羅福友，陶 明，王云茂，劉成敏，張 鑫，肖國喜

(1.江西國泰五洲爆破工程有限公司，南昌330096;2.江西省爆破工程技術研究中心，南昌330012;3.江西國泰民爆集團股份有限公司，南昌330096)

近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們環(huán)保意識的提高，落后產(chǎn)能逐步被淘汰，許多建(構(gòu))筑物需要拆除。

高聳建筑一般采用爆破拆除方法[1-5]，如鋼筋混凝土倒錐形水塔結(jié)構(gòu)的高聳建筑。通常其拆除方法是在水塔傾倒方向筒身底部爆破出一個切口[6-8]，使其重心失穩(wěn)產(chǎn)生傾覆力矩，從而達到定向倒塌目的。

水塔的結(jié)構(gòu)類型有很多種，如鋼筋砼框架柱形、磚混筒形、磚混柱形和鋼筋砼倒錐形等結(jié)構(gòu)。其中鋼筋砼倒錐形水塔是較為新型的水塔類型，設計容水量一般為50～300 m3，高度20～40 m，整個水塔由倒錐水箱、環(huán)形承接梁、薄壁支承筒、圓形鋼筋混凝土基礎構(gòu)成。筒壁為單層或雙層配筋，布筋粗密，尤其門洞兩邊加強配筋。此類水塔筒身斷面直徑大，一般在2.4 m左右。筒身直徑小，厚度一般為0.2 m，倒錐形水箱結(jié)構(gòu)重心高，錐角一般為30°和45°。

水塔拆除時一般采用爆破定向倒塌，其關鍵環(huán)節(jié)是合理選取爆破切口和精確定向。水塔筒壁薄，重心高，極易產(chǎn)生“后坐”和“下坐”現(xiàn)象?！昂笞焙汀跋伦笨赡軐е聝A倒方向偏移，甚至可能向反方向倒塌。如果爆破環(huán)境復雜，極易造成安全事故。本文結(jié)合工程實例，闡述了怎樣通過合理設計，精細施工，在保證爆破質(zhì)量與安全的前提下，實現(xiàn)水塔精準倒塌的過程。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

待拆水塔位于江西省彭澤縣龍城鎮(zhèn)淵明路東側(cè)(見圖1)，東面距居民房約30 m，南面距居民樓約40 m，西面距居民樓約15 m，北面距居民樓約50 m，四周均為下向斜坡;東北面20 m范圍內(nèi)為平地，20 m以外為山林地，為上山斜坡。

1.2 水塔結(jié)構(gòu)

圖1 爆破周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment of the blasting

待拆水塔由支撐筒和倒錐形水箱組成，其中支撐筒為液壓滑模澆筑薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，外徑2.4 m，壁厚0.18 m，高25 m;水箱為倒錐形薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其最大直徑9.2 m，高5.4 m;水塔支筒＋水箱總高度為30.4 m，總重約130 t。砼標號為250號，混凝土強度等級為C35。西南側(cè)有一寬0.64 m，高2.05 m的門洞。

2 爆破方案設計

2.1 倒塌方向設置

建筑物拆除主要有機械法、人工法及爆破法。采用機械法拆除必須由上到下，且遠距離操作，一般機械臂長無法達到水塔高度。且待拆水塔處于山體斜坡上，機械拆除設備擺放場地不足，環(huán)境較復雜，故不宜采用。倒錐形水塔雖為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但壁薄，支撐筒細，拆除過程易造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。高空人工拆除技術難度大、費用高、工期長、安全隱患大。相比較前面2種方法，爆破法拆除該水塔，倒塌方向好控制，技術上成熟，安全可靠，施工成本也更低廉。

根據(jù)分析，在水塔底部炸開一定長度的切口，可使水塔按設計倒塌方向定向傾倒并破碎解體。根據(jù)現(xiàn)場爆破環(huán)境條件，選擇向東北方向(北偏東40°)倒塌最優(yōu)，因為門洞位于倒塌方向正后方，所以設為單切口定向爆破倒塌。

2.2 預處理

在對水塔實施爆破之前，清理倒塌范圍場地。倒塌方向場地寬約20 m，長約40 m，20 m范圍內(nèi)為雜草荒地，20 m外為灌木叢，此方向有一定的山坡度。爆破前需要清除倒塌范圍30 m內(nèi)樹木，在倒塌方向22 m處挖掘倒塌基坑以防水箱滾動，基坑尺寸為15 m×15 m×2 m(長×寬×深度)。

另為保證水塔嚴格按設計方向傾倒，事先開定向窗，并切除定向窗內(nèi)鋼筋，水塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)(水管、避雷管線、鋼筋樓梯等)預先拆除;用混凝土和磚塊在保留區(qū)域門洞處砌補好，使其與支撐筒交結(jié)成一體;倒塌時，對預留部分起支撐作用，減少下坐和后坐。

2.3 爆破切口設計

2.3.1 切口形狀

水塔爆破拆除的切口一般有正梯形切口、倒梯形切口和長方形切口。正梯形切口控制倒塌方向較好，倒梯形切口水塔后坐效應較小，長方形切口倒塌方向不易控制。

為保證倒塌方向精準，確保周邊建筑物安全，且方便施工，提高施工效率，確定選用正梯形切口爆破(見圖2)。

圖2 爆破切口Fig.2 The blasting cut

2.3.2 切口長度

由于支撐筒直徑小，布筋密，為有效控制并減緩起爆后筒壁剩余部分的屈服過程，使筒身在傾倒前得到有效的支撐以控制倒塌方向，設計鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)水塔爆破切口的開口圓心角為210°～220°。即爆破切口長為

切口底邊:L底＝(210～220)/360×π×D＝4.396～4.605 m，取4.5 m，開口圓心角約215°。

2.3.3 切口高度

對于鋼筋混凝土高聳建筑而言，應考慮切口形成后，切口內(nèi)裸露的豎向鋼筋必須失穩(wěn)。同時，還應使水塔在傾倒至較大角度時，切口的上、下沿才閉合相撞，防止相撞時使傾倒方向發(fā)生偏離。同時，還應使其傾倒至爆破切口閉合時，重心位置偏移到切口標高處筒壁范圍以外。切口高度h根據(jù)以往經(jīng)驗按下列公式[9]確定:

式中:h為切口高度，m;B為水塔壁厚，m。

鋼筋混凝土較薄時，切口高度(炸高)取大值，如果配筋比高，也取大值;同樣壁厚條件下，高度大的取小值，高度小的取大值。如果炸高小了，暴露的鋼筋不會立刻屈曲，水塔不會立即失穩(wěn)倒塌，殘留的混凝土也可能支撐水塔不馬上倒塌，對倒塌方向的準確性和安全不利。

按照上式計算，最大切口高度h＝0.54～0.9 m。為確保水塔爆破時倒塌順利，根據(jù)工程經(jīng)驗，本次爆破切口高度取1.2 m。同時，開鑿寬0.45 m，高0.4 m，底角42°的三角形定向窗，其尺寸為:寬0.45 m，高0.4 m，底角42°。

2.3.4 倒塌失穩(wěn)驗算

水塔總荷載約為130×104N，爆破切口處鋼筋直徑d＝20 mm，共43根，鋼筋彈性模量E＝21×1010N/m2。

爆破后每根裸露鋼筋(豎筋)的實際應力為式中:P為切口上部總荷載，130×104N;N為筒身豎筋根數(shù)，43根;S為豎筋截面積，3.14×10－4m2。

計算得σi＝9.6×107N/m2。

根據(jù)力學公式，壓桿的柔度極限為

式中:E為鋼筋的彈性模量，取21×1010N/m2[10]。

計算得λi＝147。

臨界壓桿高度與臨界柔軟度之間存在以下關系:通過計算可得到臨界壓桿高度li＝0.73 m。故爆破切口的高度須大于0.73 m，而實際切口高度h＝1.2 m＞0.73 m，所以爆破切口尺寸滿足倒塌要求。

2.3.5 支撐筒壁強度驗算

爆破切口形成后，水塔重量全部由預留筒壁支撐，若支撐面積不足，則會造成水塔下坐或后坐，嚴重時造成水塔傾倒方向偏離。因此，設計時必須對預留支撐筒壁的抵抗強度進行驗算。當水塔筒身軸向壓力小于預留支撐筒壁的極限抗壓強度時，水塔爆破瞬間不會下坐或后坐，即滿足:

式中:P為水塔重量;S為預留支撐筒壁橫截面積;[σe]為水塔筒身混凝土抗壓強度，C35等級的混凝土抗壓強度為23.4 MPa。

水塔總荷載約為130×104N，預留支撐筒壁橫截面積S＝0.432 m2，水塔支撐壁體抗壓強度[σe]取23.4 MPa，代入式(5)計算出P/S ＝3.0 MPa，故[σe]＞P/S，水塔倒塌瞬間不會發(fā)生后坐和下坐，能夠保證順利傾倒。

2.4 爆破參數(shù)設計

炮孔以梅花型方式布置(見2c)，為方便鉆孔作業(yè)，選擇離地面1.0 m布孔。炮孔直徑38～42 mm;最小抵抗線W＝B/2＝0.18/2＝0.09 m;炮孔深度L＝2B/3＝2×0.18/3＝0.12 m;炮孔間距ɑ＝0.2 m;炮孔排距b＝0.2 m;總炮孔104個;炸藥單耗q＝3 000 g/m3;單孔裝藥量Q＝qɑbB＝21.6 g，下部3排孔取30 g，上部其余孔取25 g;總裝藥量約2.86 kg。

2.5 起爆網(wǎng)路

使用防水性較好的?32 mm乳化炸藥，采用非電導爆管交叉起爆網(wǎng)路，最后用起爆針擊發(fā)起爆。進行孔內(nèi)分段，沿倒塌中心線對稱，依次布置MS3、MS5、MS7段，3個段別的炮孔總覆蓋面積基本一致(見圖3a);孔外每15～20根導爆管腳線組成一組，每組用2發(fā)MS1段大把抓，然后再進行二把抓形成交叉網(wǎng)路(見圖3b)。

圖3 起爆網(wǎng)路Fig.3 Firing circuit

3 安全校核及安全措施

3.1 爆破飛石

由于拆除爆破的炮孔淺，填塞短，抵抗線小，單耗大，產(chǎn)生個別飛石的因素較多，飛石較難控制。

參考爆破界有關學者在拆除爆破的實踐，總結(jié)歸納出的依據(jù)炸藥單耗計算個別飛石距離的經(jīng)驗公式[5-6]:

式中:R為無覆蓋條件下拆除爆破飛石的飛散距離，m;q為炸藥單耗，kg/m3。

單孔藥量30 g時，單耗為4.17 kg/m3，計算得R＝160.2 m，個別飛石距離遠超過與保護對象安全距離，因此需用竹笆和密目網(wǎng)等對水塔筒體爆破切口位置進行飛石防護，將飛石危害控制在安全范圍之內(nèi)。

3.2 爆破沖擊波

爆炸產(chǎn)生的沖擊波強度按下式進行校驗:

式中:Rk為沖擊波安全距離;Q為毫秒延時爆破總藥量，本次裝藥總藥量約2.86 kg。

計算得:Rk＝35.5 m，該計算結(jié)果為裸露爆破時的空氣沖擊波的安全距離，實際上由于炮孔填塞及防護，空氣沖擊波在一定程度上有所減弱，能夠保障周邊建筑和人員不受爆破沖擊波的損害和損傷。

3.3 爆破振動

對于炸藥爆炸產(chǎn)生振動的控制，采用多打孔、少裝藥、延時起爆等技術來避免能量集中，嚴格控制單孔藥量，將能量進行分散。

爆破振動速度按下式計算[12]:

式中:v為爆破振動速度，cm/s;Q為最大一段齊爆藥量，kg;R為爆破幾何中心至最近保護物之間的距離，m;K、α為與爆破地震波傳播地區(qū)地質(zhì)條件有關的系數(shù)，K＝32.1，α＝1.58。

3.4 塌落振動

水塔塌落觸地時，對地面的沖擊較大，產(chǎn)生塌落振動。塌落振動質(zhì)點速度按下式計算[13]:

式中:vt為塌落振動速度，cm/s;Kt為衰減系數(shù)，Kt＝3.37～4.09，取3.37;σ為地面介質(zhì)的破壞強度，MPa，一般取σ＝10 MPa;β為衰減指數(shù)，－1.66～－1.80，取－1.66;R為保護物至落地中心的距離，m;m為下落構(gòu)件的質(zhì)量，t;H為構(gòu)件重心高度，25 m。

水塔倒塌沖擊地面中心與北面保護樓房距離約為25 m，振動速度為1.4 cm/s，小于1.5 cm/s，在安全范圍之內(nèi)。且倒塌方向地面為泥質(zhì)土層，對塌落振動有一定緩沖作用。受保護的樓房位于坡底，低于落地處水平標高，根據(jù)振動傳播的高效應規(guī)律可知，塌落振動值會有一定程度的削弱。樓房處的振動值小于計算值，因此其塌落振動能夠控制在安全范圍之內(nèi)。

3.5 塌落觸地飛濺物及防滾動

水塔塌落觸地產(chǎn)生的飛濺物數(shù)量、距離決定于水塔在自重作用下，觸地產(chǎn)生的沖量及場地表面狀況以及防護。因此，在其倒塌方向倒錐形水箱塌落位置挖一長15 m，寬15 m，深2 m的基坑，并在基坑內(nèi)鋪設一層帆布，防止水箱倒塌觸地產(chǎn)生的飛濺物以及箱體滾落至兩邊山體，傷及周邊建筑物。

4 爆破效果及分析

4.1 爆破效果

起爆后，水塔開始向倒塌方向傾斜，傾斜速度較慢;約2 s后，水塔出現(xiàn)下坐，但傾倒趨勢已形成，最終按設計方向倒塌;倒塌長度約24 m，水塔下坐高度約5 m;飛石距離控制在10 m內(nèi)，未造成周邊民房損壞，未發(fā)生安全事故，爆破圓滿成功(見圖4)。

圖4 水塔爆破前后Fig.4 Comparison chart before and after blasting

4.2 效果分析

水塔爆破切口形成后，其重量全部由底部預留筒壁承擔，在支撐筒壁中心軸兩端靠近切口的區(qū)域首先受壓，隨著水塔的失穩(wěn)傾覆，倒塌方向遠端的預留區(qū)域受拉，此時預留筒壁前端壓碎，裂紋由兩側(cè)對稱向后發(fā)展;受拉區(qū)域開裂，預留筒壁有效截面逐漸減小，最終與受壓區(qū)域裂紋貫通，失去支撐作用，水塔在倒塌的過程中下坐，這是起爆后約2 s，水塔出現(xiàn)下坐的原因。

針對此水塔設計的爆破切口，即保證了水塔的傾覆失穩(wěn)，又較大程度保留了支撐面積，有效地保障了支撐體強度，防止水塔爆破瞬間下坐，讓水塔有充足時間形成傾倒趨勢，避免了倒塌方向產(chǎn)生偏離。

5 結(jié)語

1)該類型水塔通常含有門洞，爆破時一定要考慮門洞對倒塌方向或支撐區(qū)域強度的影響。門洞位于預留區(qū)域時，對門洞封堵使其承受荷載均勻。

2)爆破切口開口圓心角為210°～220°時，傾倒過程較緩慢;若門洞位于切口范圍內(nèi)時，開口角度應適當加大。

3)一定要了解水塔的配筋和相關參數(shù)，核算切口高度和預留筒壁的支撐強度，防止爆而不倒或因支撐力不足導致倒塌方向產(chǎn)生偏差。