[摘 要] 文章介绍了某飞机场钢筋混凝土伞状圆筒形水塔爆破拆除的工程实例和设计方案,以及参数的选择和确定,有效地控制了水塔坍塌在指定范围内,防止了筒体后坐,控制了伞帽残体滚动,解决了前冲地震落地飞石溅起的危害,对类似工程有一定的参考意义。
[关键词] 伞状筒形结构 梯形切口 定向爆破 应力角
1 引言
正常水塔高耸建筑物的控制爆破拆除技术早已成熟,但本文中伞状筒形水塔的拆除有两个难关。一是水塔四周环境条件对拆除非常不利,水塔爆倒时绝对不准有后坐出现,必须准确地落入预定地坑;二是头大身细、年久失修的筒底强度老化,出现局部裂纹,壁厚太薄支撑力不匀。因此控制拆除难度较大。本文讨论了具体的拆除方法和安全防护措施,取得了满意的效果。
2 工程概况
2.1 结构概况
水塔全部为钢筋混凝土圆筒结构,总高为30.1 m,筒腰高23.0 m,外径圆筒腰直径2.5 m,筒壁厚0.20m~0.18m不等。筒顶部水箱为伞形圆筒,外径12.0m,箱高6.6m,上箱壁厚0.12m,下箱壁厚0.15m,是一个大头细身伞状圆筒结构水塔。水塔在轴线东西两侧自上而下开设4对8个窗户,东侧窗下设置一个0.8m×2.2m的检修门,在塔中心设有转盘式楼梯,由下直通到顶部水箱口,还装有上下水管和水箱溢流管,底部局部有裂纹。
2.2 环境概况
水塔已停用多年,年久失修,与其配套的设施有蓄水池、水泵房、配电室和变压器室,并同在一个四周修有围墙的小院内。水塔西面2m处有一排南北走向的小汽车库,往西面15m处在围墙外有3幢飞行员点式别墅楼,北面在围墙西北角30m处有一变电室,东北角40m有3幢居民楼,水塔正东面24m处是水泵房和配电室,东北面36m处为水池坑,水塔南面10m处有一排库房与院门及值班室。
3 爆破技术设计
3.1 技术要求
(1)爆破时不准后坐,以保护车库不被损坏。
(2)爆破产生的振动和水塔塌落时的振动不能使相邻的小车库、水泵房、配电室和别墅楼受到损坏。爆破残体物不能滚动破坏主泵房,飞石不准飞出四周围墙,要控制爆破噪声和灰尘。
(3)要求拆除结构充分解体,满足机械清运。
3.2 确定方案与倾倒方向
根据水塔结构特征和周围环境情况,经测定在水塔中心的东北方向有足够的倒塌场地,采用定向倒塌的爆破方案,倾倒方向为n45°。
3.3 预拆除和预开定向窗设计
先拆除水塔筒内转梯设施与上下水管、溢流管、避雷针导线钢筋,防止造成偏向。与检修门对称处,在45°中心线对侧开一个对称缺口。为保证水塔按45°中心线准确倾倒,在预留支撑体部位,在切口两端各开一个高1.00m,宽0.50m的定向窗(图3),爆破前用人工配合切割机风镐开凿,修整成型,并割断窗内全部钢筋。
3.4 爆破切口设计
为了保护被保留支撑的稳定性,防止后坐,采用变形的倒梯形缺口形式,梯型的下底设在距水塔基面的+0.4m处,缺口的最大尺寸为周长7.85m的0.57倍,取4.5m,缺口高度1.00m,应力集中角α=30°。
3.5 爆破参数的确定
塔身壁厚0.2m,有的局部为0.18m,待爆的缺口部位为同轴曲板,钻孔方向由曲板外表指向水塔中心,爆破参数孔深l=0.14m,孔距a=0.2m排距b=0.2m。按方格井字形均布共计60个孔,单孔装药量45g,使用2号岩石硝铵炸药,总装药量为2700g。
3.6 预留支撑强度校核
水塔的拆除,采用定向爆破设计时,切口部位的装药引爆后,切口内的爆碴抛出,切口在爆破后形成,此时切口处剩余的支撑体承载水塔上部的重力,并起支座作用,使水塔在重力作用下产生倾覆力距。该倾覆力距促使水塔向预定方向倾倒。为使支撑体在爆破瞬时要有一定的支撑强度,以保证水塔按预定方向倾倒(即支撑体在预定倾倒方向形成前不会瞬时垮塌),可用公式进行校核。δ=kp/a
式中 δ——截面载荷,kg•cm-2;
p——切口上部水塔重力,n;
a——支撑体横截面积,cm2;
k——动载系数,取k=2。
经计算切口上部水塔自重p=241t,支撑体截面积a=0.648m2,由此得截面载荷δ=37.19kg•cm-2,小于钢筋混凝土抗压强度100kg•cm-2,能满足强度要求。
3.7 起爆网路
由于此次水塔爆破炮眼布置相对集中,且炮眼数目较少,采用了瞬发电雷管组成的复合串并联电爆网路起爆,用bcj-5000-a型高能起爆器起爆。本次爆破共用60个药包,使用8#瞬发电雷管60发,雷管之间的电阻值均不超过0.1ω,爆破前经过模拟实验,实施后完全达到了准爆效果,杜绝了瞎炮发生。
4 爆破施工与安全防护
水塔的倾倒中心线,用测量仪器准确无误地定位于45°爆破缺口部位。钻孔时,钻杆指向圆心并垂直于筒身表面,严格按设计位置尺寸要求钻孔,保证孔位深度。严格按部位控制药量,保证按量装药。为消除地震危害,中心线落地处与居民宿舍楼、水泵房、车库之间挖深1.5m减震沟。为防止伞筒滚动,在其落地处挖一个大坑;为防硬碰地面,把筒身落地处挖松,防止飞溅物体,并防止伞头前冲损坏前面建筑物。为防止爆破时碎块飞石的危害,用两层草袋加钢丝网,外包彩条工程布,对装药的炮眼部位,全部覆盖捆绑防护,并在距切口0.5m处,用装满黄土沙的编织袋垒出高2m,长6m的防护土围墙,遮挡住飞石飞出。
4.1 对空气冲击波、飞石、噪音的控制
设计出合理的单孔装药量和总用量。由于炸药在物体中爆破时,空气冲击波的强度取决于一次爆破的装药量、传播距离、起爆方法和堵塞质量。根据霍普金的相似律,冲击波波峰压力的大小与装药和传播距离的关系可以用公式来表示。p=h(q13/r)β
式中 h——与爆破场地条件有关的系数,
取0.67;
β——空气冲击波的衰减指数,取
1.31;
q——装药量,kg;
r——爆点中心到楼房距离,m。
本次爆破药量较少,加上有效的防护措施,冲击波、飞石、噪音都被防护措施削弱,对周围人员和建筑物没产生任何危害。
4.2 爆破振动校核
切口爆破引起的振动,按下式计算:
vb=k(qm/r)α
=32.1(2.71/3/24)1.57
=0.37cm•s-1
式中 vb——质点振动速度,cm•s-1;
q——最大起爆炸药量,kg,取2.7;
r——主泵房到爆破中心距,m,
取24。
重物落地造成的振动,按下式计算:
v=0.08(l1/3/r)1.67
式中 l——着地冲量,l=m(2gh)1/4。两次振动都不会对要保护的建筑物造成危害。经计算,v=1.26 cm•s-1,小于3.0cm•s-1(一般砖房的安全振动的速度)。
5 爆破效果
起爆约3s后,水塔按设计要求方向全部倒入指定的坑位,无后坐,倒长36m,塔身和水箱破裂,70%为条型裂开,塔底30°应力角在塔倾倒时起了防后坐作用,内侧砼破碎散落在塔身底部,外侧砼完好无损,保护了塔边的小汽车库安然无恙。爆破瞬间,飞石在5m之内,地层地震轻微,完全达到预期目标。
6 几点体会
(1)最小应力角的设计准确性,是增强预留支撑面、不允许倾倒时后坐的关键,必须做好。
(2)定向窗预开洞的开设,在考虑预留支撑不损坏的情况下,在不影响爆破物失稳的情况下尽量开大一些,夹角面要保护完好无损。
(3)高耸建筑物塔内辅助设施,必须预拆除掉,要注重倒塌中心线两侧质量对称和受力对称处理,能利用的门窗对称预处理,以达到打孔施工量最少、切口起爆用炸药量最少、爆破有害因素最小、效益最好的效果。
(4)对于爆破物周围环境制约条件要求高的情况下的拆除爆破,只要设计科学合理,施工达到设计要求,安全措施可靠到位,是完全能够达到安全爆破拆除目标的。
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