的速度解体,水塔钢筋混凝土储水筒重重地落在道路上。爆堆总长约为26 m,顶部储水筒破裂未完全解体,需进行二次破碎;水塔后坐现象明显,后部地面隆起高度约1 m,但影响范围很小,未伤及水泵泵房;周围建筑物无任何影响,没有飞石外抛。唯一不足之处是水塔顶部储水筒未落在预计的位置上,分析其主要原因是对钢筋混凝土储水筒的重量估算过小,未充分考虑砖混筒体倾倒时的松散解体,对其强度质量估计过高。
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