城市复杂环境下水塔爆破拆除的应用
蒙海霖 程贵海 覃翔
【摘 ?要】论文针对一个钢筋混凝土水塔作出拆除爆破方案设计，该水塔采取东南方向定向倒塌的方式。论文对爆破切口和定向窗进行确定，采用数码电子雷管起爆，确保了炮孔起爆的安全性和延时准确性。针对工程复杂环境采取一系列安全防护措施，有效实现该水塔安全快速拆除，为同类拆除工程提供借鉴。
【Abstract】In this paper， the demolition and blasting design of a reinforced concrete water tower is made. The water tower adopts the way of directional collapse in southeast direction. In this paper， the blasting incision and directional window are determined， and the digital electronic detonator is used to ensure the safety and delay accuracy of blasting hole. In view of the complex environment of the project， a series of safety protection measures are taken to effectively realize the safe and rapid demolition of the water tower， which provides reference for similar demolition projects.
【关键词】复杂环境;水塔拆除爆破;数码雷管
【Keywords】complex environment; water tower demolition and blasting; digital detonator
【中图分类号】TU746.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文献标志码】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編号】1673-1069（2021）05-0190-03
1 工程概况及施工难点
1.1 工程概况
待拆除的旧水塔是位于钦州市北部湾大道钦州铁路地区小区内的钢筋混凝土扇形结构水塔，因钦州铁路地区建设需要对场地内的旧水塔进行拆除，拟采用爆破方法进行拆除。待拆除水塔总高44m，水塔底部有高1m、直径3.8m的基础，水塔下部为圆筒形，筒身高33m，直径3.2m，壁厚0.18m，底部北偏东25°有1个高2.1m、宽0.7m的门，筒体和上部水仓间连接位置高1m，直径3.8m。水塔上部为倒锥形水仓，水仓高7m，直径15m。水仓顶部附属物高2m。水塔内西北侧和西侧有2根直径0.25m的水管，需提前拆除，如图1所示。
1.2 施工环境及难点
①周边环境较为复杂，水塔周围需保护对象较多。最近的居民房距离爆心约有46m，西南角约88m处有小区内部的电力变压器，西侧15m处有村民祠堂，往西北40m处是车流量较大的北部湾大道。②端部水箱为钢筋混凝土结构，具有较强的刚度。在原地卸除筒体垂直方向支撑后，水箱与地面的冲击作用可能不会使水箱发生解体，而产生扩散前冲或滚动的可能。③警戒时间较短，工作任务繁重。由于待拆水塔靠近生活区和公路，在设立爆破警戒区时，警戒时间过长将影响附近居民的正常活动。
2 爆破方案的设计
针对本水塔的爆破拆除，结合现场实际情况和水塔自身结构。设计水塔向南偏东40°方向倒塌，该方向为场内最开阔的方向，水塔仅44m，可满足倒塌的需要，依靠水塔筒体及水仓自身的重量向南偏东40°定向倒塌，待倒塌之后由于与地面的撞击而破坏水塔筒体与水仓，使钢筋混凝土水塔破碎。这个方法的优点是避免在高处爆破水塔筒体与水仓时产生不可控制的飞石，砸坏周边房屋、设施以及砸伤周边人员，安全性高。
2.1 爆破切口与定向窗设计
在水塔下部利用爆破形成预期尺寸的切口，由于切口的存在导致上部分筒体自身重力超过预留支撑体的极限抗压强度，那么预留支撑体就会受力不均衡而使水塔坍塌。另外，如果预留支撑体的支撑力大于本身重力，支撑体能够继续支撑。梯形切口具有易于顺利倒塌、便于施工、有利于缩小倒塌距离顺利倒塌的特点。因此，爆破切口形状选择梯形，利于水塔的拆除爆破。水塔底部直径D=3.2m，采取梯形切口，切口长度为外周长的0.618倍，即切口长度为L=0.6×3.14×D≈6m，切口高度由经验公式H=（1/6～1/3）D=0.53～1.1m。为确保顺利倒塌，切口加大至H=1.5m。在设计倾倒中心线两侧，布置2个宽0.3m、高0.3m的三角形定向窗，采用风镐预先凿出2个对称的定向窗，保证水塔按预定方向倾倒。水塔爆破切口如图3所示。
2.2 爆破参数设计
炮孔直径d=38mm，炮孔深度L=2δ/3=0.12m，最小抵抗线W=δ/2=0.09m。
孔距a和排距b：
a=（1～2.5）W=0.125～0.3125cm，取0.3m。
b=（0.8～1）a=0.24～0.3m，取0.25m。
单孔装药量q=k×a×b×δ≈0.04kg=27g，k为单位耗药量，取本次炸药单耗为2kg/m3。
2.3 装药结构及起爆网络
炮孔排数设计7排。分4部分起爆：左上部分、左下部分、右上部分及右下部分。其中左上部分先爆，设置延时时间为0ms，然后左下部再爆，设置延时时间为25ms，对于右上部分，设置延时时间为50ms。右下部分设置延时75ms。炮孔总数为101个。孔间采用连续装药结构填装，孔内各采用1发数码雷管起爆。采用数码电子雷管网路，每发雷管并联接入母线，形成整个起爆网路，如图4所示。
3 爆破安全校核
3.1 爆破振动校核
根据爆破振动速度公式计算：R=Q。式中：R为爆破振动安全允许距离，m;Q为最大的单段装药量，0.75kg;V为保护对象所在地质点振动安全允许速度，一般民用建筑取2cm/s;K和α为爆心到计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，K取180，α取1.7。其中R为12.8m，爆破中心点位于地面以上4.3m，水塔直径3.2m，水塔到村民祠堂15.5m，由萨道夫斯基振动预测计算可知，在距离爆源12.8m外的居民建筑物将不会受到爆破振动的影响。
3.2 塌落振动校核
本次水塔机构，顶端水箱占整体重量的大部分，因此，在倒塌时对地面的冲击强度较大，塌落振动的危害不可忽视。倒塌着地时引起的振动大小与塌落物的质量、刚度、重心高度和触地点土质条件有关。水塔塌落振动对周围建筑物的影响，塌落振动速度计算公式：v0=k0
式中：v0为塌落引起的地面振动速度，cm/s。R为观测点至冲击地面中心的距离，m。此处取水箱大致塌落处到南边小区住宅楼的距离17m作为计算数值。m为倒锥水箱构件的质量，kg。经测量水箱重126t。H为水箱构件的重心高度，m。重心位于大约离地面40m位置处。σ为地面介质的破坏强度取值一般为10MPa。g为重力加速度，取9.8m/s2。k0为触地振动速度衰减系数，取值范围为3.37～4.09，参考类似工程取值为3.8。β为触地振动速度衰减指数1.80～1.66，参考类似工程取值为1.8。
根据公式得出距离塌落处17m的村民祠堂在受到水箱塌落影响下产生的地表质点振动速度约为0.96cm/s。根据《爆破安全规程》中要求一般民用建筑取2cm/s，理论塌落振动小于所要求的安全振动数值，故可以得出，水箱的塌落振动不会对住宅楼造成影响。但本着安全第一、预防为主的原则，仍然需要采取一定的安全防范措施。
3.3 空气冲击波
对建筑物和人员的爆破冲击波安全距离计算可采用公式：
式中：Ri、Rr分别为建筑物和人员在爆破空气冲击波影响下的安全距离，m。Q为最大段装药量，kg。K为安全控制系数，对建筑物取0.5～1，对人员取5～8。由上文可知最大装药量Q=0.702kg，则通过计算Ri=1.8m，Rr=14.3m，爆破空气冲击波影响较轻微，只要人员撤离至安全警戒范围以外，不会对周围人员等造成损伤。
3.4 爆破飞散物影响
拆除爆破个别飞散物对人员的安全允许距离根据公式确定：RMAX=Kr·q·D
式中：RMAX为人员安全距离，m。Kr与爆破参数、炸药装填方式和地形地质条件有关的系数，对于一般混凝土建筑取值范围为1.0～1.5，本次取值1.3。q为本次工程所取单耗，kg/m3。D为炮孔直径，mm。在还未有覆盖防护措施的情况下，飞石飞散距离由公式计算得出98.8m，对相关人员的安全警戒范围也应设置为100m外的区域。为确保安全，倒塌方向警戒距离为200m。周边城镇居民生活设施建筑较为复杂，需要采取必要的措施，将爆破飞散物的飞散距离进行进一步控制。
4 安全防护措施
4.1 防止爆破飞散物的措施
①近体防护设置。对爆破切口位置进行严密防护，先采用竹排进行覆盖，外侧再覆盖上一层地毯，地毯和排架之间用铁丝拧紧加固，进行双层防护。
②合理布置炮孔。按照设计要求的网度布置炮孔，炮孔的深度、孔距、排距以及炮孔排列方式等参数严格按设计钻凿，并根据试炮情况及爆破体地质条件调整炮孔参数;钻凿炮孔后，认真检查炮孔质量，不合要求的炮孔重新钻凿，保证炮孔质量符合设计要求。
③采用先进电子雷管起爆技术，选择合理的起爆网路，降低单孔药量，减少爆破飞石的产生。
④保证炮孔堵塞质量，选择密封性好的粘土作为堵塞材料并严格确保安全的堵塞长度。
⑤在倒塌方向距离水塔35m、40m、45m 3个位置开挖防护沟，沟宽约3m、长约30m、深约3m的防护坑，并用开挖的泥土堆积在防护坑外侧，堆积成1个长约45m、宽约3m、高约3m的防护土堆，用于防止水塔倒塌后顶部水仓冲击过远，避免对倒塌方向的房屋造成损伤。
4.2 防止振动危害的措施
①在水塔与村民祠堂之间，西北侧2m的位置开挖减震沟，沟宽1m、深2m，防止爆破振动对背侧村民祠堂造成影响。
②在村民祠堂和小区公寓楼地基处，布置TC-4850测振仪对该2处重点保护区域的质点振动速度进行实时监测。
③严格控制同段起爆药量;施工前期严格按设计打眼验收。
5 爆破效果及总结
5.1 爆破效果
水塔筒体按预定设置时间起爆，筒体在自身重力下完全解体，水箱塌落后未产生滚动现象。爆破飞散物在有防护的基础上，散落在爆心两侧的距离仅为10m左右。爆破振动的实时监测，村民祠堂的振动速度为0.91cm/s，小区公寓楼振动速度为0.17cm/s，小于《爆破安全规程》振动速度要求。爆堆位置符合方案中设计要求，未对周围目标产生影响。从爆破到清渣完成仅用2h。
5.2 工程总结
①本次水塔爆破周围环境十分复杂，通过对水塔结构、材料以及受力情况的了解，进行精细的施工和有效的防护，确保了整个拆除工程的顺利开展。
②减震沟能有效减小爆破振动，村民祠堂的爆破振动速度与計算理论值相比减小了37%，而小区公寓楼的爆破振动速度只减小了10%，说明在实际工程应用中减震沟的开挖能大大降低爆破振动对建筑物的危害。
③钢筋混凝土结构的高耸建筑上部结构不易解体，在拆除过程中应避免其在塌落过程后产生的惯性滚动，堆垒防护土墙和开挖防护沟十分有必要。
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