120m超高塔架式鋼結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除

孫 飛， 龍 源， 紀(jì) 沖， 譚 靈， 高福銀， 余家楊

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

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120m超高塔架式鋼結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除

孫 飛， 龍 源， 紀(jì) 沖， 譚 靈， 高福銀， 余家楊

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

摘要：介紹了一座120m高鋼結(jié)構(gòu)煙囪的定向爆破拆除工程。通過對煙囪自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及周圍環(huán)境的分析，合理的選擇爆破切口、爆破參數(shù)、延時起爆網(wǎng)路及安全防護(hù)等技術(shù)措施。為了確保起爆后煙囪沿設(shè)計(jì)方向順利倒塌，預(yù)先對爆破部位鋼板進(jìn)行機(jī)械切割預(yù)處理，并針對各爆破部位鋼板形狀設(shè)計(jì)出相配合尺寸的聚能切割器。爆破拆除的鋼結(jié)構(gòu)煙囪倒塌在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，四周建(構(gòu))筑物和設(shè)施完好無損。該煙囪的爆破拆除在安全和質(zhì)量上都達(dá)到了預(yù)期效果，可為類似爆破工程提供經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)煙囪； 聚能切割器； 預(yù)處理； 爆破拆除； 定向爆破

1引 言

從軋制鋼材作為建筑材料以來，鋼結(jié)構(gòu)即成為一種應(yīng)用極為廣泛的結(jié)構(gòu)，特別是在鋼鐵工業(yè)建設(shè)中更為突出。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，其具有強(qiáng)度高、抗震性能好、自重輕、施工速度快、地基費(fèi)用省、占用面積小、工業(yè)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代建筑中得到廣泛應(yīng)用〔1〕。我國在上世紀(jì)20年代便開始應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，目前，許多大型的重工業(yè)廠區(qū)和基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)建設(shè)諸如煙囪、廠房、大型體育場、電視塔等，均采用鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)而成。對于使用壽命到期或因區(qū)域規(guī)劃需拆除的大型或高聳鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，爆破法已成為最有效、最快捷的拆除方法〔2〕。

待爆鋼結(jié)構(gòu)煙囪(高120m)位于上海市寶鋼股份有限公司三號燒結(jié)廠區(qū)內(nèi)。由于近年來，三燒結(jié)機(jī)日益老化，并難以適應(yīng)環(huán)境經(jīng)營要求，需將其拆除。因工期緊，安全要求嚴(yán)，機(jī)械拆除難度大，決定采用爆破拆除，這是迄今國內(nèi)采用定向控制爆破技術(shù)拆除最高的一座鋼結(jié)構(gòu)煙囪。

2工程概況

2.1周圍環(huán)境

煙囪東北側(cè)距離工業(yè)管道80m，距離建(構(gòu))筑物(空壓機(jī)房、鍋爐房)82m；西北側(cè)距離架空煤氣管道19m，距離廠區(qū)建(構(gòu))筑物59m；西南側(cè)為拆除空地；東南側(cè)距離電纜隧道124m。周邊環(huán)境如圖1所示。重點(diǎn)保護(hù)對象為距離爆破目標(biāo)最近的架空煤氣管道。

圖1　周邊環(huán)境示意圖Fig.1　Scheme of surroundings

2.2煙囪結(jié)構(gòu)

煙囪由筒身和塔架組成，重心高度約54m。筒身鋼材料為Q235B，共由19節(jié)鋼管通過加強(qiáng)螺栓連接而成，總高度為120m，總重約700t。煙囪筒身外半徑、厚度等尺寸見表1。

表1　鋼結(jié)構(gòu)煙囪筒身尺寸

塔架鋼材料為Q345B，高度為108m，其主構(gòu)件為4根外半徑400mm、厚度為16mm的鋼管立柱，鋼管立柱之間由鋼連桿加強(qiáng)固定連接。鋼結(jié)構(gòu)煙囪的立體圖、平面圖如圖2所示。

圖2　鋼結(jié)構(gòu)煙囪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Sketch of steel chimney

3爆破方案與參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1煙囪倒塌方式及切口位置確定

根據(jù)煙囪的周邊環(huán)境情況，結(jié)合其自身的結(jié)構(gòu)特征及各部位尺寸，決定選擇定向控制爆破拆除方案，倒塌方向?yàn)槟掀珫|43o(圖2箭頭方向)。煙囪筒身的切口位置布置在距地面4m處。

3.2爆破切口設(shè)計(jì)

根據(jù)煙囪自身結(jié)構(gòu)的情況，并參照傳統(tǒng)鋼筋混凝土煙囪爆破拆除的工程實(shí)例，決定采用正梯形的爆破切口形式。切口對應(yīng)的圓心角選取240o, 切口破壞高度為2m。經(jīng)計(jì)算，理論切口圓心角所對應(yīng)的弧長為14.65m，保留區(qū)的弧長為7.34m。切口處考慮到施工方便，調(diào)整后的參數(shù)如圖3所示。

圖3　爆破切口展開Fig.3　Unfolded map of blasting cut

3.3炸藥的選擇

考慮到鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度大、韌性好等特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外幾例鋼結(jié)構(gòu)的爆破拆除工程可知，線型聚能切割器是針對鋼結(jié)構(gòu)爆破拆除首選的基本器材〔1〕。

聚能切割器基本原理：當(dāng)炸藥爆炸后，爆轟產(chǎn)物沿著聚能罩內(nèi)表面垂直的方向飛出，聚集在軸線上，匯聚成一束高速、高壓、高能量密度的薄兒片狀射流，對爆破目標(biāo)進(jìn)行切割〔3〕。

常用于控制爆破拆除的聚能切割器為直線型聚能切割器，其使用方法通常是根據(jù)爆破部位的形狀進(jìn)行人工彎折或拼接成型來完成爆破任務(wù)。為了達(dá)到更好的爆破效果，本次使用的聚能切割器分為直線型和弧線型，弧線型聚能切割器是先根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，列出所需聚能切割器的具體要求(包括炸高、尺寸、弧度、長度等具體參數(shù)，詳見表2)，然后再定制加工而成。其優(yōu)點(diǎn)是施工方便，保證爆破效果?；【€型聚能切割器見圖4。

另外，為了增大聚能切割器的起爆可靠度，用導(dǎo)爆索將相鄰的聚能切割器相互纏繞連接。

表2　爆破部位和藥量分布

注：(1)所需聚能切割器的切割厚度為20mm，線裝藥密度350g/m，共需炸藥16.24kg；(2)煙囪筒身處所需的弧線型聚能切割器尺寸規(guī)格：弧長半徑為3.5m、弧長為1.6m，共需14條；(3)塔架的4根鋼管支柱所需的弧線型聚能切割器尺寸規(guī)格：弧長半徑為0.4m、弧長為1m，共需16條；(4)塔架的4根鋼管支柱所需的聚能切割器為直線型：長度為1m，共需8條。

圖4　弧線型聚能切割器尺寸Fig.4　Size of the curve-shaped charge cutters

3.4預(yù)處理

為減少裝藥量和增加煙囪倒塌的可靠性，需使用氣割槍對鋼結(jié)構(gòu)煙囪筒身和塔架進(jìn)行預(yù)切割。

3.4.1筒身的預(yù)處理

(1)用氣割槍在爆破切口處開設(shè)2個定位窗、2個輔助窗和1個定向窗。各窗相對位置、具體尺寸見圖3。

(2)為了防止起爆后切口下沿頂住上沿對煙囪倒塌造成不利影響，用氣割槍沿定向窗下沿中部至筒身底部割出一條垂直于地面的縫，如圖3①所示。

(3)考慮到煙囪筒身16mm厚的Q235B型鋼材有很高的抗拉強(qiáng)度，決定在筒身切口保留部分的正后方裝藥，在切口處起爆后爆出一道3m長的縫。為了方便在此處固定裝藥，使用氣割槍在圖3②處割出3個20cm×20cm的方形孔。

(4)為了固定好聚能切割器，保證聚能切割器能發(fā)揮最佳效果，使用氣割槍在聚能切割器安裝固定部位燒數(shù)個小孔，用來穿鐵絲固定聚能切割器。筒身聚能切割器安裝位置見圖3。

3.4.2塔架的預(yù)處理

(1)為確保煙囪倒塌過程中塔架底部支柱不受連桿的牽制等影響，在爆破前使用氣割槍將塔架底部連接支柱的連桿割斷。

(2)對支柱的預(yù)處理：使用氣割槍在距地面2m以上處開矩形孔和割縫(圖5)，其中對支柱1、2割縫的縱向長度應(yīng)大于上下兩條聚能切割器裝藥之間的距離；其中支柱1、2與支柱3、4的預(yù)處理及固定聚能切割器的方式分別相同。

(3)在安裝聚能切割器固定部位燒數(shù)個小孔(具體位置在圖5中用*表示)，用來穿鐵絲固定聚能切割器。各支柱處聚能切割器固定位置見圖5。

3.5爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)

由于煙囪位于廠區(qū)內(nèi)，周圍環(huán)境復(fù)雜，為避免雜散電流、感應(yīng)電流等對爆破網(wǎng)路的影響，只能使用安全可靠的非電起爆網(wǎng)路。由于鋼結(jié)構(gòu)煙囪的爆破拆除可供借鑒的工程實(shí)例有限，本文參照傳統(tǒng)的鋼筋混凝土煙囪的起爆網(wǎng)路布置情況，并結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)煙囪的筒身和塔架各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終確定采用分MS2、HS5兩段延時起爆：其中筒身爆破切口處與支柱1、2采用MS2段毫秒延時雷管；筒身保留部分和支柱3、4采用HS5段半秒延時雷管。

圖5　塔架支柱藥條分布Fig.5　Distribution of the shaped charge cutters of the pillars of tower

4爆破安全與防護(hù)措施

由于鋼煙囪塔架不是中心對稱建造的，故倒塌過程中可能會與計(jì)劃倒塌方向產(chǎn)生幾度的偏移量，而鋼煙囪倒塌方向上為拆除區(qū)域，經(jīng)測量，倒塌方向在煙囪左右兩側(cè)28°以內(nèi)均安全。故可不考慮鋼煙囪的重心對倒塌方向的影響。

4.1爆破振動校核

國內(nèi)外大量觀測結(jié)果表明：反應(yīng)爆破振動的物理量與炸藥量與爆源距離、巖土性質(zhì)及場地條件等因素有密切關(guān)系，但具體表達(dá)式各國有所不同。我國實(shí)施的《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)采用的是薩道夫斯基公式〔4〕：

v=KK′(Q1/3/R)α

(1)

式中：v為允許質(zhì)點(diǎn)爆破振動速度，cm/s；K′為城市控制爆破的修正系數(shù)，K′=0.25～1.00，當(dāng)距爆源中心近時，取大值，反之取小值，本工程中結(jié)合周圍環(huán)境及現(xiàn)場工況取K′=0.30；K、α為地質(zhì)、地層系數(shù)，分別取K=150、α=1.5；Q為最大單段藥量，此次爆破最大的單段藥量為MS2段爆區(qū)，共計(jì)13.72kg；R為距爆源中心的距離，取爆點(diǎn)與架空煤氣管道的距離，R=19m。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式可得v=2.01cm/s。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)可知〔4〕，爆破振動速度在安全范圍內(nèi)，由此可見爆破振動是安全的。

4.2塌落振動校核

建筑物的塌落振動速度比爆破地震波引起的質(zhì)點(diǎn)振動速度大些。查閱《爆破安全規(guī)程實(shí)施手冊》可知〔5〕，塌落振動速度目前尚無統(tǒng)一計(jì)算公式，通常采用的是無量綱相似參數(shù)分析方法，集中質(zhì)量(沖擊或塌落)作用于地面造成的塌落振動速度vt如下：

vt=Kt[(MgH/σ)1/3/R1]β

(2)

式中：vt為爆破目標(biāo)塌落觸地振動速度，cm/s；Kt為衰減系數(shù)，一般取3.37；σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，MPa，由于倒塌區(qū)域之前為廠房建筑區(qū)，地面幾乎全部水泥硬化，并且還殘留有很多鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)構(gòu)筑物，故此處取σ=100MPa；β為衰減系數(shù)，β =1.66；R1為觀測點(diǎn)至撞擊中心的距離，m；M為爆破目標(biāo)倒塌部分的質(zhì)量，M=700t；H為爆破對象重心高度，H=54m。經(jīng)計(jì)算，塌落所引起的各保護(hù)目標(biāo)處振動速度如表3所示。

表3　爆破振動驗(yàn)算數(shù)據(jù)

根據(jù)上表中計(jì)算出的振動速度，參照《爆破安全規(guī)程實(shí)施手冊》〔5〕，可知振動速度完全滿足設(shè)計(jì)要求。本次爆破采用分區(qū)分段解體，并且筒身、塔架之間存在相互牽連作用，筒身四周被塔架包裹，倒塌時塔架先觸地，對后期落地的筒身起緩沖作用。因此，塌落觸地沖擊的振動影響將更小。

4.3安全防護(hù)措施

(1)直接防護(hù)：筒身和塔架的直接防護(hù)，由于聚能切割器的聚能效應(yīng)〔6-7〕，能產(chǎn)生一束速度、壓力和能量密度都很高的金屬射流和反方向飛行的杵桿，為了防止這類飛行的金屬體對設(shè)備和人員造成危害，使用厚10mm的軟膠皮裹在爆破部位對其進(jìn)行近體防護(hù)，如圖6所示。

圖6　直接防護(hù)Fig.6　Direct protection

(2)間接防護(hù)：指對架空煤氣管道的防護(hù)。在架空煤氣管道側(cè)面按照要求和規(guī)范搭設(shè)鋼管腳手架并外掛雙層竹笆。而工業(yè)管道、建(構(gòu))筑物和電纜隧道距離爆破目標(biāo)比較遠(yuǎn)，故無需對其進(jìn)行安全防護(hù)。

5爆破效果與結(jié)論

5.1爆破效果

起爆后，煙囪筒身和塔架開始一起向預(yù)期的倒塌方向傾倒。當(dāng)傾倒約2°～3°時，HS5段被引爆，約4s后筒身開始下坐，并與塔架一起沿倒塌方向繼續(xù)傾倒；約5s后筒身下坐完畢，同時，塔架倒塌方向一側(cè)觸地，形成新的鉸支點(diǎn)，隨后與筒身一起傾倒；約12s后，煙囪倒塌完畢。圖7為煙囪的實(shí)際爆破效果圖，從圖中可以看出，煙囪倒塌觸地的方向準(zhǔn)確，爆破振動、飛濺物、塌落振動均控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，周圍建構(gòu)筑物和設(shè)備也完好無損。

圖7　爆破效果Fig.7　Blasting effect

5.2結(jié) 論

(1)在爆破拆除鋼結(jié)構(gòu)建(構(gòu))筑物時，與普通外部裝藥爆破相比，選用線型聚能切割器具有節(jié)省炸藥、切割快速、方便和降低成本等優(yōu)點(diǎn)。

(2)由于組成材料的不同，鋼結(jié)構(gòu)煙囪起爆后的破壞響應(yīng)時間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土煙囪的破壞響應(yīng)時間。

(3)該鋼結(jié)構(gòu)煙囪為塔架式煙囪，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的成功爆破是繼2007年一座80m高鋼結(jié)構(gòu)煙囪爆破后的又一次突破，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

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Demolition of a 120m-high tower steel chimney by directional blasting

SUN Fei， LONG Yuan， JI Chong， TAN Ling， GAO Fu-yin， YU Jia-yang

(College of Field Engineering, University of Science and Technology of PLA, Nanjing 210007, China)

ABSTRACT：A directional blasting engineering was introduced to demolish a 120m-high tower steel chimney. Based on the analysis of chimney′s structural characteristics and surrounding environment, blasting cuts, blasting parameters, delayed detonating network and safeguarding were selected rationally. In order to ensure the chimney collapse exactly towards the designed direction, blasting steel parts by mechanical cutting pretreatment were advanced, and the shaped charge cutter matched with the shape of blasting steel parts was designed. The steel chimney collapsed within the scope of design with surrounding buildings(structures) and equipments remaining intact. The desired effect of the blasting was achieved in terms of safety as well as quality, and it could be a reference for similar blasting engineerings.

KEY WORDS：Steel chimney; Shaped charge cutter; Pretreatment; Blasting demolition; Directional blasting

文章編號：1006-7051(2016)02-0065-05

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：孫 飛(1989-)，男，碩士，主要從事爆炸與毀傷作用機(jī)理研究及其應(yīng)用。E-mail：1326662880@qq.com

中圖分類號：TD235; TU746.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.014