2座45 m磚煙囪的爆破拆除

何 松，林大能，喻 智，于明亮

(湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 41120)

2座45 m磚煙囪的爆破拆除

何 松，林大能，喻 智，于明亮

(湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 41120)

在復(fù)雜環(huán)境條件下，成功爆破拆除了兩座45 m高的磚煙囪。詳細介紹了爆破缺口的圓心角、弧長、爆破參數(shù)以及安全措施設(shè)計，并對煙囪傾倒過程的時間進行了計算，為磚結(jié)構(gòu)煙囪爆破拆除提供了借鑒。

爆破缺口；磚煙囪；定向爆破

0 前 言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境建設(shè)顯得越來越重要，湖南省湘潭市某集團有限公司積極響應(yīng)國家建立“環(huán)?！?、“文明”現(xiàn)代化城市的號召[1]，將兩座45 m磚結(jié)構(gòu)煙囪進行拆除，為了實現(xiàn)“安全”、“高效”、“快速”、“經(jīng)濟”的拆除，決定采用爆破定向拆除。

兩座煙囪由磚和砂漿砌成，高45 m，1號煙囪底部直徑為12.8 m，壁厚50 cm，東側(cè)缺口外邊緣為煙道口，事先砌筑好。2號煙囪底部直徑為14.5 m，南側(cè)缺口邊緣為煙道口，正好在缺口范圍內(nèi)，北側(cè)為出灰口，在缺口范圍內(nèi)。離地面3 m左右有一道圈梁，缺口布置在圈梁以下，不用對圈梁進行處理，兩側(cè)開設(shè)定向窗。外壁厚度70 cm，內(nèi)襯為75#紅磚和25#石灰水泥混合砂漿砌筑,內(nèi)襯紅磚厚24 cm。外壁和內(nèi)襯之間有10 cm左右縫隙，縫隙中有大量保溫隔熱的充填料，煙囪頂部約3 m處已發(fā)生形變。

拆除1號煙囪東南方向為廠房，最近距離5 m，正北方向為廠區(qū)鐵路，相距約8 m，西南方向約40 m處為2號煙囪以及相距50 m處為廠房，煙道位于正東方向。2號煙囪正南方向為煙道，正西方向30 m處為廠房，東南方向45 m和53 m處分別為廠房，東北方向40 m處為1號煙囪，正北方向為廠區(qū)鐵路?？傊?，環(huán)境較為復(fù)雜。

1 爆破難點

(1) 煙囪所在的廠區(qū)位于人口稠密的市區(qū)，對噪聲、空氣沖擊波、爆破振動和煙囪落地撞擊振動的控制要求等級高，必須嚴(yán)格控制爆破的破碎程度和破壞范圍。

(2) 煙囪四周需要保護的對象多、距離近。廠房內(nèi)都是重要的機器設(shè)備，距離最近的廠房只有5 m，廠區(qū)鐵路距離1號煙囪8 m，要求嚴(yán)格控制爆破飛散物的拋擲距離和塌落堆積的范圍。

(3) 2號煙囪的煙道口位于預(yù)留支撐部分中間位置，必須充分考慮封堵煙道口的新砌體對煙囪倒塌方向的影響，嚴(yán)格控制煙囪的倒塌方向。

因此，該拆除爆破工程周圍環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)含量高，安全要求高，爆破施工工期緊，對組織協(xié)調(diào)要求高。

2 爆破方案設(shè)計

煙囪定向拆除最為關(guān)鍵的是在煙囪倒塌過程中缺口閉合時重心偏移的位移應(yīng)大于缺口處煙囪的外半徑[2]。

2.1 缺口設(shè)計

(1) 缺口的最小圓心角。當(dāng)爆破缺口形成后，預(yù)留支撐體立即發(fā)生形變，由原來的全部受壓變成部分受壓和部分受拉。在重力和受壓區(qū)的反力形成的傾覆力矩作用下，受拉區(qū)逐漸被拉裂，受壓區(qū)的面積減小，則壓應(yīng)力δ迅速增加，進一步達到極限抗壓強度[δ]。因此，預(yù)留支撐體抗壓強度越大，缺口角度就越小。根據(jù)本次拆除煙囪的結(jié)構(gòu)和材料特征，通過相關(guān)理論計算α大于149°，如果利用機械設(shè)備開缺口，這樣就有可能“爆而不倒”，實際工程中最小角度大于180°。

(2) 缺口的最大圓心角。缺口角度過大，預(yù)留支撐體相對于煙囪整體就是一個薄壁體，在傾倒的過程中可能出現(xiàn)“前沖”、“后坐”、“旋轉(zhuǎn)”等現(xiàn)象。

經(jīng)過相關(guān)理論計算處理[3]，α小于245°，實際工程中最大取240°。

實際工程中，1號煙囪的圓心角為225°，2號煙囪的圓心角為219°。

(3) 缺口形狀。缺口形狀設(shè)計是煙囪等高聳構(gòu)筑物爆破拆除的核心技術(shù)，缺口形狀的選擇是否科學(xué)，是決定拆除是否成功的關(guān)鍵。缺口形狀是煙囪失穩(wěn)傾倒的關(guān)鍵因素，我國目前在水塔、煙囪的爆破拆除工程中常用的缺口形狀有：長方形、矩形、梯形、倒梯形、斜形、反斜形、反人字形等形狀。魏德[4]認(rèn)為缺口的形狀應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場情況綜合考慮，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗得出結(jié)論：對于長方形或倒梯形缺口，煙囪倒塌時前沖的距離較大；對于梯形缺口和組合形缺口，煙囪倒塌時后坐的距離較大，根據(jù)現(xiàn)場實際情況和煙囪的結(jié)構(gòu)特征，兩座煙囪均采用長方形缺口。

(4) 缺口的弧長和高度。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，缺口長度L:(1/2)πD≤L≤(2/3)πD，H=(1/6～1/4)D。1號煙囪缺口直徑12.8 m，設(shè)計缺口弧長8 m，缺口高度2.0 m，2號煙囪缺口直徑14.5 m，設(shè)計缺口弧長8.8 m，缺口高度2.0 m，兩煙囪的缺口均位于煙囪的底部。

2.2 煙囪傾倒時間的計算[5]

在倒塌過程中，各個時間點的傾倒角加速度ε和角速度ω是不同的。將傾倒角度分成若干個小區(qū)段，求出每個區(qū)段的時間▽t，然后利用t=∑▽t求出整個傾倒過程的時間。通過理論計算得出：

ε=0.04sinφ，ω=0.08(1-cosφ)

(1)

把dω/ε=dt等式兩邊積分，得：

(2)

通過式(2)進行相關(guān)數(shù)據(jù)的計算處理，其結(jié)果見表1。

表1 煙囪傾倒角度與時間

2.3 預(yù)處理

(1) 后側(cè)煙道口的砌筑，由于1號煙囪的煙道口位于預(yù)留支撐體的范圍內(nèi)。為了確保預(yù)留支撐部分具備相應(yīng)穩(wěn)定的支撐強度，提前用磚和砂漿對煙道口進行砌筑，以預(yù)防煙囪倒塌過程中產(chǎn)生后座或者旋轉(zhuǎn)。內(nèi)襯開切槽處理，兩個切槽分別位于定向窗缺口位置，倒塌中心線處開小窗口，裝藥時分別從缺口和小窗口向剩余內(nèi)襯位置布置1支藥卷，共4支藥卷。

(2) 2號煙囪煙道口和出灰口沿?zé)焽鑳A倒方向基本對稱，對出灰口進行一定的處理，使預(yù)留支撐體的兩邊緣沿?zé)焽璧膬A倒方向?qū)ΨQ。

(3) 鋼制爬梯和避雷針的切割[6]，借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗，用氧氣切割爬梯和避雷針。同時，切割所有與煙囪相關(guān)的設(shè)備，盡量降低相關(guān)設(shè)備裝置對煙囪整體性的影響。

2.4 爆破參數(shù)設(shè)計

(1) 兩座煙囪的炮孔直徑為40 cm，孔距為40 cm，排距為40 cm。1號煙囪孔深為33 cm，最下排單孔裝藥量為180 g，第二排單孔裝藥為150 g，第三排單孔裝藥量為120 g，其余炮孔的單孔裝藥量為100 g。2號煙囪孔深為54 cm，最下面兩排炮孔的單孔裝藥量為200 g，其余炮孔的單孔裝藥量均為150 g，炮孔布置在煙囪爆破部分范圍內(nèi)，沿傾倒方向中心線兩側(cè)均勻?qū)ΨQ布置。

(2) 在試爆的基礎(chǔ)上，用體積法計算出1號煙囪的炸藥單耗q為1.35 kg/m3，2號煙囪的炸藥單耗q為0.75 kg/m3，將煙囪的數(shù)據(jù)進行一定處理后，計算得到的爆破參數(shù)見表2。

表2 煙囪爆破參數(shù)

2.5 起爆網(wǎng)路設(shè)計

由于煙囪周圍環(huán)境復(fù)雜，1號煙囪炮孔內(nèi)全采用單發(fā)Ms1段導(dǎo)爆管雷管起爆，把導(dǎo)爆管抓成3把，每把分別用2發(fā)Ms1導(dǎo)爆管內(nèi)管過橋，6發(fā)過橋雷管上綁扎2發(fā)串聯(lián)電雷管。2號煙囪孔內(nèi)為Ms1導(dǎo)爆管雷管，抓成3把，每把用2發(fā)Ms1導(dǎo)爆管雷管過橋，然后用3發(fā)HS10導(dǎo)爆管雷管綁扎到6發(fā)過橋雷管導(dǎo)爆管上，再在3發(fā)HS10導(dǎo)爆管雷管上綁扎2發(fā)串聯(lián)電雷管，然后與第一個煙囪的電雷管用雙股起爆線串聯(lián)，再聯(lián)入主線。

2.6 安全措施設(shè)計

拆除爆破中由于小孔單孔藥量小、炮孔多、裝藥分散的特點，爆破產(chǎn)生的沖擊波，爆破振動及噪音3種效應(yīng)基本不會對周圍的基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生影響。安全防護的重點在于煙囪倒塌落地撞擊產(chǎn)生的地震波、飛濺物和爆破飛石。

(1) 觸地震動效應(yīng)。觸地產(chǎn)生的沖擊振動效應(yīng)按中國科學(xué)院周家漢提出的觸地振動計算公式[7]，計算得出煙囪倒塌觸地振速V=0.95 cm/s，根據(jù)國家爆破安全規(guī)程塌落振動的要求標(biāo)準(zhǔn)，符合一般民用建筑物、工業(yè)和商業(yè)建筑物的上限允許振動速度標(biāo)準(zhǔn)。落地振速基本上不會對周圍的建筑物及重要設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生不利影響。

(2) 爆破飛石。在無防護的情況下，根據(jù)類似爆破工程提供的經(jīng)驗公式計算得Lf=82 m。根據(jù)計算結(jié)果，本次爆破采取主動防護措施，用大量樹枝打成捆，將打成捆的樹枝用12#鐵絲固定在爆破部位，用尼龍布覆蓋在樹枝上，然后用鋼絲網(wǎng)外罩扎緊。

(3) 飛濺物的防護。煙囪倒塌觸地的動能非常大，有利于解體的同時也容易產(chǎn)生飛濺物，為了預(yù)防飛濺物，在煙囪傾倒方向一定長度和寬度范圍內(nèi)清理干凈容易產(chǎn)生飛濺的物體。

3 爆破效果及經(jīng)驗

(1) 起爆后，煙囪按預(yù)期設(shè)定的時間、方向順利倒塌，無后坐現(xiàn)象,飛濺物和爆破飛石都控制在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，倒塌后煙囪解體充分，本次拆除成功完成。

(2) 在復(fù)雜環(huán)境下，兩座煙囪在實施拆除的過程中，落地震動沒有對周圍的建筑物及重要的設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生不良影響，完全按照設(shè)定方向傾倒，各種不利因素都控制在規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

(3) 1號煙囪由于煙道新砌磚強度等影響，向煙道側(cè)偏離了約5°，但未影響周圍建筑物安全。今后遇到煙道在缺口邊緣的情況，建議根據(jù)倒塌側(cè)場地情況，考慮煙道口對倒塌方向的影響。如缺口邊緣與新砌筑煙道封堵墻很近時，新砌筑的煙道封堵墻寬度的一半或1/3，應(yīng)該視同為切口長度來確定倒塌方向。

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[2]李守巨，劉玉晶.爆破拆除磚煙囪爆破切口范圍的計算[J].工程爆破，1999，5(2):1-4.

[3]宋常燕，等.非常規(guī)和常規(guī)切口角爆破拆除磚煙囪的實驗分析[M]//鄭炳旭.中國爆破新技術(shù)Ⅲ.北京：冶金工業(yè)出版社，2012:652-658.

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

[5]沈朝虎，杜云鶴.鋼筋混凝土煙囪折疊爆破時間間隔確定[A]//鄭炳旭.中國爆破新技術(shù)Ⅲ.北京：冶金工業(yè)出版社，2012:666-669.

[6]李玉岐，謝 康，焦永斌，等.磚煙囪爆破切形狀對切角和切口高度的影響分析[J].爆破，2004，21(1):47-50.

[7]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.(收稿日期：2016-10-13)

何 松(1992-)，男，四川巴中人，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：1757698509@qq.com。