不同預處理方法對鋼筋混凝土水塔爆破拆除效果的影響

夏曼曼，鄭德明，戴春陽，潘寶玉

(安徽天明爆破工程有限公司,滁州 239000)

在水塔、煙囪等高聳結構物爆破拆除設計和施工過程中，為了精確控制倒塌方向、保證建筑物順利倒塌、有效減少爆破飛石、爆破振動、爆破沖擊波等有害效應，獲得更好的爆破效果，通常會對建筑物進行預處理。所謂“預處理”是指在建筑物爆破拆除施工中[1,2]，為了滿足工程技術要求，在不破壞整體穩定性的情況下，對某些非承重部位實施預先拆除或削弱部分結構的施工方法，破壞其局部結構，經過預處理，建筑物的整體性受到一定程度的破壞，有利于充分利用其重心失穩而順利倒塌。因此，控制爆破拆除時，對其某些部位做預處理，對于降低工程消耗和保證爆破安全都具有重要的意義。

隨著時代的發展，預處理技術不斷發展更新，根據結構類型、預處理的部位以及周邊環境等條件影響，目前進行預處理的方式通常包括人工預處理、爆破預處理和機械預處理3類[3]。

以兩座已拆除水塔為例，通過比較爆破預處理和機械預處理對于鋼筋混凝土水塔爆破拆除產生的影響，以期為同類工程提供一些施工經驗。

1 工程環境

1.1 周邊環境

1#水塔位于天長市經濟開發區，四周環境較復雜，東側6.5 m有水泵房；東北側17 m有3間小平房和2層樓房；南側2 m處有廁所，100 m處有廠房和辦公樓；西側3 m處有變電房和廠房，位于變電房1 m處有變壓器；西南25～60 m處有廠房和辦公樓；北側距公路20 m。煙囪周圍環境如圖1所示。

圖 1 1#水塔周圍環境示意圖(單位:m)Fig. 1 Schematic diagram of the surrounding environment of the 1# water tower(unit:m)

2#水塔位于阜陽市潁州區，北面26 m為居民區，南側46 m為民房，5 m處為公路，西南側14 m為橋梁，東側9 m為阜陽潁淮農商行新辦公大樓工地圍擋，周圍環境示意圖如2所示。

圖 2 2#水塔周邊環境示意圖(單位：m)Fig. 2 Schematic diagram of the surrounding environment of the 2# water tower(unit:m)

1.2 水塔結構

1#水塔高24 m，為薄壁鋼筋混凝土筒狀結構，無破壞，無傾斜。水塔筒身外直徑2.61 m，壁厚20cm，鋼筋單層布筋，周長8.2 m，筒體下部南側有1個尺寸為180 cm×80 cm的小門，水塔頂部有倒錐形大圓盤水箱[4]。

2#水塔高36 m，塔身為鋼筋混凝土筒式圓形結構，高度為30 m，頂部呈傘形，底部直徑2.53 m，壁厚22 cm，在水塔底部北側0.5 m標高處有一尺寸為190 cm×80 cm的檢修門。

2 爆破設計

2.1 爆破總體方案

高聳建(構)筑物爆破拆除一般有定向倒塌式、定向折疊倒塌式、原地坍塌式，根據2座水塔結構及爆區周圍環境，均采用定向倒塌式，1#水塔倒塌方向為東偏南約62°方向，2#水塔倒塌方向為東偏北方向。

2.2 爆破切口設計

(1)切口形式及角度

爆破缺口的目的是為了創造失穩條件，因此缺口的形狀的優劣將直接決定水塔定向倒塌是否準確[5]。一般說高聳構筑物定向爆破倒塌切口的形式有矩形、正梯形、倒梯形等不同形狀[6-9]。1#水塔傾倒爆破的缺口采用展開形狀為組合梯形，2#水塔采用正梯形切口形狀，采用正梯形爆破切口既能滿足水塔倒塌方向的準確性又能減少藥孔數量。

通常情況下，爆破切口的長度是以水塔的重力引起的截面彎矩(MP)等于或稍大于預留支撐截面極限抗彎力矩(MR)為主要依據來確定的[7]。根據一般工程經驗，切口的長度一般取斷面圓周(πd)的0.5～0.67，相對應的切口圓心角為180～241°。1#水塔爆破切口角度選取198°，2#水塔設計切口圓心角為209°，但根據現場施工情況，實際切口角度為200°。兩座水塔的爆破切口圖如圖3(a)、(b)所示。

圖 3 水塔爆破切口示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of blasting cut of water tower(unit:m)

(2)切口高度

缺口的高度H是水塔爆破拆除的重要參數[10-12]。對于鋼筋混凝土的高聳建筑物來說，采用爆破形成拆除切口時應考慮切口形成后應使其在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。根據一般工程經驗公式確定切口高度H

H≥(3～5)δ

式中，δ為切口處壁厚，1#水塔H取值范圍是0.6～1.0 m，2#水塔H取值范圍是0.66～1.1 m，為保證缺口內混凝土全部脫離，考慮到部分混凝土碎塊無法完全脫離鋼筋，一般缺口高度應適當增加，再加上要考慮炮孔間排距的完整布置，因此1#水塔最終確定爆破缺口高度為1.5 m，2#水塔爆破缺口高度為1.2 m。

2.3 爆破參數

爆破參數見表1。

表 1 1#、2#水塔拆除爆破參數Table 1 Demolition blasting parameters of 1# and 2# water towers

2.4 預處理方案

為保證水塔嚴格按照設計方向倒塌，1#水塔在小門正對方向筒壁上用爆破的方法炸出1個尺寸相同的小門，在爆破切口兩側分別人工開設1個長0.5 m、高0.5 m三角形的定向窗；2#水塔爆前采用機械預處理，預處理措施有以下兩點：

①在檢修門相對的另一側用空心鉆開鑿同一尺寸大小的小門。

②在爆破切口兩端對稱開設定向窗，定向窗尺寸為：10 cm(寬)×20 cm(高)(直角三角形，見圖4)。

圖 4 2#水塔定向窗預處理Fig. 4 Pretreatment of directional window of the 2# water tower

3 爆破效果及分析

3.1 爆破效果

1#水塔起爆后，大約經過3 s之后開始向預定方向沿廁所邊線倒塌，水塔鋼筋砼儲水筒重重落在地上，未破碎，整個倒塌過程歷時約5 s，周圍建筑物均未損壞，達到了設計的預期目的。

2#起爆后，切口內混凝土全部剝離飛出，配筋外露，水塔未能倒塌。觀察發現水塔爆破缺口中，鋼筋已經發生大的變形，失去了承載能力，而支撐部分的混凝土未發生較大形變，剩余支撐部分強度仍能滿足要求，水塔未能倒塌。見圖5。

3.2 爆破結果分析

(1)余留支撐體截面面積

切口形成后，余留支撐體截面面積計算[13]

(1)

通過(1)式計算出1#水塔余留支撐體面積為0.68 m2，2#水塔余留支撐體面積為0.70 m2，從計算結果比較可知，2#水塔余留支撐體面積較大，這也是導致其炸后不倒的主要因素之一。

(2)定向窗夾角

定向窗作為高聳煙囪控制爆破拆除時筒體沿設計方向傾倒的一個必要條件，定向窗夾角直接影響到后部支撐部位的應力分布狀態以及切口閉合的進程，因而對煙囪倒塌的平穩性和后坐問題都有很大影響，理論研究表明；定向窗夾角越大，尖端應力集中影響范圍越大，剪切破壞區域也越大，而且最大剪應力越高，因而越容易發生后坐。1#水塔定向窗角度為45°，2#水塔定向窗角度63.5°，比較兩者大小發現定向窗夾角大小并不是影響鋼筋混凝土水塔倒塌的關鍵。

(3)切口高度

對于鋼筋混凝土結構水塔而言，切口處被炸掉的是混凝土，而豎向鋼筋依然保留在結構中，起著支撐上部的作用。如果爆破切口高度僅滿足切口上下閉合時重心偏離出支撐面，但滿足不了使鋼筋失穩失去承載能力的高度，鋼筋混凝水塔將會出現炸而不倒的情況。

對于爆破切口處裸露的鋼筋，當支撐力較大、滿足強度要求時，就要按剛度要求確定爆破切口高度。要保證鋼筋混凝土高聳構筑物倒塌，就要使切口裸露鋼筋長細比大于規定的容許長細比[λ]，即[10,14]

λ≥[λ]

(2)

一般取[λ]=150

根據材料截面的幾何特性的計算公式，鋼筋的長細比為

λ=μh/i

(3)

其中μ為構件的計算長度系數，對于兩端固定的壓桿，取μ=0.5；h為爆破切口的高度；i為鋼筋截面的回轉半徑，i=D/4(D為鋼筋直徑)。

將(3)式代入(2)式中，可得爆破切口的高度為

h≥[λ]D/4μ=75D

(4)

將相關數據帶入(4)式中，可得1#、2#水塔滿足剛度要求的切口高度為1.5 m，而在實際施工中2#水塔切口高度為1.2 m，小于1.5 m，從2#水塔第一次爆破的效果來看，鋼筋全部裸露豎立，起著支撐作用，水塔沒有倒塌，其主要原因是切口高度不夠，使切口處鋼筋的穩定承載能力大于水塔重量對鋼筋施加的壓應力。

(4)2#水塔爆后不倒，除以上分析外，1#水塔采用爆破法開鑿對稱小門及組合三角形部分(不包含定向窗)，2#水塔爆前采用機械預處理在檢修門相對的另一側用空心鉆開鑿同一尺寸大小的小門，采用爆破法進行預處理時，炸藥的爆炸作用對保留支撐部位的強度產生了弱化作用[15,16]。

3.3 2#水塔處理方案

2#水塔而后進行二次爆破，在保證對稱性的前提下，在定向窗的頂部外覆炸藥，爆破后，水塔發生傾倒，達到預期效果。爆破后效果如圖6所示。

圖 6 2#水塔二次處理后爆破效果Fig. 6 Blasting effect of the2# water tower after secondary treatment

4 結語

鋼筋混凝土水塔爆破拆除效果受多種因素影響，預處理對于水塔定向爆破拆除具有十分重要的意義，爆破前對水塔實施適當的預處理，能夠有效地保證爆破安全和水塔順利定向倒塌。當水塔爆破切口角度偏小時，采用爆破預處理更有利于保證水塔的順利倒塌；爆破切口形成后余留支撐體截面面積大，不利于鋼筋混凝土水塔的順利倒塌；定向窗夾角大小對鋼筋混凝土水塔能否倒塌沒有直接關系；爆破切口高度是影響鋼筋混凝土水塔倒塌的關鍵因素，爆破施工時要考慮水塔中配筋的強度、剛度和穩定承載能力，選取合理的爆破切口高度。