薄壁型鋼混結(jié)構(gòu)煙囪控制爆破拆除*

謝亮波，王 銘，張西良，儀海豹，顧紅建，江東平

(1.中鋼集團(tuán) 馬鞍山礦山研究院有限公司，馬鞍山 243000； 2.馬鞍山礦山研究院 爆破工程有限責(zé)任公司，馬鞍山 243000； 3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，馬鞍山 243000)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大批待拆除高聳建(構(gòu))筑物的周邊環(huán)境日益復(fù)雜，使得安全爆破拆除的難度逐漸增大，也對(duì)控制爆破提出了更高的技術(shù)要求。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的安全爆破拆除，諸多爆破科研工作者開展了大量相關(guān)研究工作[1-6]：謝先啟院士提出了大型拆除爆破工程項(xiàng)目全壽命周期管理模式，以及SCPE項(xiàng)目管理方法，并在3.5 km武漢沌陽(yáng)高架橋爆破拆除工程中得到應(yīng)用；費(fèi)鴻祿利用Matlab數(shù)值軟件分析了冷卻塔塔體觸地解體過程，提出冷卻塔爆破整體延期時(shí)間不宜過大的建議，降低冷卻塔爆破對(duì)周圍建筑的危害；季杉采用單柱和單跨橋梁模型研究了爆破振動(dòng)和塌落振動(dòng)傳播規(guī)律，指出塌落振動(dòng)主頻與結(jié)構(gòu)前幾階頻率接近，爆破工程時(shí)需優(yōu)先考慮塌落振動(dòng)；武哲采用人工剪破碎和機(jī)械剪切等方法結(jié)合力學(xué)原理對(duì)剪力墻、電梯井等進(jìn)行了預(yù)拆除，通過結(jié)合樓房的建筑材料、結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)選擇爆破參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了90 m高樓房的折疊控制爆破；張建華利用 ANSYA/LS-DYNA 軟件研究了小缺口爆破技術(shù)對(duì)冷卻塔拆除的影響，提出小缺口爆破技術(shù)能夠促進(jìn)冷卻塔的傾倒速度，提高冷卻塔觸地破碎程度和降低爆破振動(dòng)；蒙云琪采用數(shù)值模擬軟件建立分離式耦合模型，優(yōu)化確定了鐵四院前大樓爆破拆除方案。已有研究成果從數(shù)值模擬、振動(dòng)控制等角度進(jìn)行了多方面研究，然而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料不詳?shù)谋”跓焽璨鸪矫骢r有報(bào)道。

以長(zhǎng)江沿岸某薄壁型鋼筋混凝土煙囪為例，在綜合考慮煙囪周邊環(huán)境及拆除難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，制定安全可靠的倒塌方案，從合理選擇爆破切口高度、優(yōu)化爆破孔網(wǎng)參數(shù)、加強(qiáng)安全防護(hù)等角度進(jìn)行爆破危害控制，以實(shí)現(xiàn)煙囪的定向控制爆破拆除，消除煙囪的安全隱患，為類似拆除爆破提供一定借鑒。

1 概述

1.1 煙囪概況

石溪野水泥廠區(qū)內(nèi)的待拆煙囪位于長(zhǎng)江沿岸300 m范圍內(nèi)，運(yùn)行30多年后廢棄，表層混凝土風(fēng)化嚴(yán)重，巖塊片落現(xiàn)象突出。按照國(guó)家長(zhǎng)江綠色發(fā)展和生態(tài)保護(hù)規(guī)劃，消除煙囪的安全隱患，須對(duì)其爆破拆除。該煙囪高度62 m，內(nèi)襯耐火磚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；呈下部直徑大、上部直徑小的圓筒形；下部外徑4.5 m，內(nèi)徑3.5 m；壁厚50 cm，其中耐火磚厚度24 cm，鋼筋混凝土厚度21 cm。在煙囪正南側(cè)有一煙道，寬×高=1.1 m×1.5 m。

1.2 周圍環(huán)境

該煙囪周邊環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)有一從市發(fā)電廠引出的南北走向高壓線路，與煙囪的最近距離為85 m；東北側(cè)和東南側(cè)共計(jì)有3座高壓線塔，距離分別為180 m、255 m和270 m。煙囪東側(cè)、西側(cè)、北側(cè)分別為西山路、沿江大道和六汾河路，最近距離分別為53 m、173 m和310 m。東北側(cè)距某爐料加工廠最近235 m。煙囪周邊環(huán)境示意圖見圖1，現(xiàn)場(chǎng)照片見圖2。

2 拆除爆破方案

2.1 爆破拆除難點(diǎn)

(1)煙囪建設(shè)年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙缺失，鋼筋分布不清，增大爆破參數(shù)選取難度。

(2)通常煙道處鋼筋分布較為密集，煙道未預(yù)拆除，可能對(duì)倒塌方向存在一定影響。

(3)該煙囪為典型的薄壁結(jié)構(gòu)，對(duì)孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥單耗以及爆破飛石控制帶來(lái)挑戰(zhàn)。

(4)內(nèi)襯耐火磚年久風(fēng)化，爆破切口處進(jìn)行預(yù)處理，存在整體剝離塌落的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(5)周邊環(huán)境復(fù)雜，爆破危害控制難度大。

2.2 倒塌方案及預(yù)處理

(1)倒塌方案

該煙囪的正東側(cè)85 m處為需保護(hù)的高壓線路，而南側(cè)場(chǎng)地比較開闊；同時(shí)考慮到煙道位于正南側(cè)，由于工期緊，沒有進(jìn)行預(yù)拆除，為此，設(shè)計(jì)采用向正南側(cè)定向倒塌方案，倒塌方向與高壓線走向一致。

(2)預(yù)處理

定向窗的對(duì)稱性是決定煙囪按照設(shè)計(jì)方向倒塌的關(guān)鍵。為保證倒塌方向的可靠性，在爆破切口兩側(cè)對(duì)稱各設(shè)置一個(gè)三角形定向窗，高度1 m，底邊1.5 m；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量定位后，采用人工方式開鑿。

為避免內(nèi)襯耐火磚整體剝離塌落，在爆破切口位置間隔處理掉部分耐火磚，剩余部分作為上部耐火磚的安全支撐。

2.3 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)爆破切口

爆破切口是影響煙囪失穩(wěn)傾倒的關(guān)鍵因素。切口高度h與煙囪的材質(zhì)和筒壁厚度δ有關(guān)，同時(shí)應(yīng)保證爆破切口閉合后煙囪的重心偏離煙囪的支撐點(diǎn)。通常切口高度h需滿足[7-9]

h≥(3～5)δ

同樣高度下，壁厚時(shí)，取小值；壁薄時(shí)，取大值。根據(jù)類似工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，這里設(shè)計(jì)采用梯形爆破切口；考慮到煙道未進(jìn)行預(yù)處理，且為薄壁結(jié)構(gòu)，切口高度應(yīng)適當(dāng)增大，設(shè)計(jì)切口高度取2.25 m。為便于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔作業(yè)，切口下沿離地高度75 cm。

預(yù)留具有一定承載能力的支撐柱不進(jìn)行爆破，承受上部重力荷載，可以保證煙囪傾倒方向的可靠性。通常，爆破切口范圍是筒壁的周長(zhǎng)的1/2～2/3，對(duì)應(yīng)的圓心角為180°～240°；這里綜合考慮選取切口角度225°。爆破切口示意圖見圖3。

(2)炸藥單耗

單位炸藥消耗量是拆除爆破設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。選擇的炸藥單耗不合適，不僅影響爆破效果，還會(huì)導(dǎo)致爆破事故。單耗選取的太大，爆破過粉碎，爆破飛石過遠(yuǎn)，防護(hù)效果不好時(shí)易于發(fā)生飛石傷害事故；反之，單耗選取的太小，容易發(fā)生炸而不倒現(xiàn)象，增加二次處理安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)爆破參數(shù)

炮孔布置應(yīng)力求炮孔規(guī)則整齊布置，使炸藥均勻分布于爆破體中，以保證爆破后破碎塊度均勻。采用直徑φ40 mm鉆孔，正方形布孔方式；鑒于煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙缺失，布筋情況不清，在定向窗開鑿前，根據(jù)初步估計(jì)筒壁厚度，設(shè)計(jì)的筒壁和煙道處孔距分別為25 cm和30 cm，孔深分別為15 cm和70 cm，設(shè)計(jì)爆破切口處共計(jì)布置168個(gè)炮孔。

在定向窗完成后，實(shí)際筒壁厚度較預(yù)估值薄，原設(shè)計(jì)孔距參數(shù)偏大。因此，對(duì)孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，分別在筒壁原孔位對(duì)角線中心和煙道處進(jìn)行了補(bǔ)孔工作；實(shí)際共計(jì)布孔289個(gè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)孔調(diào)整后，實(shí)際筒壁炸藥單耗為3.8 kg/m3，煙道處2.3 kg/m3；由此計(jì)算，筒壁和煙道處的單孔裝藥量分別為40 g和200 g，共計(jì)使用炸藥量16.32 kg。煙道處采取分兩段裝藥方式，每段100 g，以均衡炸藥能量分布。

(4)起爆網(wǎng)路

煙囪拆除爆破的炮孔數(shù)量多，且對(duì)起爆可靠性要求嚴(yán)格。為此，設(shè)計(jì)采用非電復(fù)式起爆網(wǎng)路；沿?zé)煹揽谥行木€為對(duì)稱軸，兩邊孔內(nèi)分別采用2段和4段導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)同段控制在20發(fā)內(nèi)為一簇，簇連連接；孔外復(fù)式連接至起爆點(diǎn)。

3 拆除爆破危害控制

3.1 塌落振動(dòng)控制

(1)塌落振動(dòng)計(jì)算

根據(jù)中國(guó)地震烈度表(GB/T 17742—2008)可知，該煙囪所在地區(qū)的地震烈度為6度，對(duì)應(yīng)的地面峰值速度為5～9 cm/s。根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50260—2013)和《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DLT 5154—2012)，輸電線路桿塔和基礎(chǔ)抗震設(shè)防烈度應(yīng)采用當(dāng)?shù)氐幕镜卣鹆叶取Ｕf(shuō)明高壓線塔基的抗震設(shè)防烈度為6度。為確保爆破作業(yè)期間高壓線塔基的安全，這里選取的安全允許振動(dòng)速度為2 cm/s。

爆破振動(dòng)和塌落振動(dòng)效應(yīng)是周邊設(shè)施安全的一個(gè)重要影響因素[10-13]。煙囪爆破拆除主要以塌落振動(dòng)為主，爆破振動(dòng)強(qiáng)度較小，只要塌落振動(dòng)速度控制在周邊保護(hù)設(shè)施的安全允許范圍內(nèi)即可滿足要求。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所周家漢教授的研究成果，煙囪爆破塌落振動(dòng)速度可以按照以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[14]

式中：Vt為塌落引起的地面振動(dòng)速度，cm/s；M為下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；g為重力加速度，9.8 m/s2；h為構(gòu)件的高度，62 m；R為觀測(cè)點(diǎn)至沖擊地面中心的距離，m；σ為塌落地面介質(zhì)破壞強(qiáng)度，一般取10 MPa；Kt、β為塌落振動(dòng)速度衰減系數(shù)和指數(shù)，分別取3.37和-1.8。

根據(jù)煙囪建筑設(shè)計(jì)圖紙，煙囪質(zhì)量M約為340 t，煙囪高度h為62 m，東北側(cè)高壓線塔基至沖擊地面中心的距離為200 m。

計(jì)算可知，煙囪塌落在最近高壓線塔基附近引起的地面振動(dòng)速度為0.11 cm/s，遠(yuǎn)小于高壓線塔基的安全允許振動(dòng)速度2.0 cm/s。

(2)塌落振動(dòng)控制措施

為減輕煙囪塌落振動(dòng)影響范圍，在倒塌方向上分別在距離煙囪20 m和40 m處各設(shè)置一個(gè)高度為1.0 m的土擋墻，作為塌落沖擊時(shí)的緩沖墊層。

3.2 爆破飛石控制

(1)爆破飛石距離計(jì)算

由于拆除爆破的炮孔深度淺，堵塞長(zhǎng)度小；破碎鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的炸藥單耗大，如果采取的防護(hù)遮擋措施不到位，可能造成臨近建筑物、設(shè)施的損壞和人員的傷害。無(wú)覆蓋條件下，拆除爆破飛石可采用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[15]

Rmax=70k0.58

式中：R為個(gè)別飛石最大距離，m；k為炸藥單耗，kg/m3。

計(jì)算可得，無(wú)覆蓋條件下，爆破飛石最大距離為151.8 m。

(2)飛石安全防護(hù)及安全警戒范圍

為有效控制爆破飛石危害，減小飛石飛散距離，對(duì)爆破切口位置采用鐵絲網(wǎng)和多層密目網(wǎng)進(jìn)行近體防護(hù)。同時(shí)，為防止煙囪塌落后飛濺石塊傷人事故的發(fā)生，爆破拆除前，將倒塌方向前側(cè)地面上的碎石等清理干凈。

根據(jù)本次爆破煙囪的周邊環(huán)境，為避免爆破飛石傷害事故的發(fā)生，保證爆破作業(yè)安全，煙囪南側(cè)、北側(cè)、東側(cè)的爆破警戒范圍分別為500 m、310 m和350 m，西側(cè)至江邊。在爆區(qū)周圍的主要道路口共計(jì)設(shè)置八個(gè)警戒點(diǎn)，安排專人進(jìn)行爆破警戒，確保人員、車輛等疏散到安全地點(diǎn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)爆破效果

通過精心的設(shè)計(jì)、施工，煙囪起爆10 s后，完全按照預(yù)定的方向?qū)崿F(xiàn)了塌落觸地，塔體完整性較好，未對(duì)周邊高壓線等造成任何損害；現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在最近高壓線塔基處的峰值振動(dòng)速度為0.21 cm/s，稍大于理論預(yù)測(cè)值，但仍在其安全允許振動(dòng)速度范圍內(nèi)；爆破飛石控制在40 m范圍內(nèi)，取得了較好的爆破危害控制效果?，F(xiàn)場(chǎng)爆破效果見圖4。

本次爆破作業(yè)成功實(shí)施，較好的保證了周邊建(構(gòu))筑物的安全。中央電視臺(tái)在《壯麗70年 奮斗新時(shí)代——共和國(guó)發(fā)展成就巡禮·安徽》—“為有源頭活水來(lái)，共抓長(zhǎng)江大保護(hù)”欄目，對(duì)該煙囪拆除爆破進(jìn)行了全程現(xiàn)場(chǎng)直播報(bào)道。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙是爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；對(duì)于建設(shè)年代久遠(yuǎn)、技術(shù)資料缺失的鋼混煙囪，應(yīng)根據(jù)開鑿定向窗掌握的筒壁參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證倒塌方案的可靠性。

(2)煙囪拆除后，現(xiàn)場(chǎng)塌落振動(dòng)和爆破飛石皆控制在安全范圍內(nèi)，說(shuō)明了爆破設(shè)計(jì)參數(shù)、切口方案的合理性，設(shè)置緩沖減振擋墻和近體覆蓋防護(hù)對(duì)爆破危害控制是十分有效的，對(duì)類似薄壁煙囪爆破拆除具有一定指導(dǎo)借鑒作用。

(3)該爆破工程的圓滿實(shí)施，既消除了煙囪的安全隱患，又加快了水泥廠拆除整治進(jìn)度，有力推進(jìn)了安徽長(zhǎng)江生態(tài)景觀帶建設(shè)步伐，為周邊居民的生活環(huán)境和沿江生態(tài)提升創(chuàng)造了有利條件。