異型結構鋼筋混凝土水塔爆破拆除

王 升,易理輝,莫志平

（湖南長工工程建設有限公司， 湖南 長沙 410003）

1 工程概況

1.1 工程概況及周圍環境

2017年4月湖南普照科技資產轉讓項目拆除工程需一次爆破拆除2棟鋼筋混凝土排架結構廠房；3座鋼筋混凝土結構池爐煙囪；1座水塔。待拆除水塔為一座異型結構鋼筋混凝土水塔，兼做工廠的標志性構筑物。水塔全貌見圖1。

圖1 水塔全貌

1.2 周圍環境

水塔北側為廠區道路及待拆除的一期生產廠房，距北側廠房19.5 m。西側為露天變電站和綜合動力站，已停止使用，暫時不拆除，水塔距西側最近變壓器16.30 m。東側為綜合水站和廢水處理站，在水塔爆破前采用機械拆除。水塔至廢水處理站最東側距離 98.50 m，拆除后的場地可以滿足水塔定向倒塌的要求。南側距道路邊緣40.2 m，距二期廠房62 m。廠區占地面積大，水塔基本位于廠區中心，距離廠外周邊道路距離均在400 m以上，環境良好。

2 爆破方案的確定

2.1 水塔結構

水塔為鋼筋混凝土剪力墻結構，立面為矩形切角，平面為開口圓筒形、中間井字形隔墻加強。南北向為進出通道，寬1.95 m；東西向為凹槽封閉口形狀，寬0.95 m，凹形深度1.0 m。

水塔高62.35 m，加避雷針總高度71.35 m，直徑8.90 m，上下等直徑，底部周長27.95 m。水塔共6層，每層高10 m，水柜位于第5層，標高40.00～50.00 m，水箱容積500 m3。樓梯間位于水塔東南側結構內，樓梯為鋼質爬梯。水塔剪力墻厚0.25 m，混凝土標號C35，剪力墻主筋Φ16×150雙層布置，橫筋 Φ14×150，對拉筋 Φ8×600。

2.2 爆破方案的選擇確定

常規的水塔多數為圓形支筒結構或是方形框架結構。待拆除水塔為開口圓筒形，且中間設置井字形隔墻，支筒外壁和筒內隔墻為鋼筋混凝土剪力墻。水塔結構堅固、承載力大、橫向剛度大。經檢索，尚未見到類似結構的水塔爆破拆除案例。

采用定向倒塌爆破拆除常規的水塔、煙囪，僅爆破框架柱或支筒筒壁。如此，本水塔爆破切口部分的內部隔墻則要全部預處理拆除。從結構看，中間縱橫隔墻為整個水塔的主要承重結構，如果預先將爆破切口部分的（底部）內部隔墻全部預拆除，上部未拆除結構的重力彎矩會對筒壁產生嚴重的影響，在無法驗算預拆除后結構的穩定值，又沒有類似結構成功拆除經驗的情況下，全部預拆除中間縱橫隔墻后，無法保證水塔結構的穩定，存在較大的安全隱患，不宜選用。

相對于框架、框剪結構建筑物，水塔的結構尺寸又相對較小。如果采用常規的框架結構爆破方法，因為水塔為圓形剪力墻結構，剪力墻為薄壁結構，需要鉆鑿大量的炮孔，工作量大，使用的炸藥雷管數量大。為減少鉆孔工作量需要進行大量的預處理，費時費工。水塔爆破拆除與框架結構和框剪結構爆破拆除的后支撐不同，一般框架結構的后支撐鉸點為各軸線的后排立柱，為直線點支撐。而水塔的后支撐為爆破切口外剩余的筒壁，為圓弧形線支撐，且東西兩側有凹形隔墻，結構剛度更大，抗彎性能更好。

圖2 水塔周圍環境

圖3 水塔底層平面

根據拆除爆破理論，建構筑物倒塌必須滿足的力學條件是：破壞結構（構件）的強度；破壞結構物（構件）的剛度；使結構失穩，進而使結構倒塌。

結合周邊環境，業主工期、質量、安全等要求，對結構進行分析，借鑒煙囪、水塔常規爆破方法和框架剪力墻爆破方法，結合二者優點，利用控制爆破拆除高聳構筑物失穩倒塌原理，采取措施破壞結構的強度、剛度，從而滿足建構筑物倒塌的力學條件，利用重力矩使高聳構筑物傾覆。確定采用定向倒塌方式爆破拆除水塔，倒塌方向為正東。爆破切口范圍確定為扇形，保留后支撐，但需對后支撐采取措施進行削弱。爆破切口高度、形式按框剪結構爆破切口確定方式確定。采用延期起爆技術，與其它廠房、煙囪等一次性點火起爆，完成爆破拆除。

3 爆破參數

3.1 爆破切口設計

3.1.1 爆破切口形式的選擇確定

按常規煙囪水塔爆破拆除切口確定的原則，爆破切口平面圓心角確定為216°。

爆破切口采用矩形切口+三角形定向窗切口，自地面以上50 cm布置爆破切口。水塔外壁下切口長度：L=0.6πD=16.76 m。

經驗算，保留后支撐部分的抗壓強度滿足混凝土強度要求。

3.1.2 爆破切口參數設計

爆破切口高度：按薄壁圓形支筒結構H=（5～7）δ=1.25～1.75 m。經計算，當切口傾角為9°時，水塔重心即可偏出外邊線，相對應切口高度1.45 m。

按框剪結構建筑物定向倒塌爆破傾倒角25°～30°考慮，按 30°計算，H=tan30°×4.45 =2.57 m。根據確定的定向倒塌爆破方案，考慮水塔結構特殊，內部設置井字形剪力墻，結構剛度大，為確保結構失穩，爆破切口按剪力墻結構建筑考慮，結合孔網參數設計確定爆破切口高度取2.75 m。

3.2 爆破參數設計

（1）厚25 cm水塔東側筒壁、內隔墻剪力墻（見圖4）。

圖4 東側筒壁爆破切口展開圖及炮孔布置

最小抵抗線：W=1/2δ=0.125 m，孔深：L=2/3δ=0.17 m，孔距：a=2*W=0.25 m，排距：b=(0.9-1.0)a=0.25 m，排數：N=12排，炸藥單耗：q=3000g/m3，單孔藥量：Q=qabδ=46.87 g，實際取50 g。

（2）水塔東側凹槽隔墻（見圖 5）。拐角加腋處斜炮孔，孔數24個，孔深0.24 m，藥量66.67 g。其余炮孔參數同筒壁。

（3）水塔東側井字形橫向隔墻（見圖 6）。沿隔墻短邊鉆孔24個，孔深L=0.82 m，孔距a=0.25 m，炸藥單耗 q=3000 g/m3，Q=qaS=178.12 g，實際取200 g。

圖5 東側凹槽隔墻爆破切口展開圖及炮孔布置

圖6 東側井字形橫向隔墻爆破切口及炮孔布置

孔內3段裝藥，底部、口部50 g，中間100 g。拐角加腋處傾斜炮孔加深，孔深 0.24 m,單孔藥量66.67 g。

（4）水塔西側井字形橫向隔墻（含定向窗）（見圖7）。爆破參數同東側隔墻。定向窗結合試驗爆破預先用爆破法開設。切口末端炮孔不裝藥，試爆后人工修整成形。確保切口長度和后支撐長度符合設計要求。

（5）為確保水塔順利倒塌，水塔西側凹槽后支撐縱橫隔墻鉆2排水平炮孔，對后支撐進行削弱，破壞隔墻剛度。最小抵抗線W=0.125 m，孔深 0.17 m，孔距0.25 m，排距0.20 m。炸藥單耗q=2800 g/m3，單孔藥量Q=35 g。

水塔爆破拆除炮孔總數：1391個，總裝藥量：52.26 kg。

圖7 西側井字形橫向隔墻（含定向窗）爆破切口及炮孔布置

4 裝藥結構

裝藥使用Φ32乳化炸藥。根據炮孔布置，每孔1個藥包。每孔用1發非電導爆管雷管起爆。內部“井”字形隔墻短邊鉆孔采用分段裝藥結構，用導爆索串聯起爆。炮孔口部用炮泥填塞，填塞緊密，裝藥結構見圖8。

圖8 連續裝藥結構和短邊鉆孔分段裝藥結構示意

5 起爆順序及起爆延期時間

水塔內部縱橫隔墻炮孔內采用MS-3導爆管雷管，水塔外壁及后支撐爆破孔內采用MS-7段導爆管雷管，內部隔墻先起爆，外壁延時150 ms起爆。過橋（傳爆）導爆管雷管全部采用MS-1導爆管雷管，每節點2發。水塔起爆網路連接好后接入主起爆網路。

6 爆破預拆除和試驗爆破

6.1 預拆除

由于剪力墻為薄壁結構，絕大多數情況下只能進行水平孔，孔網密集，導致鉆孔數量巨大。常規剪力墻結構爆破拆除需要進行大量的預處理工作，以減少鉆孔工作量，提高勞動效率，降低炸藥使用量，提高安全系數。常用的預處理方法有人工、機械破碎鑿除，爆破破碎，機械切割。本工程預處理部位為：爆破切口范圍內部分水塔支筒外壁；內部部分井字形隔墻；水塔內上下水管道。

外壁直接用液壓破碎錘按設計確定的區域范圍進行破碎鑿除，機械破碎完成后人工進行修整。內部“井”字形隔墻由于大型破碎錘無法進入，結合試驗爆破進行預處理。既檢驗爆破設計參數的合理性，又檢驗爆破器材的性能和可靠度。

6.2 試驗爆破部位及參數

水塔外壁24孔、水塔內部25 cm厚水塔外壁縱橫隔墻220孔，單孔藥量Q=50 g，底部一排炮孔單孔藥量Q=66.67 g；水塔外壁定向窗19孔，單孔藥量Q=35 g；水塔3區縱向剪力墻分段裝藥4孔，裝藥孔Q=200 g，分3段，底部50+100+50 g。合計試炮孔數277孔。總裝藥量14.35 kg。采用2草簾加2層鋼絲網進行包裹防護。

試驗爆破效果：所有試驗爆破部位按設計預想全部貫通，混凝土脫離鋼筋籠，鋼筋籠散離原位。分段裝藥的隔墻也全部貫通，混凝土脫離鋼筋籠，鋼筋籠散離原位。爆破個別飛散物飛散距離約 30 m。試爆證明參數合理。

7 爆破效果及爆破體會

7.1 爆破效果

點火起爆后，水塔順利倒塌，倒塌方向與原設計倒塌方向一致。倒塌后的水塔大部分結構完好，破碎解體不完全。

7.2 爆破體會

針對這種特殊結構構筑物的爆破拆除,爆破切口形式和切口高度的確定可以借鑒、參考常規煙囪、水塔、框架、框剪結構爆破切口參數的確定方法進行確定。

對于結構剛度很大的建構筑物，后支撐要進行適當的削弱和預處理。處理方法可以采用爆破法，也可以采用人工、機械預處理。

利用起爆時間差，先起爆水塔內部隔墻，后起爆外部筒壁，將特殊復雜結構變為常規簡單結構。

對復雜異型構筑物進行預拆除時，在沒有成熟可靠的安全驗算結果，沒有大量的成功案例支撐，無法確保結構安全的情況下，對水塔內部縱橫隔墻不完全預拆除，更加安全可靠。