100 m高鋼筋混凝土煙囪定向爆破拆除

于明亮，林大能，喻 智，何 松

(湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南湘潭市 411201)

100 m高鋼筋混凝土煙囪定向爆破拆除

于明亮，林大能，喻 智，何 松

(湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南湘潭市 411201)

介紹了應(yīng)用定向倒塌爆破技術(shù)拆除1座100 m高鋼筋混凝土煙囪的實(shí)例。按照煙囪的實(shí)際結(jié)構(gòu)和受力情況，重點(diǎn)分析了高聳煙囪拆除爆破的缺口形狀、缺口參數(shù)、卸荷槽、爆破參數(shù)、定向窗開(kāi)設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)。采取了有效的安全防護(hù)措施，基于安全考慮，對(duì)煙囪的穩(wěn)定性和爆破危害效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算研究。

煙囪；定向爆破；矩形缺口；爆破參數(shù)

1 工程概況

待拆廢棄煙囪位于湘潭電化集團(tuán)晨峰物流建設(shè)場(chǎng)地，煙囪為鋼筋混凝土筒式結(jié)構(gòu)，煙囪總高度為100 m，煙囪筒身采用200＃砼整體滑模澆筑，內(nèi)襯為75＃紅磚和25＃石灰水泥混合砂漿砌筑，筒壁內(nèi)有50 mm厚的空氣隔熱層。豎向主鋼筋為Ф20 mm、Ф18 mm、Ф16 mm；環(huán)向鋼筋為Ф18 mm、Ф16 mm、Ф14 mm、Ф12 mm。鋼筋保護(hù)層為30 mm，間距均為200 mm。實(shí)測(cè)爆破缺口部位煙囪周長(zhǎng)25.3 m，混凝土壁厚為40 cm，內(nèi)襯紅磚厚24 cm。煙囪周?chē)h(huán)境簡(jiǎn)單，倒塌范圍內(nèi)，除正東方向有民居及地下線纜需要保護(hù)外，其它建(構(gòu))筑物已經(jīng)拆除，場(chǎng)地較開(kāi)闊，擬倒塌的東南方向300 m范圍內(nèi)沒(méi)有保護(hù)對(duì)象。

2 爆破技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 爆破方案

待拆煙囪四周環(huán)境條件較好，有多個(gè)方向可供倒塌?？紤]到為今后苛刻條件下高煙囪爆破積累經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)顧及地下線纜的分布情況，采用“向東南方向單向定向倒塌”方案。

2.2 缺口設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)在控爆拆除煙囪、水塔時(shí)常用的缺口形式有長(zhǎng)方形、梯形、倒梯形、斜形、反斜形和反人字形等6種，其中梯形和長(zhǎng)方形應(yīng)用較多，效果較好[1]。王斌[2]通過(guò)對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)爆破工程實(shí)踐，認(rèn)為在常用的正梯形、倒梯形、矩形爆破切口形狀中，以正梯形受力效果最好。魏德[3]認(rèn)為切口的形狀應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況綜合考慮，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出結(jié)論：對(duì)于長(zhǎng)方形或倒梯形切口，煙囪倒塌時(shí)前沖的距離較大；對(duì)于梯形切口和組合形切口，煙囪倒塌時(shí)后坐的距離較大。

根據(jù)待拆煙囪所處地理位置，預(yù)倒塌方向環(huán)境條件好，在東南方向有一出灰口，正東方向有一煙道口，綜合考慮倒塌方向、既有煙道形狀和施工情況，選取長(zhǎng)方形爆破缺口。

缺口圓心角直接決定缺口的展開(kāi)長(zhǎng)度，而缺口長(zhǎng)度決定了傾覆力矩的大小。缺口偏長(zhǎng)，傾覆力矩偏大，支鉸易于破壞，不利于煙囪的平穩(wěn)倒塌。通常情況下，可以通過(guò)重力引起的截面彎矩(MP)與預(yù)留支撐截面極限抗彎力矩(MR)的關(guān)系來(lái)確定爆破缺口的長(zhǎng)度，其中MP應(yīng)等于或稍大于MR。參照類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)缺口圓心角為228°，缺口長(zhǎng)度為16 m，如圖1所示。

考慮到在爆破過(guò)程中，爆破切口處豎向鋼筋有較大的支撐力，對(duì)煙囪的順利傾倒不利。為防止炸而不倒的情況，切口高度應(yīng)滿足使鋼筋穩(wěn)定性破壞的條件[4]：

式中，H為爆破切口高度，mm；d為鋼筋直徑，mm；[λ]為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的長(zhǎng)細(xì)比，一般取[λ]＝150；μ為軸心壓桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，剛度固定時(shí)μ＝0.5；計(jì)算結(jié)果為H≥1.5 m。綜合考慮計(jì)算結(jié)果及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，為保證煙囪的順利倒塌，取缺口高度H＝2.7 m。

2.3 預(yù)處理

根據(jù)安全性原則和方向準(zhǔn)確性原則，劉強(qiáng)[5]總結(jié)出開(kāi)設(shè)定向窗、開(kāi)設(shè)掏槽窗、內(nèi)襯預(yù)處理、部分內(nèi)部鋼筋預(yù)處理等預(yù)處理方法。此拆除爆破方案中，預(yù)處理方法如下。

圖1 爆破切口水平截面

(1)鋼筋混凝土高聳建(構(gòu))筑物，由于筒壁較薄，倒塌時(shí)后坐現(xiàn)象嚴(yán)重，開(kāi)設(shè)定向窗既能保證準(zhǔn)確的倒塌方向，又能驗(yàn)證藥量是否合適以及降低一次起爆的藥量。一般窗口高度取(0.8～1)H，寬度一般取1.5 m左右[1]?；诩扔谐龌铱诤蜔煹揽?，設(shè)置2個(gè)定向窗，選取高度為2.7 m，寬度為1 m，并利用風(fēng)鎬和人工手段確保定向窗處于同一高度。

(2)為減少支撐區(qū)內(nèi)部鋼筋對(duì)煙囪產(chǎn)生不利的支撐力和拉力，在反方向傾倒中心線的兩側(cè)各2 m開(kāi)槽并割斷外層鋼筋。在對(duì)稱于倒塌中心線的左右兩側(cè)外壁提前割傷鋼筋，形成卸荷槽。

(3)切斷煙囪鋼制爬梯和避雷針，拆除煙囪的煙道分割墻和橫梁，確保爆破切口內(nèi)部無(wú)妨礙物，減少外設(shè)裝置對(duì)煙囪整體性的影響，盡量保證煙囪在倒塌方向的質(zhì)量對(duì)稱和結(jié)構(gòu)對(duì)稱。

(4)為拆除爆破切口部位處內(nèi)襯，在爆破切口部位內(nèi)襯處除導(dǎo)向窗外另開(kāi)設(shè)4個(gè)長(zhǎng)1 m，寬為1.5 m左右的拱形洞，從拱形洞向煙囪內(nèi)部空氣隔熱層設(shè)置PVC管裝炸藥，利用炮泥充分封閉。

2.4 煙囪穩(wěn)定性分析

高聳建(構(gòu))筑物預(yù)處理后到爆破前的穩(wěn)定性分析主要考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是無(wú)風(fēng)載時(shí)，定向窗、卸荷槽開(kāi)設(shè)后剩余的支撐體截面是否有足以支撐筒體的承壓能力；二是在任意風(fēng)載作用下，風(fēng)載作用對(duì)切口截面產(chǎn)生的彎矩是否會(huì)大于截面極限抗彎能力進(jìn)而導(dǎo)致煙囪提前傾覆。

2.4.1 無(wú)風(fēng)載情況的計(jì)算

預(yù)處理后剩余壁體的支撐面積

式中，R為爆破缺口的平均外半徑，m；r為爆破缺口的平均內(nèi)半徑，為確保煙囪安全取磚墻內(nèi)半徑，為3.31 m；∑αi為預(yù)切的定向窗、卸荷槽圓弧所對(duì)的圓心角的和，為確保煙囪安全穩(wěn)定取為定向窗、卸荷槽、內(nèi)襯拱形洞長(zhǎng)度總和對(duì)應(yīng)圓心角進(jìn)行計(jì)算。

由荷載引起的壓應(yīng)力

式中，P為重力，由煙囪高度及相關(guān)資料查詢得自重約為2.0×106kg。

經(jīng)計(jì)算得：由載荷引起的壓應(yīng)力為2.24 MPa，而混凝土的抗壓強(qiáng)度為σc＝51 MPa，比較可知預(yù)處理后高聳物不會(huì)由于自身荷載作用使混凝土材料壓碎、失穩(wěn)。

2.4.2 有風(fēng)載情況的計(jì)算

風(fēng)力施加于筒壁上的反彎矩[6]

式中，v0為空氣容重，取1.25 kg·m-3；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；vf為風(fēng)速，經(jīng)查詢湘潭地區(qū)最大風(fēng)速約為為平均外半徑，m；H為高度，m。

自身重力形成的重力矩

式中，P為重力，kg；R為底部外半徑，m。

計(jì)算得：MF＝7.14×105kg·m，Mg＝8.0×107kg·m，Mg＞MF?？梢?jiàn)，有風(fēng)載時(shí)彎矩值仍遠(yuǎn)小于重力彎矩，故施工期間煙囪筒體能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.5 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

最小抵抗線W＝0.5δ；炮眼深度LP＝2/3δ；炮孔間距a＝1.5W；炮孔排距b＝a；裝藥排數(shù)n＝H/b＋1；單孔裝藥量Q0用體積公式計(jì)算，單耗在試爆窗口的基礎(chǔ)上確定為2 kg/m3。設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)見(jiàn)表1，炮孔布置如圖2所示。

表1 煙囪爆破參數(shù)

2.6 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

本次拆除爆破采用1、3、5、7段的毫秒延期雷管，每孔1發(fā)，按照關(guān)于中心線對(duì)稱向兩側(cè)起爆的順序設(shè)置；為保證傳爆效果，約40根導(dǎo)爆管采用2發(fā)1段毫秒延期雷管過(guò)橋，過(guò)橋處額外添加約10 g炸藥；本方案總共使用20發(fā)1段毫秒延期雷管過(guò)橋，

過(guò)橋雷管使用8發(fā)電雷管引爆，其中每4發(fā)電雷管串聯(lián)成一組，兩組并聯(lián)，充分保證可靠起爆。

圖2 炮孔布置展開(kāi)圖

3 安全防護(hù)

爆破安全設(shè)計(jì)中，由于小孔內(nèi)部裝藥爆破結(jié)構(gòu)物時(shí)單孔藥量小、炮孔多、裝藥分散的特點(diǎn)，爆破振動(dòng)、爆破產(chǎn)生的沖擊波和爆破噪聲基本不會(huì)對(duì)周?chē)脑O(shè)施產(chǎn)生影響[7]。安全防護(hù)的重點(diǎn)在于煙囪觸地產(chǎn)生的觸地振動(dòng)、爆破飛石和爆破飛濺物。

3.1 塌落振動(dòng)效應(yīng)

爆破地震效應(yīng)，拆除爆破高聳建(構(gòu))筑物時(shí)由于塌落產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)效應(yīng)效果更為顯著。因此須高度重視沖擊振動(dòng)效應(yīng)對(duì)周?chē)ㄖ锏奈：Α２捎弥袊?guó)科學(xué)院力學(xué)研究所提出的觸地振速計(jì)算公式[7]：

式中，I為沖量：I＝Mv，N·S；v為理論上建(構(gòu))筑物塌落觸地時(shí)的速度，m·s-1，由能量守恒定律可得v＝(2gH)1/2；H為爆破前后重心的下降高度，由煙囪資料得爆破前煙囪重心高度約為40 m；M為待爆建(構(gòu))筑物的質(zhì)量，kg；R為爆破體重心距保護(hù)對(duì)象的距離，m。

經(jīng)計(jì)算，煙囪整體倒塌時(shí)，不同點(diǎn)到爆源中心距離與相對(duì)應(yīng)的地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度如圖3所示。

雖然煙囪質(zhì)量大，重心高，觸地動(dòng)能大，但煙囪上部筒體大部分落于廢棄的建筑垃圾上，建筑垃圾可有效減弱振動(dòng)強(qiáng)度，觸地點(diǎn)遠(yuǎn)離居民區(qū)，觸地振動(dòng)基本不會(huì)對(duì)周?chē)O(shè)施產(chǎn)生影響。

3.2 飛石防護(hù)

現(xiàn)有工程背景下，爆破安全警戒范圍的劃定及防護(hù)等級(jí)的確定主要依據(jù)爆破飛石的飛散距離。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)拆除爆破飛石飛散距離的成熟計(jì)算公式，通過(guò)計(jì)算分析幾十例拆除爆破工程的飛石數(shù)據(jù)，大連理工大學(xué)的李守臣得到無(wú)覆蓋條件下爆破飛石飛散距離(Lf)與單位用藥用量(K)之間的關(guān)系

式中，Lf為無(wú)覆蓋條件下拆除爆破飛石的飛散距離，m；K為拆除爆破工程中單位用藥量，kg·m-3。本次爆破實(shí)際單位用藥量為2.0 kg。

計(jì)算得Lf＝101 m。計(jì)算結(jié)果表明，必須采取措施控制爆破飛石。為保護(hù)爆體東側(cè)民居，本次拆除爆破中，對(duì)煙囪進(jìn)行近體防護(hù)，利用濕麻袋充分包裹爆破缺口，套上鐵絲網(wǎng)，固定濕麻袋，在外側(cè)覆蓋竹笆等防護(hù)材料。此外，鋼筋混凝土煙囪倒塌時(shí)落地動(dòng)能較大，筒體落地后一方面易于解體，另一方面容易濺起飛石。為減少飛濺物對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，工作人員充分清理了倒塌方向上的地面，清除了易于飛濺的小型渣體等。

圖3 振速隨爆源距變化曲線圖

4 爆破效果

在實(shí)施該煙囪爆破拆除的過(guò)程中，煙囪按照預(yù)定的東南方向傾倒，拆除爆破觸地振動(dòng)沒(méi)有對(duì)周?chē)O(shè)施產(chǎn)生影響，經(jīng)業(yè)主全面檢查，拆除爆破飛濺物和飛石均控制在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明本次爆破設(shè)計(jì)合理，拆除爆破獲得圓滿成功。

[1] 邵 鵬，東兆星.控制爆破技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004：69-70.

[2] 王 斌.高聳建筑物爆破拆除中失穩(wěn)斷裂因素的研究.[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2003.

[3] 魏 德，李玉岐.切口形狀對(duì)煙囪拆除爆破倒塌過(guò)程的影響分析[J].爆破，2008，25(4)：92-95.

[4] 傅菊根，姜建農(nóng)，張宇本.高聳建筑物爆破拆除切口高度理論計(jì)算[J].工程爆破，2006，12(2)：56-58.

[5] 劉 強(qiáng)，高振儒.煙囪定向爆破的預(yù)處理方法[J].爆破，2001，18(3)：47-49.

[6] 王希之，謝興博，譚雪剛，等.210 m高煙囪爆破拆除技術(shù)[J].工程爆破，2011，17(2)：53-55.

[7] 施富強(qiáng)，柴 儉.狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)120 m鋼筋混凝土煙囪控制爆破拆除[J].工程爆破，2004，10(2)：28-29.

表8 超挖情況統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)影響爆破效果的主要因素進(jìn)行層次分析，得出一套評(píng)價(jià)選擇方案時(shí)的決策方法，其優(yōu)點(diǎn)主要有以下3點(diǎn)：

(1)分析方法具有系統(tǒng)性。層次分析法把研究對(duì)象作為一個(gè)系統(tǒng)，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進(jìn)行決策，成為繼機(jī)理分析、統(tǒng)計(jì)分析之后發(fā)展起來(lái)的系統(tǒng)分析的重要工具。不割斷各個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響，且每一層的權(quán)重設(shè)置最后都會(huì)直接或間接影響到結(jié)果，而且在每個(gè)層次中的每個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響程度都是量化的，非常清晰、明確。

(2)決策方法簡(jiǎn)潔實(shí)用。這種方法既不單純追求高深數(shù)學(xué)，又不片面地注重行為、邏輯、推理，而是把定性方法與定量方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使復(fù)雜的系統(tǒng)分解，能將人們的思維過(guò)程數(shù)學(xué)化、系統(tǒng)化，便于人們接受，且能把多目標(biāo)、多準(zhǔn)則又難以全部量化處理的決策問(wèn)題化為多層次單目標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)兩兩比較確定同一層次元素相對(duì)上一層次元素的數(shù)量關(guān)系后，最后進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，所得到結(jié)果簡(jiǎn)單明確，容易為決策者了解和掌握。

(3)所需定量數(shù)據(jù)信息較少。層次分析法主要是從評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)問(wèn)題的本質(zhì)、要素的理解出發(fā)，比一般的定量方法更講求定性分析和判斷，不需要大量精確的調(diào)查計(jì)算，從而減少操作的復(fù)雜程度。

但這種方法在隧道爆破實(shí)踐應(yīng)用中有以下兩方面的缺點(diǎn)。

(1)因素影響程度的判別主觀性較強(qiáng)。由于在對(duì)不同因素影響程度輕重的比較和判別上會(huì)存在一定的主觀偏差，對(duì)不同因素的側(cè)重不同，得到的結(jié)果往往會(huì)有很大的差別，不同的爆破工程實(shí)際中的這些因素影響程度也會(huì)有所不同，而不是千篇一律的。因此，這種方法雖然進(jìn)行了一定的量化比較，但主觀性、經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，且對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生主要影響。

(2)影響因素的全面性有所欠缺。該方法在考慮影響隧道爆破效果的因素時(shí)缺乏全面性，容易忽略其他對(duì)爆破效果有著重要影響的因素，導(dǎo)致最后分析得出的結(jié)果不具備科學(xué)性。但這種缺點(diǎn)可以避免，該方法可以根據(jù)不同的工程實(shí)際進(jìn)行因素拓展，采取同樣的定性與定量比較之間的轉(zhuǎn)換，最終得出的結(jié)果仍可作為評(píng)價(jià)方案的參考標(biāo)準(zhǔn)，前提是，在進(jìn)行層次分析前針對(duì)具體的工程進(jìn)行全面的分析，并篩選出對(duì)爆破效果有重要影響的因素。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙 靜.數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2] 許名標(biāo)，彭德紅，陳寶心.層次分析法在爆破方案優(yōu)化選擇中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2004(4).

(收稿日期：2016-09-27)

作者簡(jiǎn)介：鄧杰文(1995-)，男，主要從事彈藥工程與爆炸方面的研究，Email：1585017644＠qq.com。

2016-08-23)

于明亮(1994-)，男，甘肅武威人，碩士研究生，主要從事爆破爆破理論及技術(shù)方面的研究，Email：1064602920＠qq.com。