建筑物拆除爆破中的壓縮空氣沖擊波

建（構）筑物拆除爆破中的壓縮空氣沖擊波金驥良（中國鐵道科學研究院，北京100085）摘要：結合某些工程實例，就建（構）筑物拆除爆破中形成的壓縮空氣沖擊波對周圍保護對象造成的危害進行了闡述，并就其破壞原因進行了相關公式的驗算，以提醒人們對此沖擊波危害應引起足夠重視。在此基礎上，對拆除爆破過程中的壓縮空氣沖擊波提出了有關“泄壓”和“阻波”的安全防護措施。關鍵詞：建（構）筑物；拆除爆破；壓縮空氣沖擊波；危害效應；防護措施1引言本文所述的壓縮空氣沖擊波，是指建（構）筑物拆除爆破時，由于樓房解體和高聳構筑物倒地破碎瞬間，壓縮其內部和臨近地面的空氣而形成的沖擊波。人們巳經認識到它在爆破中對周圍保護物帶來的危害，但如何對這種沖擊波進行定量計算尚未有專門的論述，本文就此做些探討，并對拆除爆破中防護空氣沖擊波的方法作了綜述。壓縮空氣沖擊波的產生與危害拆除爆破中，在建（構）筑物爆破解體、塌落倒地瞬間，在建（構）筑物內部及其與地面之間存在的空氣，由于受到強烈壓縮形成了極強的空氣沖擊波。它和其后面緊跟的高速氣流，不僅會激起地面塵土污染周圍環(huán)境，而且會給附近建筑物和設施造成意想不到的損傷。例如廣州體育館爆破時，由于館頂屋面板塌落激烈壓縮館內空氣，形成的空氣沖擊波和高速氣流從內部沖出，把附近準備噴出水流的水管排架全部推倒，使噴水裝置沒有發(fā)揮應有的消塵作用。又如1996年，廣東茂名高120m的鋼筋混凝土煙囪拆除爆破，煙囪倒地破碎時壓縮筒體內的空氣產生強大的沖擊波和高速運動氣流，把附近一個2.0mX1.0mX0.7m的鐵皮配電柜沖擊飛上了距離3m遠的樓房二層陽臺上，而地面一些角鋼和直徑20cm、長1.8m的鋼管以及混凝土碎塊飛上了三層樓。作者與2007年12月23日，參與監(jiān)理山西臨汾河西熱電有限公司高160m的鋼筋混凝土煙囪拆除爆破，煙囪倒塌落地時中部筒體先壓在巳經爆破的框架結構廠房爆堆（高約5m）上，使煙囪內部空氣受到劇烈壓縮，產生的空氣沖擊波從煙囪頂部噴出，將前方30m處高約2m、厚24cm的廠區(qū)磚圍墻推倒，形成一個長約25m的倒梯形缺口。此煙囪爆破拆除倒塌所產生的壓縮空氣沖擊波推倒圍墻的情況如圖1所示（略九2008年5月9日，太原第二熱電廠高105m鋼筋混凝土煙囪爆破中，作者又一次目睹了壓縮空氣沖擊波造成的破壞。這次爆破的105m煙囪，原來是一座高210m的高煙囪，由于場地有限，105m以上是人工拆除的。因此爆破拆除的是一座特殊的煙囪：底部直徑為20.68m，比正常105m高煙囪的直徑約大1倍，而煙囪的高徑比只有5：1，比正常煙囪小1倍；煙囪重約7000t，也大大超過正常的105m高煙囪的自重。施工單位為了防止飛石，就地取材將原來設計的距煙囪爆破切口部位1.5?2.0m處用土袋堆碼1m以上高度的圍墻，改成離開煙囪底部距離5?6m、高度約6m的混凝土碎碴堆筑的弧形圍墻。當煙囪由南向北爆破倒塌落地時，下

部筒身受到前方高圍墻的杠桿支點作用，使煙囪根部受力加大，預留支撐部位鋼筋被拉斷，煙囪底部基礎以上筒身折斷，形成一個向后方(南面)的大喇叭口，煙囪撞擊地面受到急劇壓縮而形成空氣沖擊波，順著“喇叭口”向南噴出。這強大的空氣沖擊波和高速氣流，使緊靠煙囪中心南面約22m處的化學處理車間北側的玻璃窗全部被破壞，不少窗框被沖擊落地；車間外磚墻靠近窗戶上方的抹灰出現(xiàn)約1?2mm的裂縫多處;東側距化學處理車間約30m處的主廠房，在墻體拐角高約15?20m處的一塊長1.5m、寬約20cm的輕型鋁合金墻面被反射增壓的空氣沖擊波拉伸變形。該壓縮空氣沖擊波破壞路徑及車間破壞狀況如圖2所示。A桐爐房化學處理車間4!A桐爐房化學處理車間4!主廠房及諺打機組 平面圖(a)壓縮空氣沖擊波破壞路徑示意圖圖2壓縮空氣沖擊波對化學處理車間的破壞Fig.2Thedamagesofthecompressedairshockwavetothechemistryworkshop從這些例子可以清楚地看到，在建(構)筑物爆破倒塌時，壓縮空氣形成的空氣沖擊波和其后的高速運動氣流所造成的破壞不可忽視，必須予以預防和控制。壓縮空氣沖擊波波陣面參數(shù)的驗算根據沖擊波理論，空氣沖擊波波陣面上不同特性參數(shù)之間有以下關系式[1]：TOC\o"1-5"\h\z陣面超壓：△?=?—p「2po(D2—c：)/g(1+y)或△?=?ouD/g (1)陣面波速：D=[^p(1/po—1/p)X103]1/2 (2)氣流速度：u=2D(1—co2/D2)/(1+y) (3)式中：D為空氣沖擊波波速，m/s；^p為空氣沖擊波超壓，Pa；p。，為未擾動空氣的壓力Pa；c。為未擾動空氣的圍擋速度，匕=331(1+匕/546)，m/s；匕是未擾動空氣溫度，°C；p為壓縮空氣密度，kg/m3；p°是未擾動空氣密度，取p=1.25kg/m3；y是空氣絕熱指數(shù)，y=1.4。對于理想氣體，在其壓力戶、溫度￡、體積V之間有以下關系:pV/t=p0V0/t0=Constant (4)對于壓縮空氣沖擊波，由于建筑物在爆破倒塌過程中，其內部空氣受壓縮的時間很短，因此可以假定受壓縮空氣的溫度不變，則公式(4)可以寫為：pV=pV=Constant (5)00式中：p、V、t和p0、V0、t0分別為氣體受壓縮前、后的壓力、體積和溫度。應用上述理論，對上節(jié)中所舉實例進行了驗算。山西臨汾河西熱電廠高160m的鋼筋混凝土煙囪拆除爆破，出現(xiàn)的空氣沖擊波破壞。從現(xiàn)場圍墻的強度和破壞狀況估計，作用的空氣沖擊波超壓△p=(0.55?0.76)X105Pa，若空氣常溫下速度c°R331m/s、p。=1.25kg/m3，應用公式(1)可以求得空氣沖擊波的波速D=798.5?916.0m/s；應用公式(3)計算得壓縮空氣的流速u=551.1?663.7m/s；如果在煙囪倒塌前，內部空氣壓力為標準大氣壓力p0=1.O1X1O5Pa，空氣壓縮后的壓力p=^p+p「(1.56?1.77)X105Pa，由公式(5)得到煙囪內部空氣體積V/V=0.64?0.57^0.6，即空氣體積被壓縮了約40%0太原第二熱電廠高105m鋼筋混凝土煙囪爆破中壓縮空氣沖擊波造成的破壞。從現(xiàn)場窗戶和磚墻裂縫情況判斷，空氣沖擊波的超壓為△pNOM?0.5)X105Pa，同樣應用上述公式得到空氣沖擊波的波速D=702.5?767.8m/s；壓縮空氣的流速u=455.5?502.9m/s；與上例同樣，可以計算得到煙囪內部空氣體積被壓縮了約30%。廣東茂名爆破高120m的鋼筋混凝土煙囪拆除爆破，煙囪倒地破碎時壓縮筒體內的空氣產生強大的沖擊波和高速運動氣流，把附近一個2.0mX1.0mX0.7m的鐵皮配電柜沖擊飛上了側離3m遠的樓房二層陽臺上。從形成空氣沖擊波的起碼條件分析，在配電柜處的沖擊波速度至少大于當?shù)乜諝饴曀?，按照當時溫度(1996年1月份)t0=15°C計算，空氣密度po=1.25kg/m3，當?shù)芈曀賑「331X(1+15/546)=340.1m/s。根據《爆破安全規(guī)程》中空氣沖擊波破壞程度的描述，在超壓達到△p=(0.25?0.4)X10sPa的量級，建筑物的瓦屋面大量移動到全部掀動，對應該處空氣沖擊波波后的氣流速度約在335?452m/s。若以氣流速度為u=335m/s，^p=0.25X10sPa計算，得到空氣沖擊波速度D=597m/s，這時計算的空氣密度為p=1.27kg/m3，壓縮空氣的動能密度e1=pu2/2=1.27X(335)2/2=71269N/m2；假定鐵皮配電柜質量為M=320kg(假定鐵箱是由厚度5mm的鐵板制成)，體積為V「1.4m3,那么掀起它飛出3m遠、3m高(二層陽臺上)，所需要克服重力做功的能量密度e「M(gh+gs)/V「13714.3N/m2,e】遠大于e2，由此可知，壓縮空氣沖擊波是完全有可能把鐵皮配電柜掀起飛出到離開煙囪3m遠、3m高的二層樓陽臺上。壓縮空氣沖擊波的預防和控制對于壓縮空氣沖擊波的預防和控制，根據以往的經驗，主要的方法是采用“泄壓”和“阻波”措施。4.1“泄壓”方法對于樓房爆破，首先要利用樓房現(xiàn)有的門和窗“泄壓”，沒有門窗的應該用人工或者機械開設一些窗口?？梢栽诒魄锌谒诘臉菍拥姆乔锌诓课贿m當在外墻上開設一些“泄壓”窗口，在樓板上也開鑿一些“窗口”，這樣在樓房傾倒時使樓層中的壓縮空氣能向各個方向排出，避免在某一個方向上形成強沖擊波。第二要使樓房爆破后能夠充分解體，除了在爆破切口、爆破參數(shù)設計上考慮外，還可以事先把樓層的承重梁和樓梯梁分段破碎，或者布孔與主爆破同時爆破切斷，這樣可以減小壓縮空氣沖擊波的產生，減少空氣沖擊波的強度。對于高聳構筑物爆破(如鋼筋混凝土高煙囪)，只有讓它爆破倒塌落地時筒身的各個部位都能夠充分的破碎，使筒內的壓縮空氣能夠從各個方向分流出來，才能減小壓縮空氣沖擊波的強度。尤其要避免煙囪落地時，在煙囪中部首先受到撞擊壓縮，造成壓縮空氣從煙囪的頂部或者從斷裂的根部簡體內集中噴出形成強大的定向空氣沖擊波。否則就會造成上述實例中的破壞。為此，在采用煙囪爆破切口部位圍擋墻防護飛石時，圍墻位置離開煙囪筒壁不要過大，一般在30?50cm即可，墻的高度不要超過3m，圍墻最好用柔軟、空隙率大的材料如灰渣土、沙土等裝袋堆碼而成；在煙囪倒塌方向鋪設緩沖墊層時，應用沙土裝袋堆碼成多個條形堤，條形堤的間距不要過大，一般在8?10m，所有條形堤的高度應該一致，不要超過3m。4.2“阻波”措施對于樓房爆破，除了在爆破部位進行防護覆蓋外，在“泄壓”的門窗上，也要用柔軟的材料如草墊、草袋、編織袋等進行圍擋，以減小壓縮空氣沖擊波逸出時的強度。需要重點保護的建筑物設施，在采用屏障防護時，屏障的結構要有一定強度，并且屏障的位置要適當，離保護對象也應該保持一定距離，防止萬一屏障被空氣沖擊波推倒時砸傷建筑物設施。對于高聳構筑物爆破(如鋼筋混凝土煙囪)，除了在煙囪爆破切口部位進行防護覆蓋外，在煙囪的定向窗、切口部位的煙道、預開窗口等部位也要進行覆蓋防護，避免壓縮空氣沖擊波的集中逸出和減小沖擊波強度；對于倒塌方向兩側和后方有建筑物設施需要保護時，可以架設屏障防護，但也要保證屏障的結構強度，同時防止屏障被沖擊波推倒而造成保護對象的損傷。結論建(構)筑物拆除爆破中由于其內部空氣體積或周圍空氣突然受到壓縮而產生空氣沖擊波，它對周圍保護對象的危害必須引起足夠的重視。對于這種壓縮空氣沖擊波的定量，在本文中只是作了一些驗