水壓爆破法在薄壁圓筒結(jié)構(gòu)拆除中的應(yīng)用

歐陽作林，李浩然，左金庫，楊起帆

(1.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，石家莊 050043；2.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實驗室，石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展以及城市改、擴建工程的大規(guī)模實施，市區(qū)內(nèi)廢棄煙囪、水塔等高聳建筑物的拆除越顯增多。此類建筑物呈現(xiàn)薄壁特征，人工拆除難度大，具有較高的危險性。拆除爆破在拆除速度、人工消耗、安全性上有很大的優(yōu)勢，但對炸藥能量控制、爆破飛石與振動控制等方面提出了較高的要求。因此，深入研究薄壁圓筒結(jié)構(gòu)拆除設(shè)計方案，開展相應(yīng)的風險分析，提出有效的防治措施，是非常有必要的。

20世紀40年代末期，水壓爆破技術(shù)在挪威、瑞典等國家開始應(yīng)用于拆除城市構(gòu)筑物[1]。之后幾年，水壓爆破技術(shù)作為城鎮(zhèn)構(gòu)筑物拆除的優(yōu)選方案推廣至全世界，眾多學(xué)者對此技術(shù)開展了廣泛研究。關(guān)志中等[2]用水壓爆破技術(shù)定向拆除鋼筋混凝土跳傘塔，研究了水壓爆破的控制原理，擴大了水壓爆破技術(shù)的應(yīng)用范圍。張云鵬[3]將水壓爆破應(yīng)用于炮孔之中，分析了炮孔水壓爆破的基本原理及應(yīng)用情況。梁銳等[4]采用水壓爆破與鉆孔爆破相結(jié)合的技術(shù)，成功拆除鋼筋混凝土空心管柱支撐。謝俊杰等[5]介紹了不同結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑物拆除時，裝藥量計算宜選用的經(jīng)驗公式。黃炳香等[6]將水壓爆破法應(yīng)用于天然氣開采上，改善了開采時爆破落煤的情況，防止了巖爆和瓦斯泄漏。許冠光[7]以某軍用碉堡為例，比證鉆孔爆破法和水壓爆破法，表明水壓爆破法在工期、費用及安全性上均有優(yōu)勢。李翠林等[8]以某特殊結(jié)構(gòu)樓房為例，對比鉆孔爆破、人工(機械)拆除、靜態(tài)破碎和水壓爆破的優(yōu)缺點，用水壓爆破法進行施工設(shè)計并對工程進行風險控制。周佳等[9]利用水壓爆破與聚能爆破結(jié)合，解決了隧道在施工過程中超、欠挖的難題。水壓爆破技術(shù)不僅能減少炸藥消耗量，而且可以有效降低爆破危害，如：沖擊波、飛石、噪聲、地震波，對爆破安全防護與爆破器材的節(jié)約具有重要意義。

城市內(nèi)拆除水塔、煙囪等薄壁圓筒形構(gòu)筑物，以往采取的方法多為鉆孔爆破，工作量大，易產(chǎn)生飛石，并伴隨產(chǎn)生大量粉塵。本文介紹了以某民宿家屬樓內(nèi)水塔拆除為例，采用水壓爆破定向倒塌技術(shù)對其拆除的過程，所得結(jié)論可為水壓爆破拆除高聳薄壁構(gòu)筑物方案設(shè)計與風險控制提供參考。

1 爆破方案選擇及設(shè)計

1.1 爆破方案

人工機械拆除、鉆孔爆破和水壓爆破的拆除方案對比如表1所示。

表1 拆除方案對比

通過比較可以看出，水壓爆破拆除法規(guī)避了鉆鑿炮孔的大量施工程序，工程成本低，爆破網(wǎng)路簡單，只要爆破設(shè)計方案合理，爆破時可有效減少飛石、振動、沖擊波、噪聲和粉塵等危害效應(yīng)，是一種經(jīng)濟安全、簡便高效的拆除爆破方法，故在薄壁圓筒結(jié)構(gòu)拆除中優(yōu)先采用。

1.2 裝藥量計算公式

裝藥量的確定對爆破效果有著決定性作用，藥量計算公式的選擇是水壓爆破成功與否的關(guān)鍵一步，選擇符合待拆除構(gòu)筑物特點的計算公式尤為重要[10]。

1)考慮注水體積和材料強度的經(jīng)驗公式。在水塔注水體積和結(jié)構(gòu)材料強度一定時，多個藥包裝藥量計算公式為[11]

(1)

式中：Q為總裝藥量，kg；K為裝藥系數(shù)，敞口式爆破K=0.78，封口式爆破K=0.6；δ為構(gòu)筑物壁厚，m；V為注水體積，m3；σ為結(jié)構(gòu)材質(zhì)的抗拉強度，MPa(見表2)；n為藥包數(shù)量。

表2 混凝土抗壓強度與抗拉強度的關(guān)系

2)沖量準則公式。把水壓爆破產(chǎn)生的水中沖擊波對構(gòu)筑物壁的破壞視為沖量作用的結(jié)果?；跊_量作用產(chǎn)生的位移與構(gòu)筑物在等效靜載作用下產(chǎn)生相同位移的原理，以材料的極限抗拉強度作為破壞強度的依據(jù)，建立爆破時裝藥量的計算公式。當構(gòu)筑物為圓筒形結(jié)構(gòu)時，裝藥量的計算公式為[11]

Q=K0K(K1δ)1.6R1.4

(2)

式中：Q為單藥包裝藥量，kg；K0為構(gòu)筑物開口、閉口的系數(shù)，閉口構(gòu)筑物K0=1，開口構(gòu)筑物K0=1.33～1.66；K為構(gòu)筑物的裝藥系數(shù)，可根據(jù)爆破后所需要求的破碎情況，選取K=3～10；K1為結(jié)構(gòu)物的堅固性系數(shù)，可由下式[11]確定：

(3)

3)考慮結(jié)構(gòu)材質(zhì)和截面面積的經(jīng)驗公式。若已知構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)材質(zhì)和截面面積時，爆破裝藥量的計算公式為[10]

Q=KcKeS

(4)

式中：Q為單藥包裝藥量，kg；Kc為結(jié)構(gòu)系數(shù)，當構(gòu)筑物建筑材料為鋼筋混凝土?xí)rKc=0.3～0.35；Ke為炸藥換算系數(shù)；S為藥包所在截面面積，m2。

1.3 藥包布設(shè)原則

水壓爆破的藥包數(shù)量主要取決于結(jié)構(gòu)的幾何形狀與爆破效果要求，對于截面為圓形且高聳的圓柱體構(gòu)筑物，應(yīng)將總藥量分成幾個藥包，沿中軸線豎直方向分開布置。對于鋼筋混凝土承重管柱，炸高的計算公式為[11]

H=K(B+Hmin)

(5)

式中：H為炸高，m；K為經(jīng)驗系數(shù)，一般取1.5～2.0；B為管柱外徑，m；Hmin為管柱失穩(wěn)的最小破壞高度，m，可由下式[11]確定：

(6)

式中：E為鋼筋的彈性模量，N/mm2；J為鋼筋的慣性矩，m4；pm為立柱受壓的臨界荷載，N。

管柱形成轉(zhuǎn)動支座的炸高，可按下式[11]計算：

H′=1.5B

(7)

可由式(8)檢驗藥包允許放置在水中的最小深度是否符合要求[11]。

hmin≥(0.35～0.5)B

(8)

式中：hmin為藥包放置在水中的最小深度，m。

實踐證明，藥包放置在水中的深度到達一定值后，若繼續(xù)增大藥包放置深度，對爆破結(jié)果的影響也不大[12]。為了避免藥包爆炸時發(fā)生水柱上沖和高壓氣體的逸出，影響爆破效果，入水深度不能太小，最低不能小于0.4 m。

上、下層藥包間距可按下式[11]計算：

B=(1.0～1.8)R

(9)

式中：R為藥包中心距拆除物內(nèi)壁的最短長度，m。

2 工程案例

2.1 工程概況

某廢棄水塔高約20 m，外徑4 m，結(jié)構(gòu)無破損，位于鬧市內(nèi)居民區(qū)內(nèi)，在其東北、西南、西北方向17、23、28 m處都有居民樓，東側(cè)與南側(cè)6 m為馬路，水塔周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 水塔周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment of water tower

水塔支撐方式為鋼筋混凝土管柱六柱支撐，混凝土強度為C30，縱向鋼筋Φ20@200，箍筋Φ10，斷面為圓環(huán)形，外徑φ0.6 m，內(nèi)徑φ0.4 m，水塔承重柱如圖2所示。

注：1～6為管柱編號圖2 水塔承重柱結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of water tower bearing columns

2.2 裝藥量計算

設(shè)計水塔向西定向倒塌，管柱1、2失穩(wěn)是拆除水塔的關(guān)鍵。根據(jù)式(5)計算此次爆破炸高H=K(B+Hmin)=1.5×(0.6+0.362)=1.44 m；管柱5、6要形成轉(zhuǎn)動支座，由式(7)計算其炸高H′=1.5B=1.5×0.6=0.9 m。藥包最小入水深度，由式(8)計算，得hmin≥(0.35～0.5)B=0.5×0.6=0.3 m，取最小入水深度為0.4 m。藥包間距，由式(9)計算，得B=(1.0～1.8)×0.2=0.36 m，取藥包間距35 cm。

破壞高度及爆破高度為倒向側(cè)炸高與鉸鏈測炸高。為確保水塔向西定向倒塌，根據(jù)炸高、藥包間距，參照經(jīng)驗稍增加西側(cè)承重柱的注水深度及裝藥量，管柱1、2注水深度取2.55 m，設(shè)置6個藥包；管柱3、4注水深度取1.85 m，設(shè)置4個藥包；管柱5、6注水深度取1.15 m，設(shè)置2個藥包。

分別采用不同的經(jīng)驗公式計算管柱裝藥量。根據(jù)式(1)，得出管柱1～6的裝藥量Q1～Q6,其中Q1=Q2=163 g,Q3=Q4=108 g,Q5=Q6=61 g；根據(jù)式(2)，得出所有管柱內(nèi)單個藥包裝藥量Q′=27 g；根據(jù)式(4)，得出所有管柱內(nèi)單個藥包裝藥量Q″=47 g。

根據(jù)Q1～Q6可得到管柱1～4單藥包裝藥量為27 g，管柱5～6單藥包裝藥量為30.5 g。與Q′、Q″對比可知，考慮注水體積和材料強度的經(jīng)驗公式與沖量準則公式所計算的單個藥包量相近，而考慮結(jié)構(gòu)材質(zhì)和截面面積的經(jīng)驗公式計算出的藥量偏大，故以式(1)、式(2)所得藥量作為基準。同時，考慮到水塔與周邊最近建筑物距離為17 m，做防護可有效減少爆破風險，預(yù)防炸而不倒的情況，每個藥包取30 g，使用2號巖石乳化炸藥，取45 g。

2.3 藥包布置

藥包在管柱中軸線上分散布置[13]，藥包間隔及入水深度如圖3所示。各藥包用導(dǎo)爆管連接，并將導(dǎo)爆管引出管柱外，再用毫秒延時電雷管連接。管柱1、2接MS1段延時電雷管，管柱3、4接MS3段延時電雷管，管柱5、6接MS5段延時電雷管。藥包由導(dǎo)爆管引爆，整個網(wǎng)路由電雷管起爆，采用簇聯(lián)方式。

圖3 各管柱藥包布置Fig.3 Charges of each bearing column

3 爆破風險評價與控制

3.1 爆破施工準備工作

施工準備工作主要有施工調(diào)查、防水堵漏等，這些工作都直接關(guān)系到爆破的安全和效果。

1)施工調(diào)查。收集、掌握水塔的結(jié)構(gòu)，包括材質(zhì)、各部位的尺寸及布筋情況；確定水塔是否具備水壓爆破的施工條件，包括水源情況，泄水條件，以及水塔的儲、漏水情況；確定水壓爆破是否為最佳方案。

2)防水堵漏。對水塔進行防水堵漏，做到密封不漏水的效果。

3.2 爆破實施階段風險控制

水壓爆破法不需要對構(gòu)筑物進行鉆孔，且裝藥、網(wǎng)路連接、防護也簡單，但是此次水塔拆除施工安全仍有需要注意的事項。

1)藥包制作。使用的炸藥種類和爆破器材必須是防水的，如果雷管腳線長度不夠引出水面以上，那么要把腳線接頭密封在塑料袋內(nèi)。

2)網(wǎng)路連接。水壓爆破的藥包少，因此網(wǎng)路連接簡單。但要注意由于水壓爆破現(xiàn)場地面都會有水，網(wǎng)路的接頭不能進水，線路接頭都要用防水膠布包好，并把接頭用木塊墊起存在水面以上。

3)注水設(shè)計。在進行堵漏后就可以連續(xù)注水直到達到設(shè)計水位，定位安放藥包。

3.3 爆破有害效應(yīng)分析

爆破飛石和爆破振動是炸藥爆炸產(chǎn)生的主要危害效應(yīng)，經(jīng)常威脅著人們的生命和財產(chǎn)安全[14]。

1)爆破飛石。水壓爆破只要藥量控制得當，一般很少有飛石，但工程爆破中出現(xiàn)飛石是難以避免的，因此要把飛石控制在安全范圍以內(nèi)。爆破飛石距離的遠近直接影響附近人員、建筑物、交通、電力設(shè)施的安全。在爆破施工中需依照規(guī)定要求進行操作，不能擅自改變設(shè)計方案，對于施工中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計問題或者與實際情況不符合的地方，應(yīng)向設(shè)計人員提出，再修正設(shè)計方案。為防止個別飛石對周圍居民樓造成影響，決定采取以下措施：①藥包加工時藥量精確，放置位置準確；②地面清理干凈，不留任何雜物；③倒塌范圍內(nèi)鋪墊多量砂土和2層鐵絲網(wǎng)，用來減小水塔倒塌時產(chǎn)生飛濺物的反彈速度。

2)爆破振動。爆破振動效應(yīng)對臨近構(gòu)筑物的安全影響，是工程爆破的敏感問題，產(chǎn)生的地面振動應(yīng)保證周邊建筑物的安全。拆除爆破一般會有爆破產(chǎn)生的振動和構(gòu)筑物塌落的觸地振動。

炸藥爆炸時，地面振動速度的計算公式為[11]

(10)

式中：v為待保護居民樓所在地的振動速度，cm/s；Q為爆破時炸藥當量，kg；R為水塔到待保護構(gòu)筑物之間的長度，m；K1為衰減系數(shù)，對于水壓爆破K1=0.5～0.7；K=91.5；α=1.48。

此次水塔拆除取K1=0.7。距離水塔最近的居民樓為17 m，計算得其振動速度為0.415 cm/s，符合《爆破安全規(guī)程》[15]中一般民用建筑物2～3 cm/s的要求，由此可知炸藥爆炸產(chǎn)生的振動不會對周邊居民樓產(chǎn)生危害。

水塔質(zhì)量較大，拆除觸地時也會產(chǎn)生較強振動，這個振動也不可忽視，振動速度可由下式檢驗[16]

(11)

式中：v為待保護居民樓所在地的觸地振動速度，cm/s；M為水塔質(zhì)量，取1.3×105kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；H為水塔重心高度，取9 m；R為倒塌處到待保護居民樓的距離，取17 m。

計算得，距離最近居民樓的觸地振動速度為2.09 cm/s，為降低觸地振動，在倒塌范圍內(nèi)鋪墊多層砂土，減弱振動波對居民樓的影響。

4 結(jié)論

1)裝藥量計算與藥包布置方案是水壓爆破的關(guān)鍵，針對待拆除工程的結(jié)構(gòu)特點，選擇合適的計算公式對爆破效果及安全尤為重要。

2)爆破飛石和振動是爆破有害效應(yīng)的重要指標，在水塔倒塌方向鋪設(shè)砂土與鋼絲網(wǎng)緩沖層，能有效減緩落地時的沖擊力，減少所產(chǎn)生的飛石與振動。

3)水壓爆破法在拆除超高薄壁圓筒結(jié)構(gòu)過程中產(chǎn)生飛石少，振動小，操作簡化，施工安全，經(jīng)濟效益好，其優(yōu)勢有利于進一步擴展到特殊構(gòu)筑物的拆除中。