方形剪力墙雷达塔爆破拆除技术

茆恒阳，周 恒，廖和平，万 佳

(1.安徽地质爆破工程有限公司，合肥 230011；2.中国科学技术大学近代力学系，合肥 230026)

1 工程概况

合肥骆岗机场迁建工程所属THALES二次雷达塔，根据工程建设规划，需要爆破拆除。该雷达塔高39.6 m，底部为近似正方形的剪力墙结构，边长7.2 m，壁厚0.3 m，双层双向Ф16钢筋网。雷达塔1层东、南、北面各有一个1.2 m×2.1 m高的窗户，窗户下边缘离地0.9 m，西侧门洞为1.2 m×2.1 m。雷达塔4个拐角均布置有30 cm宽的暗柱，暗柱内竖向Ф22螺纹钢筋。塔内部有连梁及楼梯一直通向雷达站顶部，顶部为直径14 m的圆形框架结构雷达底座。雷达塔外观如图1所示，雷达塔一层平面如图2所示。

图1 雷达塔外观Fig.1 The radar tower appearance

图2 雷达塔一层平面Fig.2 Plane of the radar tower

爆破周边环境较复杂，雷达塔东15 m为围墙及通信线缆；南侧距离10 m为1座2层钢筋混凝土结构配电房；西侧距2 m有1栋2层钢筋混泥土框架结构办公楼，其在第2层与雷达塔体有连廊相接，西北方向30 m为变压器，80 m处有居民区；东北侧距离60 m为工地搭建办公及居住板房(见图3)。

图3 周围环境Fig.3 Surrounding environment

2 爆破方案

根据雷达塔结构特点及周边环境条件，确定雷达塔向正北方向倾倒。预拆除剪力墙体，采用“化墙为柱”的钻孔爆破法；采取多重近体防护来防爆破飞石，建土堤缓冲减振，实施后部墙体偏心爆破并结合两侧圆弧状支撑预防强烈后坐。

2.1 爆破切口

1)爆破切口形状。根据雷达塔的结构特点和实际工程爆破经验，本工程采用“化墙为柱”的钻孔爆破法。爆破切口开设绝对对称，以准确控制倒塌方向(见图4)。

图4 爆破切口Fig.4 Blasting cut

2)爆破切口高度。参考类似工程经验，要使雷达塔失稳倾倒，爆破切口高度[1]应为

h≥(3.0～5.0)δ

(1)

式中：h为雷达塔底部爆破切口高度；δ为雷达塔底部剪力墙壁厚。

(2)

式中：L为两外承重墙之间的跨度即爆破切口方向的水平长度，实取7.2 m；H为上部结构的重心高度，该雷达塔整体结构相同，近似为质量规则的几何体，雷达塔的高度为39.6 m，其几何中心高度按19.8 m计算；h为爆破切口的相对高度，m。

经计算，1.41 m≤h≤9.9 m。经重心偏移分析，当爆破切口达到高度为2.0 m时，可使雷达塔失稳倒塌(见图5)。

图5 重心偏移分析Fig.5 Center of gravity shift analysis

由于底部剪力墙钢筋含量较高，为确保倒塌，实际取爆破切口高3.6 m。上述条件均能满足。

3)爆破切口长度。爆破倒塌方向的墙体预拆除宽度为4.2 m，炸高取3.6 m；倒塌方向背面墙体(南侧墙体)为形成有利于倒塌的铰链，布设3排孔，炸高0.4 m。

4)预拆除。为减少钻孔数量，增加自由面，以定向窗为中心，“化墙为柱”预拆除[3]，保留雷达塔4个拐角展开宽度为3 m，高度同所在位置炸高。“化墙为柱”后暴露在外的所有钢筋均在爆破前割断。采用机械或人工拆除1、2层内所有楼梯及连梁，同时将雷达塔内部碎渣清出。西侧2层楼房与雷达塔的连廊部分一并予以拆除，且割断钢筋。

2.2 爆破参数

雷达塔壁钻孔采用梅花形布孔，孔径38 mm，最小抵抗线W=15 cm，孔距a=25 cm，排距b=25 cm，孔深L=20 cm，炸药单耗q=2.0 kg/m3，则单孔装药量Q=37.5 g，实际取40 g。考虑到雷达塔质量大、剪力墙薄而抗剪能力强，为了有效破坏剪力墙刚度，利于倒塌，防止产生后坐，南侧剪力墙采用偏心爆破法，钻孔深度取墙厚度一半，即L南=15 cm。爆破主要参数如表1所示。

表1 爆破参数

Table1Blastingparameters

名称炮孔直径/mm孔深/mm孔距/mm排距/mm单耗/(kg·m-3)单孔装药量/g剪力墙382002502502.040南侧支撑剪力墙381502502501.225

2.3 起爆网路

为确保网路的准爆性，每个药包可靠起爆，实现雷达塔的定向倾倒，采用孔内延时、非电毫秒导爆管雷管起爆网路，网路连接采用“簇联”法，孔内依次逐排采用MS1段、MS3段、MS5段、MS7段雷管，孔外采用MS1段雷管绑扎，四通联接成复式网路。

2.4 机械二次解体

由于雷达塔混凝土标号高、强度大、结构风化程度低，爆破定向倒塌之后，塔身大部分仅有少量裂纹未破裂，利用机械工具进行二次解体。

3 爆破安全与防护

3.1 振动控制

1)爆破振动校核。爆破振动速度按照拆除爆破振动计算公式[4]：

(3)

式中：Q为最大段别装药量，kg；R为与保护目标的距离，m；v为爆破安全允许质点振速，cm/s；k、a为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关系数和衰减指数，取k=150、a=1.5；k′为修正系数，一般取值0.25～1.0，距爆源近、且爆破体临空面较少时取大值，反之取小值，本工程取k′=0.3。

由于是地表以上爆破，最大段别装药量及总药量均较小，且采用延时爆破方法，振动速度可控制在允许范围内，不会对周围保护对象造成损害。

2)塌落振动校核。雷达塔塌落会对地面产生强烈的冲击而形成塌落振动，其强度比爆破振动大且频率低。需重点校核与防护。塌落振动速度根据下式[5]计算：

(4)

式中：vt为塌落引起的振动速度，cm/s ；R为保护物与冲击点的距离，m，主要塌落位置距离最近保护物为南边的配电房和西边的办公楼，R=26 m；M为构件质量，t，估算质量M=800 t；H为建筑物重心到地面的距离，估算H=19.8 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=10 m/s2、Kt=3.37～4.09、β=-1.80～-1.66。

经计算，vt=3.14～3.83 cm/s，小于《爆破安全规程》[6](GB 6722-2014)的安全允许振动速度。施工时采取了降振措施，确保了爆破安全：一是通过排间延时起爆方式，使各排立柱塌落触地时间不同步，从而减少触地振动；二是在设计倒塌范围内铺设3道2 m厚土堤作为缓冲垫层，减少塔体产生的触地振动的影响。

3.2 飞散物的控制

雷达塔定向爆破拆除可能产生的飞散物主要有两个方面：一是爆破时的飞散物；二是雷达塔触地冲击产生的飞散物。

1)爆破飞散物防护。由于是浅孔爆破，钢筋混凝土薄壁结构，爆破时容易产生飞散物。拆除控制爆破无防护条件下个别飞石的最大飞散距离，按经验公式[7]计算：

(5)

式中：L为飞石最远距离，m；QL为炸药单位消耗量，kg/m3。经计算，L=70×2.00.53=101 m。

爆破时先采用双层竹篱笆覆盖在炮孔处，并用铁丝与塔体联为一体；然后在距离墙体外2 m处搭设双层竹笆防护排架，确保安全。

2)触地飞散物防护。在雷达塔触地处铺设3道土堆，并用竹笆铺设在最底层，有效防止了二次飞溅。

4 数值模拟与实际倒塌过程比较

用共用节点的整体式模型，依据实际雷达塔尺寸，建立有限元模型。模型中仅保留主要结构，对雷达塔实际结构进行适当简化。模拟倒塌过程中部分时刻倾倒情况如图6所示，实际爆破倾倒过程如图7所示；数值模拟倾倒角度与对应的时间如表2所示，根据倾倒角度与时间的关系绘制成曲线如图8所示。

图6 模拟倾倒过程Fig.6 Simulated dumping process

图7 爆破实际倾倒过程Fig.7 Actual blasting dumping process

图8 倾倒角度历时曲线Fig.8 Dump angle duration curve

观察模拟结果，雷达塔倒塌过程与实际情况接近。不同倾倒角度对应的时间与实际情况接近。在1.5～3 s时，倾倒角度历时曲线斜率发生急剧，对应于支撑体受压形成塑性铰至爆破切口闭合的倾倒过程与实际相吻合。

5 爆破效果与结论

爆破后，雷达塔按预定方向倒塌，没有发生明显后坐现象，塔身触地时靠近雷达塔的排水沟有少量淤泥被挤压飞溅，由于该部位软弱，事先未做清除处理，爆破飞石和爆破振动未对周边建筑物造成危害，雷达塔倒塌效果如图9所示。

图9 爆破效果Fig.9 Blasting effect

1)对于薄壁剪力墙结构的筒体，其结构较为特殊，采用化墙为柱、对支撑墙体进行减弱爆破的方法进行拆除爆破是合理可行的。

2)在确保安全的前提下，条件允许的情况下适当增加预拆除工程量，可大大减少钻孔工作量，既降低了炸药使用量，又提高了效率。增加预拆除对复杂环境下的拆除爆破是有利的。

3)距离仅2 m的办公楼墙体，爆破后完好无损，说明只要进行合理的防护，可确保保护对象的安全。

4)后部支撑体包括后部墙体与两侧圆弧状墙体，对后部墙体采用偏心爆破，可有效防止出现强烈的后坐现象。