Znajomość zagrożeń powodowanych oddziaływaniem robót wyburzeniowych pozwala na wybór i zastosowanie odpowiednich zabezpieczeń, a także na wybór metod pomiarowych.
Rewitalizacja terenów przemysłowych niejednokrotnie wymaga wyburzenia obiektów o zróżnicowanych konstrukcjach. Często najtańszym i najszybszym rozwiązaniem jest zastosowanie do likwidacji obiektu budowlanego materiału wybuchowego (MW).
W przypadku robót wyburzeniowych prowadzonych z użyciem MW mogą wystąpić zagrożenia wywołane: rozrzutem odłamków materiału konstrukcyjnego obiektu budowlanego, oddziaływaniem powietrznej fali uderzeniowej (PFU) oraz oddziaływaniem drgań wzbudzanych detonacją MW Dodatkowo, w związku z upadkiem dużej masy na podłoże, należy się liczyć z wzbudzeniem powietrznej fali uderzeniowej i drgań parasejsmicznych o stosunkowo wysokiej intensywności. Zagrożenie rozrzutem odłamków materiału konstrukcyjnego obiektu budowlanego może zostać ograniczone przez wykonanie odpowiednich osłon miejsc, w których założone zostały ładunki MW. Koniecznym zabezpieczeniem dla ludzi jest wyznaczenie strefy zagrożenia i usunięcie osób poza jej obręb. Zasięg oddziaływania rozrzutu odłamków jest trudny do określenia, dlatego też szczególnie na czynnych terenach przemysłowych należy zwrócić uwagę na informowanie załogi o prowadzonych robotach i zagrożeniach.
Oddziaływanie PFU może być wzbudzone zarówno detonacją MW, jak i gwałtownie rosnącym ciśnieniem zagęszczanych warstw powietrza w czasie upadku obiektu budowlanego. Intensywność działania PFU jest silnie uzależniona od sposobu wykonywania robót strzałowych i charakterystyki zastosowanych środków strzałowych. Strefa zagrożenia od PFU nie wykracza poza bezpośrednie otoczenie robót, dlatego też dla osób, odsuniętych poza strefę rozrzutu, nie stanowi ona większego zagrożenia. Największy zasięg oddziaływania mają drgania parasejsmiczne, które mogą być wzbudzone detonacją MW lub upadkiem obiektu (dużej masy) na podłoże. Drgania te propagowane są przez podłoże, dlatego trudno ograniczyć ich zasięg. Jedynym rozwiązaniem jest zredukowanie wpływu źródła drgań, czyli masy detonowanego MW, albo energii uderzenia upadającego obiektu przez budowę wałów lub poduszek amortyzujących upadek, rowów przecinających ciągłość ośrodka, w którym propagowane są drgania. Wybór sposobu i technologii wyburzania w większości przypadków jest uzależniony od konstrukcji likwidowanego obiektu oraz zagrożeń, jakie może spowodować proces wyburzania. Zagadnienia te zostały opisane w artykule „Zagrożenia dla obiektów budowlanych zlokalizowanych w sąsiedztwie robót wyburzeniowych” w „IB” nr 2/2016. Niniejszy artykuł przybliża problematykę wyboru metod pomiaru i dokumentowania oddziaływań w zależności od technologii wyburzania.
Rys. 1 Sejsmogram drgań zarejestrowanych w podłożu i na fundamencie budynku mieszkalnego w czasie wyburzania fundamentów w hali sprężarek
Zagrożenia przy wyburzaniu obiektów prostych
Wyburzanie obiektów prostych, do których zaliczyć można: fundamenty maszyn i urządzeń, płyty i przyczółki mostowe, fundamenty słupów nośnych hal, fundamenty domów i budowli, jest związane z użyciem materiału wybuchowego w elementach zagłębionych w podłożu [1], [2]. Praktycznie wszystkie te elementy konstrukcyjne mają bezpośredni kontakt z podłożem, przez co oddziaływanie detonacji MW przenosi się bezpośrednio do otaczającego ośrodka. W tym przypadku energia detonującego MW w większości wykonuje pracę kruszenia tworzywa żelbetowego, a pozostała jej część przenosi się do podłoża w postaci drgań parasejsmicznych. Drgania te propagowane są w ośrodku sprężystym i ich zasięg oddziaływania jest uzależniony przede wszystkim od rodzaju podłoża, masy i rodzaju zastosowanego MW, sposobu inicjowania i konstrukcji ładunków. Przy odpalaniu ładunków MW zagłębionych w tworzywie i podłożu można wyeliminować oddziaływanie PFU oraz częściowo ograniczyć rozrzut, przykrywając miejsca rozmieszczenia ładunków MW
Na rys. 1 przedstawiono sejsmogramy drgań wzbudzonych odpalaniem ładunków MW przy wyburzaniu fundamentów likwidowanej hali sprężarek. Do wyburzania zastosowano ładunki saletrolu odpalane zapalnikami półsekundowymi. Pomiary drgań wykonano w podłożu i na fundamencie budynku mieszkalnego oddalonego o ok. 150 m od miejsca robót.
Rys. 2 Porównanie histogramów drgań podłoża i fundamentu budynku
Analiza częstotliwościowa wskazuje jednoznacznie, że zarejestrowane drgania wzbudzone były detonacją MW i że były propagowane przez podłoże od miejsca wykonywania robót do budynku mieszkalnego. Niskie częstotliwości drgań w podłożu, od 6 do 12 Hz, spowodowały brak tłumienia drgań przy ich przejściu z podłoża do budynku. Tylko w przypadku składowej poziomej x wystąpiło prawie 50-pro- centowe tłumienie (rys. 2).
Analiza tercjowa zarejestrowanych drgań podłoża budynku wskazała jako dominującą częstotliwość 7,94 Hz. Przedstawiony na rys. 3 zapis drgań właśnie dla tej częstotliwości potwierdza, że drgania wzbudzone poszczególnymi ładunkami MW wyraźnie się rozdzieliły – każdy ładunek wzbudzał impuls, ale po czasie odpowiednim dla kolejnych opóźnień.
Odpalanie półsekundowe w większości przypadków rozdziela sygnał sejsmiczny od kolejnych ładunków MW, Widoczna na rys. 3 różna intensywność drgań jest spowodowana zmianą warunków pracy kolejnych ładunków MW i tworzeniem się dodatkowych powierzchni odsłonięcia. Należy na to zjawisko zwracać uwagę szczególnie w przypadku odpalania ładunków na pewnej wysokości nad podłożem, gdyż może to być przyczyną zwiększonego rozrzutu odłamków.
Rys. 3 Zapis drgań podłoża o częstotliwości 7,94 Hz
Zagrożenia przy wyburzaniu obiektów wysokich
Wysokie obiekty budowlane w większości przypadków charakteryzują się zdecydowaną przewagą wymiaru pionowego w porównaniu z wymiarami poziomymi. Można przyjąć, że sposób wyburzania takich obiektów wiąże się najczęściej z obalaniem na podłoże bryły o dużej masie przez zastosowanie podcięcia, w dolnej części obiektu, włomem wykonywanym z zastosowaniem MW
Do wykonania włomu używa się stosunkowo niewielkiej masy MW w postaci ładunków umieszczonych w otworach nad powierzchnią terenu. Ładunki detonowane są milisekundowo, co dodatkowo obniża efekt sejsmiczny wzbudzany użyciem MW [3]. Najczęściej główne oddziaływanie to drgania wzbudzone upadkiem dużej masy na podłoże.
Jak wynika z rys. 4, zarówno drgania podłoża, jak i powietrzna fala uderzeniowa, wzbudzone detonacją MW, nie mają większego znaczenia jako czynnik oddziaływania na otoczenie. Są to wartości śladowe w porównaniu z oddziaływaniem upadku komina na podłoże.
Przeprowadzona analiza tercjowa drgań i ciśnienia powietrznej fali uderzeniowej wykazała, że drgania podłoża charakteryzują się dominującą częstotliwością 6,61 Hz, a w zapisie PFU dominuje częstotliwość 3,98 Hz. Wysokie częstotliwości związane z detonacją MW nie znajdują swojego odbicia w strukturze zarówno drgań, jak i PFU. Oznacza to, że dokumentując oddziaływanie robót wyburzeniowych kominów żelbetowych, należy zwrócić uwagę przede wszystkim na fazę upadku bryły o dużej masie na podłoże. W takich przypadkach wszelkie prognozy, które są oparte na masie użytego MW, nie powinny być prowadzone [3].
Rys. 4 Zapis drgań i nadciśnienia wzbudzonych w czasie wyburzania komina żelbetowego
Do wysokich obiektów budowlanych zalicza się również wieże szybowe. Wyburzanie (obalanie) tych konstrukcji polega na podcięciu elementów stalowych ładunkami kumulacyjnymi, umieszczanymi na pewnej wysokości nad powierzchnią terenu. W przypadku detonacji ładunków MW kumulacyjnych należy się liczyć z silnym oddziaływaniem PFU (rys. 5). Przeprowadzona analiza tercjowa drgań i ciśnienia PFU zmierzonych na posesji obiektu chronionego wykazała, że drgania fundamentu budynku mieszkalnego charakteryzują się dominującą częstotliwością 5,01 Hz, a w zapisie PFU dominuje częstotliwość 39,81 Hz. Wynika stąd, że drgania podłoża zostały wzbudzone przez upadek wieży szybowej na podłoże, natomiast mikrofon do pomiaru ciśnienia PFU zmierzył silne oddziaływanie detonacji MW w otoczeniu w postaci nadciśnienia, które wykracza również poza zakres częstotliwości charakterystycznych dla infradźwięków. W tym przypadku oddziaływanie można przypisać fali dźwiękowej (huk spowodowany detonacją MW nad powierzchnią terenu).
Identyfikacja oddziaływania, nie tylko w sensie wielkości mierzonego parametru, jest bardzo istotna, szczególnie gdy na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy dokonać oceny wpływu robót na otoczenie.
Bezkrytyczne przyjęcie informacji wynikającej z pomiarów może prowadzić do mylnej oceny oddziaływania w kontekście normy. Przykładem mogących wystąpić zdarzeń jest wyburzanie konstrukcji stalowych lub żelbetowych z zastosowaniem ładunków MW kumulacyjnych. Detonowanie takich ładunków na otwartej przestrzeni (nawet osłoniętych) wzbudza w otoczeniu bardzo silną impulsową falę dźwiękową i powietrzną falę uderzeniową. W przeciwieństwie do wyburzania kominów żelbetowych najsilniejsze oddziaływanie w takich przypadkach rejestruje się w momencie detonowania ładunków MW. Upadek masy może być istotny, jednak często staje się oddziaływaniem drugoplanowym. Na rys. 6 przedstawiono zapisy drgań i nadciśnienia zarejestrowane w czasie wyburzania zbiorników żelbetowych położonych na pewnej wysokości na podporach (słupach żelbetowych). Wyburzenie przeprowadzono przez ścięcie słupów ładunkami MW kumulacyjnymi, co powodowało przewrócenie konstrukcji i upadek zbiorników na podłoże. Analizując rys. 6, można zauważyć, że na sejsmogramie drgań fundamentu zaznaczają się wyraźnie dwie fazy. Faza I o wysokich częstotliwościach związana z detonacją MW oraz faza II o niskich częstotliwościach wzbudzona upadkiem konstrukcji na podłoże. Dla wyjaśnienia mechanizmu powstania zapisu w fazie I przeprowadzono analizę tercjową struktury sejsmogramu. Porównano strukturę drgań dla pełnego zapisu ze strukturą dla fazy I i II. Z porównania wynikał wyraźny rozdział częstotliwości dla poszczególnych faz. Czy wysokie częstotliwości zarejestrowane w czasie detonacji MW były propagowane podłożem, czy też miernik drgań zareagował na ciśnienie przenoszone przez powietrze?
Rys. 5 Zapis drgań i ciśnienia wzbudzonych w czasie wyburzania wieży szybowej o konstrukcji stalowej
Badania przeprowadzone w Stacji Badawczej AGH w Regulicach wykazały jednoznacznie, że istnieje możliwość, iż nadciśnienie powietrza może oddziaływać na miernik drgań, powodując zakłócenie sygnału i utworzenie pseudosygnału sejsmicznego [5], [6].
W ramach badań dokonano odpalenia ładunku MW (500 g) na powierzchni, a pomiary drgań wykonano dwoma miernikami jednocześnie zamocowanymi na tej samej ścianie budynku laboratorium – jeden miernik zamocowano na zewnątrz budynku, a drugi wewnątrz na tej samej wysokości. W zakresie częstotliwości niższych struktura drgań się pokrywała, a miernik zamocowany na zewnątrz zarejestrował dodatkowo pseudo- sygnał o wysokiej częstotliwości, który nie miał nic wspólnego z oddziaływaniem drgań na ścianę budynku. Zapis w postaci drgań o wysokiej częstotliwości nie dotyczy drgań propagowanych od źródła do fundamentu przez podłoże gruntowe – był efektem oddziaływania nadciśnienia na sam miernik.
Wnioski są bardzo ważne w przypadku dokonywania oceny oddziaływania robót wyburzeniowych na obiekty budowlane w otoczeniu. Zakwalifikowanie do analizy całego zapisu dokonanego przez miernik drgań zainstalowany na fundamencie obiektu chronionego jako drgań propagowanych przez podłoże skutkuje zastosowaniem do oceny normy PN-B-02170:1985 [4], która jak już wspomniano wcześniej, dotyczy właśnie tego typu oddziaływania. Ocenę oddziaływania dla takiego przypadku przedstawiono na rys. 7a (dla metody pośredniej). Wynika z niego, że drgania należy zakwalifikować do III strefy oddziaływania.
Jeżeli się weźmie pod uwagę, że drgania propagowane przez podłoże, a więc podlegające ocenie za pomocą skal SWD, dotyczą tylko fazy II, to ocena będzie zdecydowanie inna – drgania należy zakwalifikować do strefy I (rys. 7b).
Rys. 6 Zapis drgań i ciśnienia PFU wzbudzonych w czasie wyburzania zbiornika żelbetowego
Zagrożenia przy wyburzaniu konstrukcji stalowych
Podobne oddziaływania występują w czasie likwidacji obiektów budowlanych o konstrukcji stalowej. Cięcie metalowych elementów konstrukcyjnych, najczęściej wysoko nad powierzchnią terenu za pomocą ładunków kumulacyjnych, wzbudza intensywne oddziaływanie nadciśnienia. Na rys. 8 przedstawiono zapis drgań i nadciśnienia, wzbudzonych w czasie likwidacji koparki wielonaczyniowej o konstrukcji stalowej. Analizując sejsmogram (rys. 8), wyraźnie widać oddziaływanie nadciśnienia na miernik drgań w I fazie zapisu. Upadek konstrukcji wzbudził drgania w podłożu dopiero po upływie prawie 4 sekund. W strukturze drgań można zaobserwować dwie wyraźne fazy: struktura drgań propagowanych podłożem oraz oddziaływania nadciśnienia przenoszonego powietrzem na miernik drgań.
Rys. 7 Ocena oddziaływania drgań na podstawie pełnego zapisu miernika
Podsumowanie
Zarówno rodzaj wyburzanego obiektu, jak i wybrana technologia jego wyburzania mają istotny wpływ na mogące wystąpić zagrożenia. Użycie materiału wybuchowego w procesie wyburzania może powodować istotnie różniące się oddziaływania, dlatego ważny jest również sposób wykonywania pomiarów w celu udokumentowania wpływu robót na otoczenie.
W przypadku wyburzania obiektów prostych, zagłębionych w podłożu, szczególną uwagę należy zwrócić na drgania propagowane przez podłoże. Ograniczenie oddziaływania można osiągnąć przez dobór masy ładunków MW, ich konstrukcji w otworze i sposobu odpalania (opóźnienia). Jeżeli można skutecznie przykryć (osłonić) miejsce założenia ładunków, to praktycznie wystarczający jest pomiar intensywności drgań, a ocena oddziaływania może przebiegać z zastosowaniem norm dotyczących drgań propagowanych przez podłoże (np. [4]). Wyburzanie obiektów wysokich jest związane w większości przypadków z użyciem niewielkich ładunków MW, a podstawowe zagrożenie dla otoczenia to drgania wzbudzane upadkiem dużej masy na podłoże. Ponieważ ładunki MW odpalane są nad powierzchnią terenu, wpływ ich masy jest śladowy.
Rys. 8 Zapis drgań i nadciśnienia wzbudzonych w czasie likwidacji koparki wielonaczyniowej z zastosowaniem MW
Ewentualnym zagrożeniem może być rozrzut odłamków tworzywa wyburzanego obiektu, fala akustyczna i powietrzna fala uderzeniowa. Wyeliminowanie tych zagrożeń wymaga tylko odpowiedniego starannego przykrycia miejsca założenia ładunków. Osobnym zagadnieniem są drgania wzbudzane upadkiem dużej masy na podłoże. W tym przypadku konieczne są pomiary intensywności drgań, a ocena ich wpływu na obiekty w otoczeniu powinna przebiegać zgodnie z normą [4] przy założeniu, że roboty wyburzeniowe należy kwalifikować do zdarzeń jednorazowych. Zmniejszenie oddziaływania upadku masy na podłoże można ograniczać przez budowę w miejscu spodziewanego uderzenia wałów ziemnych lub usypanie gruzu. Szczególną uwagę należy zwrócić na ten problem przy wyburzaniu kominów żelbetowych i innych konstrukcji, których upadek następuje z dużej wysokości.
Bardzo ważnym problemem w czasie wyburzania obiektów wysokich, w tym również konstrukcji żelbetowych lub stalowych, z zastosowaniem ładunków kumulacyjnych jest identyfikacja zagrożeń i zawsze należy podejmować próby ich rozdzielenia. Istotnym zagrożeniem w tego typu pracach jest sama detonacja materiału wybuchowego zawartego w specjalnie przygotowanych ładunkach. Detonacja ta powoduje powstanie silnej powietrznej fali uderzeniowej i fali akustycznej. Fale (nadciśnienie) propagowane powietrzem mogą wzbudzać w mierniku drgań zapis, niemający niczego wspólnego z propagacją drgań w podłożu. Pozornie mogą to być stosunkowo wysokie wartości prędkości, które w żadnym przypadku nie mogą stanowić materiału do oceny oddziaływania drgań. Ocena oddziaływania tego typu robót powinna przebiegać na podstawie rejestracji nadciśnienia za pomocą mikrofonów przystosowanych do tego celu. W czasie wyburzenia należy rejestrować intensywność oddziaływania obydwu zjawisk – drgania i nadciśnienie – co jest pomocne w przypadku konieczności rozdzielenia rejestrowanych sygnałów.
dr inż. Józef Pyra
dr inż. Anna Sołtys
dr inż. Jan Winzer
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
Literatura
1. J. Lewicki, Problematyka ochrony otoczenia przed skutkami strzelań wyburzeniowych, „Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie”, nr 9-I/2007, WUG, Katowice.
2. J. Lewicki, Prognozowanie wielkości zagrożeń powstałych przy prowadzeniu robót strzałowych w budownictwie, „Górnictwo i Geoinżynieria” r. 28, z. 3/1, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków 2004.
3. E. Maciąg, J. Lewicki, J. Winzer, Wyburzanie żelbetowych kominów elektrowni „Konin” i oddziaływanie upadku ich masy na sąsiednie obiekty, „Czasopismo Techniczne, Budownictwo”, z. 3-B/2010, zeszyt 11.
4. PN-B-02170:1985 Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki.
5. A. Sołtys, J. Pyra, J. Winzer, Ocena oddziaływania robót wyburzeniowych na obiekty w otoczeniu,konferencja „Technika strzelnicza w górnictwie i budownictwie”, Ustroń 2015.
6. J. Pyra, A. Sołtys, J. Winzer, Uwagi o ocenie oddziaływania powietrznej fali uderzeniowej na otoczenie przy robotach z użyciem MW, „Przegląd Górniczy” nr 11-12/2009.
