摘 要:一座高51m的钢筋混凝土水塔,其上部的水池由10根断面尺寸为1•6m×0•7m的立柱支撑。在场地有限的条件下,采用了单向折叠爆破的方案。水池先翻转再自由落地,缩短了倒塌距离,减小了触地震动。文中介绍了爆破参数设计、预拆除、稳定性分析、触地振动速度的验算以及所采取的安全措施等。
关键词:水塔;单向折叠倒塌;拆除爆破;触地震动
1 工程概况
吉林省长春市建设广场东南侧一座日伪时期修建的水塔,多年废弃失用。为城建发展需要,经市政府批准,拟采用定向控制爆破技术予以拆除。
1•1 周围环境
水塔位于建设广场东南侧的居民区内,周围环境相当复杂,见图1。水塔西北距广场50m,东北侧 8•9m处为30m高的烟囱及锅炉房,东侧2#住宅楼(6层)距水塔16•5m,东南侧1#住宅楼(6层)距水塔18•9m,正南与平房车库的距离为18•7m,西侧与平房的距离为17m,北侧与平房的距离为9m。
图1 水塔周围环境
2 水塔结构
水塔为钢筋混凝土结构,总高51m,直径16m。上部水池高11•8m,池壁厚0•5m。支撑着上部水池的是10根长方形截面(1•6m×0•7m)的钢筋混凝土立柱,沿8m半径的圆周均布(图2中i-i剖面),柱高32•7m。塔体外壁为10cm厚的浇筑钢筋混凝土板,与各柱体及水池相连;每隔一定高度,柱间有肋板加固。虽然水塔已建成60余年,但其外观内质均完好无损,强度依旧。经部分取样检测,柱内钢筋共30根(如图2所示),沿立柱横断面的两短边各布设两排,外侧一排为7根,内侧一排为6根,共26根;沿两长边各布2根,对应钢筋之间有拉筋。钢筋直径为22mm,极限抗拉承载力为17t;混凝土抗压强度为43mpa,抗拉强度为2•6mpa。
图2 炸点位置、立柱分布及装药结构
2 爆破方案
2•1 方案选择
根据水塔周围环境,1#住宅与水塔之间的距离最大,为18•9m,但水塔高51m,在水塔底部切口而使其定向倒塌显然是不可行的。因此,只有两种方案可选择:一是原地塌落;二是切断部分立柱,使水池和塔体向正南方向单向折叠倒塌。原地塌落的设计思路为:考虑到水塔离建筑物的最近距离只有8•9m,爆破时10根立柱必须全部爆碎,这样在水池塌落时因柱体落点不当而撞击周围建筑。因此,事先要用风镐将0•1m厚的外壁从地面到水池底部全部拆除。此方案的优点是水池落点占地面积小。缺点是:预拆除0•1m厚外壁,工程量太大;500多吨(不含水)重的水池由32m高落地,产生的地震波对8•9m处的烟囱影响太大;飞溅物可能对建筑物产生影响,因此不采用此方案。经反复论证,决定在水塔南侧几根立柱的30m标高处开切口,先使水池向南翻转并自由落向地面,尔后再处理残留立柱。此方案既能减小定向倒塌的距离,又能降低水池塌落的高度及范围,因而可减小水池落地时的地震效应,减少飞溅物的危害。
2•2 预拆除及稳定性分析
为了减少主体爆破施工作业量,保证水塔倒塌的可靠性和倒塌方向的准确性,对2#、3#、9#和
10#柱体进行预先拆除(见图2)。由于水池是均匀、对称结构,故其重量由10根立柱平均承担。2#、3#、9#和10#立柱被预先拆除爆 破后,由1#、4#、8#柱承担如图2中阴影部分所代表
的水池重量。1#、4#、8#柱承担的面积s1=0•6s + s2=139m2,式中:s为水池底面积,s=201m2;s2为三角形oab的面积,s2=18•8m2。就是说,这3根柱承担的水池重量为500(s1/s)=348t。预拆除后,水池重心向1#柱方向偏移,该柱将承担大部分重量,现以1#柱承担1#、4#、8#柱总承
重的1/2估算,即1#柱承担的压力为348/2=174t=1740kn,故1#柱承压强度为1740/(1•6×0•7)=15•54mpa,而立柱混凝土的极限抗压强度为43mpa,这说明在2#、3#、9#和10#立柱被预先拆除后,水塔的稳定性不会受到影响。
2•3 主体爆破及水池下落运动分析
主体爆破主要是1#、4#和8#柱体的爆破,而5#和7#柱是承受偏心重力矩的支撑点。1#、4#和8#柱爆破瞬间,水池在重力矩的作用下,以5#和7#柱为支点而作翻转运动。6#柱受拉,当拉应力大于钢筋的极限抗拉强度时,钢筋被拉断,力矩急剧减小,水池自由下落到地面。
3 爆破设计
3•1 炸点位置及范围
1#柱布置三个炸点,即标高1m处为下炸点、16m处为中炸点、30m处为上炸点,各炸点范围为
2m,见图2。4#和8#柱炸点位于标高30m处,炸点范围为2m。此两柱下部不设炸点的原因是利用它们控制水池下落时的后冲。
3•2 爆破参数
(1)最小抵抗线w:取立柱截面短边长度的一半,即w =35cm。
(2)炮孔直径d=38mm;炮孔深度h等于柱截面长边长度减去最小抵抗线加上药包长度的一半,即h =130cm。
(3)孔距a =1•2w =42 cm,取40cm。
3•3 单孔药量及装药结构
炸药选用正规厂生产的2#岩石铵梯炸药。单位炸药消耗量控制在380~480g/m3范围内。单孔药量q =f(q1a+q2v),式中:a为柱体断面面积,a =1•12m2; v为单孔爆破体积, v =0•45m3;q1为剪切单位面积用药量,取q1=60/w(g/m2);q2为破碎单位体积用药量,q2=150g/m3;f为临空面系数,f =0•75。计算结果,q=195g。反算炸药单耗q′=195/0•45=433g/m3,在380~480g/m3范围内。由于炮孔深度与最小抵抗线之比大于3•7,考虑到立柱截面长边侧无主筋,所以每孔分三层装药(图2中ⅱ-ⅱ剖面),单个药包重量q′= q/3 =65g。药包之间加以填塞;孔口堵塞30cm。堵塞物为黏土和河沙的混合物,配比为40∶60,含水量20%。
4 水池塌落触地振动速度验算
由于水池重量大,下落时的触地震动是本次爆破的最大安全问题,所以在爆破前进行了塌落振动速度估算〔1〕:v = k[2mgh/σr3]α式中:m为下落物件质量,m =500000kg;g为重力加速度,g =9•8m/s;h为物件所在位置的高度,本次爆破中为水池翻转后的重心高度,即水池底面标高减去1/2水池本身高度,h=26m;σ为构件材料破坏应力,σ=14mpa;r为构件着地点与测点的距离,由于水池向南翻转,经计算其重心着地点与需保护的烟囱之间的距离约为25m;k为系数,k=1•0~1•86,取k =1•86;α为指数,α=1•24~1•40,取1•24。经计算,v =2•2cm/s,按[v] =5cm/s的安全标准控制,烟囱的稳定性不会受到水池塌落震动的影响。水塔地面下为地下储水池,地面上有预拆除留下的1m多厚的松散砼碎碴覆盖层,加之水池在倒塌瞬间以5#、7#柱为支点作翻转运动,使水池由原来30多米高降到20多米高,这使水池下落对地面的撞击力度大为减小,降低了地震效应,同时也减轻了碎碴飞溅的危害。
5 安全技术措施
为确保水塔倒塌方向的准确性和周围建筑物的安全,爆破过程中采取了如下安全技术措施:
(1)对水塔上部零散构件,包括肋板,在爆破前全部予以拆除。
(2)爆破前对住宅区居民逐户进行走访、查看,并进行了摄像,以便进行爆前爆后的比较,确定爆破震动和水池着地震动对楼房的影响程度。
(3)水池落地范围铺设三层湿草垫,以防碎碴飞溅和尘灰飞扬。
(4)在水塔东、南和西侧,用竹笆设置高4m的挡护墙。
(5)在立柱的炸点处均包裹二层草垫、二层竹笆,防止飞石飞散。
(6)爆破前,周围居民全部撤离,因空气冲击波不大,所以各住户门窗全部关闭,以防灰尘侵入。
6 爆破效果和体会
6•1 爆破效果
起爆后,上部水池先由慢而快地作翻转运动(见图3),当水池翻转到其南侧外壁与地面基本平行时,倾倒速度明显加快而变为自由落体运动。落地时产生轻微地震,扬起尘灰,溅起极少量的飞石。水塔外侧的混凝土板与水池脱离并破碎,水池南侧上部首先着地而摔扁,砸坏地下水池,水池底部撅露,只有裂缝而无大的破坏。4#、8#柱折断,5#、6#、7#柱仍然站立(见图4)。事后,通过柱底布设爆破切口、上部钢绳牵引的方法,使5#、6#、7#柱向南倾倒。
图3 水池在翻转中
周围竹笆防护墙完好无损,建筑物除一户窗玻璃被飞石击出一个直径约10mm的孔洞外,其他建筑物均无损坏。各住户也未发现任何异常情况。爆破获得圆满成功。
图4 水池着地后的状态
6•2 体会
(1)在城市拆除爆破中,预拆除是非常必要的,这种措施既能确保建筑物倒塌的准确性,又能减轻主爆破的工程作业量。
(2)在较复杂的环境中,特别是在不允许水塔整体定向倒塌的情况下,要充分利用单向折叠爆破的特点,使塔顶水池先翻转,降低自由下落的高度,从而能减小水池落地时的触地震动,减少溅起的飞石量,更有利于安全。
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