方形剪力墻雷達(dá)塔爆破拆除技術(shù)

茆恒陽，周 恒，廖和平，萬 佳

(1.安徽地質(zhì)爆破工程有限公司，合肥 230011；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，合肥 230026)

1 工程概況

合肥駱崗機(jī)場(chǎng)遷建工程所屬THALES二次雷達(dá)塔，根據(jù)工程建設(shè)規(guī)劃，需要爆破拆除。該雷達(dá)塔高39.6 m，底部為近似正方形的剪力墻結(jié)構(gòu)，邊長7.2 m，壁厚0.3 m，雙層雙向Ф16鋼筋網(wǎng)。雷達(dá)塔1層?xùn)|、南、北面各有一個(gè)1.2 m×2.1 m高的窗戶，窗戶下邊緣離地0.9 m，西側(cè)門洞為1.2 m×2.1 m。雷達(dá)塔4個(gè)拐角均布置有30 cm寬的暗柱，暗柱內(nèi)豎向Ф22螺紋鋼筋。塔內(nèi)部有連梁及樓梯一直通向雷達(dá)站頂部，頂部為直徑14 m的圓形框架結(jié)構(gòu)雷達(dá)底座。雷達(dá)塔外觀如圖1所示，雷達(dá)塔一層平面如圖2所示。

圖1 雷達(dá)塔外觀Fig.1 The radar tower appearance

圖2 雷達(dá)塔一層平面Fig.2 Plane of the radar tower

爆破周邊環(huán)境較復(fù)雜，雷達(dá)塔東15 m為圍墻及通信線纜；南側(cè)距離10 m為1座2層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配電房；西側(cè)距2 m有1棟2層鋼筋混泥土框架結(jié)構(gòu)辦公樓，其在第2層與雷達(dá)塔體有連廊相接，西北方向30 m為變壓器，80 m處有居民區(qū)；東北側(cè)距離60 m為工地搭建辦公及居住板房(見圖3)。

圖3 周圍環(huán)境Fig.3 Surrounding environment

2 爆破方案

根據(jù)雷達(dá)塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及周邊環(huán)境條件，確定雷達(dá)塔向正北方向傾倒。預(yù)拆除剪力墻體，采用“化墻為柱”的鉆孔爆破法；采取多重近體防護(hù)來防爆破飛石，建土堤緩沖減振，實(shí)施后部墻體偏心爆破并結(jié)合兩側(cè)圓弧狀支撐預(yù)防強(qiáng)烈后坐。

2.1 爆破切口

1)爆破切口形狀。根據(jù)雷達(dá)塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際工程爆破經(jīng)驗(yàn)，本工程采用“化墻為柱”的鉆孔爆破法。爆破切口開設(shè)絕對(duì)對(duì)稱，以準(zhǔn)確控制倒塌方向(見圖4)。

圖4 爆破切口Fig.4 Blasting cut

2)爆破切口高度。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，要使雷達(dá)塔失穩(wěn)傾倒，爆破切口高度[1]應(yīng)為

h≥(3.0～5.0)δ

(1)

式中：h為雷達(dá)塔底部爆破切口高度；δ為雷達(dá)塔底部剪力墻壁厚。

(2)

式中：L為兩外承重墻之間的跨度即爆破切口方向的水平長度，實(shí)取7.2 m；H為上部結(jié)構(gòu)的重心高度，該雷達(dá)塔整體結(jié)構(gòu)相同，近似為質(zhì)量規(guī)則的幾何體，雷達(dá)塔的高度為39.6 m，其幾何中心高度按19.8 m計(jì)算；h為爆破切口的相對(duì)高度，m。

經(jīng)計(jì)算，1.41 m≤h≤9.9 m。經(jīng)重心偏移分析，當(dāng)爆破切口達(dá)到高度為2.0 m時(shí)，可使雷達(dá)塔失穩(wěn)倒塌(見圖5)。

圖5 重心偏移分析Fig.5 Center of gravity shift analysis

由于底部剪力墻鋼筋含量較高，為確保倒塌，實(shí)際取爆破切口高3.6 m。上述條件均能滿足。

3)爆破切口長度。爆破倒塌方向的墻體預(yù)拆除寬度為4.2 m，炸高取3.6 m；倒塌方向背面墻體(南側(cè)墻體)為形成有利于倒塌的鉸鏈，布設(shè)3排孔，炸高0.4 m。

4)預(yù)拆除。為減少鉆孔數(shù)量，增加自由面，以定向窗為中心，“化墻為柱”預(yù)拆除[3]，保留雷達(dá)塔4個(gè)拐角展開寬度為3 m，高度同所在位置炸高?！盎瘔橹焙蟊┞对谕獾乃袖摻罹诒魄案顢?。采用機(jī)械或人工拆除1、2層內(nèi)所有樓梯及連梁，同時(shí)將雷達(dá)塔內(nèi)部碎渣清出。西側(cè)2層樓房與雷達(dá)塔的連廊部分一并予以拆除，且割斷鋼筋。

2.2 爆破參數(shù)

雷達(dá)塔壁鉆孔采用梅花形布孔，孔徑38 mm，最小抵抗線W=15 cm，孔距a=25 cm，排距b=25 cm，孔深L=20 cm，炸藥單耗q=2.0 kg/m3，則單孔裝藥量Q=37.5 g，實(shí)際取40 g。考慮到雷達(dá)塔質(zhì)量大、剪力墻薄而抗剪能力強(qiáng)，為了有效破壞剪力墻剛度，利于倒塌，防止產(chǎn)生后坐，南側(cè)剪力墻采用偏心爆破法，鉆孔深度取墻厚度一半，即L南=15 cm。爆破主要參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

Table1Blastingparameters

名稱炮孔直徑/mm孔深/mm孔距/mm排距/mm單耗/(kg·m-3)單孔裝藥量/g剪力墻382002502502.040南側(cè)支撐剪力墻381502502501.225

2.3 起爆網(wǎng)路

為確保網(wǎng)路的準(zhǔn)爆性，每個(gè)藥包可靠起爆，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)塔的定向傾倒，采用孔內(nèi)延時(shí)、非電毫秒導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，網(wǎng)路連接采用“簇聯(lián)”法，孔內(nèi)依次逐排采用MS1段、MS3段、MS5段、MS7段雷管，孔外采用MS1段雷管綁扎，四通聯(lián)接成復(fù)式網(wǎng)路。

2.4 機(jī)械二次解體

由于雷達(dá)塔混凝土標(biāo)號(hào)高、強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)風(fēng)化程度低，爆破定向倒塌之后，塔身大部分僅有少量裂紋未破裂，利用機(jī)械工具進(jìn)行二次解體。

3 爆破安全與防護(hù)

3.1 振動(dòng)控制

1)爆破振動(dòng)校核。爆破振動(dòng)速度按照拆除爆破振動(dòng)計(jì)算公式[4]：

(3)

式中：Q為最大段別裝藥量，kg；R為與保護(hù)目標(biāo)的距離，m；v為爆破安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；k、a為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)系數(shù)和衰減指數(shù)，取k=150、a=1.5；k′為修正系數(shù)，一般取值0.25～1.0，距爆源近、且爆破體臨空面較少時(shí)取大值，反之取小值，本工程取k′=0.3。

由于是地表以上爆破，最大段別裝藥量及總藥量均較小，且采用延時(shí)爆破方法，振動(dòng)速度可控制在允許范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)周圍保護(hù)對(duì)象造成損害。

2)塌落振動(dòng)校核。雷達(dá)塔塌落會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊而形成塌落振動(dòng)，其強(qiáng)度比爆破振動(dòng)大且頻率低。需重點(diǎn)校核與防護(hù)。塌落振動(dòng)速度根據(jù)下式[5]計(jì)算：

(4)

式中：vt為塌落引起的振動(dòng)速度，cm/s ；R為保護(hù)物與沖擊點(diǎn)的距離，m，主要塌落位置距離最近保護(hù)物為南邊的配電房和西邊的辦公樓，R=26 m；M為構(gòu)件質(zhì)量，t，估算質(zhì)量M=800 t；H為建筑物重心到地面的距離，估算H=19.8 m。σ、g、Kt、β分別為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度、重力加速度、觸地振動(dòng)速度衰減系數(shù)、觸地振動(dòng)速度衰減指數(shù)，可按經(jīng)驗(yàn)取σ=10 MPa、g=10 m/s2、Kt=3.37～4.09、β=-1.80～-1.66。

經(jīng)計(jì)算，vt=3.14～3.83 cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》[6](GB 6722-2014)的安全允許振動(dòng)速度。施工時(shí)采取了降振措施，確保了爆破安全：一是通過排間延時(shí)起爆方式，使各排立柱塌落觸地時(shí)間不同步，從而減少觸地振動(dòng)；二是在設(shè)計(jì)倒塌范圍內(nèi)鋪設(shè)3道2 m厚土堤作為緩沖墊層，減少塔體產(chǎn)生的觸地振動(dòng)的影響。

3.2 飛散物的控制

雷達(dá)塔定向爆破拆除可能產(chǎn)生的飛散物主要有兩個(gè)方面：一是爆破時(shí)的飛散物；二是雷達(dá)塔觸地沖擊產(chǎn)生的飛散物。

1)爆破飛散物防護(hù)。由于是淺孔爆破，鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，爆破時(shí)容易產(chǎn)生飛散物。拆除控制爆破無防護(hù)條件下個(gè)別飛石的最大飛散距離，按經(jīng)驗(yàn)公式[7]計(jì)算：

(5)

式中：L為飛石最遠(yuǎn)距離，m；QL為炸藥單位消耗量，kg/m3。經(jīng)計(jì)算，L=70×2.00.53=101 m。

爆破時(shí)先采用雙層竹籬笆覆蓋在炮孔處，并用鐵絲與塔體聯(lián)為一體；然后在距離墻體外2 m處搭設(shè)雙層竹笆防護(hù)排架，確保安全。

2)觸地飛散物防護(hù)。在雷達(dá)塔觸地處鋪設(shè)3道土堆，并用竹笆鋪設(shè)在最底層，有效防止了二次飛濺。

4 數(shù)值模擬與實(shí)際倒塌過程比較

用共用節(jié)點(diǎn)的整體式模型，依據(jù)實(shí)際雷達(dá)塔尺寸，建立有限元模型。模型中僅保留主要結(jié)構(gòu)，對(duì)雷達(dá)塔實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化。模擬倒塌過程中部分時(shí)刻傾倒情況如圖6所示，實(shí)際爆破傾倒過程如圖7所示；數(shù)值模擬傾倒角度與對(duì)應(yīng)的時(shí)間如表2所示，根據(jù)傾倒角度與時(shí)間的關(guān)系繪制成曲線如圖8所示。

圖6 模擬傾倒過程Fig.6 Simulated dumping process

圖7 爆破實(shí)際傾倒過程Fig.7 Actual blasting dumping process

圖8 傾倒角度歷時(shí)曲線Fig.8 Dump angle duration curve

觀察模擬結(jié)果，雷達(dá)塔倒塌過程與實(shí)際情況接近。不同傾倒角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間與實(shí)際情況接近。在1.5～3 s時(shí)，傾倒角度歷時(shí)曲線斜率發(fā)生急劇，對(duì)應(yīng)于支撐體受壓形成塑性鉸至爆破切口閉合的傾倒過程與實(shí)際相吻合。

5 爆破效果與結(jié)論

爆破后，雷達(dá)塔按預(yù)定方向倒塌，沒有發(fā)生明顯后坐現(xiàn)象，塔身觸地時(shí)靠近雷達(dá)塔的排水溝有少量淤泥被擠壓飛濺，由于該部位軟弱，事先未做清除處理，爆破飛石和爆破振動(dòng)未對(duì)周邊建筑物造成危害，雷達(dá)塔倒塌效果如圖9所示。

圖9 爆破效果Fig.9 Blasting effect

1)對(duì)于薄壁剪力墻結(jié)構(gòu)的筒體，其結(jié)構(gòu)較為特殊，采用化墻為柱、對(duì)支撐墻體進(jìn)行減弱爆破的方法進(jìn)行拆除爆破是合理可行的。

2)在確保安全的前提下，條件允許的情況下適當(dāng)增加預(yù)拆除工程量，可大大減少鉆孔工作量，既降低了炸藥使用量，又提高了效率。增加預(yù)拆除對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的拆除爆破是有利的。

3)距離僅2 m的辦公樓墻體，爆破后完好無損，說明只要進(jìn)行合理的防護(hù)，可確保保護(hù)對(duì)象的安全。

4)后部支撐體包括后部墻體與兩側(cè)圓弧狀墻體，對(duì)后部墻體采用偏心爆破，可有效防止出現(xiàn)強(qiáng)烈的后坐現(xiàn)象。