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傘狀筒型鋼筋混凝土水塔爆破拆除設計

來源:原創論文網 添加時間:2019-06-20

  摘    要: 介紹了一座45m高傘狀水塔的定向爆破拆除工程。通過對水塔自身結構的特點及場地條件的分析, 采用梯形爆破切口、電子雷管起爆方式、總延時100ms的定向倒塌爆破拆除技術。采用提高爆破切口位置、確定合理的切口長度、預拆除、預開定向窗和減荷槽等方式確保了水塔的準確定向;采用炮孔覆蓋防護、開挖防飛石溝、防護排架近體防護等技術措施預防了爆破飛石和觸地飛石的危害。水塔按設計倒塌在開挖的防飛石溝內, 周圍建 (構) 筑物沒有受到影響。該拆除工程在非線型薄壁高聳物爆破精確定向、飛石防護方面取得了良好的效果, 可為同類工程爆破施工提供參考。

  關鍵詞: 傘狀水塔; 非線型結構; 薄壁結構; 支撐體; 電子雷管; 防飛石溝;

  Abstract: The paper introduces the directional blasting demolition of a 45 m high umbrella water tower. Through the analysis of the structure characteristics and site conditions of the water tower itself, the directional collapse blasting demolition technology with trapezoidal blasting cut, electronic detonator initiation and total delay of 100 ms had been used. The accurate orientation of water tower is ensured by increasing the position of blasting incision, determining the reasonable length of incision, pre-demolishing, preopening directional window and reducing load groove. The hazards of blasting flying stones and touchdown flying stones were prevented by using technical measures such as blasting hole cover protection, excavation of flying stones trench and near body protection of protective bent. The water tower collapsed in the excavated anti-flying ditch according to the design, and the surrounding buildings were not affected. The demolition project has achieved good results in precise orientation and flying stone protection of non-linear thin-walled high-rise blasting, which can provide reference for similar projects.

  Keyword: umbrella water tower; non-linear structure; thin-walled structures; supporter; electronic detonator; anti fly rock ditch;

  1、 工程概況

  待拆除水塔為傘狀筒型鋼筋混凝土結構, 塔體整體結構完好。位于鬧市區某廠區內, 因水塔停用, 對其實施爆破拆除。

  1.1、 水塔結構

  水塔總高45m, 塔頂呈傘形;其中, 塔身高38m, 外徑3.2m, 筒壁厚0.2m;塔帽高7m, 外徑13.0m, 相比磚混結構水塔, 更凸顯了“頭重腳輕”非勻質的特點。水塔底部正東方向設計一個檢修門, 檢修門寬1.2m, 高2.0m;塔身內共布設檢修平臺5個, 首個檢修平臺距離地面6.0m, 相鄰平臺間隔距離6.0m, 每個檢修平臺上部1.0m位置, 布置2個圓形窗戶, 窗戶呈南北方向布置。水塔整體結構見圖1。

  1.2、 周邊環境

  水塔周圍建 (構) 筑物密集, 塔周邊環境比較復雜。水塔北側5m處有一條東西走向的架空管道, 架空高度3.0m, 18m處為辦公樓;南側20m有廠房;西側80m為廠區道路;東側20m處為廠房, 詳見圖2。在拆除中要對上述構筑物進行保護, 現場可供施工的場地十分有限。
 

傘狀筒型鋼筋混凝土水塔爆破拆除設計
 

  1.3 、工程特點

  (1) 由傘狀水塔的結構特征決定, 其塔身半徑小, 塔帽體積和重量大, 導致爆破倒塌方向控制難度高。

  圖1 水塔結構示意圖
圖1 水塔結構示意圖

  (2) 筒身為薄壁混凝土結構, 壁厚僅0.2m, 爆破鉆孔數量多, 飛石、空氣沖擊波防護難度高。

  (3) 因倒塌中心線不沿檢修洞門對稱, 導致支撐體不對稱, 對倒塌方向控制不利。

  圖2 周邊環境示意圖
圖2 周邊環境示意圖

  (4) 水塔周圍環境復雜, 管線設備多且距離近, 北側架空管道距離水塔僅5m, 而塔帽的外徑為13m, 必須保證倒向準確, 防止水塔后座、下座, 保護管道安全。

  (5) 水塔塔帽直徑大, 對倒塌場地的寬度要求相比磚混水塔高。

  (6) 水塔頂部的塔帽體積和重量大, 重力勢能高, 倒塌落地時觸t地振動和沖擊波影響大。

  2 、爆破設計

  2.1 、爆破方案

  通過對比原地坍塌、定向倒塌、折疊倒塌3種方案的倒塌原理、場地要求、優缺點和安全性, 確定采用定向倒塌的爆破方案實施拆除;定向倒塌方案具有鉆爆工作量小、施工方便、成本低、工期短、倒塌方向易控制、安全性好等優點, 在倒塌場地滿足要求的前提下, 應優先選擇定向倒塌的爆破方案。

  水塔西側的場地滿足倒塌的要求, 但是為了保護北側架空管道的安全, 水塔設計朝西偏南方向倒塌。

  2.2 、爆破切口設計

  (1) 切口位置:爆破切口至地面的距離應便于施工。為了爆破拋渣順利, 最下一排炮孔距地面不得小于0.5m。當檢修門對支撐部分對稱性影響較大時, 爆破切口位置應避開檢修門, 爆破切口距離檢修門的豎向垂直距離不小于2.0m。為避免檢修門的影響, 確保支撐體的對稱性, 爆破切口位置定于標高4.0m處[1]。

  (2) 切口形式:采用正梯形爆破切口形式。

  (3) 切口弧長L[2]:切口長度決定了傾覆力矩的大小, 切口弧長過大, 傾覆力矩偏大, 支鉸易于破壞, 但是保留起臨時支撐作用的筒壁太短, 承受不了煙囪全部重量, 在傾倒之前會壓塌, 而發生后座的事故, 不利于水塔平穩定向倒塌;切口弧長過小, 當傾覆力矩小于預留支撐截面極限抗彎力矩 (MR) 時, 水塔會爆而不倒, 形成巨大的安全隱患, 處理困難;合理的切口長度是以水塔自重力引起的截面彎矩 (MP) 應等于或稍大于預留支撐截面極限抗彎力矩 (MR) 為主要依據來確定的。

  切口弧長由切口圓心角θ決定, 與切口圓心角成正比, L=θ360πD;根據同類工程施工經驗, 切口圓心角取215°, 經計算切口弧長L=6.0m。

  (4) 切口高度H:切口高度根據被爆體的外徑計算, 為防止被爆體在未完全失穩狀態下切口合攏, 設計取塔身傾斜20°時切口上下可以合攏狀態計算[3], 即H=tan 20°D, 將直徑D=3.2m代入公式計算得H=1.16m, 實取值為1.2m。

  (5) 預開定向窗:切口兩側預開定向窗, 定向窗為直角三角形結構, 底邊長0.8m, 高0.6m, 底角為36.9°。

  (6) 減荷槽:炸藥爆炸后會產生一個很大的垂直向上的作用力, 這個力可能推動水塔向相反方向傾倒。為了消除炸藥爆炸產生的垂直向上的作用力, 除預先開設定向窗外還應進一步地采取減小垂直向上的爆炸作用力的措施。為此, 設計一種減荷槽, 與定向窗共同作用, 可有效地抵消整個水塔所受到的垂直向上的爆炸作用力。減荷槽布置在倒塌中心線上, 沿倒塌中心線對稱布置, 減荷槽寬0.5m, 高1.2m。

  2.3、 爆破前預處理

  為了避免水塔內部的結構物對爆破后的水塔產生支撐作用, 影響倒塌方向, 在爆破切口的水平和豎向空間內, 對除筒壁外的所有結構物進行拆除預處理;主要包括, 標高6m位置的檢修平臺, 水塔內部北側的鋼制輸水管。

  利用風鎬、切割機按照設計尺寸開設定向窗, 定向窗內的鋼筋應切斷, 三角形底角位置的廢渣清理干凈, 截面整齊, 并保證兩側定向窗在同一高程。

  2.4 、孔網爆破參數

  薄壁結構具有布置炮孔密集的特點, 為了確定合理的爆破參數, 首先進行了試爆, 試爆選擇在減荷槽位置, 根據試爆結果, 確定了如下爆破參數[3], 詳見圖3:

  (1) 最小抵抗線W:板墻爆破一般按置中裝藥計算, W=δ/2 (δ為切口處壁厚, 為0.2m) , W=0.1m;

  (2) 孔距a:a= (2.0~2.5) ×W=0.2~0.25m, 實際取a=0.2m;

  (3) 排距b:b=a=0.2m;

  (4) 孔深L:L=2δ/3=0.133m, 實際0.13m;

  (5) 單耗:K=3800g/m3; (6) 單孔裝藥量:q=Kabδ=30.4g, 實際30g。

  共布設144個炮孔, 其中試爆炮孔10個。

  圖3 炮孔布置示意圖
圖3 炮孔布置示意圖

  2.5 、爆破網路設計

  本工程爆破采用數碼電子雷管網路, 孔內延時, 分成相對應的3個爆區, 自倒塌中心線向兩側依次起爆, 間隔時間50ms, 自中間向兩側分別設置的延期時間為0ms、50ms、100ms。

  3、 安全校核

  3.1、 爆破振動安全驗算

  本工程單段最大起爆藥量為1.5kg。根據爆破振動公式[4]計算:

  式中:R——保護對象距離爆破點的距離, m;

  Q——炸藥量, 齊發爆破為總藥量, 延時爆破為最大一段藥量, kg;

  v——與爆破點距離為R處質點振動速度, cm/s;

  K、α——與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數, 取K=50, α=1.62。

  經驗算, 距離水塔13m處辦公樓的理論振動速度為0.98cm/s, 小于一般民用建筑物安全允許振動速度2.5cm/s。

  3.2、 塌落觸地振動校核

  采用如下理論公式[5]計算塌落觸地振動速度:

  式中:vt——塌落引起地面振動速度, cm/s;

  M——下落構件的質量, t;

  g——重力加速度, 9.8m/s2;

  H——構件的重心高度, 取42m;

  σ——地面介質的破壞強度, 一般取10MPa;

  R——與沖擊觸地點的距離, m;

  kt、β——塌落振動速度衰減系數和指數, 高聳物拆除中kt=3.37~4.09, β=-1.66~-1.80。

  水塔的觸地質量為240.5t, 取kt=4.09, β=-1.66, 可計算出距離觸地點44m處的觸地振動速度v=1.24cm/s。當地面采取挖溝槽、壘筑土墻減振措施時, 可減振70%。

  3.3、 爆破飛石安全驗算

  飛石距離根據Lundborg的統計規律, 炮孔爆破飛石距離可由下式[6]計算:

  式中:KT——與爆破方式、填塞長度有關的系數, 取1.0~1.5;

  q——炸藥單耗, kg/m3;

  D——藥孔直徑, mm。

  取KT=1.2, 將q=3.8kg/m3, D=36mm, 代入公式 (3) 得Rf=164.16m, 在不采取防護措施的情況下, 爆破飛石距離超過了建筑物的安全允許距離, 必須采取防飛石措施。

  4、 安全防護設計

  4.1、 爆破飛石安全防護措施

  塔身筒壁為薄壁結構, 單耗高, 抵抗線小, 爆破飛石較遠, 距離周邊需保護廠房設備距離近, 必須采取防爆破飛石措施。

  炮孔覆蓋防護采用鋼絲網和草苫進行防護。鋼絲網采用具有一定柔韌度的普通編制型鋼絲網, 網孔尺寸2cm×2cm為宜, 草苫采用具有一定厚度的密編型草苫, 首先將草苫與鋼絲網采用鐵絲編織在一起, 然后利用編織好的防護材料對炮孔進行懸吊包裹防護[6]。

  在切口上部鉆鑿若干個懸吊防護材料的固定孔, 用膨脹螺絲做好懸吊支撐, 將制作好防護材料懸掛于懸吊支撐上, 周圍用多道鐵絲捆緊綁扎。防護時, 將草苫一面緊貼于炮孔, 避免防護施工破壞起爆網路。

  4.2、 北側架空管道防護措施

  利用腳手架搭設雙層防護排架, 排架側面和頂部鋪設竹笆片腳手板。

  4.3 、觸地飛石及觸地振動預防措施

  由于塔帽的體積和重量比較大, 不采取措施的情況下, 塔帽觸地在較大動能的作用下, 會造成塔帽混凝土向四周飛散, 如果對接觸面介質不做妥善處理, 會產生較大的觸地振動[7]。

  沿倒塌中心線平面位置, 在水塔設計的倒塌觸地范圍內, 開挖長50m、寬5~20m、深2~5m的防飛石溝, 將溝內挖出的土均勻地堆放在坑體兩側和頭部位置, 形成防飛石屏障, 并對溝底的介質進行翻松處理, 減小觸地振動。根據設計, 倒塌后水塔落入預先挖好的防飛石溝內, 達到降低觸地振動、防止觸地飛石飛散的目的[8]。

  5、 爆破效果與體會

  爆破后, 水塔按照設計的方向向西偏南方向倒塌, 落入預先開挖的防飛石溝內, 倒塌方向稍偏向北側, 但在允許范圍內。北側的架空管道安然無恙, 周圍建 (構) 筑物沒有受到影響, 最遠飛石距離36m, 為爆破切口處產生的飛石。落地后, 塔帽與筒身脫離, 塔帽與地面接觸約50%部分破碎, 上部完好;筒身完好, 沒有破碎;倒塌點距水塔基礎最遠距離43m, 塔帽處最大坍塌寬度16m。總體爆破效果符合設計要求。

  (1) 薄壁結構爆破時, 單耗較高, 可達3800g/m3。
  (2) 對于傘狀水塔, 由于其質量分布不均勻, 頭部重量大, 可采取開挖防飛石溝的方式預防觸地產生飛石的飛散;通過翻松接觸面的介質也可達到降低觸地振動的目的;但是該措施不利于后期清渣工作。
  (3) 雖然此類水塔塔帽比較重、筒壁薄, 但是爆破切口也必須有足夠大的圓心角, 避免爆而不倒。
  (4) 傘狀水塔的塔帽直徑較大, 要求倒塌場地的橫向距離不能小于塔帽直徑的1.6倍。
  (5) 數碼電子雷管起爆, 延期時間精確;網路連接時, 操作簡單, 準爆率高, 安全可靠。
  (6) 檢修門在位于支撐體部位時, 要充分考慮檢修門對支撐體強度的影響;爆破切口距離檢修門豎向垂直距離為2.0m時, 檢修門對支撐體的對稱性仍有影響, 造成倒塌方向稍向右側偏移;應通過提高爆破切口與檢修門的垂直距離或者對檢修門進行封堵處理。

  參考文獻

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  [3]陸志民, 徐志斌.薄壁傘形鋼筋砼結構水塔爆破拆除[J].爆破, 2010, 27 (3) :61-63.
  [4]國家安全生產監督管理局.GB 6722-2014爆破安全規程[S].北京:中國標準出版社, 2014.
  [5]周家漢.爆破拆除塌落振動速度計算公式的討論[J].工程爆破, 2009, 15 (1) :1-4.
  [6]張英才, 張海濤, 董保立, 等.復雜環境下150m砼煙囪兩段單向控制爆破技術[J].工程爆破, 2014, 20 (6) :16-20.
  [7]李陽.鋼筋混凝土煙囪拆除爆破觸地過程與安全控制研究[D].西南科技大學, 2018.
  [8]戴建毅, 汪艮忠, 周珉.復雜環境下復雜結構水塔爆破拆除[J].工程爆破, 2015, 21 (4) :37-40.

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