復(fù)雜環(huán)境下倒錐殼薄壁鋼筋混凝土水塔的爆破拆除

萬 佳 宋 超 茆恒陽

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327地質(zhì)隊）

水塔、煙囪等高聳建（構(gòu)）筑物爆破拆除時，只要場地條件允許，一般采用爆破工作量小、拆除效率高的定向倒塌方式。為了精確控制倒塌方向，減小爆破振動、爆破飛散物、爆炸沖擊波等有害效應(yīng)，通常會對構(gòu)筑物進(jìn)行預(yù)處理，如開設(shè)導(dǎo)向窗、定向窗、提前拆除內(nèi)襯、砌筑封堵檢修門等?，F(xiàn)將爆破拆除的2座水塔（1#和2#水塔）環(huán)境復(fù)雜，倒塌方向有限，支撐區(qū)均有檢修門，通過分析對比2座水塔的預(yù)處理情況、爆破參數(shù)和爆破效果，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1#水塔建于20世紀(jì)90年代，為鋼筋混凝土倒錐殼結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號高，鋼筋密，全高為35 m，支筒部分高28 m，中環(huán)梁高32 m，水塔水箱部分直徑為11 m。支筒底部直徑為2.4 m，底部周長為7.54 m，壁厚為0.18 m。底部南偏西45°有2.2 m×0.6 m的檢修門。

水塔東側(cè)65 m處為平房，東南方向4 m處為圍墻，150 m處為道路；在水塔和圍墻間的上方，距離水塔筒體2.5 m有供電線路通過；水塔南側(cè)35 m處為某居民小區(qū)；水塔西南方向7 m處為1座變壓器；西北側(cè)120 m處為民房，100 m左右有1座信號塔；北側(cè)160 m處為S440省道；東北側(cè)130 m處為民房。水塔周圍環(huán)境如圖1所示。

2#水塔建成于1995年，為鋼筋混凝土倒錐殼結(jié)構(gòu)，底部混凝土風(fēng)化嚴(yán)重，鋼筋較稀疏，全高31 m，支筒部分高22 m，中環(huán)梁高25 m，水塔水箱部分直徑為11 m。支筒底部周長為7.64 m，壁厚為0.20 m。底部正東方向有2.2 m×0.6 m的檢修門。

水塔東側(cè)3 m處為彩鋼瓦棚，15 m處為道路，道路邊為輸電線路；南側(cè)10 m處為041鄉(xiāng)道，32 m處為某中學(xué)；西南側(cè)10 m處為1座變壓器，連接西北東南方向的通電線纜；西側(cè)10 m處為1座泵房，泵房西側(cè)為水池；西北側(cè)20 m處為住戶，北側(cè)30 m處為原水廠住戶，東北側(cè)13 m處為門衛(wèi)室。水塔周圍環(huán)境如圖2所示。

2 爆破方案

2座水塔均采用定向爆破拆除，倒塌方向根據(jù)水塔結(jié)構(gòu)特點及周邊環(huán)境條件選擇。2座水塔建設(shè)年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙缺失，布筋情況和混凝土強(qiáng)度通過開鑿定向窗獲?。还こ汰h(huán)境復(fù)雜，倒塌方向要求嚴(yán)格，檢修門的存在對倒塌方向可能帶來不利影響，水塔薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對炸藥單耗和爆破飛散物的控制難度大。

1#水塔檢修門位于南偏西45°位置，南側(cè)35 m有居民小區(qū)；西南側(cè)7 m有變壓器；東北方向相對空曠，倒塌方向確定為東偏北40°（圖1），開設(shè)定向窗和導(dǎo)向窗，爆破切口距離支筒底部0.2 m開始向上布設(shè)。

2#水塔檢修門位于正東位置，東側(cè)3 m處有水廠彩鋼棚、15 m處為道路及電線；南側(cè)32 m為某中學(xué)，北側(cè)30 m為民房。為將爆破對周圍環(huán)境影響降至最低，在爆破前將西側(cè)泵房、變壓器和電線拆除，采用總體向正西方向倒塌（圖2）的方案，定向窗及爆破切口距離支筒底部基座0.2 m開始向上布設(shè)。

2.1 爆破切口

爆破切口是影響爆破效果的關(guān)鍵因素。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，采用類正梯形爆破切口，爆破切口開設(shè)對稱，從而準(zhǔn)確控制倒塌方向。

參考類似工程經(jīng)驗，要使水塔失穩(wěn)傾倒，爆破切口高度［1］應(yīng)為

式中，h為切口高度，m；δ為水塔壁厚，m。

實際施工中，1#水塔底部混凝土標(biāo)號高，鋼筋密，切口高度為1.2 m；2#水塔底部混凝土風(fēng)化嚴(yán)重，鋼筋稀疏，切口高度為1.0 m。

切口長度L通常應(yīng)滿足下式［2］：

式中，D為水塔底部直徑，2.4 m。

計算得：3.77 m＜L＜5.02 m。取值：1#水塔L1=4.8 m，2#水塔L2＝4.8 m。2座水塔爆破缺口對應(yīng)圓周角均為229.3°。

為了確保1#水塔能夠按設(shè)計方向倒塌，在切口兩側(cè)預(yù)先開設(shè)定向窗，在倒塌中心線上開設(shè)導(dǎo)向窗。定向窗開設(shè)長度為0.5 m、背高為0.2 m，中間部位導(dǎo)向窗開設(shè)長度為0.4 m，高1.20 m。切口形狀及炮孔布置如圖3所示。

2#水塔炮孔布置和定向窗的開設(shè)與1#水塔基本一致。定向窗開設(shè)長度為0.50 m、背高為0.20 m，但是在鉆孔時發(fā)現(xiàn)混凝土標(biāo)號不高且風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，所以炸高確定為1.0 m，中間部位未開設(shè)導(dǎo)向窗。切口形狀及炮孔布置如圖4所示。

1#水塔爆破前，采用紅磚將檢修門砌牢，紅磚與檢修門上側(cè)接觸部分采用木鍥鍥緊、鍥密。2#水塔檢修門未做任何處理。

2.2 爆破參數(shù)

1#水塔壁厚0.18 m，最小抵抗線W1＝0.09 m；2#水塔壁厚0.2 m，W2＝0.1 m。鉆孔直徑為38 mm，孔距a＝0.20 m，排距b＝0.20 m，孔深L1＝0.12 m，L2＝0.14 m，炸藥單耗q＝2.0 kg/m3，則單孔裝藥量Q＝37.5 g，實際取40 g。爆破主要參數(shù)［3］如表1所示。1#水塔實際鉆孔106個，總裝藥量為4.24 kg；2#水塔實際鉆孔108個，總裝藥量為4.32 kg。

2.3 起爆網(wǎng)路

為確保起爆網(wǎng)路的可靠性及減少最大單段裝藥量，減小爆破振動，采用孔內(nèi)延時的非電毫秒導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，采用“簇聯(lián)”法聯(lián)接，由倒塌中心線向外側(cè)依次采用ms3段、ms5段雷管，孔外采用ms3段雷管綁扎，四通聯(lián)接成復(fù)式網(wǎng)路。

3 爆破安全與防護(hù)

3.1 振動控制

3.1.1 爆破振動校核

爆破振動速度可根據(jù)薩道夫斯基公式進(jìn)行計算，對于拆除爆破，按照拆除爆破振動計算公式［4］：

式中，R為與保護(hù)目標(biāo)的距離，1#水塔為南側(cè)居民小區(qū)35 m，2#水塔為南側(cè)中學(xué)32 m；v為爆破安全允許質(zhì)點振速，cm/s；k、a為與爆破點至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，取k=150、a=1.5；k'為與爆破方式有關(guān)的裝藥分散經(jīng)驗系數(shù)，取0.3。

計算得1#水塔振速v1＝0.31 cm/s，2#水塔振速v2＝0.42 cm/s。實測數(shù)據(jù)分別為v'1＝0.28 cm/s，v'2＝0.38 cm/s，與計算數(shù)據(jù)基本吻合，均符合《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）的要求。振動速度控制在安全允許范圍內(nèi)，沒有對周圍保護(hù)對象造成損害。

3.1.2 塌落振動校核

水塔塌落會對地面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊而形成塌落振動，其強(qiáng)度比爆破振動大且頻率低，需重點校核與防護(hù)。塌落振動速度根據(jù)下式［5］計算：

式中，vt為塌落引起的地面振動速度，cm/s；R'為保護(hù)物與沖擊地面中心的距離，1#水塔主要塌落位置距離最近保護(hù)物為南側(cè)居民小區(qū)，R'=35 m，2#水塔主要塌落位置距離最近保護(hù)物為南側(cè)32 m中學(xué)及北側(cè)30 m民房；M為構(gòu)件質(zhì)量，估算1#水塔150 t，2#水塔130 t；H為構(gòu)筑物重心到地面的距離，估算1#水塔為20 m，2#水塔為18 m。σ、g、Kt、β分別為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度、重力加速度、衰減系數(shù)、衰減指數(shù)，可按經(jīng)驗取σ=10 MPa、g＝10 m/s2、Kt＝4.09、β＝-1.66。

經(jīng)計算，1#水塔塌落振動速度為0.94 cm/s，實測數(shù)據(jù)為0.88 cm/s；2#水塔計算值為1.06 cm/s，實測數(shù)據(jù)為0.87 cm/s。1#水塔及2#水塔的實際塌落振動均小于《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）的安全允許振動速度，未對居民小區(qū)、中學(xué)及民房等保護(hù)對象造成危害［6］。

為減小塌落振動可能產(chǎn)生的危害，施工時采取了降振措施：1#水塔在水箱落地點兩側(cè)及前方開挖深度在2.5～3 m的減震溝，在設(shè)計水箱觸地位置上鋪設(shè)軟土和竹笆，從而降低水箱觸地塌落振動。2#水塔水箱落地點為有蓋板水池，水池可以很好地起到緩沖作用，同時在水池蓋板上方鋪設(shè)0.3 m厚黃土，黃土上再鋪設(shè)草墊和雙層竹笆，并提前抽干水池內(nèi)積水。

3.2 飛散物的控制

水塔定向爆破拆除可能產(chǎn)生的飛散物主要有2個方面：一是爆破時的飛散物；二是水塔觸地沖擊產(chǎn)生的飛散物。

由于水塔是鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，爆破時極容易產(chǎn)生飛散物。拆除控制爆破無防護(hù)條件下個別飛石的最大飛散距離，按經(jīng)驗公式［7］計算：

式中，α為飛石拋射角，取45°；g為重力加速度，取10 m/s2；f1為介質(zhì)系數(shù)，混凝土一般為9.23～9.60，取9.5；f2為防護(hù)系數(shù)，1層防護(hù)時取2，2層防護(hù)時取1，3層防護(hù)時取0.5，實際采用2層鋼絲網(wǎng)和3層竹笆防護(hù)，防護(hù)層為5層，取0.1；V0為個別飛石初速度，一般為15～30 m/s，取20 m/s。

則計算可得Smax=19.4 m。

爆破時采用多重防護(hù)，即用雙層密目鐵絲網(wǎng)包圍爆破切口，外側(cè)用一層竹笆覆蓋并用鐵絲與筒體聯(lián)為一體；在距離墻體外1.5 m處搭設(shè)雙層竹笆防護(hù)排架。實測2座水塔爆破產(chǎn)生的飛散物最遠(yuǎn)距離約12 m，防護(hù)效果很好，確保了爆破飛散物不產(chǎn)生危害。

爆破前對1#水塔水箱中環(huán)梁預(yù)估落地點進(jìn)行處理，先鋪設(shè)厚0.3 m的軟土，再鋪設(shè)長15 m、寬10 m的雙層竹笆，用扎絲聯(lián)接竹笆使之成為整體，并在其上面鋪1層彩條布。

2#水箱中環(huán)梁落點下方為水池，爆破前對場地進(jìn)行處理，在水塔預(yù)估落地點水池蓋板上鋪設(shè)厚0.3 m軟土，再鋪設(shè)長15 m、寬10 m的雙層竹笆和草墊，并用扎絲聯(lián)接竹笆使之成為整體，在其上面鋪1層彩條布，爆破前抽干水池內(nèi)積水。

2座水塔爆破倒塌后，因采取了有效的防護(hù)措施，在水箱觸地時，未引起二次飛濺。

4 爆破效果

2座水塔基本按照設(shè)計方向倒塌，爆破振動、塌落振動和爆破分散物均控制在安全允許范圍內(nèi)，沒有對周邊環(huán)境和保護(hù)對象造成危害。1#水塔倒塌方向比預(yù)定方向向北偏轉(zhuǎn)約3°，筒體產(chǎn)生撕裂，水箱翻轉(zhuǎn)碎裂。檢修門碼砌的紅磚在爆破后，由于爆破沖擊波及水塔倒塌對底部的拉伸作用，有個別磚塊飛散至后方7 m處的變壓器下面。

2#水塔完全按照設(shè)計方向倒塌，水箱翻轉(zhuǎn)碎裂。為防止爆炸沖擊波引起后方飛石的危害，在施工時沒有進(jìn)行砌筑封堵，但是對檢修門進(jìn)行了多層防護(hù)，達(dá)到了預(yù)期效果。爆破后，距離僅3 m的彩鋼瓦完好無損。水塔倒塌效果見圖5。

5 結(jié)語

（1）水塔檢修門位于支撐區(qū)時，如果在支撐部分正中間，對倒塌方向沒有影響；檢修門不在支撐區(qū)，因缺口兩側(cè)壓力區(qū)不對稱，會使筒體產(chǎn)生較小角度偏轉(zhuǎn)，在爆破鋼筋混凝土水塔時應(yīng)引起重視。

（2）檢修門位于支撐區(qū)時，可以不做封堵，支撐區(qū)強(qiáng)度能夠滿足倒塌要求，不會產(chǎn)生后坐。封堵強(qiáng)度低于水塔筒體時，在爆炸沖擊波的作用下，反而會在支撐后部方向產(chǎn)生飛石危害，造成次生危害，對于檢修門附近有保護(hù)物的應(yīng)綜合考慮是否封堵。

（3）切口形狀、定向窗、導(dǎo)向窗、爆破參數(shù)應(yīng)根據(jù)水塔混凝土風(fēng)化程度和配筋情況合理選取。在開設(shè)定向窗的情況下，缺口對應(yīng)圓周角可以控制在230°左右，尤其對于混凝土風(fēng)化嚴(yán)重筒體，應(yīng)盡量不超過230°，以預(yù)防后坐。

（4）水箱觸地點有減震溝和現(xiàn)有水池時，可以起到很好的緩沖作用，對減小塌落振動是有利的。