复杂环境下水塔爆破新方法研究

张耀良，郭惠良，夏云鹏

(1.江苏长江爆破工程有限公司，江苏 镇江 212000；2.句容市公安局，江苏 镇江 212400)

1 工程概况与施工难点

1.1 工程概况

待爆水塔为砖混结构，高度为37 m，水塔底部外径为3.6 m，底部壁厚为0.37 m。北侧距天然气控制柜仅为6 m，距离锅炉房15 m，距离办公楼38 m，距离架空管道14 m；东侧距离生产车间14 m；南侧距离储存有液碱、乙醇等物质的钢罐17 m，距离东西走向架空电线及地表水管为9 m;西侧距离储物仓库16 m(见图1)。水塔底部东侧布置有一门洞宽1 m，高1.6 m，以及第一、二圈梁(由下往上数)之间东西两侧各布置有一窗口，宽0.6 m，高1 m(见图2)。塔体共设有6 道圈梁，自地面每隔5 m设置一宽0.3 m的钢筋混凝土结构圈梁，每道圈梁内设有一平台，平台板厚度为0.2 m；水塔顶部有一外径为4 m的钢筋混凝土结构水箱，塔内留有水管，管径为50 cm。

图1 水塔周边环境Fig.1 Environment around the water tower

图2 水塔Fig.2 Water tower

1.2 施工难点分析

1)周边环境复杂，无倒塌场地：水塔北侧6 m处为天燃气管道及控制柜，不能有后座对其产生挤压和损坏，南侧有乙醇、液碱罐各一个，东侧及东南侧有创力纤维化工厂生产车间，西侧有围墙及大型仓库，无可供倒塌的场地。

2) 圈梁及平台存在，自落解体较难：由于水塔设计要求承重40 t水，因此塔体共设有6 道圈梁及内部平台，加强了其整体性，爆后水塔难以解体。

3)局部风化厉害，会产生不均匀解体：由于水塔年久失修，水箱局部漏水造成筒体部分侵蚀严重，爆破时易发生不均匀解体，影响水塔倒塌方向的准确性。

4)门洞和窗口存在，切口易形成不均匀支撑：由于门洞和窗口正好位于两切口范围内，切口两侧与窗口边缘不对称，起爆后易形成不均匀支撑，导致水塔偏向。

5)顶部水箱整体浇筑，易产生前冲和滚动：水塔顶部水箱整体性较好，且水箱与筒体之间没有相拉的构件存在，触地时水箱易发生分离前冲或者滚动。

6)周边有液碱、乙醇罐及燃气管道存在，易产生燃爆事故：天然气管道、乙醇罐距离爆体很近，如若处理不当，爆后产生的飞石、火花易对其产生次生危害。

7)上、下切口延时时间难以准确控制：采用双切口起爆，上、下切口之间的延时时间将严重影响水塔能否取得上部结构定向，下部结构坍塌的爆破效果。

8)周边厂房、居民密集，清场任务重：由于周边厂区居民密集，爆破时必须对警戒区域内的人员车辆彻底清场，警戒清场任务重。

2 爆破方案

2.1 倒塌方向

水塔周边倒塌环境受限，如果采用原地坍塌的爆破方式，水箱下落时由于底部可能形成不均匀支撑导致其滚动或倒向需保护的一侧，后果不堪设想，因此，只能将高37 m的水塔倒塌在东南方向仅有19 m场地内，还不能产生较大的后坐(见图3)。

图3 水塔倒塌方向Fig.3 Collapse direction of water tower

2.2 爆破切口

为将高37 m待爆水塔倒塌在长19 m的场地内，利用待爆水塔先行形成定向倾倒趋势后，使其原地下坐，缩短倒塌距离，即本次采用双切口，上部切口形式为梯形，位于距地面9 m的位置(即第二道圈梁下方)，下部切口形式为矩形，位于距地面1.0 m的位置(见图4)。

图4 水塔爆破切口位置Fig.4 Position of blasting cutting in water tower

图5 水塔上部切口Fig.5 Upper cutting of water tower

下部切口：爆破切口长10.3 m，后部预留1 m作为支撑，防止其倒塌偏向，切口高1.4 m(见图6)。

图6 水塔下部切口Fig.6 Lower cutting of water tower

在上部切口起爆后，水塔上部筒体向东南产生倾倒至75°～80°时，方向已确定，此时起爆下部切口，产生下坐，使水塔形成定向倾倒加下坐的趋势，最终在筒体自身的重力作用下倾倒、下坐、解体(见图7)。

图7 水塔爆破方式Fig.7 Blasting mode of water tower

2.3 爆破参数与起爆网路

本次爆破的设计参数如表1所示；起爆网路采用安全可靠的非电复式闭合网路(见图8)，上下切口间的延时时间为330 ms。

表1 爆破参数

图8 起爆网路Fig.8 Initiation network

3 安全校核与安全防护

3.1 安全校核

1)爆破振动校核。爆破振动速度公式为

(1)

式中：v为爆破允许质点振动速度，cm/s；Q为单段最大起爆药量，kg；R为保护对象至爆破点的距离，m；k、α分别为与爆区地形、地质条件有关的系数和衰减指数；k′为修正系数，k′=0.25。

本次爆破单段最大药量为8.38 kg，以离水塔最近的生产车间(14 m)，计算出该处炸药爆炸产生的爆破振动速度为2.07 cm/s，根据相关规定[1-3]，爆破振动速度不会对爆区建筑物及设施造成影响。

2)触地振动校核。倒塌触地振动速度公式[4]：

(2)

式中：vt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；m为下落构件的质量，t；H为构件的高度，m；σ、g、kt、β分别为地面介质的破坏强度、重力加速度、触地振动速度衰减系数、触地振动速度衰减指数，可按经验取σ=10 MPa，g=9.8 m/s2，kt=3.37～4.09，β=1.80～1.66。

经计算，水塔自重约为120 t，对需保护的生产车间，在采取减振沟、缓冲堤等措施，衰减系数kt仅为原状地面的1/4～1/3，因此计算的触地振动速度为1.47 cm/s，在允许范围内。

3)飞石距离校核。个别飞石飞散距离[5-7]

Rmax=Kt·q·D

(3)

式中：Kt为与爆破方式、填塞长度、地质和地形条件有关的系数，结构物爆破一般取Kt=1.0～1.5；q为炸药单耗，kg/m3；D为药孔直径，mm。

经计算，Rmax为57 m,此计算是在无任何防护措施下所达到的飞石距离，爆破时，采取一系列的防护措施，完全可以将飞石控制在安全范围内。

3.2 安全防护

1)覆盖防护。在水塔爆破切口顶端打入数个钢钉，并拉一道铁丝，将3 层安全网固定在铁丝上，对爆破部位实施覆盖，最后用铁丝将其加以固定，防止飞石逸出(见图9)。

图9 覆盖防护Fig.9 Coverage protection

2)遮挡防护。在水塔南侧使用钢管、扣件搭设防护架，挂设安全网，以及东侧生产车间前悬挂安全网，用以避免触地飞石对两侧保护物造成伤害(见图10)。

图10 遮挡防护Fig.10 Occlusion protection

3)重要设备防护。拆除北侧天然气控制柜，对原来的位置使用厚钢板覆盖，并在钢板上堆放沙袋，保护其不受损坏(见图11)。

图11 重要设备防护Fig.11 Protection of important equipment

4)减振措施。在倒塌方向的南侧和东侧开设减振沟(见图10)，减少振动对周边的影响，开挖出的土堆至减振沟的一侧保护路面不受破坏，并在储水灌体着地位置开挖缓冲坑，堆筑防冲堤，防止水箱前冲伤及周边(见图12)。

图12 减振防护Fig.12 Protection of vibration reduction

5)预拆除。对倒塌方向上的架空电线进行预拆除；清除罐体内液碱、乙醇等物质，防止造成液体泄漏污染水源；拆除塔内上下水管，防止爆后形成新的支撑影响倒塌方向。

4 爆破效果

1)上部切口起爆，上部筒体按预定方向倾倒，330 ms后下切口起爆，上部筒体近似垂直下落，触地后按照预定倒塌方向倾倒，倒塌方向准确，方向与设计方向基本一致(见图13)。

图13 水塔倒塌过程Fig.13 Water tower collapse process

2)爆破前在生产车间设置振动监测点，通过仪器监测，生产车间的振动速度为0.98 cm/s,远小于安全振动速度。

3)由于采取遮挡防护、重要设备防护等有效措施，周边生产车间、仓库、锅炉房、管线安然无恙，爆后设备正常运行。

4)爆后爆堆长17 m，高1 m，宽5 m，倒塌在受限的范围内，符合设计的爆破目标，同时周边保护目标未受到影响。

5 结语

通过此次尝试，并对水塔倾倒下坐过程的视频分析和最终测量，摸清了在场地受限且不能采取原地坍塌时，对高耸薄壁类构筑物采用定向加原地坍塌的双切口爆破是可取的一种方法，但对钢筋混凝土结构的高耸薄壁类构筑物，因为上部不易解体，此法不一定适用，可在上部多开设几个矩形贯通式切口，使其在定向趋势后，节节下落，达到定向加原地坍塌的目的；上下切口的延时时间间隔究竟是多少为最佳，也有待进一步探索。