某水塔爆破拆除不對稱倒塌的研究

王 泳

(南昌陸軍學院， 江西 南昌 330103)

某水塔爆破拆除不對稱倒塌的研究

王 泳

(南昌陸軍學院， 江西 南昌 330103)

通過工程實例，對框架水塔實施不對稱倒塌爆破拆除進行了研究和探討，根據水塔的周圍環境及其對爆破的要求，決定采用定向爆破。并對爆破參數和起爆網絡進行了設計，針對爆破可能引起的飛石、振動等危害，提出了安全防護措施及施工關鍵技術，明確指出該類爆破拆除中需要注意問題和處理方法，以便類似工程借鑒。

水塔；爆破拆除；不對稱倒塌

0 引 言

隨著城市建設不斷發展，爆破拆除的環境越來越復雜，對爆破提出的要求也越來越高，這給爆破工作者帶來新的挑戰和困難，需要爆破工作者組合不同精湛的爆破技術與完美施工手段才可精準的完成爆破拆除任務，因此往往要采取折疊爆破或定位倒塌爆破，甚至多形式爆破，才能確保爆破拆除過程的安全。

1 工程概況

為加快江西省南昌市青山湖區舊城改造步伐，決定對青山湖區星輝村一水塔進行爆破拆除，該水塔為框架式鋼筋混凝土結構，其高度34.0 m，水箱體為鋼筋混凝土澆鑄而成的圓筒結構，高約6.0 m，直徑8.0 m，壁厚0.5 m。鋼筋混凝土框架高28.0 m，水箱由鋼筋混凝土框架支撐，框架由4根鋼筋混凝土柱和3圈鋼筋混凝土圈梁組成。

鋼筋混凝土框架柱體截面積為正方形，其邊長為30 cm×30 cm，因甲方無法提供水塔建設圖紙，因此其鋼筋混凝土柱體的配筋不詳。

2 四周環境

被拆除水塔位于一小學旁邊的一個院子內，其北邊圍墻外為小學，圍墻內距水塔0.8 m處為結構一層的民房；東邊相距圍墻1.5 m，圍墻外為寬6.0 m的村內道路，道路東邊為民房；南邊相距圍墻30.0 m，圍墻外是青山湖大道；西邊40.0 m為民房，其周圍環境見圖1。

在爆破過程中，要求不能損傷水塔周邊的建筑物，且爆破飛石或飛散物要求不能落到青山湖大道，避免造成道路損傷及影響交通。

圖1 水塔四周環境

3 爆破方案選擇

從水塔周邊建構筑物來看，水塔向西偏南55°倒塌最為有利，這樣可以避免水塔倒塌時損害北邊民房和圍墻，也可以滿足倒塌范圍要求，減少施工成本。

3.1 定向爆破倒塌因素分析

(1) 水塔中間上下水管直接從地表連接到頂部的儲水罐中，且為剛性連接，分為前后兩根直徑不小于12 cm鑄鐵管位于水塔4個立柱的中心位置，會在水塔倒塌過程中產生支撐作用，同時會影響水塔向設計方向倒塌。

(2) 清理水塔上下用扶梯因直接固定在地上且為三角鐵結構，爆破時會影響倒塌甚至會使定向出現偏斜。

(3) 水塔下部圈梁離地表只有4.5 m且為25 cm×25 cm的鋼筋混凝土結構，在水塔爆破后觸地瞬間，因其支撐地表可能會產生反彈，導致倒塌位置產生位移或不準。

3.2 立柱炸高設計

立柱的炸高決定著水塔倒塌是否順利和方向的準確，也決定著施工的難易程度及工作量大小。采用下列公式計算立柱炸高：

H=k(B+Hmin)

式中，H為立柱的破壞高度，m；k為經驗系數，k=1.0～2.0；B為傾倒方向立柱截面的長度，m；Hmin為立柱的最小破壞高度，m，根據經驗Hmin一般不小于0.8 m。

通過計算，各立柱的炸高分別為：1號立柱2.0 m，2號立柱1.7 m，3號立柱1.4 m和4號立柱0.5 m，立柱標號見圖2，以確保水塔按照設計方向倒塌。

圖2 立柱標號

3.3 爆破參數設計

(1) 最小抵抗線w：由于本次爆破的是小截面構件，最小抵抗線取立柱截面最小邊長的一半，即：

w=B/2

(1)

式中，w為最小抵抗線，m；B為立柱截面最小邊長,m。

經計算w=0.15 m。

(2) 炮孔間距a：

a=(1.2～1.5)w

(2)

經計算取w=0.2 m，本次爆破采用單排炮孔。

(3) 孔深L：

L=2B/3

(3)

經計算L=0.2 m。

(4) 單孔裝藥量q：

q=kv

(4)

式中，k為單位炸藥消耗量，本水塔爆破k=0.83～1.21 kg/m3；v為單孔爆破體積，m3。

經計算q=22.5～33.5 g，根據對爆破體的現場考察和工程爆破實踐經驗取q=30 g。

根據以上計算結果，爆破參數見表1。

4 起爆網路設計

為了確保起爆網路可靠、安全，實現倒塌方向不對稱和微差時間的準確性，決定采用電子雷管起爆網路，其中1號立柱10個炮孔均設置起爆時間為0 ms，2號立柱9個炮孔均設置起爆時間為400 ms，3號立柱7個炮孔均設置起爆時間為375 ms和4號立柱2個炮孔均設置起爆時間為700 ms，總計使用電子雷管28個，使網路連接更加簡單和便捷，起爆網路見圖3。

表1 爆破參數

圖3 起爆網路

5 爆破安全計算

5.1 爆破震動計算

爆破振動按公式(5)計算:

(5)

式中，v為被保護對象所在地面質點震動速度，cm/s；Q為最大同段起爆藥量，本工程中設計的最大段起爆藥量為0.3 kg；R為爆破中心至被保護物的距離；k、k1、α為與爆破點至被保護物之間的地形，地質以及爆破類型等有關的系數與指數，k=150，k1=0.5，α=1.7。

因本次爆破最大段藥量為0.3 kg，炸藥不直接在與房屋基礎一致的地下爆破，而是通過水塔立柱炮孔內炸藥爆炸后間接傳遞給周邊房屋，且經過不同介質和路徑衰減，因此爆破振動對房屋的損害可以忽略不計。

5.2 塌落振動

塌落觸地振動是本次爆破控制重點，對于塌落觸地振動速度的計算，采用周家漢教授提出的建筑物爆破拆除時的塌落振動速度計算公式：

(6)

式中，v1為塌落引起的地面振動速度，cm/s；M為下落構件的質量，M=200 t；g為重力加速度，9.8 m/s；H為構件的重心高度，H=31.0m；σ為地面介質的破壞強度，一般取10 MPa；R為離沖擊觸地點的距離，本工程中水塔倒塌后距西邊民房最近為8.5 m，距北邊民房最遠為30.0 m；k1，β為塌落振動速度衰減系數和指數，k1=3.37～4.09，取k1=3.8；β=1.80～1.66，取β=1.8。

經計算水塔倒塌時引起的塌落振動距北邊民房為1.56 cm/s，距西邊民房為15.07 cm/s。由此可見爆破塌落振動遠大于民房抗振值，因此，需對東、西民房采取措施進行防護，以免爆破時民房損害而引起糾紛。

5.3 爆破空氣沖擊波計算

為了確保周圍人員和建構筑物安全，采用裸露爆破時空氣沖擊波的安全允許距離計算公式：

(7)

式中，R為空氣沖擊波對人員的最小允許距離，m；Q為毫秒爆破時按照一次爆破的總藥量，kg，Q=0.88 kg；經過計算R=23.95 m，因本工程采用淺孔控制爆破和加強堵塞爆破，同時爆破空氣沖擊波擴散條件好，所以爆破時空氣沖擊波不會對周圍民房造成損害。

5.4 爆破飛石計算

爆破飛石距離按照式(8)計算：

(8)

式中，v為飛石初始速度，m/s；Q為單孔最大藥量，Q=0.03 kg；w為最小抵抗線，m；k為防護系數，0.2～0.5，取0.5；g為重力加速度，m/s2；S為個別飛石水平方向的距離，m；α為飛石的拋射角。

當α=45°時，個別飛石的水平距離最遠，經計算S=132.85 m，由此可見爆破時安全警戒范圍設置為200.0 m。

6 爆破防護

(1) 飛石的防護。對炮孔采用主動防護和被動防護兩種，主動防護就是在選擇炮孔位置、鉆孔、計算裝藥量及微差時間時做到準確無誤，力爭不產生飛石；被動防護就是采用緊貼式防護炮孔，減少飛石發生和飛擲，即在布置炮孔的立柱部分，首先用草袋包裹一層立柱，同時給草袋浸水以增加草袋抗拉力，草袋外面用鐵絲網包裹，鐵絲網外面用竹笆包裹，3層防護物品緊密連接，以確保飛石不造成損害。

(2) 塌落振動防護。上述計算表明塌落振動有可能會對周邊民房造成損害，同時也可能在水塔落地瞬間引起石塊飛濺造成事故，因此決定在水塔倒塌范圍內鋪設厚度為2.0 m、寬度為13.0 m的粘土，以緩沖水塔落地時的沖擊力和防止飛濺物的發生。

7 爆破效果

起爆后水塔首先向下座，接著向西南傾斜，再向西南方向緩緩倒塌，整個倒塌過程持續7 s，水塔倒塌長度18.3 m、寬度10.6 m，倒塌位置與設計的方向偏南了約3°，爆破效果見圖4。

圖4 爆破效果

8 結 論

(1) 對于對稱結構的框架式水塔，在爆破場地受限時，可以通過設置不同立柱的炸高和不同的微差時間實現不對稱倒塌，達到爆破要求。

(2) 通過控制炸高和對圈梁的爆破可以實現倒塌長度的控制。

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[4]劉殿中，楊仕春.工程爆破實用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2003.

[5]顧毅成，史雅語，金驥良.工程爆破安全[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2009.

2017-05-06)

王 泳(1967-)，男，江西南昌人，教授，長期從事工程爆破理論與實踐研究，Email:wangyong67526@126.com。