非对称门洞高重心水塔定向爆破方法

技术领域

本发明涉及工程爆破技术领域，具体涉及了一种非对称门洞高重心水塔定向爆破方法。

背景技术

目前，对于高耸建筑物拆除爆破，多采用在底部钻孔爆破形成切口，使其在自重力下向预定方向倾倒的方式，现已是一门比较成熟的技术，在烟囱、水塔等高耸构筑物爆破设计时，一般遵循对称性原则，尽可能使底部结构在设计倾倒方向两侧对称。而各类高耸建构筑物由于其自身的功能性需求，底部厂存在门洞、空洞、圈梁、过梁等结构。例如烟囱底部一般设有烟道口、清灰口，水塔、筒仓底部一般设有检修门洞、圈梁、过梁等，爆破过程中，当这些部分结构分布在保留支撑区时，可能造成倾倒偏转，影响定向精准性。

当环境不允许时，对于孔洞、门洞等结构的处理，部分工程实例采取封堵措施，使用相同或相似材料封堵既有孔洞，一般适用于相对面积较小的孔洞，当孔洞相对较大时，封堵措施虽然可使底部筒体形成闭合结构，但闭合区同原结构体非同时浇筑，且养护时间受限、内部钢筋同结构体不连续、连接处存在弱结构面，其支撑强度和整体性同其他区域差异大，难以消除切口闭合后孔洞对高耸结构倒塌方向的影响。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种非对称门洞高重心水塔定向爆破方法，能够实现底部非对称门洞的定向倾倒，消除对非对称门洞对倾倒方向的影响。

本发明提供的基础方案：一种非对称门洞高重心水塔定向爆破方法，包括以下步骤：

步骤1：确定水塔的结构特征，根据爆破水塔的结构特征，确定水塔底部的爆破切口的圆心角度以及高度；

步骤2：确定水塔的既有门洞的位置与尺寸，根据既有门洞的位置与尺寸，将既有门洞作为定向窗之一，确定倾倒方向、定向窗位置、爆破区以及保留区；

步骤3：在爆破区上确定炮孔参数，所述炮孔参数包括炮孔数量、炮孔排列方式、炮孔直径以及炮孔深度；

步骤4：在炮孔上设置炸药，进行爆破。

本发明的原理及优点在于：首先根据待爆破水塔的周边环境确定好倾倒方向，以及对水塔的结构特征进行测量。水塔特征包括有水塔底部直径、壁厚、水平面的钢筋混凝土占比。由于水塔通常会设有检修门洞，根据检修门洞的位置和大小，将检修门洞作为定向窗之一，将确定出定向窗的位置，以及爆破区和保留区。之后在爆破区上确定爆破炮孔的位置，在爆破炮孔中设置炸药进行爆破。

相比于现有技术，本方案中是根据既有门洞的位置与尺寸来开设定向窗，相比于现有的对既有门洞进行填堵的方式，将既有门洞进行改造作为其中定向窗之一，从而避免了浇筑导致的因养护时间受限、内部钢筋同结构体不连续、连接处存在弱结构面等因素，对高耸结构物倒塌方向的影响，实现底部既有非对称门洞高重心倒锥形高耸水塔的精准定向倾倒。

进一步，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：所述水塔特征包括水塔的底部周长，根据待爆破水塔的底部周长设计爆破切口的圆心角度，爆破切口的对应圆心角度在1/2π-2/3π；

步骤1-2：所述水塔特征还包括水塔的筒体壁厚以及筒壁在筒体截面的面积占比，根据水塔的筒体壁厚，确定切口高度，切口高度为3-5δ，δ为筒体壁厚。

爆破切口设计遵循重心偏移原理，水塔与烟囱底部结构相似，均为筒体，为使结构偏移，应确保重心的俯视投影在开始的爆破切口内，即接口对应圆心角必须大于180°。而由于水塔本身相对壁厚加大，若爆破切口高度较小导致切口闭合时水塔倾角不足，则可能出现上部筒体折断、底部部分筒体倾而不倒的现象，且应考虑切口形成后与纵筋在上下筒壁混凝土握裹夹持下的支撑力，为避免出现密集的高规格纵筋裸露长度不足、纵筋在上下筒体混凝土握裹夹持下的支撑力大而不发生屈服的情况，宜选择较大的切口高度。

进一步，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：测量既有门洞的位置以及尺寸；

步骤2-2：对既有门洞改造成为矩形定向窗，作为第一定向窗；

步骤2-3：根据既有门洞的位置，以及倾倒方向，取既有门洞关于倾倒方向中心线轴对称的位置，对称开凿第二定向窗。

当存在既有门洞时，根据既有门洞的位置与大小，确定是否可以改造后作为定向窗之一，若是可以，对其进行改造成为矩形定向窗。根据既有门洞以及倾倒设计方法，在相对的位置上开闸另一定向窗。

进一步，步骤2和步骤3还包括以下步骤：

调整步骤：确定第一定向窗与第一定向窗外侧的保留区的加强筋数量，根据第一定向窗与倾倒方向中心线之间的保留区的加强筋数量，对爆破切口对应圆心角在倒塌方向中心线两侧的分布角度做微调。

第一定向窗为既有门洞改造而成，既有门洞上部虽无过梁，但由于结构特性，其对应的保留区筒壁内相比第二定向窗对应的保留区存在加强纵筋，该部分钢筋混凝土组合强度大于第二定向窗外区域，因此需要对爆破切口对应圆心角在倒塌方向中心线两侧的分布角度做微调，避免倾倒方向发生偏移。

进一步，所述调整步骤包括以下步骤：

步骤一：将加强筋面积等效为混凝土面积，计算加强筋区域对倾倒方向的偏转影响角度；

步骤二：根据偏转影响角度，对爆破切口对应圆心角在倒塌方向中心线两侧的分布角度进行调整。

按几何中心不变原则将钢筋面积等效成混凝土面积，计算得出加强配筋对切口形成时中性轴及倒塌中心线的偏转影响，由此，为中和保留支撑筒壁加强纵筋区域对倒塌方向影响，对切口对应圆心角在设计倒塌中心线两侧的分布角度做微调。

进一步，还包括预处理步骤：对水塔底部的供水钢管以及爬梯进行切除。

避免水塔底部设施对倾倒方向产生影响。

附图说明

图1为本发明非对称门洞高中心水塔定向爆破方法实施例的流程示意图；

图2为本发明非对称门洞高中心水塔定向爆破方法实施例爆破切口的结构示意图；

图3为本发明非对称门洞高中心水塔定向爆破方法实施例偏转角计算图；

图4为本发明非对称门洞高中心水塔定向爆破方法实施例炮孔排布结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例基本如附图1所示：

非对称门洞高重心水塔定向爆破方法，包括以下步骤：

步骤1：确定倾倒方向以及水塔的结构特征。本实施例中以某水塔为例，某水塔身为钢筋混凝土筒式圆形结构，顶部水箱呈伞形，整体高度45m，筒高38m，为变截面结构，壁厚0.5m，筒体底部周长9.42m，底部外径3.0m。水塔筒体为双次浇筑，第一次浇筑至标高+38.0m处，第一次浇筑壁厚0.25m，而后在标高+26.0m以下加固浇筑0.25m厚度钢筋混凝土。配筋密集，内圈混凝土配筋φ28@100、外圈混凝土配筋φ24@150；筒体标高+6.0m以下混凝土标号为C40。顶部水箱外径12.0m，高7.0m。水箱为地面浇筑后吊运安装，容积200m

步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1：根据待爆破水塔的底部周长设计爆破切口的圆心角度，爆破切口的对应圆心角度在1/2π-2/3π。具体的，切口设计应遵循重心偏移原理。水塔与烟囱底部结构相似，均为筒体，为使结构偏移，应确保重心的俯视投影在开设的切口内，即切口对应圆心角必须大于180°，工程中底部切口对应圆心角度一般在1/2-2/3π之间，本实施例中，选择对应程度为0.6倍底板周长，对应圆心角216°。

步骤1-2：根据水塔的筒体壁厚以及筒壁在筒体截面的面积占比，确定切口高度，具体的，由于水塔本身相对壁厚较大，若爆破切口高度较小导致切口闭合是水塔倾角不足，则可能出现上部筒体折断、底部部分筒体倾而不倒的现象，且应考虑切口形成后与高配筋率纵筋在上下筒壁混凝土握裹夹持下的支撑力，为避免出现密集的高规格纵筋裸露长度不足、纵筋在上下筒体混凝土握裹夹持下的支撑力大而不发生屈服的情况，宜选择较大的切口高度。本实施例中，综合考虑筒体壁厚及筒壁在筒体截面的面积占比，切口高度一般计算公式为H＝3～5δ，H为切口高度、δ为高耸构筑物筒体壁厚，本实施例中设计爆破切口高度为2.1m。

步骤2：确定水塔的既有门洞的位置位于尺寸，根据既有门洞的位置与尺寸，确定定向窗位置、爆破区以及保留区。步骤2具体包括有以下步骤：

步骤2-1：测量既有门洞的位置以及尺寸，本实施例中，该水塔底部东侧设有一检修门洞，门洞尺寸0.7m*2.0m。

步骤2-2：如图2所示，对既有门洞改造成为矩形定向窗，作为第一定向窗；

步骤2-3：根据既有门洞的位置，以及倾倒方向，取既有门洞关于倾倒方向中心线轴对称的位置，对称开凿第二定向窗。根据既有门洞位置及倾倒设计方向，在西侧使用水钻以“密孔切割”形式对称开凿另一定向窗，作为第二定向窗。在西侧开凿定向窗时，使用水钻以“密孔切割”方式开凿，水钻取芯成孔直径为80mm；东侧则使用水钻在门洞左上角及左下角分别钻取3个、4个空孔(φ80mm)切割改造检修门洞作为定向窗，底部筒体虽分双次浇筑，但根据实际钻孔取芯情况，内外侧浇筑层间无缝隙、整体连接性强，为同一整体。

调整步骤：确定第一定向窗与倾倒方向中心线之间的保留区的加强筋数量，根据第一定向窗与倾倒方向中心线之间的保留区的加强筋数量，对爆破切口对应圆心角在倒塌方向中心线两侧的分布角度做微调。调整步骤具体包括以下步骤：

步骤一：将加强筋面积等效为混凝土面积，计算加强筋区域对倾倒方向的偏转影响角度；

步骤二：根据偏转影响角度，对爆破切口对应圆心角在倒塌方向中心线两侧的分布角度进行调整。

具体的，本实施例中，检修门洞上部虽无过梁，但由于结构特性，其南侧保留区筒壁内相比另一定向窗南侧保留区存在8根加强纵筋，该部分钢筋混凝土组合强度大于西侧定向窗外区域，按几何中心不变原则将钢筋面积等效成混凝土面积，计算得出加强配筋对切口形成时中性轴及倒塌中心线的偏转影响，由此，为中和保留支撑筒壁加强纵筋区域对倒塌方向影响，对切口对应圆心角在设计倒塌中心线两侧的分布角度做微调。

若保留区为对称钢筋混凝土结构，如图3所示，设倾倒方向为x方向，检修门洞处8根加强纵筋导致倾倒方向发生偏转，基于平截面假设，对受拉区钢筋未屈服且受压区混凝土未压碎阶段的偏转角θ进行计算。保留区为大偏心受压状态，中性轴两侧分别为受拉区和受压区，加强筋位于受压区，钢筋和混凝土共同受压，可按几何中心不变的原则将钢筋面积等效成混凝土面积。通过以下公式求得等效的混凝土面积：

A

式中：

AS为加强筋面积，AC为换算混凝土面积，αE为钢筋和混凝土的弹性模量比。求得等效的混凝土面积为16616mm

为简化计算将该面积考虑在门洞外侧，使加强筋引起的偏转角最大，该面积对应的圆心角为1.6°，此时保留区圆心角为131.6°，倾倒方向x’的偏转角θ最大为0.8°。

由此，为中和保留支撑筒壁加强纵筋区域对倒塌方向影响，对切口对应圆心角在设计倒塌中心线两侧的分布角度做微调，设计分布在倾倒中心线西侧部分切口的对应圆心角为108°，分布在倾倒中心线东侧部分切口的对应圆心角为109.6°，微调后的爆破切口角度为217.6°。

步骤3：在爆破区上确定炮孔参数，所述炮孔参数包括炮孔数量、炮孔排列方式、炮孔直径以及炮孔深度。

具体的，本实施例中，选择使用40mm孔径炮孔，同样采取水钻取芯方式钻取，孔深设计为40mm。相比于类似结构，待拆水塔虽相对壁厚较大，但仍为薄壁结构，填塞与两侧抵抗均较小，爆破泄能作用强，爆破筒壁仍需选取较大的单耗值、较小的炮孔间距。

炮孔布置具体如图4所示，设计炮孔排数为7排，因最上排炮孔标高已同定向窗高度持平，定向窗无法有效阻隔其爆炸造成的裂缝扩展，为防止最上排炮孔在倒塌中心线两侧造成不对称裂缝，最上排炮孔布置做适当调整，两侧各减少一个炮孔，并适当减小最上排炮孔药量。本实施例中，1-6排的孔排距为0.4m*0.3m，单耗5kg/m

步骤4：在炮孔上设置炸药，进行爆破。

本实施例中，采用数码电子雷管起爆网路，并联连接。考虑当前电子雷管在隧道、孔桩等小孔距爆破实践中表现出较差的抗振性，且本水塔拆除爆破为分散装药、总药量仅21.6kg，为避免出现盲炮，切口内炮孔选择0ms延时齐发起爆。

此外，在爆破前，根据周边环境还需进行爆破飞石防护设计和触地飞溅防护。因爆破支撑筒体选择了较大的爆破单耗，而周边环境复杂，需对切口处的爆破飞石重点防护。本实施例中在最上排炮孔以上0.3m处设置膨胀挂钩，切口及定向窗范围内挂设3层胶皮网，相邻胶皮网间1/2叠压，每层胶皮网挂设完成后均使用钢丝捆成整体。

水塔上大下小，虽然最大高度仅45m，但重心在结构物上部，对于触地飞溅同样应重点防护。为控制触地飞溅，在预定水箱触地区域开挖防飞溅、减振缓冲坑，深度为4.5m，铺设0.5m厚的细沙，缓冲坑最短边长10m、最长边16m、宽10m；为防止筒体触地后滚动、减缓飞溅，在距离水塔底部10.0m处的预定筒体着地位置开始开挖宽4.0m、深1.0m的承接沟槽；在倒塌区域东西两侧搭设高度为6.0m的双排钢管架围挡，钢管架间挂铁丝拦挡网(密目网)，形成第二道柔性防飞溅防护，并于近切口处的钢管排架上挂设木板拦挡爆破飞石。

对于爆破振动校核。根据《爆破安全规程》推荐的萨道夫斯基公式进行计算校核：

式中：v为振动速度，cm/s；K，a为与地形、地质有关的系数，分别取40、1.6；最大单响药量Q取21.6kg；R为齐爆药量的几何分布中心到邻近被保护物的距离，取28.0m。

经计算，爆破振动校核值v＝1.0cm/s。因爆破孔为分散装药，根据经验，爆破实际对最近处建筑造成的爆破振动值应在0.5cm/s内，校核振速符合《爆破安全规程》爆破振动安全允许标准值要求。

对于触地振动校核。水塔配筋率高、整体性强，倒塌对地面的冲击作用较大，塌落振动采用下式计算：

式中：vp为塌落引起的地面振动速度峰值，cm/s；M为下落结构物的质量，本水塔估算为400t；g为重力加速度，9.8m/s2；H为结构物重心的高度，取30m；R为观测点至冲击地面中心的距离，取30m；σ为地面介质破坏强度，取10Mpa；K’、β为与地质地形有关的系数，分别取3.37、－1.6。

计算得vp＝2.16cm/s，本工程设置了承接水塔结构倒塌的缓冲坑与缓冲沟，内铺细沙，可对触地冲击起到一定的缓冲作用，且倒塌区域位置高程超出两侧建(构)筑物，振动的传播受限，同样可对振动起到衰减作用。触地振动校核值符合标准要求。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。