建（構(gòu)）筑物拆除爆破中的壓縮空氣沖擊波金驥良（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京100085）摘要：結(jié)合某些工程實(shí)例，就建（構(gòu)）筑物拆除爆破中形成的壓縮空氣沖擊波對(duì)周?chē)Ｗo(hù)對(duì)象造成的危害進(jìn)行了闡述，并就其破壞原因進(jìn)行了相關(guān)公式的驗(yàn)算，以提醒人們對(duì)此沖擊波危害應(yīng)引起足夠重視。在此基礎(chǔ)上，對(duì)拆除爆破過(guò)程中的壓縮空氣沖擊波提出了有關(guān)“泄壓”和“阻波”的安全防護(hù)措施。關(guān)鍵詞：建（構(gòu)）筑物；拆除爆破；壓縮空氣沖擊波；危害效應(yīng)；防護(hù)措施1引言本文所述的壓縮空氣沖擊波，是指建（構(gòu)）筑物拆除爆破時(shí)，由于樓房解體和高聳構(gòu)筑物倒地破碎瞬間，壓縮其內(nèi)部和臨近地面的空氣而形成的沖擊波。人們巳經(jīng)認(rèn)識(shí)到它在爆破中對(duì)周?chē)Ｗo(hù)物帶來(lái)的危害，但如何對(duì)這種沖擊波進(jìn)行定量計(jì)算尚未有專(zhuān)門(mén)的論述，本文就此做些探討，并對(duì)拆除爆破中防護(hù)空氣沖擊波的方法作了綜述。壓縮空氣沖擊波的產(chǎn)生與危害拆除爆破中，在建（構(gòu)）筑物爆破解體、塌落倒地瞬間，在建（構(gòu)）筑物內(nèi)部及其與地面之間存在的空氣，由于受到強(qiáng)烈壓縮形成了極強(qiáng)的空氣沖擊波。它和其后面緊跟的高速氣流，不僅會(huì)激起地面塵土污染周?chē)h(huán)境，而且會(huì)給附近建筑物和設(shè)施造成意想不到的損傷。例如廣州體育館爆破時(shí)，由于館頂屋面板塌落激烈壓縮館內(nèi)空氣，形成的空氣沖擊波和高速氣流從內(nèi)部沖出，把附近準(zhǔn)備噴出水流的水管排架全部推倒，使噴水裝置沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)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(shí)壓縮筒體內(nèi)的空氣產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和高速運(yùn)動(dòng)氣流，把附近一個(gè)2.0mX1.0mX0.7m的鐵皮配電柜沖擊飛上了距離3m遠(yuǎn)的樓房二層陽(yáng)臺(tái)上，而地面一些角鋼和直徑20cm、長(zhǎng)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(shí)中部筒體先壓在巳經(jīng)爆破的框架結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房爆堆（高約5m）上，使煙囪內(nèi)部空氣受到劇烈壓縮，產(chǎn)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(chǎng)區(qū)磚圍墻推倒，形成一個(gè)長(zhǎng)約25m的倒梯形缺口。此煙囪爆破拆除倒塌所產(chǎn)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(chǎng)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(lái)是一座高210m的高煙囪，由于場(chǎng)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(guò)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(lái)設(shè)計(jì)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(kāi)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(dāng)煙囪由南向北爆破倒塌落地時(shí)，下

部筒身受到前方高圍墻的杠桿支點(diǎn)作用，使煙囪根部受力加大，預(yù)留支撐部位鋼筋被拉斷，煙囪底部基礎(chǔ)以上筒身折斷，形成一個(gè)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(qiáng)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(xué)處理車(chē)間北側(cè)的玻璃窗全部被破壞，不少窗框被沖擊落地；車(chē)間外磚墻靠近窗戶(hù)上方的抹灰出現(xiàn)約1?2mm的裂縫多處;東側(cè)距化學(xué)處理車(chē)間約30m處的主廠(chǎng)房，在墻體拐角高約15?20m處的一塊長(zhǎng)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(chē)間破壞狀況如圖2所示。A桐爐房化學(xué)處理車(chē)間4!A桐爐房化學(xué)處理車(chē)間4!主廠(chǎng)房及諺打機(jī)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(duì)化學(xué)處理車(chē)間的破壞Fig.2Thedamagesofthecompressedairshockwavetothechemistryworkshop從這些例子可以清楚地看到，在建(構(gòu))筑物爆破倒塌時(shí)，壓縮空氣形成的空氣沖擊波和其后的高速運(yùn)動(dòng)氣流所造成的破壞不可忽視，必須予以預(yù)防和控制。壓縮空氣沖擊波波陣面參數(shù)的驗(yàn)算根據(jù)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(guān)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(dòng)空氣的壓力Pa；c。為未擾動(dòng)空氣的圍擋速度，匕=331(1+匕/546)，m/s；匕是未擾動(dòng)空氣溫度，°C；p為壓縮空氣密度，kg/m3；p°是未擾動(dòng)空氣密度，取p=1.25kg/m3；y是空氣絕熱指數(shù)，y=1.4。對(duì)于理想氣體，在其壓力戶(hù)、溫度￡、體積V之間有以下關(guān)系:pV/t=p0V0/t0=Constant (4)對(duì)于壓縮空氣沖擊波，由于建筑物在爆破倒塌過(guò)程中，其內(nèi)部空氣受壓縮的時(shí)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(xiě)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(yīng)用上述理論，對(duì)上節(jié)中所舉實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)算。山西臨汾河西熱電廠(chǎng)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(chǎng)圍墻的強(qiáng)度和破壞狀況估計(jì)，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(yīng)用公式(1)可以求得空氣沖擊波的波速D=798.5?916.0m/s；應(yīng)用公式(3)計(jì)算得壓縮空氣的流速u(mài)=551.1?663.7m/s；如果在煙囪倒塌前，內(nèi)部空氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(chǎng)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(chǎng)窗戶(hù)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(yīng)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(mài)=455.5?502.9m/s；與上例同樣，可以計(jì)算得到煙囪內(nèi)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(shí)壓縮筒體內(nèi)的空氣產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和高速運(yùn)動(dòng)氣流，把附近一個(gè)2.0mX1.0mX0.7m的鐵皮配電柜沖擊飛上了側(cè)離3m遠(yuǎn)的樓房二層陽(yáng)臺(tái)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(dāng)?shù)乜諝饴曀?，按照?dāng)時(shí)溫度(1996年1月份)t0=15°C計(jì)算，空氣密度po=1.25kg/m3，當(dāng)?shù)芈曀賑「331X(1+15/546)=340.1m/s。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中空氣沖擊波破壞程度的描述，在超壓達(dá)到△p=(0.25?0.4)X10sPa的量級(jí)，建筑物的瓦屋面大量移動(dòng)到全部掀動(dòng)，對(duì)應(yīng)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(jì)算，得到空氣沖擊波速度D=597m/s，這時(shí)計(jì)算的空氣密度為p=1.27kg/m3，壓縮空氣的動(dòng)能密度e1=pu2/2=1.27X(335)2/2=71269N/m2；假定鐵皮配電柜質(zhì)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(yuǎn)、3m高(二層陽(yáng)臺(tái)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(yuǎn)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(kāi)煙囪3m遠(yuǎn)、3m高的二層樓陽(yáng)臺(tái)上。壓縮空氣沖擊波的預(yù)防和控制對(duì)于壓縮空氣沖擊波的預(yù)防和控制，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，主要的方法是采用“泄壓”和“阻波”措施。4.1“泄壓”方法對(duì)于樓房爆破，首先要利用樓房現(xiàn)有的門(mén)和窗“泄壓”，沒(méi)有門(mén)窗的應(yīng)該用人工或者機(jī)械開(kāi)設(shè)一些窗口?？梢栽诒魄锌谒诘臉菍拥姆乔锌诓课贿m當(dāng)在外墻上開(kāi)設(shè)一些“泄壓”窗口，在樓板上也開(kāi)鑿一些“窗口”，這樣在樓房?jī)A倒時(shí)使樓層中的壓縮空氣能向各個(gè)方向排出，避免在某一個(gè)方向上形成強(qiáng)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(shè)計(jì)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(shí)爆破切斷，這樣可以減小壓縮空氣沖擊波的產(chǎn)生，減少空氣沖擊波的強(qiáng)度。對(duì)于高聳構(gòu)筑物爆破(如鋼筋混凝土高煙囪)，只有讓它爆破倒塌落地時(shí)筒身的各個(gè)部位都能夠充分的破碎，使筒內(nèi)的壓縮空氣能夠從各個(gè)方向分流出來(lái)，才能減小壓縮空氣沖擊波的強(qiáng)度。尤其要避免煙囪落地時(shí)，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(jiǎn)體內(nèi)集中噴出形成強(qiáng)大的定向空氣沖擊波。否則就會(huì)造成上述實(shí)例中的破壞。為此，在采用煙囪爆破切口部位圍擋墻防護(hù)飛石時(shí)，圍墻位置離開(kāi)煙囪筒壁不要過(guò)大，一般在30?50cm即可，墻的高度不要超過(guò)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(shè)緩沖墊層時(shí)，應(yīng)用沙土裝袋堆碼成多個(gè)條形堤，條形堤的間距不要過(guò)大，一般在8?10m，所有條形堤的高度應(yīng)該一致，不要超過(guò)3m。4.2“阻波”措施對(duì)于樓房爆破，除了在爆破部位進(jìn)行防護(hù)覆蓋外，在“泄壓”的門(mén)窗上，也要用柔軟的材料如草墊、草袋、編織袋等進(jìn)行圍擋，以減小壓縮空氣沖擊波逸出時(shí)的強(qiáng)度。需要重點(diǎn)保護(hù)的建筑物設(shè)施，在采用屏障防護(hù)時(shí)，屏障的結(jié)構(gòu)要有一定強(qiáng)度，并且屏障的位置要適當(dāng)，離保護(hù)對(duì)象也應(yīng)該保持一定距離，防止萬(wàn)一屏障被空氣沖擊波推倒時(shí)砸傷建筑物設(shè)施。對(duì)于高聳構(gòu)筑物爆破(如鋼筋混凝土煙囪)，除了在煙囪爆破切口部位進(jìn)行防護(hù)覆蓋外，在煙囪的定向窗、切口部位的煙道、預(yù)開(kāi)窗口等部位也要進(jìn)行覆蓋防護(hù)，避免壓縮空氣沖擊波的集中逸出和減小沖擊波強(qiáng)度；對(duì)于倒塌方向兩側(cè)和后方有建筑物設(shè)施需要保護(hù)時(shí)，可以架設(shè)屏障防護(hù)，但也要保證屏障的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)防止屏障被沖擊波推倒而造成保護(hù)對(duì)象的損傷。結(jié)論建(構(gòu))筑物拆除爆破中由于其內(nèi)部空氣體積或周?chē)諝馔蝗皇艿綁嚎s而產(chǎn)生空氣沖擊波，它對(duì)周?chē)Ｗo(hù)對(duì)象的危害必須引起足夠的重視。對(duì)于這種壓縮空氣沖擊波的定量，在本文中只是作了一些驗(yàn)