异型结构钢筋混凝土水塔爆破拆除

王 升,易理辉,莫志平

（湖南长工工程建设有限公司， 湖南 长沙 410003）

1 工程概况

1.1 工程概况及周围环境

2017年4月湖南普照科技资产转让项目拆除工程需一次爆破拆除2栋钢筋混凝土排架结构厂房；3座钢筋混凝土结构池炉烟囱；1座水塔。待拆除水塔为一座异型结构钢筋混凝土水塔，兼做工厂的标志性构筑物。水塔全貌见图1。

图1 水塔全貌

1.2 周围环境

水塔北侧为厂区道路及待拆除的一期生产厂房，距北侧厂房19.5 m。西侧为露天变电站和综合动力站，已停止使用，暂时不拆除，水塔距西侧最近变压器16.30 m。东侧为综合水站和废水处理站，在水塔爆破前采用机械拆除。水塔至废水处理站最东侧距离 98.50 m，拆除后的场地可以满足水塔定向倒塌的要求。南侧距道路边缘40.2 m，距二期厂房62 m。厂区占地面积大，水塔基本位于厂区中心，距离厂外周边道路距离均在400 m以上，环境良好。

2 爆破方案的确定

2.1 水塔结构

水塔为钢筋混凝土剪力墙结构，立面为矩形切角，平面为开口圆筒形、中间井字形隔墙加强。南北向为进出通道，宽1.95 m；东西向为凹槽封闭口形状，宽0.95 m，凹形深度1.0 m。

水塔高62.35 m，加避雷针总高度71.35 m，直径8.90 m，上下等直径，底部周长27.95 m。水塔共6层，每层高10 m，水柜位于第5层，标高40.00～50.00 m，水箱容积500 m3。楼梯间位于水塔东南侧结构内，楼梯为钢质爬梯。水塔剪力墙厚0.25 m，混凝土标号C35，剪力墙主筋Φ16×150双层布置，横筋 Φ14×150，对拉筋 Φ8×600。

2.2 爆破方案的选择确定

常规的水塔多数为圆形支筒结构或是方形框架结构。待拆除水塔为开口圆筒形，且中间设置井字形隔墙，支筒外壁和筒内隔墙为钢筋混凝土剪力墙。水塔结构坚固、承载力大、横向刚度大。经检索，尚未见到类似结构的水塔爆破拆除案例。

采用定向倒塌爆破拆除常规的水塔、烟囱，仅爆破框架柱或支筒筒壁。如此，本水塔爆破切口部分的内部隔墙则要全部预处理拆除。从结构看，中间纵横隔墙为整个水塔的主要承重结构，如果预先将爆破切口部分的（底部）内部隔墙全部预拆除，上部未拆除结构的重力弯矩会对筒壁产生严重的影响，在无法验算预拆除后结构的稳定值，又没有类似结构成功拆除经验的情况下，全部预拆除中间纵横隔墙后，无法保证水塔结构的稳定，存在较大的安全隐患，不宜选用。

相对于框架、框剪结构建筑物，水塔的结构尺寸又相对较小。如果采用常规的框架结构爆破方法，因为水塔为圆形剪力墙结构，剪力墙为薄壁结构，需要钻凿大量的炮孔，工作量大，使用的炸药雷管数量大。为减少钻孔工作量需要进行大量的预处理，费时费工。水塔爆破拆除与框架结构和框剪结构爆破拆除的后支撑不同，一般框架结构的后支撑铰点为各轴线的后排立柱，为直线点支撑。而水塔的后支撑为爆破切口外剩余的筒壁，为圆弧形线支撑，且东西两侧有凹形隔墙，结构刚度更大，抗弯性能更好。

图2 水塔周围环境

图3 水塔底层平面

根据拆除爆破理论，建构筑物倒塌必须满足的力学条件是：破坏结构（构件）的强度；破坏结构物（构件）的刚度；使结构失稳，进而使结构倒塌。

结合周边环境，业主工期、质量、安全等要求，对结构进行分析，借鉴烟囱、水塔常规爆破方法和框架剪力墙爆破方法，结合二者优点，利用控制爆破拆除高耸构筑物失稳倒塌原理，采取措施破坏结构的强度、刚度，从而满足建构筑物倒塌的力学条件，利用重力矩使高耸构筑物倾覆。确定采用定向倒塌方式爆破拆除水塔，倒塌方向为正东。爆破切口范围确定为扇形，保留后支撑，但需对后支撑采取措施进行削弱。爆破切口高度、形式按框剪结构爆破切口确定方式确定。采用延期起爆技术，与其它厂房、烟囱等一次性点火起爆，完成爆破拆除。

3 爆破参数

3.1 爆破切口设计

3.1.1 爆破切口形式的选择确定

按常规烟囱水塔爆破拆除切口确定的原则，爆破切口平面圆心角确定为216°。

爆破切口采用矩形切口+三角形定向窗切口，自地面以上50 cm布置爆破切口。水塔外壁下切口长度：L=0.6πD=16.76 m。

经验算，保留后支撑部分的抗压强度满足混凝土强度要求。

3.1.2 爆破切口参数设计

爆破切口高度：按薄壁圆形支筒结构H=（5～7）δ=1.25～1.75 m。经计算，当切口倾角为9°时，水塔重心即可偏出外边线，相对应切口高度1.45 m。

按框剪结构建筑物定向倒塌爆破倾倒角25°～30°考虑，按 30°计算，H=tan30°×4.45 =2.57 m。根据确定的定向倒塌爆破方案，考虑水塔结构特殊，内部设置井字形剪力墙，结构刚度大，为确保结构失稳，爆破切口按剪力墙结构建筑考虑，结合孔网参数设计确定爆破切口高度取2.75 m。

3.2 爆破参数设计

（1）厚25 cm水塔东侧筒壁、内隔墙剪力墙（见图4）。

图4 东侧筒壁爆破切口展开图及炮孔布置

最小抵抗线：W=1/2δ=0.125 m，孔深：L=2/3δ=0.17 m，孔距：a=2*W=0.25 m，排距：b=(0.9-1.0)a=0.25 m，排数：N=12排，炸药单耗：q=3000g/m3，单孔药量：Q=qabδ=46.87 g，实际取50 g。

（2）水塔东侧凹槽隔墙（见图 5）。拐角加腋处斜炮孔，孔数24个，孔深0.24 m，药量66.67 g。其余炮孔参数同筒壁。

（3）水塔东侧井字形横向隔墙（见图 6）。沿隔墙短边钻孔24个，孔深L=0.82 m，孔距a=0.25 m，炸药单耗 q=3000 g/m3，Q=qaS=178.12 g，实际取200 g。

图5 东侧凹槽隔墙爆破切口展开图及炮孔布置

图6 东侧井字形横向隔墙爆破切口及炮孔布置

孔内3段装药，底部、口部50 g，中间100 g。拐角加腋处倾斜炮孔加深，孔深 0.24 m,单孔药量66.67 g。

（4）水塔西侧井字形横向隔墙（含定向窗）（见图7）。爆破参数同东侧隔墙。定向窗结合试验爆破预先用爆破法开设。切口末端炮孔不装药，试爆后人工修整成形。确保切口长度和后支撑长度符合设计要求。

（5）为确保水塔顺利倒塌，水塔西侧凹槽后支撑纵横隔墙钻2排水平炮孔，对后支撑进行削弱，破坏隔墙刚度。最小抵抗线W=0.125 m，孔深 0.17 m，孔距0.25 m，排距0.20 m。炸药单耗q=2800 g/m3，单孔药量Q=35 g。

水塔爆破拆除炮孔总数：1391个，总装药量：52.26 kg。

图7 西侧井字形横向隔墙（含定向窗）爆破切口及炮孔布置

4 装药结构

装药使用Φ32乳化炸药。根据炮孔布置，每孔1个药包。每孔用1发非电导爆管雷管起爆。内部“井”字形隔墙短边钻孔采用分段装药结构，用导爆索串联起爆。炮孔口部用炮泥填塞，填塞紧密，装药结构见图8。

图8 连续装药结构和短边钻孔分段装药结构示意

5 起爆顺序及起爆延期时间

水塔内部纵横隔墙炮孔内采用MS-3导爆管雷管，水塔外壁及后支撑爆破孔内采用MS-7段导爆管雷管，内部隔墙先起爆，外壁延时150 ms起爆。过桥（传爆）导爆管雷管全部采用MS-1导爆管雷管，每节点2发。水塔起爆网路连接好后接入主起爆网路。

6 爆破预拆除和试验爆破

6.1 预拆除

由于剪力墙为薄壁结构，绝大多数情况下只能进行水平孔，孔网密集，导致钻孔数量巨大。常规剪力墙结构爆破拆除需要进行大量的预处理工作，以减少钻孔工作量，提高劳动效率，降低炸药使用量，提高安全系数。常用的预处理方法有人工、机械破碎凿除，爆破破碎，机械切割。本工程预处理部位为：爆破切口范围内部分水塔支筒外壁；内部部分井字形隔墙；水塔内上下水管道。

外壁直接用液压破碎锤按设计确定的区域范围进行破碎凿除，机械破碎完成后人工进行修整。内部“井”字形隔墙由于大型破碎锤无法进入，结合试验爆破进行预处理。既检验爆破设计参数的合理性，又检验爆破器材的性能和可靠度。

6.2 试验爆破部位及参数

水塔外壁24孔、水塔内部25 cm厚水塔外壁纵横隔墙220孔，单孔药量Q=50 g，底部一排炮孔单孔药量Q=66.67 g；水塔外壁定向窗19孔，单孔药量Q=35 g；水塔3区纵向剪力墙分段装药4孔，装药孔Q=200 g，分3段，底部50+100+50 g。合计试炮孔数277孔。总装药量14.35 kg。采用2草帘加2层钢丝网进行包裹防护。

试验爆破效果：所有试验爆破部位按设计预想全部贯通，混凝土脱离钢筋笼，钢筋笼散离原位。分段装药的隔墙也全部贯通，混凝土脱离钢筋笼，钢筋笼散离原位。爆破个别飞散物飞散距离约 30 m。试爆证明参数合理。

7 爆破效果及爆破体会

7.1 爆破效果

点火起爆后，水塔顺利倒塌，倒塌方向与原设计倒塌方向一致。倒塌后的水塔大部分结构完好，破碎解体不完全。

7.2 爆破体会

针对这种特殊结构构筑物的爆破拆除,爆破切口形式和切口高度的确定可以借鉴、参考常规烟囱、水塔、框架、框剪结构爆破切口参数的确定方法进行确定。

对于结构刚度很大的建构筑物，后支撑要进行适当的削弱和预处理。处理方法可以采用爆破法，也可以采用人工、机械预处理。

利用起爆时间差，先起爆水塔内部隔墙，后起爆外部筒壁，将特殊复杂结构变为常规简单结构。

对复杂异型构筑物进行预拆除时，在没有成熟可靠的安全验算结果，没有大量的成功案例支撑，无法确保结构安全的情况下，对水塔内部纵横隔墙不完全预拆除，更加安全可靠。