傾斜磚煙囪定向爆破拆除

王 凱，張智宇，黃永輝

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學爆破新技術應用研究所，云南 昆明 650093；3.昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500)

伴隨著社會經濟的高速發(fā)展，在城市擴建和企業(yè)升級改造中不可避免會遇到高聳建筑物的拆除，如煙囪、水塔等。這種高聳建筑物的結構特點是高度遠大于直徑，當這些建筑物位于人口集中的城市或企業(yè)廠區(qū)內，采用機械方法拆除，容易存在安全隱患。采用爆破方法拆除，在建筑物底部進行鉆孔爆破，可以使建筑物失穩(wěn)倒塌，不僅效率高且可以保證施工安全，在工程實踐中得到了大量應用。

1 工程概況

為防止瑞麗市粵麗輪機磚廠內的45 m廢棄傾斜磚煙囪因長期風化導致垮塌事故發(fā)生，瑞麗市安監(jiān)局決定對這座廢棄煙囪進行爆破拆除，以消除安全隱患。擬拆除的磚煙囪位于云南省德宏州瑞麗市粵麗輪機磚廠廠區(qū)內，煙囪為磚混結構，下部為已廢棄磚窯，自磚窯以上標高45 m，底部周長11.6 m，壁厚63 cm，通過觀察和測量得出煙囪頂部約10 m部分向西北方向傾斜0.5°(圖1)。待拆除煙囪東側41 m為廠區(qū)內職工住房，東偏北方向43 m處有一廠棚，東北方70 m為碎料場，西南方40 m有變壓器，南側20 m為池塘，煙囪周圍環(huán)境詳見圖2。

圖1 煙囪傾斜情況

圖2 待拆煙囪周圍環(huán)境示意圖

2 爆破方案

根據現(xiàn)場踏勘了解的煙囪高度、結構尺寸資料及周圍環(huán)境情況和業(yè)主方對爆破施工的安全要求等，確定采用定向控制爆破技術予以拆除煙囪，即在底部通過相應的爆破技術形成一個切口，使煙囪失穩(wěn)傾斜，當切口閉合時，煙囪重心投影偏出支撐面，從而完成在重力作用下的定向加速傾倒。力求通過精心設計和采取有效的防護措施將爆破振動、塌落振動、爆破飛散物等爆破有害效應控制在合理范圍內。

2.1 倒塌方向及爆破切口確定

本次爆破拆除煙囪采用單切口定向倒塌方式。根據業(yè)主要求必須保留底部磚窯及周圍建筑物的完好，故只能往磚窯原有坍塌缺口及東邊廠區(qū)住房和廠棚之間進行倒塌，最終煙囪頂部落地位置左右偏差不能超0.5 m，倒塌方向如圖2所示。參考類似工程選定本次爆破方案的切口形式為梯形爆破切口[1-2]。

煙囪切口圓心角直接決定切口展開長度，而切口長度決定了傾覆力矩的大小，切口偏長，傾覆力矩偏大，爆破切口形成瞬間形成鉸支的保留壁面易在煙囪上部重量作用下破壞而產生后座，不利于煙囪的平穩(wěn)倒塌，甚至可能導致煙囪傾倒發(fā)生偏斜。參考類似工程取爆破切口圓心角為200°[3-4]，如圖3所示。同時因煙囪本身存在傾斜，且風化嚴重，所以需要開設定位窗來保證傾倒方向，如圖4所示。

圖3 煙囪余留截面及爆破切口

圖4 定位窗

2.2 爆破切口的幾何參數(shù)

因設計倒塌方向與煙囪頂部傾斜方向夾角約為120°，且周圍環(huán)境較復雜，故不能忽略煙囪因傾斜而引起的倒向偏差，必須采取有效措施對煙囪的傾斜偏差加以控制,糾偏角公式見式(1)[5-8]。

α=arcsin(Mesinθ/M1)

(1)

式中：α為糾偏角；Me為煙囪傾斜產生的偏心矩，N·m；M1為爆破切口產生的力矩；θ為傾斜方向與設計倒塌方向夾角。

代入數(shù)值求得糾偏角為14°，即設計切口方向應向東南方向偏轉14°。

煙囪高度為45 m，考慮到傾倒方向有建筑物，且業(yè)主要求煙囪倒塌不能對廠棚和住房造成破壞，倒塌距離必須控制在43 m以內，所以設計切口底部高出鉆孔作業(yè)平臺(即磚窯頂部)1.0 m。爆破切口高度H應使煙囪傾倒至爆破切口閉合時，重心位置偏移到切口標高處筒壁范圍以外，且應防止切口的上下沿閉合相撞時使傾倒方向發(fā)生偏離,采用如下經驗公式確定：H=(1.5～3)δ=(1.5～3)×0.65=(1.0～2.0)m。

實際爆破切口高度取1.2 m，爆破切口定位窗的開口角度取39°。

煙囪切口底部的筒體周長為11.6 m，在爆破切口形成瞬間至煙囪傾倒到地面的這個過程中,煙囪容易產生后座,從而影響傾倒方向。為了使煙囪傾倒時有較大的加速度,以縮短傾倒空中停留時間,設計采用了較大的爆破切口長度，切口圓心角為200°，爆破切口的底端開口長度L=(200°/360°)πD≈6.4 m。

實際爆破切口底端的開口長度取6.4 m，上端開口長度取3.5 m。

2.3 爆破參數(shù)確定

炮孔直徑d：采用風動鑿巖機鉆孔，炮孔直徑取40 mm。

最小抵抗線W：取切口處煙囪壁厚的一半，即W=δ/2=0.32 m。

孔深L：L=(0.65～0.7)δ，取L=0.45 m。

孔間距a：a=(0.8～0.95)L，取a=0.4 m。

孔排距b：b=0.4 m。

藥量：單孔藥量Q1=qabδ，式中q為單位炸藥耗藥量，g/cm3，據類似工程經驗[9-11]，取1.0 kg/m3，計算得到Q1=102.6 g，取100 g，為了確保爆破效果，最下一排炮孔藥量增至150 g。炮孔總數(shù)N=40個?？偹幜縌總=N·Q1=4 500 g。

爆破切口的炮孔參數(shù)設計值見表1。

表1 煙囪炮孔參數(shù)設計值

2.4 起爆網路設計

本次爆破起爆網路采用導爆管雷管簇聯(lián)網路，所有炮孔一次起爆，孔內雷管均為MS1導爆管雷管，孔外接力也均采用MS1導爆管雷管，用電雷管起爆激發(fā)塑料導爆管雷管。起爆網路如圖5所示。

圖5 起爆網路示意圖

3 振動校核與安全措施

3.1 振動校核

根據蘇聯(lián)薩道夫斯基經驗公式(式(2))校核爆破振動[12-13]。

V=K′K(Q1/3/R)α

(2)

式中：R為爆源中心到被保護建筑物距離，m；Q為最大單響藥量，4.5 kg；K′為爆破拆除修正系數(shù)，取K′=0.2；K、α分別為與爆破點地形、地質條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)，分別取150、1.5。

計算距離煙囪爆破切口不同距離處的爆破振動速度，見表2。

表2 爆破振動速度

煙囪倒塌沖擊地面產生的落地振動速度可根據量綱分析方法確定，見式(3)[13]。

Vt=Kt[(M·g·H/σ)1/3/R]β

(3)

式中：Vt為塌落振動速度，cm/s；Kt為衰減系數(shù)，Kt取3.37；σ為地面介質的破壞強度，MPa，一般取σ=10 MPa；β為衰減指數(shù)，β取1.66；R為測點至撞擊中心的距離，m；M為下落煙囪的質量，t；H為煙囪重心高度，m。

待爆破煙囪M=450 t、H=17 m，根據式(3)計算距落地重心不同距離上的振動速度Vt見表3。

表3 塌落振動速度

需保護的廠棚或其他建筑設施均距離預計的煙囪塌落重心25 m以外，塌落振動速度v≤1.4 cm/s，距煙囪30 m以外的爆破振動速度v≤0.38 cm/s，按照GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，周邊需保護建筑最大允許振動速度為1.5～2.0 cm/s，因此塌落振動和爆破振動均不會對附近建筑產生不良影響。

3.2 安全防護措施

預防爆破空氣沖擊波和爆破噪音的措施：①保證填塞長度，提高填塞質量；②在爆炸氣體易于逸散的部位和方向上實施覆蓋或遮擋；③對暴露在外的雷管，用松散的土壤進行掩埋。

預防爆破飛散物的措施：①加強填塞質量，嚴格控制單耗藥量；②在爆破部位懸掛2層鐵絲網作為防護材料。

煙囪落地撞擊地面時會產生比爆破地震波大得多的振動危害效應，并濺起大量飛散物。為防止或避免出現(xiàn)煙囪爆破落地飛散物飛濺傷人傷物的事故，采取了以下技術措施確保安全：①為了控制煙囪倒塌距離，設計開口位置為磚窯頂部以上1 m；②爆前在煙囪倒塌方向鋪墊一層沙土，并用編織袋裝沙土壘筑數(shù)道一定寬度和高度的緩沖堤，為防止煙囪頂部倒塌后前沖破壞廠棚，在預計頂部倒塌處往外一點用廢棄輪胎壘筑一道更高的防護緩沖堤；③爆破的安全半徑以及人員參觀點、起爆站和警戒人員所處的位置，均設在300 m安全距離以外。

4 爆破效果與分析

起爆后煙囪緩慢傾倒，飛散物飛濺距離均在設計安全范圍內。煙囪傾倒方向與設計倒向完全吻合，對近在咫尺的住房及廠棚沒有造成任何影響，如圖6所示。

此次爆破拆除傾斜磚煙囪的成功得益于采取的如下一些措施：①為了控制煙囪倒塌距離，將切口開在磚窯頂部上方1 m位置以上；②為了糾正傾斜煙囪倒塌方向，計算出施工開口角度與設計倒塌方向夾角(即糾偏角)為14°，從而確保煙囪實際倒塌方向不受自身上部10 m傾斜影響，與設計倒塌方向一致。

圖6 爆后效果圖