摘 要:控制爆破拆除包钢房地产开发公司3座钢筋砼水塔。3座水塔均高40•18m、上部水柜直径13•5m,顶部直径及储水量300t是国内迄今为止爆破最大最重的钢筋砼水塔,水塔位于楼宇林立的“街坊”之中,周围环境十分复杂。受倒塌条件的限制,采用了高位切口定向倒塌爆破方案。对爆破技术参数精心设计、精心组织施工,爆破区采用双排钢管双层蒲帘进行了封闭式防护有效地控制飞石危害,挖减震沟及缓冲减震坑有效地控制地震波传播及碎石反弹,爆破达到了定向准确、安全、破碎好的效果。本文所提供的经验值得以后类似爆破工程借鉴。
关键词:水塔;控制爆破;高位切口;封闭式防护;缓冲减震坑
1 工程概况
包钢房地产开发公司技改项目中有3座水塔决定用爆破方法拆除。经查阅相关资料以及现场勘察,3座水塔结构基本相同。水塔建于1990年,高40•18m,塔身高32m,顶端储水柜呈倒锥体,容积为300m3、高8•18m、直径13•14m,钢筋砼结构,布筋φ18@180,塔体壁厚0•18m、周长10m、外直径3•2m,底部有门高2m、宽1m,塔体由上而下分布7个窗口,水塔整体结构坚固,总重量327•3t。水塔建于居民区中,环境十分复杂,3座水塔均没有倒塌距离,给定向爆破造成很大困难。3座水塔分别在104#街坊、105#街坊和92#街坊。现就92#街坊水塔定向爆破为例作一介绍。92#街坊水塔东距马路25m、距居民楼35m,南距居民楼25m,西距居民楼30m、距动力线12m,东北方向距办公楼20m,办公楼距倒塌中心线仅12m,北侧居民楼距水柜落点22•3m,该水塔四邻环境。
2 92#街坊水塔爆拆的特点与难点
(1)倒塌距离不够。水塔总高度为40•18m,而3个水塔周围可供倒塌方向的最大长度为42~45m,考虑到水塔落地后的前冲作用,至少应有8~10m倒塌空间,现仅有2~5m长度,给定向倾倒造成极大困难,必须采取特殊措施。顶部水柜落地后即紧靠围墙或楼房基础,70t重的水柜落距高达40m,其塌落振动对楼房将产生较大影响,而巨大的水柜直径为13•5m,支撑在壁厚仅为0•18m、直径为3•2m的筒体上,落地后断裂前冲也危及到住宅楼的安全。经再三考虑将切口高度确定为距地面3m以上,以减少水塔塌落在地面的长度,确保安全。但切口提高,给防护带来很大困难,防护排架要更高、更长、更宽,而且也加大了水塔下坐的高度,将影响倒塌方向的准确性。
(2)水塔周围环境复杂。距水塔倒塌轴线仅12m就是办公楼,除去水柜所占体积(半径为6•75m),则水塔倒塌边缘距办公楼仅5•25m,紧邻办公楼。水塔落地冲击变形、破裂,塌落振动和破碎
的飞块都影响着办公楼的安全。
(3)倒塌方向要求极为精确。水塔倒塌边缘距相邻办公楼仅为2m,安全余量很小,水塔倒塌方向稍有偏斜,就会毁坏办公楼及民房。再加上一些未知因素,如水塔原施工质量、运行过程中积累的隐患等,施工风险很大。
(4)塔筒身为薄壁结构,厚度为18cm,要求爆破孔的钻孔精度高,必须控制在12~12•5cm,误差不大于1cm,要精心设计、精心施工。
(5)塔顶部为倒圆锥结构,重达70t,最大直径为13•5m,高8m,支撑体为直径3•2m的薄壁筒体结构,水塔重心高,爆后极易产生下坐而影响倾倒方向。
(6)水塔的材料为钢筋混凝土,钢筋为25的ⅱ级螺纹或ⅰ级圆钢,间距为10~20cm,为保证水
塔严格按设计方向倒塌,必须考虑钢筋的抗拉、抗弯应力的影响。
3 爆破设计
3•1 爆破切口
爆破切口的位置与形状以及布孔展示
(1)倒塌方向:经现场实地测量,水塔正北面40•7m有倒塌距离,确定正北为倾倒方向。
(2)切口位置:为安全起见,据倒塌距离确定爆破切口布置在地表以上3m处。
(3)切口形状:爆破切口形状影响爆破时的倾倒过程,为确保定向倾倒的准确性,采用梯形切口。
(4)切口大小:切口高h = (1•5~3•0)δ=0•54m,取h =1•25m,式中δ为壁厚,δ=0•18m;切口下宽l=(0•59~0•66)s=6m,其中s为切口处周长,s=10m;切口底角α=25°;切口上宽l1=
4•4m。
3•2 布孔及装药参数
(1)孔深:l = (0•69~0•70)δ=0•120~0•126m
(2)孔距:a = (0•59~0•67)δ=0•15~0•17m,取a =0•2m
(3)排距:b = (0•87~1•0)a =0•13~0•15m,取b =0•15m
(4)孔数:排平均孔数:na=(l + l1)/2a =26个;排数:nb=h/b =8排。布孔总数:n=na•nb=208个,主爆孔数164个。
(5)单孔装药:q = k•a•b•δ=16•2g,其中k =3000g/m3,取q =15~20g。总药量qz=q•n=4•16kg,导爆管384发,电雷管26发,装药量经试炮后确定。
3•3 起爆网路
保证网路的可靠起爆,是确保水塔顺利按预定方案倒塌的关键。本次爆破采用非电微差毫秒导爆管雷管,每孔装2发1段导爆管,用电雷管激发引爆,采用并串簇联网路,用2#岩石炸药,gn-2000型高能起爆器起爆。
3•4 预处理
为保证水塔爆破定向的准确性,必须开设定向窗和定位窗,定向窗在切口底线两侧切角为25°,高1•25m、宽0•8m,呈三角形;定位窗在中线布置,宽0•8m、高1•25m,为矩形均用风镐拆除,露出的钢筋全部割掉,切口必须严格按设计施工。在切口下面南侧的砼门,用砂浆、砖砌筑,增加支撑部分的抗压强度防止后坐。在水塔切口范围以内的钢管、平台、梯子等全部切割掉,以防影响爆破效果。
4 安全校核
(1)水塔预处理以后稳定性校核:σ= p/s =2•39mpa (2)式中:p为水塔自重,p=327•3t;s为水塔预处理以后的支撑面积,s =1•368m2,钢筋砼的抗压强度σc= 17mpa。因σc>σ,因此预处理后不会因荷载作用使剩余壁体压溃而坍塌。
(2)爆破切口形成瞬间,余留支撑壁体支撑能力验算:σ= p/s =4•55mpa,s =4×0•18=0•72m2,因σc>σ,所以爆破缺口形成瞬间保留部分能够满足支撑能力要求,不会产生后坐现象。
(3)爆破切口形成后水塔按预定方向倾倒的条件是〔2〕:mp≥m0mp=prcosθ=1527•23kn•m (4)m0=2r2•δ[σ]•(θ0-sinθ)=1383•96kn•m (5)式中:mp是重力矩;p是水塔自重,p=3273kn;r为切口处平均半径,r =1•51m;m0为支撑截面的极限抗弯强度;δ为壁厚,δ=0•18m;[σ]为钢筋砼极限抗弯强度,[σ] =1•5([ftk]+μ[fyk]) = 5•64×103kn/m2;ftk为砼极限抗弯强度,取ftk=1•75×103kn/m2;fyk为钢筋极限抗弯强度,取fyk=335×103kn/m2;μ为配筋率,取μ=0•6%;θ为支撑截面半圆心角,θ=72°;θ0为半圆心角,θ0=1•25弧度。经核算mp>m0,所以水塔当瞬间打开缺口能顺利倒塌。
(4)爆破震动。根据萨道夫斯基公式进行计算:v = k1k2(3q/r)α(6)式中: k1为场地介质系数,取k1=150; k2为与爆破方式有关的修正系数,取k2=0•3;α是衰减系数,α=1•6; r是爆源距计算点距离; q是最大药量,q =4•2kg。按此公式核算最近20m的楼房质点振速小于规程规定值,所以周围建筑物不会受爆破震动的影响。
(5)水塔倒塌触地振动。倒塌振动按经验公式计算〔2〕:
v = k[(mgh)1/3/r]2(7)式中: v为触地振动速度,cm/s;k为经验系数,取k=30; m = p/g,p为水塔质量,p=327•3t,g=9•8m•s-2;h为重心高度,h=23m;r为着地点到测点距离。经计算,周围建筑物受振动影响小于安全规程规定的振速值。采取挖减振沟、缓冲减振坑可大大减缓振动。
(6)爆破飞石。爆破飞石距离按以下拆除爆破经验公式计算〔3〕:
r =71q0•58=7•3m (8)式中:r为飞石距离,r =7•3m;q为单孔装药量,q =0•02kg。
5 安全防护措施
钢筋砼薄壁结构容易产生飞石,防止飞石主要措施是加强防护,具体做法如下:
(1)爆破缺口用六层蒲帘,外层用铁丝网包裹,蒲帘上面浸透水增加韧性和强度,使防护效果更有效。近距离建筑物采用双层蒲帘进行防护,严格控制飞石的危害。
(2)水塔东西部、北部架设钢管双层排架,用两层蒲帘及尼龙防护网,排架总长110m、高6m,做成双排防护排架,进行封闭式保护性防护。
(3)距倾倒中心20m以内堆土层高1m、宽5m,铺蒲帘1层防止碎石反弹。
(4)在距倒塌中心20~38m之间范围内挖18m×20m、深3m的缓冲减振坑,垫软土质防护层,上面铺多层蒲帘,防止碎石飞溅,缓冲减振。
(5)距倾倒中心41m围墙处挖宽1m、深3m、长20m减振沟,防止对北面楼房的振动危害。
6 爆破效果
2005年7月8日下午2点48分,随着一声轰响,水塔向预定正北方向落地倒塌。巨大的300t水柜,塌落到缓冲减震坑内,经实测落地水柜横向东侧边缘距最近的办公楼仅1•5m。原设计落地长度35•5m,现场实测落地长度35•4m。切口爆破飞石完全控制在防护屏障以内,水柜落地后没有碎石反弹,距倒塌中心仅12m的办公楼玻璃无损坏,经监测数据表明,地震波振动速度幅值完全控制在国家规定范围内(见表1)。四周居民楼安然无恙,爆破取得了极大成功(见图4)。
7 结 语
包钢300m3水塔(上部储水柜直径13•5m)爆破属a级爆破工程,顶部直径是国内迄今为止爆破拆除最大、最重的圆形钢筋混凝土结构水塔。经包头正大爆破公司精心设计、施工和业科学组织管理,且由铁道部科学研究院、中国水利水电科学研究院爆破专家论证、监理,工程取得了圆满成功,无论在技术上,还是管理及安全防护方面都提供了不少有益的经验:
(1)水塔爆破倒塌距离不够时,采用高位切口爆破。
(2)水塔爆破有它的特殊性,因“头重脚轻”定向困难,一定要精心设计、科学组织施工管理。
(3)防止切口爆破飞石危害,是可以做到的。切口要进行有效防护,爆区四周用双排钢管组成封闭式防护屏障,能有效地控制飞石危害。
(4)对于高40多米、重达300多吨、顶部储水罐大直径13•5m倒锥形水塔,落地瞬间有巨大的冲击力,将产生地震波应引起爆破工程师高度重视,否则对周围建筑物将产生破坏作用。我们的解决办法是,在被保护建筑物前挖减震沟,在水柜落地范围挖缓冲减震坑,保持坑底部是软土质层,将石块、砼块等全部清理,在上面铺多层蒲帘均匀布置在水柜落地范围。经三座水塔爆破表明,这样处理后的水塔落地没有碎石反弹,从测震数据可见,大大缓解了水塔落地冲击力及地震波的传播。
(5)严格、科学的组织管理工作是水塔爆破成功的重要方面,b级以上的爆破要进行监理、监测工作。
(6)防止薄壁水塔爆破后下坐是值得研究的问题。
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