伞状钢筋混凝土水塔爆破拆除技术

2019年第6期西部探矿工程

*收稿日期：2019-01-07修回日期：2019-01-07

第一作者简介：牛玉学（1976-），男（汉族），河南济源人，工程师，

现从事民用爆破物品管理工作。伞状钢筋混凝土水塔爆破拆除技术

牛玉学*1，王铁2，孟凡金3，张英才4，董保立3，高帅杰3

（1.济源市公安局治安管理支队，河南济源459000；2.宏大爆破有限公司，广东广州510000；3.河南迅达爆破有限公司，河南焦作454000；4.河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000）

摘要：介绍了一座45m高伞状水塔的定向爆破拆除工程。通过对水塔自身结构的特点及场地条件

的分析，采用梯形爆破切口、电子雷管起爆方式、总延时100ms的定向倒塌爆破拆除技术。采用提高

爆破切口位置、确定合理的切口长度、预拆除、预开定向窗和减荷槽等方式确保了水塔的准确定向；

采用炮孔覆盖防护、开挖防飞石沟、防护排架近体防护等技术措施预防了爆破飞石和触地飞石的危

害。水塔按设计倒塌在开挖的防飞石沟内，周围建（构）筑物没有受到影响。该拆除工程在非线型薄

壁高耸物爆破精确定向、飞石防护方面取得了良好的效果，可为同类工程爆破施工提供参考。关键词：伞状水塔；非线型结构；薄壁结构；支撑体；电子雷管；防飞石沟

中图分类号：TU746.5文献标识码：A文章编号：1004-5716(2019)06-0174-04

1工程概况

待拆除水塔为伞状筒型钢筋混凝土结构，塔体整

体结构完好。位于闹市区某厂区内，因水塔停用，对其

实施爆破拆除。1.1水塔结构

水塔总高45m，塔顶呈伞形；其中，塔身高38m，外

径3.2m，筒壁厚0.2m；塔帽高7m，外径13.0m，相比砖

混结构水塔，更凸显了“头重脚轻”非匀质的特点。水

塔底部正东方向设计一个检修门，检修门宽1.2m，高2.0m；塔身内共布设检修平台5个，首个检修平台距离

地面6.0m，相邻平台间隔距离6.0m，每个检修平台上

部1.0m位置，布置2个圆形窗户，窗户呈南北方向布

置。水塔整体结构见图1。1.2周边环境

水塔周围建（构）筑物密集，塔周边环境比较复

杂。水塔北侧5m处有一条东西走向的架空管道，架空

高度3.0m，18m处为办公楼；南侧20m有厂房；西侧80m为厂区道路；东侧20m处为厂房，详见图2。在拆

除中要对上述构筑物进行保护，现场可供施工的场地

十分有限。1.3工程特点

（1）由伞状水塔的结构特征决定，其塔身半径小，塔帽体积和重量大，导致爆破倒塌方向控制难度高。

（2）筒身为薄壁混凝土结构，壁厚仅0.2m，爆破钻

孔数量多，飞石、空气冲击波防护难度高。

（3）因倒塌中心线不沿检修洞门对称，导致支撑体

不对称，对倒塌方向控制不利。图1

水塔结构示意图·隧道与建设工程·1742019年第6期西部探矿工程

（4）水塔周围环境复杂，管线设备多且距离近，北

侧架空管道距离水塔仅5m，而塔帽的外径为13m，必

须保证倒向准确，防止水塔后座、下座，保护管道安全。

（5）水塔塔帽直径大，对倒塌场地的宽度要求相比

砖混水塔高。

（6）水塔顶部的塔帽体积和重量大，重力势能高，

倒塌落地时触t地振动和冲击波影响大。2爆破设计

2.1爆破方案

通过对比原地坍塌、定向倒塌、折叠倒塌3种方案

的倒塌原理、场地要求、优缺点和安全性，确定采用定

向倒塌的爆破方案实施拆除；定向倒塌方案具有钻爆

工作量小、施工方便、成本低、工期短、倒塌方向易控

制、安全性好等优点，在倒塌场地满足要求的前提下，

应优先选择定向倒塌的爆破方案。

水塔西侧的场地满足倒塌的要求，但是为了保护

北侧架空管道的安全，水塔设计朝西偏南方向倒塌。2.2爆破切口设计

（1）切口位置：爆破切口至地面的距离应便于施

工。为了爆破抛渣顺利，最下一排炮孔距地面不得小

于0.5m。当检修门对支撑部分对称性影响较大时，爆

破切口位置应避开检修门，爆破切口距离检修门的竖

向垂直距离不小于2.0m。为避免检修门的影响，确保

支撑体的对称性，爆破切口位置定于标高4.0m处[1]。

（2）切口形式：采用正梯形爆破切口形式。

（3）切口弧长L[2]：切口长度决定了倾覆力矩的大

小，切口弧长过大，倾覆力矩偏大，支铰易于破坏，但是

保留起临时支撑作用的筒壁太短，承受不了烟囱全部

重量，在倾倒之前会压塌，而发生后座的事故，不利于

水塔平稳定向倒塌；切口弧长过小，当倾覆力矩小于预留支撑截面极限抗弯力矩（MR）时，水塔会爆而不倒，

形成巨大的安全隐患，处理困难；合理的切口长度是以

水塔自重力引起的截面弯矩(MP)应等于或稍大于预留

支撑截面极限抗弯力矩(MR)为主要依据来确定的。

切口弧长由切口圆心角θ决定，与切口圆心角成正

比，L=θ360πD；根据同类工程施工经验，切口圆心角

取215°，经计算切口弧长L=6.0m。

（4）切口高度H：切口高度根据被爆体的外径计

算，为防止被爆体在未完全失稳状态下切口合拢，设计

取塔身倾斜20°时切口上下可以合拢状态计算[3]，即H=tan20°D，将直径D=3.2m代入公式计算得H=

1.16m，实取值为1.2m。

（5）预开定向窗：切口两侧预开定向窗，定向窗为

直角三角形结构，底边长0.8m，高0.6m，底角为36.9°。

（6）减荷槽：炸药爆炸后会产生一个很大的垂直向

上的作用力，这个力可能推动水塔向相反方向倾倒。

为了消除炸药爆炸产生的垂直向上的作用力，除预先

开设定向窗外还应进一步地采取减小垂直向上的爆炸

作用力的措施。为此，设计一种减荷槽，与定向窗共同

作用，可有效地抵消整个水塔所受到的垂直向上的爆

炸作用力。减荷槽布置在倒塌中心线上，沿倒塌中心

线对称布置，减荷槽宽0.5m，高1.2m。2.3爆破前预处理

为了避免水塔内部的结构物对爆破后的水塔产生

支撑作用，影响倒塌方向，在爆破切口的水平和竖向空

间内，对除筒壁外的所有结构物进行拆除预处理；主要

包括，标高6m位置的检修平台，水塔内部北侧的钢制

输水管。

利用风镐、切割机按照设计尺寸开设定向窗，定向

窗内的钢筋应切断，三角形底角位置的废渣清理干净，

截面整齐，并保证两侧定向窗在同一高程。2.4孔网爆破参数

薄壁结构具有布置炮孔密集的特点，为了确定合

理的爆破参数，首先进行了试爆，试爆选择在减荷槽位

置，根据试爆结果，确定了如下爆破参数[3]，详见图3：

（1）最小抵抗线W：板墙爆破一般按置中装药计

算，W=δ/2（δ为切口处壁厚，为0.2m），W=0.1m；

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

（3）排距b：b=a=0.2m；

（4）孔深L：L=2δ/3=0.133m，实际0.13m；

（5）单耗：K=3800g/m3；图2

周边环境示意图1752019年第6期西部探矿工程

（6）单孔装药量：q=Kabδ=30.4g，实际30g。

共布设144个炮孔，其中试爆炮孔10个。

图3炮孔布置示意图

2.5爆破网路设计

本工程爆破采用数码电子雷管网路，孔内延时，分

成相对应的3个爆区，自倒塌中心线向两侧依次起爆，

间隔时间50ms，自中间向两侧分别设置的延期时间为0ms、50ms、100ms。3安全校核

3.1爆破振动安全验算

本工程单段最大起爆药量为1.5kg。根据爆破振

动公式[4]计算：

v=K(Q3R)α（1）

式中：R——保护对象距离爆破点的距离，m；Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最

大一段药量，kg；v——与爆破点距离为R处质点振动速度，cm/s；

K、α——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质

条件有关的系数和衰减指数，取K=50，α=1.62。

经验算，距离水塔13m处办公楼的理论振动速度

为0.98cm/s，小于一般民用建筑物安全允许振动速度2.5cm/s。3.2塌落触地振动校核

采用如下理论公式[5]计算塌落触地振动速度：

vt=ktæèççö

ø÷÷R(MgHσ)13β（2）

式中：vt——塌落引起地面振动速度，cm/s；

M——下落构件的质量，t；

g——重力加速度，9.8m/s2；H——构件的重心高度，取42m；

σ——地面介质的破坏强度，一般取10MPa；

R——与冲击触地点的距离，m；

kt、β——塌落振动速度衰减系数和指数，高耸物拆

除中kt=3.37~4.09，β=-1.66~-1.80。

水塔的触地质量为240.5t，取kt=4.09，β=-1.66，可计算出距离触地点44m处的触地振动速度v=1.24cm/s。当

地面采取挖沟槽、垒筑土墙减振措施时，可减振70%。3.3爆破飞石安全验算

飞石距离根据Lundborg的统计规律，炮孔爆破飞石距离可由下式[6]计算：Rf=KTqD（3）

式中：KT——与爆破方式、填塞长度有关的系数，取

1.0~1.5；q——炸药单耗，kg/m3；D——药孔直径，mm。

取KT=1.2，将q=3.8kg/m3，D=36mm，代入公式（3）得Rf=164.16m，在不采取防护措施的情况下，爆破

飞石距离超过了建筑物的安全允许距离，必须采取防飞石措施。4安全防护设计4.1爆破飞石安全防护措施

塔身筒壁为薄壁结构，单耗高，抵抗线小，爆破飞石较远，距离周边需保护厂房设备距离近，必须采取防爆破飞石措施。炮孔覆盖防护采用钢丝网和草苫进行防护。钢丝网采用具有一定柔韧度的普通编制型钢丝网，网孔尺寸2cm×2cm为宜，草苫采用具有一定厚度的密编型草苫，首先将草苫与钢丝网采用铁丝编织在一起，然后利用编织好的防护材料对炮孔进行悬吊包裹防护[6]。在切口上部钻凿若干个悬吊防护材料的固定孔，用膨胀螺丝做好悬吊支撑，将制作好防护材料悬挂于悬吊支撑上，周围用多道铁丝捆紧绑扎。防护时，将草苫一面紧贴于炮孔，避免防护施工破坏起爆网路。4.2北侧架空管道防护措施

利用脚手架搭设双层防护排架，排架侧面和顶部铺设竹笆片脚手板。4.3触地飞石及触地振动预防措施

由于塔帽的体积和重量比较大，不采取措施的情况下，塔帽触地在较大动能的作用下，会造成塔帽混凝土向四周飞散，如果对接触面介质不做妥善处理，会产生较大的触地振动[7]。沿倒塌中心线平面位置，在水塔设计的倒塌触地范围内，开挖长50m、宽5~20m、深2~5m的防飞石沟，将沟内挖出的土均匀地堆放在坑体两侧和头部位置，形成防飞石屏障，并对沟底的介质进行翻松处理，减小触地振动。根据设计，倒塌后水塔落入预先挖好的防飞石沟内，达到降低触地振动、防止触地飞石飞散的目的[8]。176