摘 要: 介绍了用水压爆破的方法定向拆除薄壁钢筋混凝土水塔的方案及其设计参数的确定方法。
关键词: 水压爆破; 定向倾倒; 钢筋混凝土水塔
1 工程概况
待拆直筒形薄壁钢筋混凝土水塔(水箱呈倒圆锥体)总高30m,建于1995年。水塔基础为圆台形,高出地面1.00 m;水塔筒体部分高25.00 m,内径2.04 m,壁厚0.18 m,该部分采用单层布筋,轴筋为14 mm螺纹钢,沿圆心角5°分布,共配筋72根,箍筋在筒体6 m以下为8 mm@180,6 m以上为6mm@190,混凝土标号为c25;水塔水箱容积为50m3,上壳厚60 mm,下壳厚100 mm,均为双层布筋,混凝土标号为c20。水塔筒体底部正北方位开设有高2.10 m、宽0.60 m的门洞。整个水塔完整性好,无可见裂缝和偏移。经计算,基础以上部分水塔质量为120 t(平均密度取2.50 t/m3),水塔重心高度为15.46 m。水塔周围环境条件如图1,东侧7.20 m处为建筑工地民工住房,南侧6.50 m处为二层砖混结构办公用房,并紧靠开发区干道,西侧12.00 m处为在建框架楼,只有北侧具有倾倒条件,且倒塌区无地下管线,为黄土表土层。
2 爆破拆除方案
水塔筒体底部施爆部位防漏性好,且容积小,耗水量不大,爆破后排水方便,根据水塔自身结构特点及其周围环境条件,故采用水压爆破定向倾倒拆除方案。
3 爆破设计
3.1 切口长度
决定切口长度的主要因素有:(1)切口形成后产生的偏心力矩能确保预留承载断面受拉区迅速断裂,这是水塔定向失稳倒塌的基本前提。对本工程而言,主要就是要使受拉区的钢筋能迅速拉断。(2)切口形成瞬间,预留承载断面的大小能承受塔体自重所施加的动载压力。若切口长度取得过小,则筒体倾倒的初始速率小,甚至短时间倾倒不下来;反之,若切口长度取得过大,则筒体倾倒的初始速率也大,而且预留承载断面有可能被压碎,导致筒体未倾先下坐,这样就无法准确控制筒体的倾倒方向。其实,筒体倾倒过程中的后坐、前冲以及筒体落地地震等均
与切口长度和形式有关。由于筒体是钢筋混凝土材料,切口断面就取在筒体与塔基的相交面上,高程低,结合爆破拆除实践经验,切口长度按爆破部位周长的2/3确定,即l=5.02 m,切口长度取值按上述二因素进行精确的力学校核,可知切口取值合理。
3.2 定向窗及充水区
开设定向窗的目的是为了隔离爆破区和预留承载区,确保筒体定向准确和倾倒过程平稳。两定向窗位于倾倒中心线两侧,其尺寸及位置严格对称于该中心线,如图2。根据实践经验,定向窗采用三角形,定向口夹角取25°,竖直短边长取200 mm,则在筒体外径与塔基交线圆上截取420 mm,并使定向口夹角顶点严格位于爆破切口边缘点,割断定向窗内暴露出的轴向钢筋。为了隔离爆破区和预留承载区,在塔体内砌一道隔离墙,将水塔筒体分隔为充水区和无水区。隔离墙呈拱形,其强度应满足爆破和倾倒的要求,隔离墙底部作特殊处理变得较为薄弱,使其在承受倾倒方向的水平力时强度甚低,隔离墙以砖和水泥砂浆砌筑,厚为240 mm。门洞以相同材料封闭,厚为480mm。
3.3 药包数及其平面位置
根据定向倒塌的要求,结合爆破拆除区具体形状和被爆体的容积(本工程为小容积结构物的水压爆破,爆破容积小于25 m3),采用两个子药包有利于爆破拆除区迅速毁坏。药包的平面位置如图2所示,两子药包分别位于定向窗直角顶点和门洞中心联线中点上。这样布置,一方面利用了偏炸药包的性质,有利于待拆钢筋混凝土的迅速毁坏,另一方面保证了两子药包之间的足够距离,可以减少子药包各自爆炸产生的水冲击波干扰和损耗。
3.4 药量计算
水压爆破用水作为能量传递媒介,炸药爆炸能量利用率高且介质破碎均匀。对于水压爆破,其药量的确定十分关键,下面采用以下几种计算方法综合确定。
3.4.1 考虑结构物形状尺寸的经验公式计算公式为[1,3]:
q=kbkcδb2
式中,q为装药量,kg;kb为破坏方式有关的系数,敞口式爆破kb=0.9~1.2;kc为结构物材质系
数,钢筋混凝土kc=0.5~1.0;δ为结构物的壁厚,m;b为结构物的内直径或边长,若截面为矩形则为短边长,m。该公式适用条件是:采用的炸药是二号岩石硝铵炸药,δ<b/2,b≥1.0 m。取kb=1.2,kc=1.0计算得q=0.90 kg。
3.4.2 根据水中冲击波冲量原理的经验公式
计算公式为[2]:q=kδ1.4r1.6式中,q为装药量,kg;k为钢筋混凝土材质与破碎程度系数,k=8~12;δ为结构物的壁厚,m;r为药包至壁内表面距离,m,取k=12。代入数据计算得,q=1.12 kg。上述两种药量计算方法均是采用单一中心药包计算而得,系数取值均为上限值,考虑到本工程水压爆破实际待拆钢筋混凝土薄壁的份额和偏炸药包的特点,药包药量取0.90 kg为宜。又依据文献[2],两个子药包的药量和,应等于或大于一个药包质量的1.75倍,即q≥1.75×0.90=1.58 kg,取1.60kg,那么每个子药包的实际药量为0.80 kg。
3.5 药包入水深度
由于本工程是敞口式水压爆破,为了减少水柱上冲和避免爆炸能量损失,利用下式确定药包的最小入水深度[3-4],即h≥q1/3式中,q为装药量,q=1.60 kg,则h≥1.17 m,工程实际取值为1.20 m。考虑到定向倾倒设计断面的位置和定向窗的高度,根据水压爆破时结构物内壁所承受载荷的分布特征,参照保证水塔定向倾倒的最小爆高值,使药包在垂直方向的位置高于筒底平面0.30 m,那么注水总深度为1.50 m,门洞实际补充砌高仅为1.60 m。
4 爆破实施和效果
2个子药包,经封闭处理后各用2发一段导爆管起爆,4发导爆管再用1发瞬发电雷管引爆,起爆网路简单。由于采用水压爆破,且一次起爆药量较小,爆破震动、空气冲击波等危害较小,只需在钢筋混凝土筒体外壁爆破拆除部位和门洞处用荆笆作双层保护,以10#细铁丝捆扎。另外,在药包正对筒体外部位置作加强防护。爆破用水仅为2.5 m3左右,水患问题不予考虑。爆后无震感,待拆钢筋混凝土薄壁已明显为爆炸能量所破坏,轴向钢筋部分炸断,混凝土炸开炸
散,荆笆及部分混凝土碎块被推离原位置2 m左右,只有极少量飞石掷了10 m左右。所砌隔离墙和门洞砌体全部震开震散。靠近充水区的水塔基础上部混凝土被震碎,由于基础布筋较密,基础其他部位除几处可见裂纹和水泥表皮剥落外,完整性好。爆后水塔实现定向倒塌,倒塌过程平稳,无后坐,前冲2m,取得了预期效果。但筒体实际断裂面并非一个完整的平面,其最高位置高于设计断面约220 mm,经仔细观察发现,该断裂点正是轴向钢筋的搭接头位置,且接头不可靠。
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