異型結(jié)構(gòu)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(shè)有限公司， 湖南 長沙 410003）

1 工程概況

1.1 工程概況及周圍環(huán)境

2017年4月湖南普照科技資產(chǎn)轉(zhuǎn)讓項(xiàng)目拆除工程需一次爆破拆除2棟鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)廠房；3座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)池爐煙囪；1座水塔。待拆除水塔為一座異型結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土水塔，兼做工廠的標(biāo)志性構(gòu)筑物。水塔全貌見圖1。

圖1 水塔全貌

1.2 周圍環(huán)境

水塔北側(cè)為廠區(qū)道路及待拆除的一期生產(chǎn)廠房，距北側(cè)廠房19.5 m。西側(cè)為露天變電站和綜合動(dòng)力站，已停止使用，暫時(shí)不拆除，水塔距西側(cè)最近變壓器16.30 m。東側(cè)為綜合水站和廢水處理站，在水塔爆破前采用機(jī)械拆除。水塔至廢水處理站最東側(cè)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(cè)距道路邊緣40.2 m，距二期廠房62 m。廠區(qū)占地面積大，水塔基本位于廠區(qū)中心，距離廠外周邊道路距離均在400 m以上，環(huán)境良好。

2 爆破方案的確定

2.1 水塔結(jié)構(gòu)

水塔為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，立面為矩形切角，平面為開口圓筒形、中間井字形隔墻加強(qiáng)。南北向?yàn)檫M(jìn)出通道，寬1.95 m；東西向?yàn)榘疾鄯忾]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(biāo)高40.00～50.00 m，水箱容積500 m3。樓梯間位于水塔東南側(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)，樓梯為鋼質(zhì)爬梯。水塔剪力墻厚0.25 m，混凝土標(biāo)號(hào)C35，剪力墻主筋Φ16×150雙層布置，橫筋 Φ14×150，對(duì)拉筋 Φ8×600。

2.2 爆破方案的選擇確定

常規(guī)的水塔多數(shù)為圓形支筒結(jié)構(gòu)或是方形框架結(jié)構(gòu)。待拆除水塔為開口圓筒形，且中間設(shè)置井字形隔墻，支筒外壁和筒內(nèi)隔墻為鋼筋混凝土剪力墻。水塔結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、承載力大、橫向剛度大。經(jīng)檢索，尚未見到類似結(jié)構(gòu)的水塔爆破拆除案例。

采用定向倒塌爆破拆除常規(guī)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(nèi)部隔墻則要全部預(yù)處理拆除。從結(jié)構(gòu)看，中間縱橫隔墻為整個(gè)水塔的主要承重結(jié)構(gòu)，如果預(yù)先將爆破切口部分的（底部）內(nèi)部隔墻全部預(yù)拆除，上部未拆除結(jié)構(gòu)的重力彎矩會(huì)對(duì)筒壁產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，在無法驗(yàn)算預(yù)拆除后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定值，又沒有類似結(jié)構(gòu)成功拆除經(jīng)驗(yàn)的情況下，全部預(yù)拆除中間縱橫隔墻后，無法保證水塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，存在較大的安全隱患，不宜選用。

相對(duì)于框架、框剪結(jié)構(gòu)建筑物，水塔的結(jié)構(gòu)尺寸又相對(duì)較小。如果采用常規(guī)的框架結(jié)構(gòu)爆破方法，因?yàn)樗閳A形剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻為薄壁結(jié)構(gòu)，需要鉆鑿大量的炮孔，工作量大，使用的炸藥雷管數(shù)量大。為減少鉆孔工作量需要進(jìn)行大量的預(yù)處理，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。水塔爆破拆除與框架結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)爆破拆除的后支撐不同，一般框架結(jié)構(gòu)的后支撐鉸點(diǎn)為各軸線的后排立柱，為直線點(diǎn)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(cè)有凹形隔墻，結(jié)構(gòu)剛度更大，抗彎性能更好。

圖2 水塔周圍環(huán)境

圖3 水塔底層平面

根據(jù)拆除爆破理論，建構(gòu)筑物倒塌必須滿足的力學(xué)條件是：破壞結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的強(qiáng)度；破壞結(jié)構(gòu)物（構(gòu)件）的剛度；使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)倒塌。

結(jié)合周邊環(huán)境，業(yè)主工期、質(zhì)量、安全等要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，借鑒煙囪、水塔常規(guī)爆破方法和框架剪力墻爆破方法，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，利用控制爆破拆除高聳構(gòu)筑物失穩(wěn)倒塌原理，采取措施破壞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，從而滿足建構(gòu)筑物倒塌的力學(xué)條件，利用重力矩使高聳構(gòu)筑物傾覆。確定采用定向倒塌方式爆破拆除水塔，倒塌方向?yàn)檎龞|。爆破切口范圍確定為扇形，保留后支撐，但需對(duì)后支撐采取措施進(jìn)行削弱。爆破切口高度、形式按框剪結(jié)構(gòu)爆破切口確定方式確定。采用延期起爆技術(shù)，與其它廠房、煙囪等一次性點(diǎn)火起爆，完成爆破拆除。

3 爆破參數(shù)

3.1 爆破切口設(shè)計(jì)

3.1.1 爆破切口形式的選擇確定

按常規(guī)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(jīng)驗(yàn)算，保留后支撐部分的抗壓強(qiáng)度滿足混凝土強(qiáng)度要求。

3.1.2 爆破切口參數(shù)設(shè)計(jì)

爆破切口高度：按薄壁圓形支筒結(jié)構(gòu)H=（5～7）δ=1.25～1.75 m。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)切口傾角為9°時(shí)，水塔重心即可偏出外邊線，相對(duì)應(yīng)切口高度1.45 m。

按框剪結(jié)構(gòu)建筑物定向倒塌爆破傾倒角25°～30°考慮，按 30°計(jì)算，H=tan30°×4.45 =2.57 m。根據(jù)確定的定向倒塌爆破方案，考慮水塔結(jié)構(gòu)特殊，內(nèi)部設(shè)置井字形剪力墻，結(jié)構(gòu)剛度大，為確保結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，爆破切口按剪力墻結(jié)構(gòu)建筑考慮，結(jié)合孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)確定爆破切口高度取2.75 m。

3.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）厚25 cm水塔東側(cè)筒壁、內(nèi)隔墻剪力墻（見圖4）。

圖4 東側(cè)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(shù)：N=12排，炸藥單耗：q=3000g/m3，單孔藥量：Q=qabδ=46.87 g，實(shí)際取50 g。

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

（3）水塔東側(cè)井字形橫向隔墻（見圖 6）。沿隔墻短邊鉆孔24個(gè)，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(shí)際取200 g。

圖5 東側(cè)凹槽隔墻爆破切口展開圖及炮孔布置

圖6 東側(cè)井字形橫向隔墻爆破切口及炮孔布置

孔內(nèi)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(cè)井字形橫向隔墻（含定向窗）（見圖7）。爆破參數(shù)同東側(cè)隔墻。定向窗結(jié)合試驗(yàn)爆破預(yù)先用爆破法開設(shè)。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(shè)計(jì)要求。

（5）為確保水塔順利倒塌，水塔西側(cè)凹槽后支撐縱橫隔墻鉆2排水平炮孔，對(duì)后支撐進(jìn)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(shù)：1391個(gè)，總裝藥量：52.26 kg。

圖7 西側(cè)井字形橫向隔墻（含定向窗）爆破切口及炮孔布置

4 裝藥結(jié)構(gòu)

裝藥使用Φ32乳化炸藥。根據(jù)炮孔布置，每孔1個(gè)藥包。每孔用1發(fā)非電導(dǎo)爆管雷管起爆。內(nèi)部“井”字形隔墻短邊鉆孔采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，用導(dǎo)爆索串聯(lián)起爆。炮孔口部用炮泥填塞，填塞緊密，裝藥結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)和短邊鉆孔分段裝藥結(jié)構(gòu)示意

5 起爆順序及起爆延期時(shí)間

水塔內(nèi)部縱橫隔墻炮孔內(nèi)采用MS-3導(dǎo)爆管雷管，水塔外壁及后支撐爆破孔內(nèi)采用MS-7段導(dǎo)爆管雷管，內(nèi)部隔墻先起爆，外壁延時(shí)150 ms起爆。過橋（傳爆）導(dǎo)爆管雷管全部采用MS-1導(dǎo)爆管雷管，每節(jié)點(diǎn)2發(fā)。水塔起爆網(wǎng)路連接好后接入主起爆網(wǎng)路。

6 爆破預(yù)拆除和試驗(yàn)爆破

6.1 預(yù)拆除

由于剪力墻為薄壁結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)情況下只能進(jìn)行水平孔，孔網(wǎng)密集，導(dǎo)致鉆孔數(shù)量巨大。常規(guī)剪力墻結(jié)構(gòu)爆破拆除需要進(jìn)行大量的預(yù)處理工作，以減少鉆孔工作量，提高勞動(dòng)效率，降低炸藥使用量，提高安全系數(shù)。常用的預(yù)處理方法有人工、機(jī)械破碎鑿除，爆破破碎，機(jī)械切割。本工程預(yù)處理部位為：爆破切口范圍內(nèi)部分水塔支筒外壁；內(nèi)部部分井字形隔墻；水塔內(nèi)上下水管道。

外壁直接用液壓破碎錘按設(shè)計(jì)確定的區(qū)域范圍進(jìn)行破碎鑿除，機(jī)械破碎完成后人工進(jìn)行修整。內(nèi)部“井”字形隔墻由于大型破碎錘無法進(jìn)入，結(jié)合試驗(yàn)爆破進(jìn)行預(yù)處理。既檢驗(yàn)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，又檢驗(yàn)爆破器材的性能和可靠度。

6.2 試驗(yàn)爆破部位及參數(shù)

水塔外壁24孔、水塔內(nèi)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(qū)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(jì)試炮孔數(shù)277孔。總裝藥量14.35 kg。采用2草簾加2層鋼絲網(wǎng)進(jìn)行包裹防護(hù)。

試驗(yàn)爆破效果：所有試驗(yàn)爆破部位按設(shè)計(jì)預(yù)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(gè)別飛散物飛散距離約 30 m。試爆證明參數(shù)合理。

7 爆破效果及爆破體會(huì)

7.1 爆破效果

點(diǎn)火起爆后，水塔順利倒塌，倒塌方向與原設(shè)計(jì)倒塌方向一致。倒塌后的水塔大部分結(jié)構(gòu)完好，破碎解體不完全。

7.2 爆破體會(huì)

針對(duì)這種特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)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(guī)煙囪、水塔、框架、框剪結(jié)構(gòu)爆破切口參數(shù)的確定方法進(jìn)行確定。

對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度很大的建構(gòu)筑物，后支撐要進(jìn)行適當(dāng)?shù)南魅鹾皖A(yù)處理。處理方法可以采用爆破法，也可以采用人工、機(jī)械預(yù)處理。

利用起爆時(shí)間差，先起爆水塔內(nèi)部隔墻，后起爆外部筒壁，將特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)變?yōu)槌Ｒ?guī)簡單結(jié)構(gòu)。

對(duì)復(fù)雜異型構(gòu)筑物進(jìn)行預(yù)拆除時(shí)，在沒有成熟可靠的安全驗(yàn)算結(jié)果，沒有大量的成功案例支撐，無法確保結(jié)構(gòu)安全的情況下，對(duì)水塔內(nèi)部縱橫隔墻不完全預(yù)拆除，更加安全可靠。