復(fù)雜環(huán)境廢棄煙囪爆破拆除及安全控制措施研究*

余紅兵，趙明生

(1.保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002；2.保利民爆哈密有限公司，哈密 839000)

受安全性和工期要求，城鎮(zhèn)地區(qū)煙囪多采用爆破作為主要的施工方法。爆破拆除高大鋼筋混凝土具有以下特點：①煙囪高度高、體積大；②拆除工期緊；③四鄰環(huán)境復(fù)雜，安全環(huán)保要求高。褚懷保，徐鵬飛等以高速攝影監(jiān)測、數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，理論再現(xiàn)了鋼筋混凝土煙囪爆破拆除倒塌過程中的受力過程[1]；王宇、姚穎康等結(jié)合視頻監(jiān)控技術(shù)、應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)[2]，對鋼筋混凝土煙囪爆破拆除失穩(wěn)下坐和空中斷裂機制進行了綜合性分析；徐鵬飛，蘇筱嘉，司君婷，趙文等分別對復(fù)雜環(huán)境下的煙囪拆除爆破參數(shù)進行了優(yōu)化，加強了安全防護措施[3-6]，均有效的控制了煙囪倒塌時的振動和飛石飛散距離。以貴州輪胎廠廢棄煙囪爆破拆除工程為研究背景，通過對爆破設(shè)計方案參數(shù)優(yōu)化及采取多重控制措施，研究煙囪倒塌過程對周圍建(構(gòu))筑物的影響，安全、精細(xì)爆破拆除為今后復(fù)雜環(huán)境下的高聳煙囪爆破提供參考。

1 工程概況

為建設(shè)數(shù)博大道，擬對對貴陽市云巖區(qū)三馬片區(qū)輪胎廠區(qū)廢棄煙囪實施爆破拆除。煙囪整體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。煙囪高80 m，外壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚35 cm，內(nèi)襯耐火磚，壁厚30 cm，煙囪混凝土體積314.78 m3，耐火磚內(nèi)襯205.3 m3，外部結(jié)構(gòu)完整。煙囪所在區(qū)域已經(jīng)形成封閉圍擋。東北側(cè)175 m為百花大道，中間區(qū)域建筑物已經(jīng)拆遷完；西側(cè)距煙囪44 m處是其他中標(biāo)單位地塊；西南側(cè)距離待拆除建筑物200 m，建筑物已經(jīng)廢棄；東南側(cè)35 m處是廠區(qū)圍墻，緊鄰金坡路，東側(cè)沿金坡路地下有城市燃?xì)夤艿雷罱嚯x35 m，道路東側(cè)是城區(qū)居民房，為金關(guān)村金宅小區(qū)，距離最近處為55 m。煙囪四鄰環(huán)境如圖1所示。

2 爆破拆除設(shè)計

根據(jù)業(yè)主工期、安全、技術(shù)要求和現(xiàn)場環(huán)境，采用爆破進行拆除施工。結(jié)合煙囪高度、結(jié)構(gòu)尺寸、四鄰環(huán)境和平面位置，確定采用定向傾倒控制爆破技術(shù)對該煙囪予以拆除。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，煙囪倒塌方向為西偏南25°，并且采用水鉆切邊開窗、出灰口破碎預(yù)處理的方式處理切口，最后爆破時采用混凝土和內(nèi)襯同時爆破的方式使煙囪定向倒塌。見圖2。

2.1 切口參數(shù)

根據(jù)倒塌方位確定煙囪倒塌中心線，為了滿足煙囪倒塌過程中切口閉合的設(shè)計要求，保證定向準(zhǔn)確，采用正梯形爆破切口。煙囪切口中心截面+0.8 m處的筒體周長為20.09 m，切口圓心角為220°，底部外壁展長20.09×220/360=12.27 m，實取12.3 m；內(nèi)壁展長5×3.14×220/360=9.59 m，實取9.6 m。切口高度(H)是煙囪拆除爆破設(shè)計的重要參數(shù)，據(jù)一般工程經(jīng)驗，H=(1.5-3.0)δ，其中δ為切口處煙囪的壁厚，本工程中煙囪底部內(nèi)外壁總厚約為0.67 m，考慮到倒塌場地有限，盡量縮小煙囪的觸地范圍，實取H=3.0 m。根據(jù)煙囪的結(jié)構(gòu)特點和倒塌方向控制，切口兩側(cè)預(yù)開三角形定向窗，+0.8 m處定向窗底長1.5 m，高3 m，見圖3所示。煙囪底部距離地面+0.8 m高設(shè)計為施工操作平臺，煙囪外壁爆破切口從底部平臺起+0.8～+3.8 m，內(nèi)壁爆破切口從底部平臺起+0.8～+3.8 m。

2.2 孔網(wǎng)參數(shù)

根據(jù)本工程的特點和現(xiàn)場設(shè)備情況，采用40 mm的沖擊鉆進行垂直鉆孔，炮孔采用梅花形布孔。根據(jù)《爆破設(shè)計手冊》及現(xiàn)場工程實際，內(nèi)外壁孔網(wǎng)參數(shù)如表1所示，炮孔布置示意圖如圖4所示。

表1 煙囪拆除工程爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters of chimney demolition project

3 安全防護措施

3.1 爆破振動控制

3.1.1 振動防護措施

在煙囪與被保護建(構(gòu))筑物之間且離爆源一定距離外開挖減震溝可以有效地減小爆破振動。根據(jù)周邊勘察情況，本次煙囪爆破主要保護東側(cè)35 m圍墻外城市燃?xì)夤艿溃?5 m處為居民樓。為減少爆破振動和煙囪倒塌觸底振動對城市燃?xì)夤艿喇a(chǎn)生影響，在煙囪東側(cè)距離圍墻1 m出開挖減震溝，減震溝底2 m，頂寬3 m，深3 m，開挖長度約100 m。

為進一步減少煙囪倒塌過程中觸地產(chǎn)生的觸地振動，根據(jù)物理學(xué)動量和沖量原理，在物體與地面之間搭設(shè)緩沖物，使物體觸地時間增長，速度減小，動量減小，使得接觸地面瞬間沖量減小。因此，根據(jù)動量和沖量原理在倒塌正方向布設(shè)3道緩沖堤，當(dāng)煙囪倒塌后會為緩沖堤的橫向擴張?zhí)峁┭a償空間，使煙囪倒塌觸地整個緩沖時間變長，降低的觸地的瞬間速度，煙囪動量減小，轉(zhuǎn)化成觸地沖量減小，很好的降低了煙囪觸地振動。

緩沖堤沿倒塌中心線從塔基邊緣算起距離40 m、60 m處各布設(shè)一條。每道長30 m、寬3 m，高度依次為2 m、2.5 m。每道緩沖堤外圍用雙層沙包墻堆砌，緩沖堤中間為空(間距1 m)，緩沖堤平面見圖5。

3.1.2 振動校核

需要對爆破振動和觸地振動進行驗算，保證周圍受控建(構(gòu))筑物在爆破拆除過程中振動處于安全閾值之內(nèi)[7,8]。

(1)爆破振動

根據(jù)公式

煙囪距需保護距離為35 m左右，取R=45 m；根據(jù)經(jīng)驗取K=100，α=1.5；Q次最大起爆藥量，根據(jù)裝藥設(shè)計，Q取24.8 kg?，F(xiàn)場采用雙層防護和減震帶防護K1取為0.5。

即V=0.5×100×[24.751/3/35]1.5≈1.8 cm/s

按照GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》取周邊設(shè)施最大允許振動速度取為2 cm/s，可見爆破時產(chǎn)生的振動能夠滿足安全要求。

(2)觸地振動

由中科院力學(xué)所公式

式中：Vt為振動峰值速度,cm/s；倒塌方向采用三排減震堤，Kt取0.5；β為衰減系數(shù)，取1.5；σ為塌落地面介質(zhì)承載極限強度，取10 MPa；R為質(zhì)心至計算點的距離,m。該煙囪總質(zhì)量M約1280 t，重心h為30 m，得到不同距離的塌落振動速度計算值如表2所示。

表2 塌落振動速度計算值Table 2 Calculation value of collapse vibration speed

塌落觸地點距離管道45 m，距離民房60 m，經(jīng)測算均小于安全允許閾值，因此塌落體的觸地振動不會對周邊受控對象造成危害。

3.2 爆破飛石及沖擊波控制

為減小爆破飛石，對煙囪爆破切口布孔部位采用膠皮網(wǎng)雙層防護。對布孔部位采用雙層膠皮網(wǎng)包裹捆扎，如圖6所示。在煙囪東側(cè)廠區(qū)內(nèi)距離圍墻不低于10 m、東南側(cè)處搭建9 m高鋼管排架，長度100 m，在倒塌正前方緊鄰需保護廠房搭設(shè)長40 m，高9 m鋼管排架，搭設(shè)總長度合計140 m。排架外掛雙層草墊，防止爆破飛石、觸底飛石以對被保護建構(gòu)筑物造成損傷。

由中科院力學(xué)所公式

式中：Vf為個別飛石的初速度，m/s；Qd為設(shè)計中單孔裝藥量，取0.1 kg；W為最小抵抗線，取0.3 m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；Smax為個別飛石最大飛散距離，m；f1為介質(zhì)系數(shù)，被爆介質(zhì)為混凝土結(jié)構(gòu)系數(shù)取9.5；f2為防護系數(shù)，一層防護取2，兩層防護取1，三層防護取0.5；θ為飛石拋射角，設(shè)計中取5°。爆破設(shè)計中在布孔部位采用膠網(wǎng)雙層防護，同時在東側(cè)和西南側(cè)搭設(shè)鋼管排架，在鋼管排架上面覆蓋雙層草墊，防護系數(shù)取f2=0.05。

根據(jù)上述公式計算可得:最大飛石距離為Smax≈19.2 m，滿足安全要求。

3.3 安全警戒

按照技術(shù)設(shè)計進行上述各項減震、防飛石措施。起爆網(wǎng)路經(jīng)現(xiàn)場爆破技術(shù)人員檢查無誤后方可起爆。起爆前，明確劃定安全和警戒位置，以煙囪觸地點為中心周圍100 m范圍為警戒范圍，100～200 m范圍內(nèi)的居民全部疏散撤離，200 m以外的居民在爆破時不允許站在樓頂、陽臺等無遮擋處，共設(shè)立十一個警戒點。爆破警戒區(qū)域如圖7所示。

4 試爆及爆破參數(shù)優(yōu)化

選取煙囪左側(cè)離定向窗1 m位置處7個外墻炮孔(呈2、3、2排列，共三排)，4個內(nèi)襯炮孔(呈2、2排列，共兩排，與外墻炮孔位置對應(yīng))進行試爆，內(nèi)墻炮孔裝藥50 g，外墻炮孔裝藥80 g，爆破后，外墻混凝土表層未完全脫籠，內(nèi)墻脫落，說明藥量明顯偏小，經(jīng)過人工錘擊后發(fā)現(xiàn)混凝土部分未破碎厚度達(dá)5 cm，現(xiàn)場檢查原因為鋼筋籠距離外壁表面近，在爆破時炸藥能力大部分向煙囪內(nèi)部釋放，未能使鋼筋混凝土完全脫籠。為保證爆破效果，隨之在煙囪試爆位置右側(cè)1 m處進行二次試爆，外墻和內(nèi)墻裝藥量分別為100 g和80 g，此次試爆爆破效果良好，混凝土全部脫籠，內(nèi)襯裝藥位置全部塌落。爆破效果如圖8所示。

5 爆破效果分析

如圖9所示，起爆后2 s，煙囪按照設(shè)計方向傾倒，4 s后煙囪整體偏移2°后發(fā)生下坐，倒塌方向后側(cè)支撐部分觸地，切口閉合，隨后速度加快傾斜，11 s后煙囪倒塌至緩沖堤上，整個爆破傾倒過程持續(xù)約11 s。從煙囪爆破錄像中分析得到，煙囪在傾倒一定程度后發(fā)生下坐現(xiàn)象，主要是預(yù)留支撐體及切口下方筒體強度不夠，不能繼續(xù)支撐切口上部筒體重量，同時，煙囪定向窗切口角度過大，使得煙囪在傾倒過程中定向窗不能在前期閉合，煙囪整體下坐。

爆破后煙囪切口至以上30 m筒體部分破碎，30 m以上筒體全部摔成扁平狀或碎塊，煙囪在倒塌中心線上的最大塌散距離為78 m，橫向最大塌散寬度為10 m，爆堆集中。在緩沖堤和減震溝的共同作用下，經(jīng)監(jiān)測結(jié)果倒塌觸地振動在距離50 m處測得數(shù)據(jù)為0.45 cm/s，對周邊房屋和管道沒有造成任何不利影響。同時，經(jīng)過爆后勘察，爆破飛石和觸地飛石沒有對倒塌側(cè)方和后方的居民房屋造成破壞，通過錄像分析，最大飛石距離為20 m。

6 結(jié)論

(1)對于自重較重的鋼筋混凝土煙囪，后續(xù)類似工程為降低后座側(cè)翻風(fēng)險，可縮小爆破切口至煙囪底部范圍的210°，同時，定向窗可采用復(fù)式梯形切口，減小向窗角度至30°。

(2)在不清楚鋼筋混凝土鋼筋分布情況下必須按照《爆破安全標(biāo)準(zhǔn)》GB6722進行試爆，確保試爆后形成的各窗口性狀良好，相應(yīng)部位內(nèi)襯應(yīng)全部破碎，才根據(jù)試爆調(diào)整藥量能裝藥填塞。

(3)對爆破切口的有效柔性主動防護，倒塌方向堆砌沙袋緩沖堤，防護方向挖掘減震溝，可將爆破次生災(zāi)害控制在安全允許范圍內(nèi)。