復雜環(huán)境下水塔爆破新方法研究

張耀良，郭惠良，夏云鵬

(1.江蘇長江爆破工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.句容市公安局，江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

1 工程概況與施工難點

1.1 工程概況

待爆水塔為磚混結(jié)構(gòu)，高度為37 m，水塔底部外徑為3.6 m，底部壁厚為0.37 m。北側(cè)距天然氣控制柜僅為6 m，距離鍋爐房15 m，距離辦公樓38 m，距離架空管道14 m；東側(cè)距離生產(chǎn)車間14 m；南側(cè)距離儲存有液堿、乙醇等物質(zhì)的鋼罐17 m，距離東西走向架空電線及地表水管為9 m;西側(cè)距離儲物倉庫16 m(見圖1)。水塔底部東側(cè)布置有一門洞寬1 m，高1.6 m，以及第一、二圈梁(由下往上數(shù))之間東西兩側(cè)各布置有一窗口，寬0.6 m，高1 m(見圖2)。塔體共設(shè)有6 道圈梁，自地面每隔5 m設(shè)置一寬0.3 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)圈梁，每道圈梁內(nèi)設(shè)有一平臺，平臺板厚度為0.2 m；水塔頂部有一外徑為4 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水箱，塔內(nèi)留有水管，管徑為50 cm。

圖1 水塔周邊環(huán)境Fig.1 Environment around the water tower

圖2 水塔Fig.2 Water tower

1.2 施工難點分析

1)周邊環(huán)境復雜，無倒塌場地：水塔北側(cè)6 m處為天燃氣管道及控制柜，不能有后座對其產(chǎn)生擠壓和損壞，南側(cè)有乙醇、液堿罐各一個，東側(cè)及東南側(cè)有創(chuàng)力纖維化工廠生產(chǎn)車間，西側(cè)有圍墻及大型倉庫，無可供倒塌的場地。

2) 圈梁及平臺存在，自落解體較難：由于水塔設(shè)計要求承重40 t水，因此塔體共設(shè)有6 道圈梁及內(nèi)部平臺，加強了其整體性，爆后水塔難以解體。

3)局部風化厲害，會產(chǎn)生不均勻解體：由于水塔年久失修，水箱局部漏水造成筒體部分侵蝕嚴重，爆破時易發(fā)生不均勻解體，影響水塔倒塌方向的準確性。

4)門洞和窗口存在，切口易形成不均勻支撐：由于門洞和窗口正好位于兩切口范圍內(nèi)，切口兩側(cè)與窗口邊緣不對稱，起爆后易形成不均勻支撐，導致水塔偏向。

5)頂部水箱整體澆筑，易產(chǎn)生前沖和滾動：水塔頂部水箱整體性較好，且水箱與筒體之間沒有相拉的構(gòu)件存在，觸地時水箱易發(fā)生分離前沖或者滾動。

6)周邊有液堿、乙醇罐及燃氣管道存在，易產(chǎn)生燃爆事故：天然氣管道、乙醇罐距離爆體很近，如若處理不當，爆后產(chǎn)生的飛石、火花易對其產(chǎn)生次生危害。

7)上、下切口延時時間難以準確控制：采用雙切口起爆，上、下切口之間的延時時間將嚴重影響水塔能否取得上部結(jié)構(gòu)定向，下部結(jié)構(gòu)坍塌的爆破效果。

8)周邊廠房、居民密集，清場任務(wù)重：由于周邊廠區(qū)居民密集，爆破時必須對警戒區(qū)域內(nèi)的人員車輛徹底清場，警戒清場任務(wù)重。

2 爆破方案

2.1 倒塌方向

水塔周邊倒塌環(huán)境受限，如果采用原地坍塌的爆破方式，水箱下落時由于底部可能形成不均勻支撐導致其滾動或倒向需保護的一側(cè)，后果不堪設(shè)想，因此，只能將高37 m的水塔倒塌在東南方向僅有19 m場地內(nèi)，還不能產(chǎn)生較大的后坐(見圖3)。

圖3 水塔倒塌方向Fig.3 Collapse direction of water tower

2.2 爆破切口

為將高37 m待爆水塔倒塌在長19 m的場地內(nèi)，利用待爆水塔先行形成定向傾倒趨勢后，使其原地下坐，縮短倒塌距離，即本次采用雙切口，上部切口形式為梯形，位于距地面9 m的位置(即第二道圈梁下方)，下部切口形式為矩形，位于距地面1.0 m的位置(見圖4)。

圖4 水塔爆破切口位置Fig.4 Position of blasting cutting in water tower

圖5 水塔上部切口Fig.5 Upper cutting of water tower

下部切口：爆破切口長10.3 m，后部預留1 m作為支撐，防止其倒塌偏向，切口高1.4 m(見圖6)。

圖6 水塔下部切口Fig.6 Lower cutting of water tower

在上部切口起爆后，水塔上部筒體向東南產(chǎn)生傾倒至75°～80°時，方向已確定，此時起爆下部切口，產(chǎn)生下坐，使水塔形成定向傾倒加下坐的趨勢，最終在筒體自身的重力作用下傾倒、下坐、解體(見圖7)。

圖7 水塔爆破方式Fig.7 Blasting mode of water tower

2.3 爆破參數(shù)與起爆網(wǎng)路

本次爆破的設(shè)計參數(shù)如表1所示；起爆網(wǎng)路采用安全可靠的非電復式閉合網(wǎng)路(見圖8)，上下切口間的延時時間為330 ms。

表1 爆破參數(shù)

圖8 起爆網(wǎng)路Fig.8 Initiation network

3 安全校核與安全防護

3.1 安全校核

1)爆破振動校核。爆破振動速度公式為

(1)

式中：v為爆破允許質(zhì)點振動速度，cm/s；Q為單段最大起爆藥量，kg；R為保護對象至爆破點的距離，m；k、α分別為與爆區(qū)地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；k′為修正系數(shù)，k′=0.25。

本次爆破單段最大藥量為8.38 kg，以離水塔最近的生產(chǎn)車間(14 m)，計算出該處炸藥爆炸產(chǎn)生的爆破振動速度為2.07 cm/s，根據(jù)相關(guān)規(guī)定[1-3]，爆破振動速度不會對爆區(qū)建筑物及設(shè)施造成影響。

2)觸地振動校核。倒塌觸地振動速度公式[4]：

(2)

式中：vt為塌落引起的地面振動速度，cm/s；R為觀測點至沖擊地面中心的距離，m；m為下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；H為構(gòu)件的高度，m；σ、g、kt、β分別為地面介質(zhì)的破壞強度、重力加速度、觸地振動速度衰減系數(shù)、觸地振動速度衰減指數(shù)，可按經(jīng)驗取σ=10 MPa，g=9.8 m/s2，kt=3.37～4.09，β=1.80～1.66。

經(jīng)計算，水塔自重約為120 t，對需保護的生產(chǎn)車間，在采取減振溝、緩沖堤等措施，衰減系數(shù)kt僅為原狀地面的1/4～1/3，因此計算的觸地振動速度為1.47 cm/s，在允許范圍內(nèi)。

3)飛石距離校核。個別飛石飛散距離[5-7]

Rmax=Kt·q·D

(3)

式中：Kt為與爆破方式、填塞長度、地質(zhì)和地形條件有關(guān)的系數(shù)，結(jié)構(gòu)物爆破一般取Kt=1.0～1.5；q為炸藥單耗，kg/m3；D為藥孔直徑，mm。

經(jīng)計算，Rmax為57 m,此計算是在無任何防護措施下所達到的飛石距離，爆破時，采取一系列的防護措施，完全可以將飛石控制在安全范圍內(nèi)。

3.2 安全防護

1)覆蓋防護。在水塔爆破切口頂端打入數(shù)個鋼釘，并拉一道鐵絲，將3 層安全網(wǎng)固定在鐵絲上，對爆破部位實施覆蓋，最后用鐵絲將其加以固定，防止飛石逸出(見圖9)。

圖9 覆蓋防護Fig.9 Coverage protection

2)遮擋防護。在水塔南側(cè)使用鋼管、扣件搭設(shè)防護架，掛設(shè)安全網(wǎng)，以及東側(cè)生產(chǎn)車間前懸掛安全網(wǎng)，用以避免觸地飛石對兩側(cè)保護物造成傷害(見圖10)。

圖10 遮擋防護Fig.10 Occlusion protection

3)重要設(shè)備防護。拆除北側(cè)天然氣控制柜，對原來的位置使用厚鋼板覆蓋，并在鋼板上堆放沙袋，保護其不受損壞(見圖11)。

圖11 重要設(shè)備防護Fig.11 Protection of important equipment

4)減振措施。在倒塌方向的南側(cè)和東側(cè)開設(shè)減振溝(見圖10)，減少振動對周邊的影響，開挖出的土堆至減振溝的一側(cè)保護路面不受破壞，并在儲水灌體著地位置開挖緩沖坑，堆筑防沖堤，防止水箱前沖傷及周邊(見圖12)。

圖12 減振防護Fig.12 Protection of vibration reduction

5)預拆除。對倒塌方向上的架空電線進行預拆除；清除罐體內(nèi)液堿、乙醇等物質(zhì)，防止造成液體泄漏污染水源；拆除塔內(nèi)上下水管，防止爆后形成新的支撐影響倒塌方向。

4 爆破效果

1)上部切口起爆，上部筒體按預定方向傾倒，330 ms后下切口起爆，上部筒體近似垂直下落，觸地后按照預定倒塌方向傾倒，倒塌方向準確，方向與設(shè)計方向基本一致(見圖13)。

圖13 水塔倒塌過程Fig.13 Water tower collapse process

2)爆破前在生產(chǎn)車間設(shè)置振動監(jiān)測點，通過儀器監(jiān)測，生產(chǎn)車間的振動速度為0.98 cm/s,遠小于安全振動速度。

3)由于采取遮擋防護、重要設(shè)備防護等有效措施，周邊生產(chǎn)車間、倉庫、鍋爐房、管線安然無恙，爆后設(shè)備正常運行。

4)爆后爆堆長17 m，高1 m，寬5 m，倒塌在受限的范圍內(nèi)，符合設(shè)計的爆破目標，同時周邊保護目標未受到影響。

5 結(jié)語

通過此次嘗試，并對水塔傾倒下坐過程的視頻分析和最終測量，摸清了在場地受限且不能采取原地坍塌時，對高聳薄壁類構(gòu)筑物采用定向加原地坍塌的雙切口爆破是可取的一種方法，但對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高聳薄壁類構(gòu)筑物，因為上部不易解體，此法不一定適用，可在上部多開設(shè)幾個矩形貫通式切口，使其在定向趨勢后，節(jié)節(jié)下落，達到定向加原地坍塌的目的；上下切口的延時時間間隔究竟是多少為最佳，也有待進一步探索。