复杂环境下薄壁式倒锥形水塔爆破拆除.pdf

工程爆破 ENGINEERING BLASTING 2019年2月第25卷第1期 �������������������������������������������������������������������������������������������������� �� Engineering Blasting 工程爆破,2019,251 38-44 文章编号1006-7051201901-0038-07 收稿日期2018-11-26 基金项目江西省科技厅科技平台和基地建设资助项目20164BCD40054 ; 江西省重点研发计划C类资助项目20181BBG70002 作者简介罗福友1987－ , 男, 硕士, 工程师, 从事爆破工程与采矿工程方面的研究与工作.E-mail luofuyouhao＠126. com 通信作者王云茂1965－ , 男, 学士, 高级工程师, 从事爆破技术研究及安全管理工作.E-mail1416255068＠qq. com 复杂环境下薄壁式倒锥形水塔爆破拆除 罗福友1, 2,3, 陶 明1,2, 王云茂1,2,3, 刘成敏1,2,3, 张 鑫1,2,3, 肖国喜1,2 1.江西国泰五洲爆破工程有限公司, 南昌330096;2.江西省爆破工程技术研究中心, 南昌330012;3.江西 国泰民爆集团股份有限公司, 南昌330096 摘 要通过理论计算和经验类比等手段, 解决复杂环境下1座薄壁钢筋混凝土倒锥形水塔的爆破拆除, 因倒塌场地小, 筒壁薄、 钢 筋密、 重心高, 易产生后坐甚至爆而不倒的问题, 设计了合理的爆破切口和定向窗尺寸、 爆破技术参数、 起爆网路等; 根据倒塌失稳计 算和预留支撑筒壁的强度校核, 验证了爆破切口高度及长度的合理性; 对爆破振动、 飞石和塌落振动等爆破危害进行了校核.结果显 示, 起爆后水塔缓慢倾倒,2 s后水塔出现下坐, 下坐高度约5 m; 倒塌趋势形成后, 下坐并未影响倒塌方向; 爆破未造成周边民房损坏, 未发生安全事故, 可为类似工程提供借鉴. 关键词倒锥形水塔; 拆除爆破; 复杂环境; 失稳验算; 支撑强度验算 中图分类号TU746. 5 文献标志码A doi10. 3969/j. issn. 1006-7051. 2019. 01. 007 Blasting demolitionof thin-walledinvertedconewatertowerin complex environment LUO Fu-you1 ,2,3,TAO Ming1,2,WANG Yun-mao1,2,3,LIU Cheng-min1,2,3,ZHANG Xin1,2,3,XIAO Guo-xi1,2 1. Jiangxi Guotai Wuzhou Blasting Engineering Co.,Ltd.,Nanchang 330096,China;2. Jiangxi Province Blasting En- gineering Technology Research Center,Nanchang 330012,China;3.Jiangxi Guotai Industria Explosive Group Co., Ltd. ,Nanchang 330096,China AbstractThrough the theoretical calculation and empirical analogy,a thin-walled reinforced concrete inverted conical water tower was demolished in a complex environment. Because the collapsed site is small,and the wall of the tube is thin,the steel bar is dense,and the center of gravity is high,it is easy to produce backward collapse,and even a problem of not dumping after blasting. The size of the blasting cut,the size of the directional window,the technical parameters of the blasting,the detonating network,etc.were designed.The collapse instability calculation and the strength check of the reserved wall verify the rationality of the height and length of the blasting cut. The safety inspection of blasting hazards such as blasting vibration,flying stone and collapse vibration was carried out. The results showed that the water tower began to pour slowly after the detonation. After about 2 s,the water tower began to backward collapse and the height was about 5 m. After the dumping trend was ed,backward collapse did not affect the direction of the collapse. The blasting did not cause damage to the surrounding houses,and no safety incident occurred. This can provide a reference for similar projects. Key wordsinverted conical water tower;demolition blasting;complex environment;instability check calculation;support strength check calculation 万方数据 www. cseb. org. cn//xhqk/indexframe. htmlFebruary 2019|Engineering Blasting |Vol. 25,No. 1 近年来随着经济的发展, 人们环保意识的提 高, 落后产能逐步被淘汰, 许多建 构 筑物需要 拆除. 高耸建筑一般采用爆破拆除方法[ 1-5], 如钢筋 混凝土倒锥形水塔结构的高耸建筑.通常其拆除 方法是在水塔倾倒方向筒身底部爆破出一个切 口[ 6-8], 使其重心失稳产生倾覆力矩, 从而达到定 向倒塌目的. 水塔的结构类型有很多种, 如钢筋砼框架柱 形、 砖混筒形、 砖混柱形和钢筋砼倒锥形等结构. 其中钢筋砼倒锥形水塔是较为新型的水塔类型, 设计容水量一般为50300 m3, 高度2040 m, 整个水塔由倒锥水箱、 环形承接梁、 薄壁支承筒、 圆形钢筋混凝土基础构成.筒壁为单层或双层配 筋, 布筋粗密, 尤其门洞两边加强配筋.此类水塔 筒身断面直径大, 一般在2. 4 m左右.筒身直径 小, 厚度一般为0. 2 m, 倒锥形水箱结构重心高, 锥 角一般为30 和45 . 水塔拆除时一般采用爆破定向倒塌, 其关键 环节是合理选取爆破切口和精确定向.水塔筒壁 薄, 重心高, 极易产生“ 后坐” 和“ 下坐” 现象.“ 后 坐” 和“ 下坐” 可能导致倾倒方向偏移, 甚至可能向 反方向倒塌.如果爆破环境复杂, 极易造成安全 事故.本文结合工程实例, 阐述了怎样通过合理 设计, 精细施工, 在保证爆破质量与安全的前提 下, 实现水塔精准倒塌的过程. 1 工程概况 1. 1 工程环境 待拆水塔位于江西省彭泽县龙城镇渊明路东 侧 见图1 , 东面距居民房约30 m, 南面距居民楼 约40 m, 西面距居民楼约15 m, 北面距居民楼约 50 m, 四周均为下向斜坡; 东北面20 m范围内为 平地,20 m以外为山林地, 为上山斜坡. 1. 2 水塔结构 待拆水塔由支撑筒和倒锥形水箱组成, 其中 支撑筒为液压 滑 模 浇 筑 薄 壁 混 凝 土 结 构, 外 径 2. 4 m, 壁厚0. 18 m, 高25 m; 水箱为倒锥形薄壁钢 图1 爆破周边环境 Fig. 1 Surrounding environment of the blasting 筋混凝土结构, 其最大直径9. 2 m, 高5. 4 m; 水塔 支筒＋水箱总高度为30. 4 m, 总重约130 t.砼标 号为250号, 混凝土强度等级为C35.西南侧有一 宽0. 64 m, 高2. 05 m的门洞. 2 爆破方案设计 2. 1 倒塌方向设置 建筑物拆除主要有机械法、 人工法及爆破法. 采用机械法拆除必须由上到下, 且远距离操作, 一 般机械臂长无法达到水塔高度.且待拆水塔处于 山体斜坡上, 机械拆除设备摆放场地不足, 环境较 复杂, 故不宜采用.倒锥形水塔虽为钢筋混凝土 结构, 但壁薄, 支撑筒细, 拆除过程易造成结构不 稳.高空人工拆除技术难度大、 费用高、 工期长、 安全隐患大.相比较前面2种方法, 爆破法拆除该 水塔, 倒塌方向好控制, 技术上成熟, 安全可靠, 施 工成本也更低廉. 根据分析, 在水塔底部炸开一定长度的切口, 可使水塔按设计倒塌方向定向倾倒并破碎解体. 根据现场爆破环境条件, 选择向东北方向 北偏东 40 倒塌最优, 因为门洞位于倒塌方向正后方, 所 以设为单切口定向爆破倒塌. 2. 2 预处理 在对水塔实施爆破之前, 清理倒塌范围场地. 倒塌方向场地宽约20 m, 长约40 m,20 m范围内 93 第1期罗福友, 等 复杂环境下薄壁式倒锥形水塔爆破拆除 万方数据 Engineering Blasting 工程爆破,2019,251 38-44 为杂草荒地,20 m外为灌木丛, 此方向有一定的山 坡度.爆破前需要清除倒塌范围30 m内树木, 在 倒塌方向22 m处挖掘倒塌基坑以防水箱滚动, 基坑 尺寸为15 m 15 m 2 m 长宽深度 . 另为保证水塔严格按设计方向倾倒, 事先开 定向窗, 并切除定向窗内钢筋, 水塔内部结构 水 管、 避雷管线、 钢筋楼梯等 预先拆除; 用混凝土和 砖块在保留区域门洞处砌补好, 使其与支撑筒交 结成一体; 倒塌时, 对预留部分起支撑作用, 减少 下坐和后坐. 2. 3 爆破切口设计 2. 3. 1 切口形状 水塔爆破拆除的切口一般有正梯形切口、 倒 梯形切口和长方形切口.正梯形切口控制倒塌方 向较好, 倒梯形切口水塔后坐效应较小, 长方形切 口倒塌方向不易控制. 为保证倒塌方向精准, 确保周边建筑物安全, 且方便施工, 提高施工效率, 确定选用正梯形切口 爆破 见图2 . 图2 爆破切口 Fig. 2 The blasting cut 2. 3. 2 切口长度 由于支撑筒直径小, 布筋密, 为有效控制并减 缓起爆后筒壁剩余部分的屈服过程, 使筒身在倾 倒前得到有效的支撑以控制倒塌方向, 设计钢筋 混凝土支撑结构水塔爆破切口的开口圆心角为 210 220 .即爆破切口长为 切口底边L底＝210220 /360πD ＝ 4. 3964. 605 m, 取4. 5 m, 开口圆心角约215 . 切口上边L上＝L底－L定向窗＝ 3. 6 m. 2. 3. 3 切口高度 对于钢筋混凝土高耸建筑而言, 应考虑切口 形成后, 切口内裸露的竖向钢筋必须失稳.同时, 还应使水塔在倾倒至较大角度时, 切口的上、 下沿 才闭合相撞, 防止相撞时使倾倒方向发生偏离. 同时, 还应使其倾倒至爆破切口闭合时, 重心位置 偏移到切口标高处筒壁范围以外.切口高度h根 据以往经验按下列公式[ 9]确定 h≥35B 1 式中h为切口高度, m;B为水塔壁厚,m. 钢筋混凝土较薄时, 切口高度 炸高 取大值, 如果配筋比高, 也取大值; 同样壁厚条件下, 高度 大的取小值, 高度小的取大值.如果炸高小了, 暴 露的钢筋不会立刻屈曲, 水塔不会立即失稳倒塌, 残留的混凝土也可能支撑水塔不马上倒塌, 对倒 塌方向的准确性和安全不利. 按照上式计算, 最大切口高度h ＝ 0. 54 0. 9 m.为确保水塔爆破时倒塌顺利, 根据工程经 验, 本次爆破切口高度取1. 2 m.同时, 开凿宽 0. 45 m, 高0. 4 m, 底角42 的三角形定向窗, 其尺 寸为 宽0. 45 m, 高0. 4 m, 底角42 . 2. 3. 4 倒塌失稳验算 水塔总荷载约为130104N, 爆破切口处钢筋 直径d＝20 mm, 共43根, 钢筋弹性模量E＝ 21 10 10 N/m2. 爆破后每根裸露钢筋 竖筋 的实际应力为 σi＝P/NS 2 式中P为切口上部总荷载, 130104N;N为筒 身竖 筋 根 数,43根;S为 竖 筋 截 面 积,3. 14 04 工程爆破 ENGINEERING BLASTING 第25卷 万方数据 www. cseb. org. cn//xhqk/indexframe. htmlFebruary 2019|Engineering Blasting |Vol. 25,No. 1 10 －4 m2. 计算得σi＝ 9. 6107N/m2. 根据力学公式, 压杆的柔度极限为 λi＝ π 2E σi 3 式中E为钢筋的弹性模量, 取211010 N/m2 [10]. 计算得λi＝147. 临界压杆高度与临界柔软度之间存在以下 关系 li＝λid/4 4 通过计算可得到临界压杆高度li＝ 0. 73 m. 故爆破切口的高度须大于0. 73 m, 而实际切 口高度h＝ 1. 2 m ＞ 0. 73 m, 所以爆破切口尺寸 满足倒塌要求. 2. 3. 5 支撑筒壁强度验算 爆破切口形成后, 水塔重量全部由预留筒壁 支撑, 若支撑面积不足, 则会造成水塔下坐或后 坐, 严重时造成水塔倾倒方向偏离.因此, 设计时 必须对预留支撑筒壁的抵抗强度进行验算.当水 塔筒身轴向压力小于预留支撑筒壁的极限抗压强 度时, 水塔爆破瞬间不会下坐或后坐, 即满足 [ σe]≥P/S [11] 5 式中P为水塔重量;S为预留支撑筒壁横截面 积; [ σe] 为水塔筒身混凝土抗压强度,C35等级的 混凝土抗压强度为23. 4 MPa. 水塔总荷载约为130104N, 预留支撑筒壁 横截面积S＝0. 432 m2, 水塔支撑壁体抗压强度 [ σe] 取23. 4 MPa, 代入式5 计算出P/S＝ 3. 0 MPa, 故[σe]＞P/S, 水塔倒塌瞬间不会发 生后坐和下坐, 能够保证顺利倾倒. 2. 4 爆破参数设计 炮孔以梅花型方式布置 见2c , 为方便钻孔作 业, 选择离地面1. 0 m布孔.炮孔直径3842 mm; 最小抵抗线W＝B/2 ＝ 0. 18/2＝ 0. 09 m; 炮孔深度 L＝ 2B/3 ＝ 2 0. 18/3 ＝0. 12 m; 炮孔间距a＝ 0. 2 m; 炮孔排距b＝0. 2 m; 总炮孔104个; 炸药单 耗q＝3 000 g/m3; 单孔装药量Q＝qabB＝21. 6 g, 下部3排孔取30 g, 上部其余孔取25 g; 总装药量 约2. 86 kg. 2. 5 起爆网路 使用防水性较好的ϕ32 mm乳化炸药, 采用 非电导爆管交叉起爆网路, 最后用起爆针击发起 爆.进行孔内分段, 沿倒塌中心线对称, 依次布置 MS3、MS5、MS7段,3个段别的炮孔总覆盖面积基 本一致 见图3a ; 孔外每1520根导爆管脚线组 成一组, 每组用2发MS1段大把抓, 然后再进行二 把抓形成交叉网路 见图3b . 图3 起爆网路 Fig. 3 Firing circuit 3 安全校核及安全措施 3. 1 爆破飞石 由于拆除爆破的炮孔浅, 填塞短, 抵抗线小, 单耗大, 产 生 个 别 飞 石 的 因 素 较 多, 飞 石 较 难 控制. 参考爆破界有关学者在拆除爆破的实践, 总 结归纳出的依据炸药单耗计算个别飞石距离的经 验公式[ 5-6] R＝70q 0. 58 6 式中R为无覆盖条件下拆除爆破飞石的飞散距 离,m; q 为炸药单耗, kg /m3. 单孔药量30 g时, 单耗为4. 17 kg/m3, 计算得 R＝ 160. 2 m, 个别飞石距离远超过与保护对象安 全距离, 因此需用竹笆和密目网等对水塔筒体爆 破切口位置进行飞石防护, 将飞石危害控制在安 全范围之内. 3. 2 爆破冲击波 爆炸产生的冲击波强度按下式进行校验 Rk＝25Q 1 3 7 14 第1期罗福友, 等 复杂环境下薄壁式倒锥形水塔爆破拆除 万方数据 Engineering Blasting 工程爆破,2019,251 38-44 式中Rk为冲击波安全距离; Q为毫秒延时爆破总 药量, 本次装药总药量约2. 86 kg. 计算得Rk＝35. 5 m, 该计算结果为裸露爆破 时的空气冲击波的安全距离, 实际上由于炮孔填 塞及防护, 空气冲击波在一定程度上有所减弱, 能 够保障周边建筑和人员不受爆破冲击波的损害和 损伤. 3. 3 爆破振动 对于炸药爆炸产生振动的控制, 采用多打孔、 少装药、 延时起爆等技术来避免能量集中, 严格控 制单孔药量, 将能量进行分散. 爆破振动速度按下式计算[ 12] v＝K 3 Q R α 8 式中v为爆破振动速度, cm/s;Q为最大一段齐 爆药量, kg ;R为爆破几何中心至最近保护物之间 的距离,m;K、 α为与爆破地震波传播地区地质条 件有关的系数,K ＝ 32. 1,α＝1. 58. 同段药量Q＝ 1 3 Q总＝0. 95 kg, 计算出距水 塔最近处西面民房爆破振动值为0. 43 cm/s ＜ 2. 0 cm/s, 故爆破振动处于安全范围. 3. 4 塌落振动 水塔塌落触地时, 对地面的冲击较大, 产生塌 落振动.塌落振动质点速度按下式计算[ 13] vt＝Kt[ R mgH σ 1 3 ] β 9 式中vt为塌落振动速度,cm/s; Kt为衰减系数, Kt＝3. 374. 09, 取3. 37;σ为地面介质的破坏强 度,MPa, 一 般 取σ＝ 10 MPa; β 为 衰 减 指 数, －1. 66－1. 80, 取－1. 66;R为保护物至落地中心 的距离,m;m为下落构件的质量, t;H为构件重 心高度,25 m. 水塔倒塌冲击地面中心与北面保护楼房距离 约为25 m, 振动速度为1. 4 cm/s, 小于1. 5 cm/s, 在安全范围之内.且倒塌方向地面为泥质土层, 对塌落振动有一定缓冲作用.受保护的楼房位于 坡底, 低于落地处水平标高, 根据振动传播的高效 应规律可知, 塌落振动值会有一定程度的削弱. 楼房处的振动值小于计算值, 因此其塌落振动能 够控制在安全范围之内. 3. 5 塌落触地飞溅物及防滚动 水塔塌落触地产生的飞溅物数量、 距离决定 于水塔在自重作用下, 触地产生的冲量及场地表 面状况以及防护.因此, 在其倒塌方向倒锥形水 箱塌落位置挖一长15 m, 宽15 m, 深2 m的基坑, 并在基坑内铺设一层帆布, 防止水箱倒塌触地产 生的飞溅物以及箱体滚落至两边山体, 伤及周边 建筑物. 4 爆破效果及分析 4. 1 爆破效果 起爆后, 水塔开始向倒塌方向倾斜, 倾斜速度 较慢; 约2 s后, 水塔出现下坐, 但倾倒趋势已形 成, 最终按设计方向倒塌; 倒塌长度约24 m, 水塔 下坐高度约5 m; 飞石距离控制在10 m内, 未造成 周边民房损坏, 未发生安全事故, 爆破圆满成功 见图4 . 图4 水塔爆破前后 Fig. 4 Comparison chart before and after blasting 4. 2 效果分析 水塔爆破切口形成后, 其重量全部由底部预 留筒壁承担, 在支撑筒壁中心轴两端靠近切口的 区域首先受压, 随着水塔的失稳倾覆, 倒塌方向远 端的预留区域受拉, 此时预留筒壁前端压碎, 裂纹 由两侧对称向后发展; 受拉区域开裂, 预留筒壁有 24 工程爆破 ENGINEERING BLASTING 第25卷 万方数据 www. cseb. org. cn//xhqk/indexframe. htmlFebruary 2019|Engineering Blasting |Vol. 25,No. 1 效截面逐渐减小, 最终与受压区域裂纹贯通, 失去 支撑作用, 水塔在倒塌的过程中下坐, 这是起爆后 约2 s, 水塔出现下坐的原因. 针对此水塔设计的爆破切口, 即保证了水塔 的倾覆失稳, 又较大程度保留了支撑面积, 有效地 保障了支撑体强度, 防止水塔爆破瞬间下坐, 让水 塔有充足时间形成倾倒趋势, 避免了倒塌方向产 生偏离. 5 结语 1 该类型水塔通常含有门洞, 爆破时一定要 考虑门洞对倒塌方向或支撑区域强度的影响.门 洞位于预留区 域 时, 对 门 洞 封 堵 使 其 承 受 荷 载 均匀. 2 爆破切口开口圆心角为210 220 时, 倾 倒过程较缓慢; 若门洞位于切口范围内时, 开口角 度应适当加大. 3 一定要了解水塔的配筋和相关参数, 核算 切口高度和预留筒壁的支撑强度, 防止爆而不倒 或因支撑力不足导致倒塌方向产生偏差. 参考文献References [1]赵文, 李玉景, 张宝亮, 等.复杂环境下80 m高危裂缝 钢混烟囱爆破拆除[J].工程爆破,2018,242 77-82. 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BeijingMetallurgical Industry Press, 2015,691-692. �������������������������������������������������������������������������������������������������� 第十届中日韩炸药与爆破技术国际会议征文通知 第一轮 各有关单位 第十届中日韩炸药与爆破技术国际会议将于2019年910月在中国成都召开.这是中、 日、 韩爆破 界的又一次盛会, 本次会议由中国爆破行业协会主办.会议旨在为参会代表提供一个展示爆破科技发展 成就、 交流爆破研究成果与施工经验、 探讨爆破技术发展方向和建立国际间合作关系的优质平台.会前 将出版论文集.欢迎爆破界同仁积极撰稿并踊跃报名参会.现将有关事宜通知如下 一、 征稿要求 1.会议语言为英文, 即论文摘要、 全文和宣读语言均为英文. 2.摘要字数为200400个单词, 包括论文题目、 作者、 单位、 论文概要、 联系电话和电子邮箱等.摘 要录用后作者会收到论文全文的写作规范和宣读要求. 二、 征稿日程 1.英文摘要提交截止日期2019年4月10日 2.摘要通过告知截至日期2019年5月10日 3.英文全文提交截止日期2019年6月30日 4.英文全文录用通知日期2019年7月31日 三、 征稿主题 论文主题包括与炸药、 起爆器材、 爆破破岩、 拆除爆破、 爆炸加工等的最新理论研究、 技术应用及安全 管理等有关的内容, 如 1.岩石破碎和凿岩机理研究;2.爆破设计和施工技术;3.拆除爆破;4.水下爆破;5.特种爆破;6.新 型起爆技术与方法;7.爆破测试、 安全与环保;8.爆破的智能化发展等. 四、 投稿方式 请于2019年4月10日前将英文摘要发送到邮箱csebconference＠163. com. 联系人 中国爆破行业协会国际联络部 宋文峰 地 址 北京市丰台区南四环西路188号11区29号楼 邮 编100070 电 话010－53069601 传 真010－53069633 邮 箱csebconference＠163. com 中国爆破行业协会国际联络部 2018年12月17日 44 工程爆破 ENGINEERING BLASTING 第25卷 万方数据