Способ обрушения сооружений и устройство для его реализации

 

Изобретение предназначено для обрушения подлежащих ликвидации зданий и сооружений. Предварительно определяют прочностное состояние элементов сооружения, массу и схему расположения заряда ВВ в виде горючей газовой смеси. По прочностному состоянию элементов сооружения определяют необходимое давление в детонационной волне и устанавливают соответствующее ему начальное давление газовой смеси. На месте смешивают во взрывоспособном соотношении горючий газ и газ-окислитель в стехиометрическом соотношении. Зарядная камера 1 содержит инициатор детонации 4 газовой смеси и трубопроводную арматуру подачи компонентов газовой смеси. Диафрагма 5 герметично сочленена с зарядной камерой с открытой ее стороны и имеет прочность на разрыв меньше прочности на разрыв зарядной камеры. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к взрывным работам специального назначения и предназначено для разрушения конструкций и для использования в строительстве, главным образом, при обрушении подлежащих ликвидации зданий и сооружений. Изобретение может быть также использовано для дробления горных пород, вскрытия ледового покрова, рыхления и перемещения грунта, проведения сейсморазведочных работ.

При реконструкции промышленных предприятий и городской застройки существует потребность в ликвидации различных зданий и сооружений. Ликвидация состоит в обрушении сооружений с последующей эвакуацией обрушенного материала. Обрушение производят как с помощью механических средств, так и взрывным способом. Взрывное обрушение имеет ряд преимуществ, выражающихся в большей безопасности работ при сносе объектов вблизи транспортных магистралей, меньшей продолжительности операций, лучшем управлении процессом обрушения, возможности применения более эффективных способов эвакуации обрушенного материала, а главное - в более высокой экономичности работ.

В настоящее время взрывное обрушение получило в строительстве широкое распространение, разработаны и эффективно используются различные способы и устройства для их реализации применительно к условиям конкретных работ.

Так, известен способ обрушения сооружений взрывом с использованием шпуровых зарядов конденсированного взрывчатого вещества (ВВ) [1].

В соответствии с данным способом в стенах ликвидируемого объекта с внутренней стороны по определенной схеме бурят шпуры требуемых диаметра и глубины. В шпуры закладывают заряды ВВ. С помощью электродетонаторов или детонирующего шнура производят синхронный подрыв зарядов. В результате бризантного действия взрыва, воздействия ударной волны и расширяющихся газообразных продуктов детонации происходит заданное разрушение стен, как правило, у их основания, и последующее обрушение сооружения.

Однако данный способ, в силу необходимости проведения буровых работ внутри ликвидируемого сооружения, практически неприменим при обрушении аварийных и полуразрушенных зданий, проведение буровых работ в которых недопустимо в соответствии с требованиями безопасности труда. Это значительно сужает область применения способа.

Более широкими возможностями в работах по ликвидации строительных объектов практически любой степени аварийности обладает способ взрывного обрушения сооружений, описанный в [2] и принятый в качестве прототипа.

Способ состоит в воздействии на элементы сооружения, подлежащего обрушению, детонационной волной и расширяющимися продуктами взрыва, образующимися при взрыве одного или нескольких наружных сосредоточенных зарядов конденсированного ВВ. Предварительно определяют прочностное состояние элементов сооружения. По их прочности и необходимому объему разрушений устанавливают массу зарядов ВВ и схему их расположения. В зависимости от конкретных требований по разрушению объекта заряды располагают как у основания стен, так и на бетонных перекрытиях и полах.

Поскольку заряды располагают снаружи разрушаемых элементов сооружения, то для задержки бокового разлета газообразных продуктов детонации и усиления местного действия взрыва на разрушаемые элементы заряды ВВ помещают в массивный корпус. Корпус выполняют в виде наружной забойки из глины или песка и открытым с одной или нескольких сторон, обращенных к разрушаемым элементам сооружения. Для инициирования зарядов используют капсюли-детонаторы или электродетонаторы. Таким образом, для осуществления способа служит устройство, содержащее открытую с одной или нескольких сторон зарядную камеру, заполняемую взрывчатым веществом, и один или несколько детонаторов.

Данные способ и устройство характеризуются относительной безопасностью подготовительных и монтажных работ и обеспечивают в то же время эффективное обрушение как аварийных строений, так и высокопрочных бетонных и железобетонных сооружений, по каким-либо причинам подлежащих ликвидации.

Однако имеются и серьезные недостатки, выражающиеся в ограниченности эксплуатационных возможностей при использовании прототипа и в высокой стоимости изготовления зарядов из конденсированного ВВ. При взрыве образуются химически агрессивные и высокотоксичные газы, такие, например, как диоксид азота NO₂ Требуется дорогостоящая организация работ, связанная со специальными хранением, охраной и транспортировкой зарядов ВВ к месту их использования. Возможны случаи отказа в подрыве некоторого количества зарядов и их завала обрушившимся материалом. При последующем перемещении и эвакуации материала возможны взрывы этих зарядов с трагическими последствиями для людей.

Таким образом, изобретение направлено на решение задачи по расширению эксплуатационных возможностей способа обрушения сооружений и понижению стоимости работ. Технический же результат при решении этой задачи выражается в повышении безопасности подготовительных операций и действий по эвакуации обрушенного материала, уменьшении вредного экологического воздействия взрыва на окружающую среду.

Это достигается за счет того, что в способе взрывного обрушения сооружений, включающем предварительное определение прочностного состояния элементов сооружения, массы и схемы расположения заряда взрывчатого вещества и последующее разрушающее воздействие на элементы сооружения детонационной волной и расширяющимися продуктами взрыва, образующимися при взрыве заряда взрывчатого вещества, согласно изобретению, в качестве взрывчатого вещества используют горючую газовую смесь, определяют по прочностному состоянию элементов сооружения необходимое для разрушающего воздействия давление в детонационной волне и устанавливают соответствующее ему начальное давление газовой смеси, величину которого определяют из зависимости параметров детонации смеси от параметров ее начального состояния, используя для этого следующее соотношение где P - давление в детонационной волне; P_о - начальное давление газовой смеси; ρ₀ - начальная плотность газовой смеси; D - скорость детонационной волны; C_о - скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии; k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

При этом горючую газовую смесь получают путем смешивания во взрывоспособном соотношении горючего газа и газа-окислителя, получают смесь на месте ее применения, а также получают ее при стехиометрическом соотношении горючего газа и газа-окислителя.

Для реализации способа устройство для обрушения сооружений, содержащее открытую с одной или нескольких сторон зарядную камеру и инициатор детонации взрывчатого вещества, согласно изобретению, снабжено трубопроводной арматурой подачи в зарядную камеру компонентов горючей газовой смеси и одной или более диафрагмами, сочлененными с зарядной камерой и герметично изолирующими ее внутренний объем от окружающей среды. При этом каждая из диафрагм имеет прочность на разрыв много меньше прочности на разрыв зарядной камеры.

Именно снабжение устройства трубопроводной арматурой подачи в камеру компонентов горючей газовой смеси и одной или несколькими диафрагмами, герметично изолирующими внутренний объем камеры от окружающей среды, обеспечивают использование в качестве взрывчатого вещества горючей газовой смеси требуемого состава и ее удержание внутри зарядной камеры под требуемым давлением в виде сосредоточенного заряда, с последующим оказанием сильного местного разрушающего действия взрыва. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые способ и устройство связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сопоставительный анализ изобретения и прототипа позволил выявить новую совокупность существенных признаков, обусловленных изменением как приемов, так и конструкции используемого для этого устройства. Таким образом, заявляемые объекты отвечают критерию "Новизна".

На фиг. 1 дано устройство для осуществления способа; на фиг.2 - установка устройства у разрушаемого элемента сооружения, заполнение зарядной камеры компонентами горючей газовой смеси; на фиг.3 - инициирование детонации смеси; на фиг.4 - разрушение элемента сооружения взрывом смеси; а фиг. 5 - график зависимости давления в детонационной волне от начального давления для стехиометрической водородо-кислородной смеси (гремучего газа).

Устройство (фиг. 1) для обрушения сооружений по заявляемому способу состоит из зарядной камеры 1, установленных в стенке камеры газового вентиля 2 подачи горючего газа, газового вентиля 3 подачи газа-окислителя, элемента 4 инициирования детонации смеси, диафрагмы 5, герметично сочлененной с камерой 1 с открытой ее стороны и изолирующей внутренний объем от окружающей среды, прижимного кольца 6 с элементами крепления 7 и уплотнительной прокладки 8.

Камера 1 может быть изготовлена из металла, бетона, композиционного материала и т. п. и иметь любую требуемую форму: сферическую, коробчатую, трубчатую и т. д. и любую протяженность. В зависимости от конкретной решаемой задачи камера может быть открыта как с одной, так и с нескольких сторон, иметь одно окно большой площади или ряд относительно небольших окон, расположенных по определенной системе с разных сторон. Назначение окон - выход из зарядной камеры детонационной волны и расширяющихся продуктов взрыва, образующихся при взрыве горючей газовой смеси, в направлении элементов сооружения, на которые оказывается разрушающее воздействие. Конфигурация окон при этом может быть самой различной. В качестве газовых вентилей 2 и 3 для подачи компонентов горючей газовой смеси могут быть использованы газовые вентили ВК-86. В качестве элемента инициирования детонации 4 - высоковольтная автомобильная свеча зажигания А17ДВ, А20Д-1 и др. Диафрагма 5 изготавливается из листового металла, резины, полиэтилена или любого другого подходящего листового материала, способного выдержать начальное давление горючей газовой смеси в зарядной камере. Прочность такой диафрагмы на разрыв много меньше прочности на разрыв относительно толстостенного массивного корпуса камеры 1.

Материалом герметизирующей прокладки 8 в области сочленения диафрагмы 5 с камерой 1 служит обычная или вакуумная резина. Однако в качестве герметика может быть использована вакуумная замазка или любая консистентная смазка типа литола, солидола, циатима и т. п., наносимая тонким слоем на поверхность контакта диафрагмы с камерой. Прижимное кольцо изготавливается из стали или алюминиевого сплава. В качестве элементов крепления 7 предпочтительны болты.

Способ осуществляют следующим образом.

Перед началом работ выбирают для использования в качестве взрывчатого вещества горючую газовую смесь. Выбирают наиболее подходящие горючий газ и газ-окислитель. В качестве горючего газа могут использоваться относительно недорогостоящие водород (H₂), ацетилен (C₂H₂), пропан (C₃H₈), бутан (C₄H₁₀) и др. а в качестве газа-окислителя - кислород или атмосферный воздух. Основанием для выбора тех или иных газов могут служить требуемая калорийность смеси, нетоксичность, доступность приобретения в необходимом количестве и т. п. Для выбранных газов по справочной литературе, например, [3], определяют процентное содержание горючего газа в смеси, обеспечивающее ее надежное взрывчатое превращение. Концентрационные пределы взрываемости смеси горючих газов с кислородом или воздухом в настоящее время достаточно хорошо известны. В нижеследующей таблице приведены данные по концентрационным пределам взрываемости для наиболее распространенных горючих газов [3].

Данные свидетельствуют о взрывоспособности смесей в широком диапазоне варьирования их компонентов.

Обследуют подлежащее обрушению сооружение и устанавливают его прочностное состояние.

По прочности элементов сооружения и требуемому объему их разрушений определяют механическую работу, которую надо совершить при взрыве.

По величине механической работы и калорийности выбранной горючей газовой смеси (справочная величина) вычисляют требуемую массу горючей газовой смеси.

Определяют давление при взрыве (давление в детонационной волне), необходимое для разрушения материала элементов сооружения, (берут его равным пределу прочности этого материала). Давление в детонационной волне зависит от состава смеси, соотношения ее компонентов, начального давления и определяется известным из физики взрыва [3] выражением где P - давление в детонационной волне;
P_о, ρ₀ - начальное давление и начальная плотность газовой смеси, соответственно,
D - скорость детонационной волны,
C_о- скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии;
k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

По требуемой для разрушения величине давления в детонационной волне P в соответствии с вышеприведенным соотношением определяют для выбранной газовой смеси ее начальное давление P₀ (давление перед возбуждением детонации). Значения D, C₀, k при проведении вычислений берут из соответствующей справочной литературы, например, [3] . Для практического удобства зависимость P(P₀) для конкретной газовой смеси может быть построена в табличном или графическом виде, например, как показано на фиг. 5. Определение величины P₀ в производственных условиях при этом значительно упрощается.

Таким образом находят состав, массу и необходимое общее начальное давление горючей газовой смеси.

По массе и начальному давлению смеси находят объем, который горючая газовая смесь должна занимать в исходном состоянии (перед взрывом). Такой объем должна иметь полость зарядной камеры.

По процентному содержанию газов в смеси и общему ее начальному давлению определяют парциальное давление каждого из газов в создаваемом ими давлении P₀. (Например, если общее начальное давление смеси P₀ = 10 атм, а ее состав: 66% горючего газа + 34% газа- окислителя, то давление горючего газа в смеси должно составлять 6,6 атм., а газа-окислителя - 3,4 атм.).

Изготавливают устройство с зарядной камерой требуемого объема.

Устанавливают устройство у разрушаемого элемента сооружения 9 вплотную к его поверхности или на определенном заданном расстоянии на требуемой высоте (фиг. 2). При этом открытую сторону камеры с закрепленной диафрагмой обращают к разрушаемому элементу. Через газовый вентиль 2, соединенный посредством дюритового шланга с газовой магистралью или баллоном со сжатым газом, заполняют зарядную камеру 1 горючим газом под требуемым давлением. Через газовый вентиль 3, соединенный также дюритовым шлангом с газовой магистралью, баллоном со сжатым газом или воздушным компрессором, заполняют зарядную камеру 1 под требуемым давлением газом-окислителем. Давление газов задают с помощью внешних газовых редукторов и контролируют с помощью внешнего газового манометра (не показаны). Суммарное давление газов составляет величину P₀. Последовательность заполнения камеры газами может быть любой: сперва горючим газом, а затем - газом-окислителем, либо сперва газом- окислителем, а затем - горючим газом.

После заполнения камеры 1 газовыми компонентами и получения горючей газовой смеси требуемого состава под требуемым начальным давлением производят инициирование детонации смеси (фиг. 3). Для этого на элемент инициирования 4 подают импульс высокого напряжения. Внутри камеры 1 происходит высоковольтный электрический разряд, возбуждающий детонацию.

Детонационная волна и разогретые до высокой температуры продукты взрыва выходят на диафрагму 5, прорывают ее и воздействуют на разрушаемый элемент сооружения. Осуществляется сосредоточенное высокоинтенсивное ударно-волновое и фугасное воздействие, приводящее к разрушению элемента сооружения (фиг. 4).

Здесь описана работа одного устройства. При практической реализации способа может быть использовано любое необходимое количество устройств с различной конфигурацией зарядной камеры. Устройства при этом в зависимости от особенностей обрушаемого сооружения будут располагаться по требуемой схеме и задействоваться либо одновременно, либо в заданной последовательности.

Путем варьирования P_о (за счет простого повышения или понижения начального давления компонентов газовой смеси в зарядной камере 1) могут реализовываться давления при взрыве от единиц до сотен и даже тысяч атмосфер. Температура продуктов взрыва за фронтом детонационной волны в зависимости от используемого горючего газа может достигать 5,3·10^3oC. При этом тепловое расширение газов обеспечивает сильное фугасное действие взрыва.

Пример. Использовали в качестве разрушаемого элемента сооружения бетонную стену толщиной 0,2 м (H=0,2 м).

Исследовали прочностное состояние стены и установили, что ее материал имеет предел прочности на сжатие 300 кгс/см² ( σ_в= 300 кгс/см² )
Задали, что площадь разрушения стены (площадь пролома) должна составлять один квадратный метр (S = 1м²).

Вычислили механическую работу, которую надо совершить над стеной, чтобы произвести требуемое разрушение: A = σ_в·H·S = 6·10⁶ Дж.
Выбрали в качестве горючей газовой смеси стехиометрическую водородо-кислородную смесь (2H₂ + O₂ - гремучий газ). Процентный состав смеси: 66% водорода + 34% кислорода.

Определили по справочнику калорийность гремучего газа: q_c= 13,6·10⁶ Дж/кг.

Вычислили массу гремучего газа, обеспечивающую при взрыве энерговыделение, необходимое для совершения работы по разрушению стены: m_c = A/q_c = 0,44 кг.

Определили по справочнику плотность гремучего газа при атмосферном давлении: ρ_c= 0,55 кг/м³. .

Вычислили необходимый объем гремучего газа при атмосферном давлении: V_c= m_c/ρ_c= 0,8 м³. .

Определили по прочности материала стены необходимое для его разрушения давление в воздействующей детонационной волне: P = σ_в= 300 атм.
По аналитической зависимости параметров детонации газовых смесей от параметров начального состояния [3] построили для гремучего газа график зависимости давления в детонационной волне от начального давления - P(P_о), приведенный на фиг. 5.

По величине требуемого давления в детонационной волне P = 300 атм с использованием построенного графика (фиг. 5) определили необходимое начальное давление смеси P₀ (показано на графике стрелками). Получили P_о ≈ 15 атм.

Вычислили объем, который должна иметь зарядная камера, чтобы содержать требуемое количество гремучего газа под требуемым начальным давлением: V_з = М_с·1/P_о = 0,053 м³.

Изготовили стальную зарядную камеру коробчатой формы, открытую с одной стороны. Внутренние размеры камеры: 400 мм · 400 мм · 330 мм. Внутренний объем - 0,053 м³. Толщина стенки - 35 мм.

Из стального листа толщиной 0,8 мм вырезали диафрагму с размерами 545 мм · 545 мм.

Установили диафрагму на зарядную камеру с открытой стороны и через кольцевую резиновую прокладку герметично соединили с камерой с помощью стального прижимного кольца и 12 болтов М24. Снабдили камеру двумя газовыми вентилями ВК-86 и высоковольтной свечой зажигания А17ДВ.

Установили камеру у стены вплотную к ней на расстоянии 300 мм от основания.

Один из газовых вентилей с помощью дюритового шланга соединили с баллоном со сжатым кислородом.

Осуществили продувку камеры кислородом.

Заполнили камеру кислородом до давления 5 атм. Соединили второй газовый вентиль с помощью дюритового шланга с баллоном со сжатым водородом. Заполнили взрывную камеру водородом до суммарного давления 15 атм (доля водорода в общем давлении -10 атм). Контроль давления в камере осуществляли с помощью газового манометра МВШО-20. В камере образовалась стехиометрическая горючая водородо-кислородная смесь состава 2: 1 (2H₂ + O₂). Отсоединили дюритовые шланги от вентилей.

На свечу зажигания А17ДВ, соединенную радиочастотным кабелем РК75-4-11 с генератором высоковольтных импульсов, подали импульс напряжения 6 кВ. В полости камеры произошел высоковольтный разряд. Возбудилась детонация смеси с давлением во фронте волны 300 атм и температурой около 3200^oC.

Детонационная волна и раскаленные газы прорвали диафрагму и воздействовали на разрушаемую стену, образовав в ней пролом площадью примерно 1м.

При взрыве образовались нетоксичные продукты детонации, состоящие в основном из паров воды H₂O, гидроксильной группы OH, атомарных и молекулярных кислорода и водорода: O, H, O₂, H₂.

При изготовлении зарядной камеры в виде жесткой конструкции из высокопрочной стали она может извлекаться из-под завалов обрушившегося материала и использоваться многократно с заменой одной лишь диафрагмы.

При использовании данного способа приготовление взрывчатого вещества (горючей газовой смеси) производится непосредственно на месте его применения.

Само приготовление смеси, а также доставка и хранение ее компонентов являются сравнительно безопасными процедурами. К тому же сжатые горючие газы, сжатые кислород или воздух имеют относительно невысокую стоимость их производства и содержания. Все это делает данный способ более экономичным и безопасным и открывает дополнительные возможности для более широкого его использования,
По сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения заявляемый объект не требует проведения опасных подготовительных работ, экономичен и экологически безвреден, что делает его более отвечающим условиям высоких технологий.

Литература.

1. Кутузов Б. Н. Взрывные работы. М.: Недра, 1988, с. 341-343.

2. Вайхельт Ф. Руководство по промышленным взрывным работам. М.: Госиздательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1960, с. 291-293 - прототип.

Станюкович К. П. Физика взрыва, изд. 2, М.: Наука, 1975.

Формула изобретения

1. Способ взрывного обрушения сооружений, включающий предварительное определение прочностного состояния элементов сооружения, массы и схемы расположения заряда взрывчатого вещества и последующее разрушающее воздействие на элементы сооружения детонационной волной и расширяющимися продуктами взрыва, образующимися при взрыве заряда взрывчатого вещества, отличающийся тем, что в качестве взрывчатого вещества используют горючую газовую смесь, определяют по прочностному состоянию элементов сооружения необходимое для разрушающего воздействия давление в детонационной волне и устанавливают соответствующее ему начальное давление газовой смеси, величину которого определяют из зависимости параметров детонации смеси от параметров ее начального состояния, используя для этого следующее соотношение:

где Р - давление в детонационной волне;
Р₀ - начальное давление газовой смеси;
ρ₀ - начальная плотность газовой смеси;
D - скорость детонационной волны;
С₀ - скорость звука в газовой смеси в начальном состоянии;
k - отношение теплоемкости газовой смеси при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горючую газовую смесь получают путем смешивания во взрывоспособном соотношении горючего газа и газа-кислителя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что горючую газовую смесь получают на месте ее применения.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что горючую газовую смесь получают при стехиометрическом соотношении горючего газа и газа-окислителя.

5. Устройство для обрушения сооружений, содержащее открытую с одной или нескольких сторон зарядную камеру и инициатор детонации взрывчатого вещества, отличающееся тем, что оно снабжено трубопроводной арматурой подачи в зарядную камеру компонентов горючей газовой смеси и одной или более диафрагмами, сочлененными с зарядной камерой и герметично изолирующими ее внутренний объем от окружающей среды.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что каждая из диафрагм имеет прочность на разрыв много меньше прочности на разрыв зарядной камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6