徐传忠,孙跃光,张春玉,卢英明,魏冰方
(1.济南兴鲁爆破有限公司,济南 250014;2.济南黄河爆破工程有限责任公司,济南 250015;3.山东大展工程有限公司,济南 250001)
济南市徒骇河营子水闸分为水闸、交通桥和楼梯间3部分。该处水闸已经使用近40年,经结构鉴定无维修价值,计划采用爆破方式拆除后建设新的水闸。
水闸全长126 m,共19跨,跨径6.6 m,闸基础为钢筋混凝土现浇结构,高度7.0 m,厚度0.8 m,上宽2.5 m,下宽5.4 m。每道闸基础内有26根竖向钢筋和环形筋,竖向钢筋为Φ22螺纹钢,间距0.25 m,横向环形钢筋为Φ10圆钢,间距0.2 m。水闸基础底部东侧为台阶式,西侧为坡脚式,中间有一道竖向的闸板槽,宽度0.6 m,深度0.25 m。水闸基础之上为2根0.5 m×0.5 m的钢筋混凝土现浇立柱,高度6.0 m。立柱之上0.7 m×0.6 m的横梁和简支梁,简支梁上为联系梁,中间是钢筋混凝土提升机底座。水闸两端是钢筋混凝土联系墙。交通桥全长152 m,桥面总宽5.1 m,共23跨,跨径6.6 m,桥梁两端为桥台,中间为柱式桥墩。每跨桥墩底部为钢筋混凝土条形承台,高1.0 m,宽0.8 m。柱式桥墩之上为0.5 m×0.6 m的钢筋混凝土横梁,横梁之上为纵向3条钢筋混凝土槽型预制板,槽型板之上为0.1 m厚的混凝土桥面,桥面距离河床底距离7.0 m。水闸北端是3层楼梯间,长6.5 m,宽3.9 m,高12 m,墙壁厚度0.28 m,水泥浆砌砖结构。水闸与交通桥整体结构及截面尺寸如图1、图2所示。
图1 水闸与交通桥结构Fig.1 Structure of sluice and traffic bridge
图2 水闸与交通桥截面Fig.2 Cross section of sluice and traffic bridge
待拆除水闸位于济南市商河县白桥镇小营子村西南300 m、大侯家村东南的徒骇河上。爆破区域北侧为乡村道路;东北方向30 m为水利工程项目办公区域;东侧为河道;东南方向30 m为农田,300 m为大营子村民房;南侧为乡村道路;西南方向30 m为农田和菜园,150 m为民房;西侧为河道;西北方向100 m为民房,280 m为大侯家村民房。爆破环境相对较好。具体环境如图3所示。
图3 周围环境Fig.3 Surrounding environment
根据待拆除建筑物的具体情况,水闸、交通桥、楼梯间相互独立,爆破时可以单独设计倒塌方向。交通桥可采用向东定向倒塌、楼梯间可采用向南定向倒塌的爆破方案。
水闸的拆除方案较复杂,主要原因一是该拆除任务施工时间短,闸基上部立柱无法钻孔,爆破部位只能设置在闸基下部;二是闸基为下大上小的变截面结构(见图2),而且整个水闸上部质量较小,建筑物重心很低;三是水闸顶部是简支梁和一道联系梁将各跨连成一个整体,由于联系梁较小,造成上部整体性不强。
在进行水闸爆破设计时,将单跨的水闸基础作为设计对象,即在单跨水闸基础上布置爆破切口,采用逐跨向东定向跨塌的爆破方式[1]。为防止在水闸纵向方向上因顶部联系梁的牵拉作用,导致后部各跨垮塌不彻底,故采用倒梯形切口。首先起爆的一组基础爆破切口高度比其它基础提高50%,确保倒塌时产生足够的拉力,以达到定向倒塌的目的。
因南侧第一道闸基与联系墙联接,牵拉作用较强,故确定从南侧第二道闸开始起爆,后续各跨闸基依次延时起爆,形成向东倒塌的切口后,使水闸在重力和侧向拉力作用下形成大偏心受压而向东定向倒塌。
水闸爆破受力分析如图4所示。图4a表示首先起爆形成爆破切口,图4b表示切口上部A部分在重力作用下先下落,与底部保留部分接触后,由于重力的作用A部分继续向东倾倒。A部分在下落过程中,对邻跨爆破切口B部分形成拉力F,随着A部分向东倾倒,带动B部分向东倾倒,从而使水闸依次逐跨向东倒塌。
图4 水闸爆破受力分析Fig.4 Analysis of sluice blasting force
爆破切口高度
H=k(B+h)
(1)
式中:k为经验系数1.5~2.0,取k=2.0;B为爆破切口处的壁厚,本工程取闸基础壁厚B=80 cm,h为最小破坏高度,则爆破切口高度H=302.6 cm,实际取H=3 m。
交通桥柱式桥墩爆破切口高度取2.0 m;楼梯间爆破切口高度取1.5 m。
1)柱式桥墩的钻孔设计。圆柱形桥墩,高度约6.0 m,直径0.6 m。采用垂直单排布孔。前排立柱爆破切口高2.0 m,孔距为0.35 m,每根立柱布7个炮孔,共160个炮孔。后排立柱爆破铰链支点高0.7 m。每根立柱3个炮孔,共72个炮孔。
2)条形承台的钻孔设计。承台为条形,地上部分长度4.7 m,高1.0 m,宽0.8 m。采用垂直单排布孔。孔距为0.4 m,每条承台12个炮孔,18条承台共216个炮孔。
3)水闸基础钻孔设计。水闸基础为板墙式结构,底部长5.4 m,高7.0 m,厚0.8 m。采用水平多排布孔,孔距0.45 m,排距0.4 m。倒塌方向爆破切口高度3.0 m,每道基础墙炮孔40个,18道墙共720个。后排爆破切口(铰链支点),每道墙3排,炮孔6个,18道墙共108个。中间闸槽内炮孔12个,18道墙共216个。
4)水闸上部立柱钻孔设计。立柱为方形,截面尺寸0.5 m×0.5 m。前柱爆破切口高度1.5 m,孔距0.3 m,每柱6个炮孔,后柱爆破高度0.6 m,3个炮孔,采用垂直单排布孔。每组布孔9个,18组立柱共162个炮孔。
5)水闸两端联系墙钻孔设计。联系墙为板墙式结构,高6.0 m,厚0.8 m。采用水平多排布孔,孔距0.45 m,排距0.4 m,每道墙布孔30个,共60个炮孔。
6)两端桥台钻孔设计。桥台为板墙式结构,高度2.0 m,厚度1.2 m。采用水平多排布孔。每端桥台布孔30个,共60个炮孔。
7)楼梯间墙体钻孔设计。墙体为水泥浆砌砖结构,厚度1.2 m,爆破缺口高度0.2~1.5 m。采用水平多排布孔。三面墙体共布100个炮孔。
钻孔爆破参数如表1所示。
表1 爆破参数
本工程采用数码电子雷管并联起爆网路,一次点火分段延时起爆[2-4]。纵向自南向北分为24个段次逐跨(排)依次起爆,纵向每跨间延时间隔为90 ms;横向自东向西分4个段次依次起爆,横向延时间隔为500 ms,总延时3 980 ms。起爆网路如图5所示。
图5 起爆网路Fig.5 Initiation network
1)爆破振动安全距离计算[1]:
(2)
式中:R为爆破振动安全距离,m;K,α为爆破点至保护对象间的地形地质条件有关的系数和衰减指数;v为安全振动速度,cm/s;Q为炸药量,齐发爆破为总装药量,延时爆破为最大一段装药量,kg。
本次爆破为拆除爆破,取K=32.1,α=1.57,v=2.5 cm/s。爆破时最大一段装药量按8.0 kg计算,爆破振动安全距离R=10.2 m。
2)建筑物塌落振动安全计算。本爆破项目塌落引起地面振动主要是水闸立柱以上部分落地时,砸向地面引起振动。选用以下公式[2]:
(3)
式中:vt为塌落引起的地面振动速度,cm/s;m为下落构件的质量,本项目按水闸基础立柱以上部分计算,钢筋混凝土115 m3,折合287.5 t;g为重力加速度,9.8 m/s2;H为构件重心高度,本项目按12 m考虑;σ为地面介质的破坏强度,取10 MPa;Kt、β为衰减指数,Kt=3.37,β=1.66;R为观测点至冲击地面中心的距离,本项目取水闸管理处办公室与爆点的最近距离,R=100 m;经计算,vt=0.144 cm/s,实际爆破塌落时不是上部整体落地,而是自南向北依次塌落,并且是塌落在了交通桥的废墟上,塌落振动速度相对较小。
起爆后,交通桥、水闸、楼梯间按先后顺序依次定向倒塌,爆破取得圆满成功(见图6)。本次爆破的水闸属于上轻下重的结构,爆破设计时采用纯粹的定向切口设计可靠性差,应考虑让缺口部位有一定的落差,将部分势能转为动能后,更利于切口部位按照设计方向倒塌。
图6 爆破效果Fig.6 Blasting effect