周晓光

(1.湖南铁军工程建设有限公司, 湖南 长沙 410003;2.中国矿业大学(北京), 北京 100091)

1 聚能装药及其特点

聚能效应也称门罗效应,端部空穴的装药在引爆后,爆炸产物沿空穴表面的法线方向飞散并在轴线汇聚,形成高压、高速、高密度的气流。如果在空穴中安装有药型罩,炸药爆炸后空穴方向形成高速的金属射流或爆炸成型弹丸。利用装药端部空穴提高局部破坏作用的效应称为聚能效应,产生聚能效应的装药称聚能装药。聚能装药是能产生爆炸聚能效应的成型装药,可对目标实现高效侵彻、切割,在军事、工程中运用广泛。聚能装药与普通装药相比有3个特点。

1.1 结构不同

聚能装药设有聚能空穴或在空穴中安装有药型罩,分无药型罩聚能装药和有药型罩聚能装药,有药型罩聚能装药侵彻、切割效果更好。药型罩通常选择密度大、塑性好的材料,目前药型罩材料多采用紫铜、铅锑合金或钢等。罩体顶角在80°～100°之间,为便于加工,罩体顶角通常选取90°。炸药一般选择爆速高的锑黑、聚黑等。

1.2 设置方式不同

外部装药爆破目标时,普通装药爆破需与目标充分接触效果最好,而聚能装药与目标保持适当距离(炸高)时效果最好,使侵彻深度最大时的炸高为最佳炸高,最佳炸高需通过计算、试验确定。

1.3 药量不同

同一目标采用聚能装药相比普通装药爆破可大大减少装药量,一般可减少十分之一甚至更多。以炸断厚度3 c m、宽度30 c m钢板为例,普通装药(梯恩梯)爆破药量为Q=10×3×3×30=2700 g,而采用SGPQ-19型(280 g/m)聚能装药炸断钢板时,药量为280 g/m×0.3 m=84 g,是普通炸药量1/32。

2 聚能装药在军事上的应用

2.1 破甲弹

聚能装药结构能用作制作反坦克破甲弹,地雷、反坦克火箭弹、导弹的战斗部。某些便携式反坦克导弹战斗部就是聚能装药结构的破甲弹,能垂直破钢甲厚750 mm。

2.2 爆破器材

各国军队一直在积极研制体积小、重量轻、效能高的爆破器材,其主要方法就是采用聚能装药结构以实现穿孔、切割的目的。穿孔装药可用于在硬土、冻土、岩石、混凝土中快速开设炮孔。切割装药可用于对钢结构军事目标的快速爆破,反恐时可用于爆破防盗门、墙壁等。

3 钢结构建筑物拆除爆破

1990年国外采用聚能装药完成了大量的钢结构桥梁、楼房等建筑物的拆除爆破。自2002年上钢一厂第二炼钢车间38 700 m2厂房采用聚能装药成功拆除后,我国钢结构建筑物采用聚能装药成功爆破拆除的案例逐渐增多。

3.1 沈阳市绿岛全钢结构体育馆爆破拆除

2012年,沈阳市绿岛全钢结构体育馆被成功爆破拆除。体育馆长228 m,宽180 m,高53.6 m,共8层,建筑面积38万m2,是亚洲最大室内体育馆。爆破的难点:环境复杂,聚能装药是外部装药,本次爆破使用炸药3000 kg,需严格控制冲击波、飞散物,其防护是难题;结构复杂、面积大,属大型钢结构建筑建筑物,高宽比小,需确保建筑物可靠倾倒坍塌。将建筑物划分为13个爆区,利用线性聚能切割器对支撑立柱进行爆破切割。通过靶场试验,选择RDX∶TNT=50∶50(3.8 kg/m)、炸高30 mm、紫铜罩、罩顶角90°大号切割器爆破切割50 mm钢板;RDX∶TNT=50∶50(2.25 kg/m)、炸高20 mm、紫铜罩、罩顶角90°小号切割器爆破切割20 mm钢板。

采用电子雷管起爆网路。爆破部位设置托架,采用沙袋、钢网进行近体防护,如图1所示。

图1 防护示意

体育场馆按照爆破设计的倒塌顺序和方向倾倒解体,炮声低沉,周围建筑物无任何损坏,爆破效果良好。此次爆破是采用聚能装药爆破拆除规模较大钢结构工程的成功实践,创新地解决了爆破危害效应的难题。

3.2 中盐株化红四方造粒塔爆破拆除

2020年盐株化红四方造粒塔被成功爆破拆除。塔高99.4 m,底部外直径为17.1 m。塔身由24根工字钢竖向支撑作为立柱,立柱间距2.15 m,支撑立柱每隔1.8 m设置一道钢圈梁,圈梁与圈梁之间和圈梁与支撑之间设有U型槽钢斜撑。立柱为600 mm×170 mm工字钢,其侧板厚度为30 mm,腹板厚度为12 mm。造粒塔及其附属结构如图2所示。

图2 造粒塔及其附属结构

目前国内外没有类似钢结构塔爆破拆除的经验,待拆除钢结构由造粒塔主体和其南侧附属运输电梯井、人行步梯构成,是一个组合体。如何确定合理的爆破缺口、预先处理确保结构稳定、选择合适的切割器、确保可靠倾倒、危害防护等一系列难题需解决。

通过靶场试验,选择切割器:以SGPQ-19型高能切割器单向切割,在预切割丁字部位情况下,能够切割厚度为30 mm的45号工字钢侧板;以SGPQ-15型高能切割器单向切割,能够切割厚度为12 mm的45号工字钢腹板。切割器药型罩材料为铅锑合金板,厚度为2 mm,药型罩顶角为90°;口径为26 mm(15型)、30 mm(19型),聚黑-16炸药,爆速为8390 m/s,密度为1.71 g/mm3,线装药密度为210 g/m(15型)、280 g/m(19型)。选择右3#立柱作为试验炮,切除连接的横梁与斜撑,在距离地面高度1.4 m、6.8 m、9.3 m 3处设置了切割器,爆破取得预期效果。

采取梯形切口,切口最大高度9.3 m,切口圆心角225°,包含14根切割立柱。爆破北侧立柱,形成向北倾倒的爆破切口。在装药点下方采用钢筋和钢管焊接防护托架,切割器安装到位后,在防护托架上绕切口一周放置沙袋,沙袋外部再以橡胶垫包裹一周。中盐株化红四方造粒塔爆破拆除的具体爆破参数见表1。

表1 聚能装置统计

起爆后,造粒塔缓慢倾倒向预设方向,倒向准确,无明显前冲后座现象,如图3、图4所示。周边建筑物无损,人员安全。本次爆破采用工厂加工的切割器,大大减少了装药量,不需要起爆体导爆索端部可靠起爆。爆破方案确定合理,预先处理适度,确保了塔和组合体的可靠倾倒。在安全防护、装药设置等方面有一些创新,取得1项专利,为此类建筑物拆除爆破积累了经验。

图3 造粒塔倒塌过程

图4 塔体倒塌效果

4 结语

(1)钢结构建筑物的拆除工程会逐渐增多,采用聚能装药爆破拆除方法安全快捷。

(2)聚能装药在工程中还可用于快速破碎孤石、大块二次破碎等,抢险救灾时可用于障碍物的快速爆破破碎。由水电八局研制的双聚能装药,在水电、道路光面预裂爆破施工中成功运用,取得较好的经济效益。对于一些砖、石、混凝土、钢筋混凝土墙体、梁、柱及其组成的结构物爆破拆除,采用聚能装药爆破可不钻孔,节约作业时间,实现快速爆破,适合在无法钻孔爆破或特殊情况下使用,如抢险救灾、危险建筑物拆除爆破等场合。

(3)聚能效应的发现已有一百三十多年,在军事中的运用已经较成熟,但在工程中的运用还有很多局限性,技术上存在不足。如爆破参数的设计目前没有完善的方法,主要依赖试验。聚能效应在工程中的应用前景很广,针对不同目标的爆破参数设计、装药设置、起爆、危害控制等一系列技术问题需深入研究。