建筑物拆除爆破中的压缩空气冲击波

建（构）筑物拆除爆破中的压缩空气冲击波金骥良（中国铁道科学研究院，北京100085）摘要：结合某些工程实例，就建（构）筑物拆除爆破中形成的压缩空气冲击波对周围保护对象造成的危害进行了阐述，并就其破坏原因进行了相关公式的验算，以提醒人们对此冲击波危害应引起足够重视。在此基础上，对拆除爆破过程中的压缩空气冲击波提出了有关“泄压”和“阻波”的安全防护措施。关键词：建（构）筑物；拆除爆破；压缩空气冲击波；危害效应；防护措施1引言本文所述的压缩空气冲击波，是指建（构）筑物拆除爆破时，由于楼房解体和高耸构筑物倒地破碎瞬间，压缩其内部和临近地面的空气而形成的冲击波。人们巳经认识到它在爆破中对周围保护物带来的危害，但如何对这种冲击波进行定量计算尚未有专门的论述，本文就此做些探讨，并对拆除爆破中防护空气冲击波的方法作了综述。压缩空气冲击波的产生与危害拆除爆破中，在建（构）筑物爆破解体、塌落倒地瞬间，在建（构）筑物内部及其与地面之间存在的空气，由于受到强烈压缩形成了极强的空气冲击波。它和其后面紧跟的高速气流，不仅会激起地面尘土污染周围环境，而且会给附近建筑物和设施造成意想不到的损伤。例如广州体育馆爆破时，由于馆顶屋面板塌落激烈压缩馆内空气，形成的空气冲击波和高速气流从内部冲出，把附近准备喷出水流的水管排架全部推倒，使喷水装置没有发挥应有的消尘作用。又如1996年，广东茂名高120m的钢筋混凝土烟囱拆除爆破，烟囱倒地破碎时压缩筒体内的空气产生强大的冲击波和高速运动气流，把附近一个2.0mX1.0mX0.7m的铁皮配电柜冲击飞上了距离3m远的楼房二层阳台上，而地面一些角钢和直径20cm、长1.8m的钢管以及混凝土碎块飞上了三层楼。作者与2007年12月23日，参与监理山西临汾河西热电有限公司高160m的钢筋混凝土烟囱拆除爆破，烟囱倒塌落地时中部筒体先压在巳经爆破的框架结构厂房爆堆（高约5m）上，使烟囱内部空气受到剧烈压缩，产生的空气冲击波从烟囱顶部喷出，将前方30m处高约2m、厚24cm的厂区砖围墙推倒，形成一个长约25m的倒梯形缺口。此烟囱爆破拆除倒塌所产生的压缩空气冲击波推倒围墙的情况如图1所示（略九2008年5月9日，太原第二热电厂高105m钢筋混凝土烟囱爆破中，作者又一次目睹了压缩空气冲击波造成的破坏。这次爆破的105m烟囱，原来是一座高210m的高烟囱，由于场地有限，105m以上是人工拆除的。因此爆破拆除的是一座特殊的烟囱：底部直径为20.68m，比正常105m高烟囱的直径约大1倍，而烟囱的高径比只有5：1，比正常烟囱小1倍；烟囱重约7000t，也大大超过正常的105m高烟囱的自重。施工单位为了防止飞石，就地取材将原来设计的距烟囱爆破切口部位1.5〜2.0m处用土袋堆码1m以上高度的围墙，改成离开烟囱底部距离5〜6m、高度约6m的混凝土碎碴堆筑的弧形围墙。当烟囱由南向北爆破倒塌落地时，下

部筒身受到前方高围墙的杠杆支点作用，使烟囱根部受力加大，预留支撑部位钢筋被拉断，烟囱底部基础以上筒身折断，形成一个向后方(南面)的大喇叭口，烟囱撞击地面受到急剧压缩而形成空气冲击波，顺着“喇叭口”向南喷出。这强大的空气冲击波和高速气流，使紧靠烟囱中心南面约22m处的化学处理车间北侧的玻璃窗全部被破坏，不少窗框被冲击落地；车间外砖墙靠近窗户上方的抹灰出现约1〜2mm的裂缝多处;东侧距化学处理车间约30m处的主厂房，在墙体拐角高约15〜20m处的一块长1.5m、宽约20cm的轻型铝合金墙面被反射增压的空气冲击波拉伸变形。该压缩空气冲击波破坏路径及车间破坏状况如图2所示。A桐炉房化学处理车间4!A桐炉房化学处理车间4!主厂房及谚打机组 平面图(a)压缩空气冲击波破坏路径示意图图2压缩空气冲击波对化学处理车间的破坏Fig.2Thedamagesofthecompressedairshockwavetothechemistryworkshop从这些例子可以清楚地看到，在建(构)筑物爆破倒塌时，压缩空气形成的空气冲击波和其后的高速运动气流所造成的破坏不可忽视，必须予以预防和控制。压缩空气冲击波波阵面参数的验算根据冲击波理论，空气冲击波波阵面上不同特性参数之间有以下关系式[1]：TOC\o"1-5"\h\z阵面超压：△?=?—p「2po(D2—c：)/g(1+y)或△?=?ouD/g (1)阵面波速：D=[^p(1/po—1/p)X103]1/2 (2)气流速度：u=2D(1—co2/D2)/(1+y) (3)式中：D为空气冲击波波速，m/s；^p为空气冲击波超压，Pa；p。，为未扰动空气的压力Pa；c。为未扰动空气的围挡速度，匕=331(1+匕/546)，m/s；匕是未扰动空气温度，°C；p为压缩空气密度，kg/m3；p°是未扰动空气密度，取p=1.25kg/m3；y是空气绝热指数，y=1.4。对于理想气体，在其压力户、温度£、体积V之间有以下关系:pV/t=p0V0/t0=Constant (4)对于压缩空气冲击波，由于建筑物在爆破倒塌过程中，其内部空气受压缩的时间很短，因此可以假定受压缩空气的温度不变，则公式(4)可以写为：pV=pV=Constant (5)00式中：p、V、t和p0、V0、t0分别为气体受压缩前、后的压力、体积和温度。应用上述理论，对上节中所举实例进行了验算。山西临汾河西热电厂高160m的钢筋混凝土烟囱拆除爆破，出现的空气冲击波破坏。从现场围墙的强度和破坏状况估计，作用的空气冲击波超压△p=(0.55〜0.76)X105Pa，若空气常温下速度c°R331m/s、p。=1.25kg/m3，应用公式(1)可以求得空气冲击波的波速D=798.5〜916.0m/s；应用公式(3)计算得压缩空气的流速u=551.1〜663.7m/s；如果在烟囱倒塌前，内部空气压力为标准大气压力p0=1.O1X1O5Pa，空气压缩后的压力p=^p+p「(1.56〜1.77)X105Pa，由公式(5)得到烟囱内部空气体积V/V=0.64〜0.57^0.6，即空气体积被压缩了约40%0太原第二热电厂高105m钢筋混凝土烟囱爆破中压缩空气冲击波造成的破坏。从现场窗户和砖墙裂缝情况判断，空气冲击波的超压为△pNOM〜0.5)X105Pa，同样应用上述公式得到空气冲击波的波速D=702.5〜767.8m/s；压缩空气的流速u=455.5〜502.9m/s；与上例同样，可以计算得到烟囱内部空气体积被压缩了约30%。广东茂名爆破高120m的钢筋混凝土烟囱拆除爆破，烟囱倒地破碎时压缩筒体内的空气产生强大的冲击波和高速运动气流，把附近一个2.0mX1.0mX0.7m的铁皮配电柜冲击飞上了侧离3m远的楼房二层阳台上。从形成空气冲击波的起码条件分析，在配电柜处的冲击波速度至少大于当地空气声速，按照当时温度(1996年1月份)t0=15°C计算，空气密度po=1.25kg/m3，当地声速c「331X(1+15/546)=340.1m/s。根据《爆破安全规程》中空气冲击波破坏程度的描述，在超压达到△p=(0.25〜0.4)X10sPa的量级，建筑物的瓦屋面大量移动到全部掀动，对应该处空气冲击波波后的气流速度约在335〜452m/s。若以气流速度为u=335m/s，^p=0.25X10sPa计算，得到空气冲击波速度D=597m/s，这时计算的空气密度为p=1.27kg/m3，压缩空气的动能密度e1=pu2/2=1.27X(335)2/2=71269N/m2；假定铁皮配电柜质量为M=320kg(假定铁箱是由厚度5mm的铁板制成)，体积为V「1.4m3,那么掀起它飞出3m远、3m高(二层阳台上)，所需要克服重力做功的能量密度e「M(gh+gs)/V「13714.3N/m2,e】远大于e2，由此可知，压缩空气冲击波是完全有可能把铁皮配电柜掀起飞出到离开烟囱3m远、3m高的二层楼阳台上。压缩空气冲击波的预防和控制对于压缩空气冲击波的预防和控制，根据以往的经验，主要的方法是采用“泄压”和“阻波”措施。4.1“泄压”方法对于楼房爆破，首先要利用楼房现有的门和窗“泄压”，没有门窗的应该用人工或者机械开设一些窗口。可以在爆破切口所在的楼层的非切口部位适当在外墙上开设一些“泄压”窗口，在楼板上也开凿一些“窗口”，这样在楼房倾倒时使楼层中的压缩空气能向各个方向排出，避免在某一个方向上形成强冲击波。第二要使楼房爆破后能够充分解体，除了在爆破切口、爆破参数设计上考虑外，还可以事先把楼层的承重梁和楼梯梁分段破碎，或者布孔与主爆破同时爆破切断，这样可以减小压缩空气冲击波的产生，减少空气冲击波的强度。对于高耸构筑物爆破(如钢筋混凝土高烟囱)，只有让它爆破倒塌落地时筒身的各个部位都能够充分的破碎，使筒内的压缩空气能够从各个方向分流出来，才能减小压缩空气冲击波的强度。尤其要避免烟囱落地时，在烟囱中部首先受到撞击压缩，造成压缩空气从烟囱的顶部或者从断裂的根部简体内集中喷出形成强大的定向空气冲击波。否则就会造成上述实例中的破坏。为此，在采用烟囱爆破切口部位围挡墙防护飞石时，围墙位置离开烟囱筒壁不要过大，一般在30〜50cm即可，墙的高度不要超过3m，围墙最好用柔软、空隙率大的材料如灰渣土、沙土等装袋堆码而成；在烟囱倒塌方向铺设缓冲垫层时，应用沙土装袋堆码成多个条形堤，条形堤的间距不要过大，一般在8〜10m，所有条形堤的高度应该一致，不要超过3m。4.2“阻波”措施对于楼房爆破，除了在爆破部位进行防护覆盖外，在“泄压”的门窗上，也要用柔软的材料如草垫、草袋、编织袋等进行围挡，以减小压缩空气冲击波逸出时的强度。需要重点保护的建筑物设施，在采用屏障防护时，屏障的结构要有一定强度，并且屏障的位置要适当，离保护对象也应该保持一定距离，防止万一屏障被空气冲击波推倒时砸伤建筑物设施。对于高耸构筑物爆破(如钢筋混凝土烟囱)，除了在烟囱爆破切口部位进行防护覆盖外，在烟囱的定向窗、切口部位的烟道、预开窗口等部位也要进行覆盖防护，避免压缩空气冲击波的集中逸出和减小冲击波强度；对于倒塌方向两侧和后方有建筑物设施需要保护时，可以架设屏障防护，但也要保证屏障的结构强度，同时防止屏障被冲击波推倒而造成保护对象的损伤。结论建(构)筑物拆除爆破中由于其内部空气体积或周围空气突然受到压缩而产生空气冲击波，它对周围保护对象的危害必须引起足够的重视。对于这种压缩空气冲击波的定量，在本文中只是作了一些验