摘 要: 详细介绍了一例采用非对称定向窗爆破拆除后加固式薄壁筒形水塔的设计情况,分析了该水塔的结构特点对爆破方案设计的影响。
关键词: 非对称定向窗; 后加固; 爆破拆除;水塔
1 工程概况
1.1 周围环境
该水塔位于南京航空航天大学教师住宅区内,因基建需要将其爆破拆除。水塔四周皆为五层住宅楼,东南西北方向上分别距水塔45 m、21 m、6.5 m、20 m。水塔西北方向4.6 m处有一电线杆,具体环境条件见图1。
1.2 水塔结构
水塔为砖砌圆筒形,高30 m,底部外径5.2 m,内径4.6 m,筒身为24墙,壁厚28 cm,自下而上有5对窗户,尺寸为80 cm×120 cm,最下面一层窗户距地面1.1 m。两层窗户之间有水泥隔板,厚10 cm,共5层。该水塔建于80年代初,因使用时间较长,塔身有轻微老化现象。1998年对水塔进行二次加固,塔身外侧增加4根钢筋混凝土立柱,柱宽40 cm、厚20 cm,立柱与筒身铆固结合。水塔具体结构见图2。
图1 周围环境示意图(单位:m)
图2 水塔结构及剖面示意图(单位:m)
2 爆破方案
2.1 方案确定
该水塔结构与一般水塔有所不同,爆破方案设计主要考虑水塔自身结构的两点特殊性。
(1)水塔外侧有4根后加固的钢筋混凝土立柱,在东西、南北方向上呈两两对称分布。立柱的存在改变了水塔内部应力分布状态,使得水塔的抗压、抗拉性能均有一定程度的增强,而且水塔内部应力分布也关于东西、南北方向上对称。根据水塔周围环境条件和立柱分布的对称性,选择水塔倒塌方向为正东,爆破切口应严格对称于东西方向。这样在水塔倒塌的过程中,水塔切口处南北两侧的应力会呈现对应相同变化,从而可以严格控制水塔倒塌方向。若水塔倒塌方向不为正东,如图2中方向1所示,爆破后剩下的两根立柱则关于倒塌方向不对称,这样在倾倒过程中,切口处应力分布不对称,一边受压,一边受拉,会产生较大的扭矩,形成强烈的扭转作用。此外砖砌水塔整体性不强,极有可能发生意外。
图3 爆破定向窗示意图
(2)水塔底部距地面1.1 m处有2扇窗户,大体沿南北方向(如图2)。在水塔烟囱爆破拆除中,爆破定向窗对倾倒方向的控制具有关键作用[1]。设计中通常应严格保持定向窗的形状、大小和位置关于倒塌方向对称。本例中,两个窗户近似对称于东西方向,经过适当人工处理,便可作为爆破定向窗。在该水塔的定向窗设计中,采用了特殊的非对称布局,如图3所示,仅仅保持两定向窗的高度相同。1#定向窗是在原底层北侧窗户基础上向西扩至a处而成,b处保持不变。2#定向窗不作任何改变,保持原有尺寸。1#定向窗与2#定向窗的边界a、d关于东西方向严格对称;边界b、c连线向东倾斜。boc区域为爆破区域,aod区域为最终形成的爆破缺口区域。由图3可以看出,虽然1#、2#定向窗在东西方向上并不对称,但最终形成的爆破缺口aod对称于东西方向,从而可以达到控制倒塌方向的目的。此外,考虑到高大建筑物倒塌后纵向抛距是其高度的1.0~1.2倍,爆堆横向宽度是其外径的2~3倍,爆破方案最后确定为:水塔倒塌方向为正东方向,水塔底部窗户先人工处理,使其符合设计要求。
2.2 爆破缺口位置
根据水塔实际结构特点,爆破缺口位置选择距地面1.1 m处,与底层窗户下缘平齐。
3 爆破技术设计
3.1 切口形状
为方便施工,减小后坐,采用水平矩形切口。
3.2 爆破定向窗
定向窗为矩形,在原底层窗户基础上经人工处理而成,边缘修整平齐。1#定向窗长1.4 m,高1.2
m。2#定向窗长0.8 m,高1.2 m。
3.3 切口高度
爆破切口在两定向窗之间,切口高度取定向窗高度即1.2 m,为水塔壁厚的2.8倍。
3.4 切口长度
爆破定向窗对应圆心角α=210°,爆破区域boc长度l1=7.3 m,最终形成的爆破缺口aod长度l2=9.5 m。
3.5 孔网参数
(1)水塔壁体:最小抵抗线w=14 cm,药孔深度l=15 cm,孔距a=20 cm,排距b=20 cm,排数为6排。
(2)外侧立柱:最小抵抗线w=20 cm,药孔深度l=15 cm,孔距a=30 cm。
3.6 单孔药量
水塔壁体单孔药量q=20 g,外侧立柱单孔药量q=30 g。
3.7 起爆方法
孔内使用瞬发导爆管雷管,每两排之间用四通连接,最后将三排干线用四通连接成回路,引出导爆管用电雷管引爆。施工时,对水塔内部辅助设施进行预处理,在原来窗户基础上人工开凿变宽形成爆破定向窗,使之符合设计要求。起爆前,爆破切口处用一层竹笆覆盖[2],在水塔倾倒方向的空地上用建筑垃圾敷设宽8 m、长35 m、厚10 cm的减震层,并用石灰标出所设计的倒塌方向线,以检验实际倒塌方向是否与设计方向一致。
5 爆破效果
起爆后,水塔站立约1 s后开始倾斜。倒塌过程中,水塔完整性较好,仅出现少量落砖现象,基本保持定轴转动。倾倒约30°后,水塔倾倒速度加快。落地后,整个水塔解体成碎块。由于减震层缓冲作用,落地声音很小,水塔向前俯冲不大。整个倒塌过程持续大约5 s,无后坐,无飞石,实际倒塌方向与设计方向相符。周围住宅楼安然无恙,爆破取得满意效果。
6 讨论
①水塔自身结构特点对设计倒塌方向有较大影响,在工程设计中应根据实际情况综合考虑。
②爆破定向窗的主要作用是切断爆炸冲击波的传播介质,防止爆破缺口进一步扩大,确保最终形成关于倒塌方向对称的爆破缺口。因此,倒塌方向控制的关键并不在于定向窗是否严格对称,而在于最终形成的保留体对于倒塌方向是否对称。实际工程中,应设法确保爆破缺口对称于倒塌方向,在某些情况下,可以采用非对称的定向窗设计进行水塔烟囱的爆破拆除。
③为尽量减小水塔对地面的冲击,可以事先敷设减震层,确保周围建筑物安全。
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