210 m煙筒同向折疊爆破降振效果分析*

于淑寶,汪旭光

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.唐山金宇爆破工程有限公司，唐山 063020)

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，爆破理論的發(fā)展卻仍嚴(yán)重滯后于爆破技術(shù)的要求，這是由于爆破過程的瞬時(shí)性、動(dòng)態(tài)性，以及爆破對象材料結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性、不確定性等，使得爆破理論的發(fā)展非常困難，這種困境在工程爆破領(lǐng)域可能還會是長期存在的問題。近年來隨著拆除爆破技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，復(fù)雜環(huán)境下200 m以上超高煙筒折疊爆破拆除在國內(nèi)已有幾個(gè)成功案例。但是，超高煙筒均采取反向折疊設(shè)計(jì)，上下切口延時(shí)間隔選擇眾說紛紜，偶爾也有由于切口延時(shí)不當(dāng)或切口形成后的煙筒后坐力等原因致使工程失敗案例。而同向折疊爆破和在煙筒100 m以上高度設(shè)置切口的工程暫無先例。隨著環(huán)保政策迫使電廠改造深入的進(jìn)行，復(fù)雜環(huán)境下超高煙筒同向折疊爆破將成為近幾年亟待解決的工程問題。

爆破地震效應(yīng)是超高煙筒爆破拆除時(shí)需要考慮的重要問題。拆除爆破過程中產(chǎn)生地震的原因有兩種，一是被拆除建(構(gòu))筑物中炸藥藥包爆炸所產(chǎn)生的地震，二是建(構(gòu))筑物塌落解體時(shí)對地面沖擊造成的地震。而后者則是超高煙筒爆破拆除過程中產(chǎn)生地震的主要震源。為此，監(jiān)測并研究超高煙筒爆破拆除過程中的地震數(shù)據(jù)具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 工程概況及周邊環(huán)境

1.1 工程概況

唐山市西郊熱電廠于2014年停產(chǎn)，需拆除廠區(qū)內(nèi)1995年建成的高210 m的鋼筋混凝土煙筒,此煙筒隸屬于唐山賽德熱電有限公司。筒壁混凝土標(biāo)號為C30，雙層布筋，環(huán)筋凈保護(hù)層30 mm，內(nèi)外豎向鋼筋位于內(nèi)外環(huán)向鋼筋之間；內(nèi)襯采用水玻璃耐酸陶?；炷疗鰤K；隔熱層采用塑料薄膜包裝巖棉板。煙筒筒壁的厚度由下向上逐漸減小，最大60 cm，最小25 cm，煙筒頂部筒壁外半徑3.35 m，筒壁厚度25 cm；底部筒壁外半徑9.45 m，筒壁厚度60 cm。煙道位于+5.90 m處，南北方向各一個(gè)?；叶菲脚_位于+5.90 m處，底部東西方向有高2.40 m×寬1.80 m的出灰口門洞,平臺上部兩個(gè)煙道口之間有一道東西方向高4 m的隔墻。煙筒+110 m處和+160 m處及+210 m處均設(shè)有檢修平臺。具體測量參數(shù)見表1。

表1 不同標(biāo)高煙筒筒壁半徑(單位：m)Table 1 Radius of chimney walls with different hights(unit:m)

1.2 周邊環(huán)境

需要爆破拆除的煙筒位于唐山市西郊熱電廠區(qū)內(nèi)，煙筒北側(cè)約120 m處是2層和3層的兩棟辦公樓；東北角約180 m處是停車庫；東側(cè)20 m是儲料倉，約287 m是廠區(qū)外的居民樓小區(qū)；南側(cè)8 m處是熱電廠二期脫硫廠房；西側(cè)80 m處是待拆除的車間廠房。整體的爆破作業(yè)環(huán)境較好，具有一定的封閉性，有利于安全警戒，但對于煙筒倒塌的空間有限[1]。見圖1。

2 爆破方案選擇

根據(jù)對煙筒結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的仔細(xì)勘查和分析，煙筒東北側(cè)方向場地比較寬闊，倒塌空間有效長度約150 m，所以煙筒采用雙切口同向折疊爆破拆除技術(shù)。煙筒下部向正北方向倒塌，煙筒上部向北偏東16°方向倒塌。下切口設(shè)在煙筒+0.30 m處，下切口在煙筒內(nèi)側(cè)鉆孔，以有利于減少爆破飛石的安全影響，同時(shí)，降低上切口爆破時(shí)對下切口的爆破網(wǎng)路的安全影響，以免發(fā)生拒爆；上切口設(shè)在煙筒+110 m處，以利用煙筒自身的檢修平臺作為上切口的施工平臺[2]。

2.1 爆破切口形式及切口形成的實(shí)現(xiàn)

建筑物爆破拆除時(shí)，通常采用的爆破切口形式主要有兩種，三角形切口和梯形切口，如圖2所示。

三角形和梯形爆破切口是爆破設(shè)計(jì)時(shí)所采取的主要切口形式，三角形爆破切口主要適用于高寬比較大的建筑結(jié)構(gòu)體系，如圖2中(a)。當(dāng)下部三角形切口形成后，隨著結(jié)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)切口上沿完全接觸地面時(shí)，結(jié)構(gòu)重心偏轉(zhuǎn)出了切口外沿，且具備了較大的偏轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的順利倒塌[3]。

梯形爆破切口適用于高寬比較小的建筑結(jié)構(gòu)體系，由于結(jié)構(gòu)的寬度較大，結(jié)構(gòu)上沿切口觸地時(shí)，結(jié)構(gòu)重心往往不能夠完全移到切口外，難以形成有效的傾覆力矩。采用梯形切口時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部部分支撐立柱被破壞，使得結(jié)構(gòu)對上部結(jié)構(gòu)的支撐作用較小，結(jié)構(gòu)發(fā)生觸地后，形成多個(gè)點(diǎn)接觸[4]，不能抵抗結(jié)構(gòu)巨大的沖擊作用，結(jié)構(gòu)下部沿壓碎邊偏轉(zhuǎn)，梯形切口有利于結(jié)構(gòu)的順利倒塌。

2.2 爆破切口設(shè)計(jì)

2.2.1 下切口爆破設(shè)計(jì)

下切口設(shè)在煙筒+0.30 m處，此處煙筒筒壁厚度δ=60 cm，筒壁外半徑r=9.426 m，東西方向上有高2.40 m×寬1.80 m的出灰口門洞。

下切口圓心角：φ=220°

下切口高度：h≥(3.0～5.0)δ,取h=3 m

預(yù)留做支撐體的筒身長度為23 m。

選取下切口圓心角符合黃金分割理論。

在設(shè)計(jì)傾倒中心線兩側(cè)，對稱布置定向窗，定向窗可利用煙筒底部的出灰口門洞加工而成，定向窗范圍內(nèi)的鋼筋全部剔除，支撐部分筒壁的外側(cè)鋼筋也需割斷，以充分減小煙筒傾倒時(shí)的阻力。見圖3。

2.2.2 上切口爆破設(shè)計(jì)

上切口設(shè)在煙筒的+110 m處的檢修平臺處，此處煙筒筒壁厚度δ=36 cm，筒壁外半徑r=4.45 m。

上切口圓心角：φ=220°

上切口高度：h≥(3.0～5.0)δ,取h=1.5 m

預(yù)留做支撐體的筒身長度為11 m。

在設(shè)計(jì)傾倒中心線兩側(cè)，對稱布置定向窗，定向窗范圍內(nèi)的鋼筋全部剔除[6]。

選取下切口圓心角符合黃金分割理論。見圖4。

2.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)

(1)炸藥：選用乳化炸藥，規(guī)格：直徑φ32 mm、長度300 mm、重量300 g/卷。

(2)雷管：毫秒塑料導(dǎo)爆管雷管、半秒級塑料導(dǎo)爆管雷管。

(3)下部選取手持鉆進(jìn)行鉆孔，鉆頭直徑38 mm；上部采用水鉆進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑φ=40 mm。

2.3.2 下切口爆破參數(shù)

孔徑：d=40 mm；

最小抵抗線：W=30 mm；

孔深：l=45 cm；

間距：a=0.45 m；

孔距：b=0.4 m；

單耗：q=2.8 kg/m3；

單孔裝藥量：Q單=qabδ=300 g；

總孔數(shù)：64孔/排×8排=512孔；

總裝藥量：512×0.3 kg=153.6 kg。

裝藥結(jié)構(gòu)：連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。見圖5。

2.3.3 上切口爆破參數(shù)

孔徑：d=40 mm；

最小抵抗線：W=18 mm；

孔深：l=25 cm；

間距：a=0.4 m；

孔距：b=0.35 m；

單耗：q=3 kg/m3；

單孔裝藥量：Q單=qabδ=150 g；

總孔數(shù)：35孔/排×4排=140孔；

總裝藥量：140×0.15 kg=21 kg；

裝藥結(jié)構(gòu)：連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。見圖6。

2.4 利用應(yīng)力分析和數(shù)值模擬確定上下段同向折疊的合理間隔時(shí)間

2.4.1 不同時(shí)間上下段煙筒切口部位應(yīng)力變化曲線

根據(jù)混凝土單元的應(yīng)力變化曲線，上下切口延時(shí)間隔3 s情況產(chǎn)生的應(yīng)力峰值最大，其他兩種情況差別不大，三者都是先增大后減小再增大的一個(gè)變化過程，從而看出三者都經(jīng)歷了一個(gè)應(yīng)力震蕩過程，說明上部切口在閉合過程中經(jīng)歷反彈現(xiàn)象的發(fā)生。從圖7、圖8中可以看出，由于上下延時(shí)間隔的不同，上部混凝土單元的應(yīng)力變化過程截然不同，延時(shí)間隔2 s的情況下只受到壓應(yīng)力的作用，延時(shí)間隔3 s的情況下受到壓、拉的作用，延時(shí)間隔5 s的情況下基本在拉應(yīng)力的作用下，說明上部切口的在閉合的時(shí)間長短，同時(shí)也說明了切口閉合后上部段的下落情況?？梢钥闯鲅訒r(shí)間隔3 s的情況下，上部切口閉合時(shí)間最早，同時(shí)閉合后快速下落，混凝土單元應(yīng)力在4.5 s左右為零，說明此時(shí)混凝土單元已經(jīng)刪除，切口閉合，上部滑落，這有利于整個(gè)煙筒的傾倒，保證安全[6,7]。

2.4.2 模擬不同時(shí)間的狀態(tài)圖

模擬見圖9。

2.4.3 不同延時(shí)間隔倒塌過程對比分析

圖9給出了上下切口不同延時(shí)間隔情況下的倒塌形態(tài)，在圖9中，上下切口延時(shí)間隔為3 s可以看出，在上段筒體發(fā)生下坐之后，同時(shí)發(fā)生傾覆角度，下段的倒塌速度較大，從而帶動(dòng)上部向前傾倒，同時(shí)下坐量大。圖9中在8 s之前的倒塌形態(tài)三種延時(shí)間隔差別較小，上下切口延時(shí)間隔2 s情況下，在10 s之后上部的倒塌速度大于下部倒塌速度，從而上部的倒塌出現(xiàn)豎直狀態(tài)，產(chǎn)生一種危險(xiǎn)的情況，并出現(xiàn)向后反轉(zhuǎn)的態(tài)勢。圖9中上下切口延時(shí)間隔5 s情況下，在14 s后下部的速度倒塌過快，上部的倒塌形態(tài)出現(xiàn)短暫豎直狀態(tài)，并慢慢向前傾倒，這種情況也處于較危險(xiǎn)。因此上下切口延時(shí)間隔3 s較為合理。

2.5 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)

爆破網(wǎng)路采用塑料導(dǎo)爆管雷管的起爆網(wǎng)路，為了確保網(wǎng)路準(zhǔn)爆性，每炮孔內(nèi)裝2枚雷管，上切口裝入MS-1段毫秒塑料導(dǎo)爆管雷管，下切口裝入HS-6段半秒塑料導(dǎo)爆管雷管。爆破網(wǎng)路采取“簇聯(lián)”，從炮孔內(nèi)引出的導(dǎo)爆管雷管就近以16～20根為一組，綁扎兩發(fā)1段導(dǎo)爆管雷管，上下排炮孔間隔一排炮孔分組連接；整個(gè)爆區(qū)劃分成多個(gè)分片，每個(gè)分片連成復(fù)式網(wǎng)路[8]。構(gòu)成連線獨(dú)立，而傳爆相聯(lián)；傳爆路徑路路相通，只有一個(gè)起爆點(diǎn)、一根傳爆導(dǎo)爆管有效就會使整個(gè)網(wǎng)路可靠起爆，上下爆破切口網(wǎng)路沒有時(shí)間間隔，兩個(gè)起爆點(diǎn)都使用電雷管起爆。

3 煙筒塌落觸地振動(dòng)驗(yàn)算

根據(jù)量綱分析方法：集中質(zhì)量(沖擊或塌落)作用于地面造成的塌落振動(dòng)速度可用下式確定[9]

(1)

式中：Vt為塌落振動(dòng)速度，cm/s；Kt為衰減系數(shù)，Kt=3.37；σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，一般取σ=10 MPa；β為衰減指數(shù)，β=1.66；R為觀測點(diǎn)至撞擊中心的距離，m；M為下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；H為構(gòu)件重心高度，m。

本次擬拆除210 m煙筒，煙筒采雙切口同向折疊倒塌技術(shù)，若不考慮減震措施或其他因素，煙筒上部的總質(zhì)量約M=1755 t，重心高度H=157 m，R=287 m(重心落地點(diǎn)到小區(qū)最近距離)，則110 m以上的煙筒塌落觸地振動(dòng)的速度按公式計(jì)算得：V=0.28 cm/s。

煙筒下部的總質(zhì)量約M=6267 t，重心高度約H=75 m，R=287 m，則110 m處的煙筒塌落觸地振動(dòng)的速度按公式計(jì)算得V=0.38 cm/s。

由計(jì)算可知，煙筒坍塌振動(dòng)對周邊建筑、設(shè)施是安全的[10]。

4 超高煙筒爆破拆除減振措施

煙筒爆破中炸藥引起的振動(dòng)較小，而煙筒落地對地面產(chǎn)生的振動(dòng)是主要的危害，對塌落振動(dòng)進(jìn)行防范與控制，為進(jìn)一步降低本次爆破拆除時(shí)的有害效應(yīng)，可綜合采用以下措施，將其不利影響降到最小[11,12]。

(1)在煙筒倒塌方向范圍內(nèi)，每間隔5～10 m鋪一條黃土包隔墊埂，墊埂垂直倒塌方向軸線，堆高1.5～2 m，寬1.5～2.0 m，墊埂的作用可緩沖筒體觸地速度，(如圖10所示)。

(2)在煙筒倒塌區(qū)域東側(cè)開挖減振溝(2 m×1 m)，進(jìn)一步阻斷地震波的傳播。

5 煙筒振動(dòng)測試

5.1 近距離煙筒振動(dòng)測試

5.1.1 近距離測點(diǎn)布置

煙筒爆破拆除及傾倒觸地振動(dòng)監(jiān)測儀器為TC4850振動(dòng)監(jiān)測儀，平行煙筒倒塌軸線和垂直軸線共布置了6臺監(jiān)測儀，具體布置位置見圖11。

5.1.2 近距離煙筒振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

每個(gè)測點(diǎn)均監(jiān)測XYZ三個(gè)方向的振動(dòng)，水平徑向(X向)垂直于煙筒倒塌軸線，水平徑向(Y向)平行于倒塌軸線，垂直方向?yàn)閆向。

煙筒上部切口爆破引起的地面各測點(diǎn)振速值見表2；煙筒下部切口爆破引起的地面各測點(diǎn)振速值見表3；煙筒傾倒觸地引起的地面振速值見表4。

表4 煙筒傾倒觸地振動(dòng)數(shù)據(jù)Table 4 Vibration velocities at the point of chimney falling to the ground

5.1.3 煙筒爆破拆除傾倒過程近距離測試振速圖譜分析

測點(diǎn)1距離煙筒中心水平距離為13 m，縱向距離為11.5 m，直線距離17.4 m。如圖12所示，從測點(diǎn)1的垂直方向的振動(dòng)速度過程線，可以清晰分析出煙筒折疊拆除爆破的作用過程，引起近處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值大小。從煙筒上部切口爆破到整體傾倒觸地整個(gè)過程時(shí)間為15.2 s，大致可以分為四個(gè)階段：

A：上部切口爆破，起始時(shí)間0.0 s，垂向振速1.70 cm/s；

B：底部切口爆破，起始時(shí)間3.0 s，垂向振速2.68 cm/s；

C：下半部切口閉合，起始時(shí)間9.0 s，垂向振速9.42 cm/s；

D：傾倒觸地：起始時(shí)間11.3 s，垂向振速13.09 cm/s。見圖12。

5.2 保護(hù)對象振動(dòng)測試

5.2.1 保護(hù)對象測點(diǎn)布置

根據(jù)甲方要求，在二期脫硫廠房、待拆除的一期廠房、北側(cè)辦公樓、食堂浴室、車庫的地基上各布設(shè)1個(gè)點(diǎn)。在西電路廠區(qū)圍墻1米外人行道面上布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)。編號順序?yàn)?～6號。

1～6#測點(diǎn)距爆源(煙筒中心)的直線距離分別為14 m、129 m、155 m、198 m、221 m、310 m，如圖13所示。

1～6#測點(diǎn)距煙筒下部倒塌中心線頂點(diǎn)的直線距離分別為124 m、61 m、96 m、135 m、163 m、232 m，如圖14所示。

5.2.2 保護(hù)對象各測點(diǎn)振動(dòng)測試結(jié)果

實(shí)測數(shù)據(jù)表明，210 m煙筒控制爆破拆除工程，爆破產(chǎn)生的地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度在0.13～1.19 cm/s之間，塌落產(chǎn)生的地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度在0.23～2.20 cm/s之間。監(jiān)測數(shù)據(jù)均低于《爆破安全規(guī)程》振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)2.5 cm/s，對保護(hù)建筑物不造成損壞。見表5、表6。

表5 爆破振動(dòng)測試結(jié)果Table 5 Blasting vibration test result

表6 塌落振動(dòng)測試結(jié)果Table 6 Slump vibration test result

6 結(jié)論

210 m超高煙筒通過在±110 m處設(shè)置上部爆破切口和在±0.3 m處設(shè)置底部爆破切口，采用同向折疊爆破拆除設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了上部100 m筒體前傾、下座、對沖而空中解體，大大降低了超高煙筒筒體觸底振動(dòng)值，有效的保護(hù)了周邊的建筑物。爆破效果如圖15、16所示。

1)通過力學(xué)分析和數(shù)值模擬確定了210 m超高煙筒的同向折疊爆破拆除方案。

2)通過上下爆破切口間隔2 s、3 s、5 s的數(shù)值模擬不同倒塌形態(tài)的分析比較，確定了合理的間隔時(shí)間為3 s。

3)通過對超高煙筒的近距離布置測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)值和保護(hù)對象位置布置測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)值分析比較，所采取的減振措施效果很好。

4)對于210 m超高煙筒采用同向折疊爆破設(shè)計(jì)方案，有利于降低超高煙筒筒體觸地振動(dòng)。