超大容積薄壁砼結構三連體儲煤倉拆除爆破

賀廣龍，田 飛，楊方方，李根樂，佟 錚，牛 智，王 寶

(內蒙古生力中偉爆破有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

1 工程概況

1.1 待拆結構體特征

待拆除超大結構體為10 萬t級產品煤的三連體儲煤倉，其主要結構特征為：結構體自地面總高61.5 m，其中3 座筒形儲煤倉高度都是50 m，間距5 m；上部輸煤走廊高11.5 m，內部直徑22 m，壁厚0.32 m，而且二層框架結構輸煤設備運行間相連接為一體。3座筒形結構雙層高配筋率薄壁砼構筑，軸向筋為Φ32 mm螺紋鋼，環(huán)向筋為Φ12 mm螺紋鋼，內部高度12 m處設置圈梁，圈梁上方有輸煤平臺及填料，下方為井字形梯形梁，梁體下面有6 個輸煤漏斗。漏斗與井字梁間布筋密集交錯，其下方有3 面寬0.6 m、高11.6 m的承重墻支撐著井字梁與輸煤漏斗(見圖1)。

圖1 儲煤倉Fig.1 Coal bunker

1.2 周邊環(huán)境

三連體儲煤倉周邊環(huán)境復雜，東距曹羊線公路僅10 m，西南方向距變電站450 m，東北方向距民房200 m，東面300 m處為石子灣煤礦及排土場，東南方向800 m為伊泰凱達煤礦選煤廠及廣利煤礦洗煤廠(見圖2)。

圖2 周邊環(huán)境Fig.2 Surrounding environment

2 拆除爆破方案

根據待拆三連體儲煤倉的結構特征，先將其分為筒體、支撐立柱、承重墻、內部圈梁、梯形井字橫梁和輸煤漏斗6 種類型。然后綜合周邊環(huán)境、結構物特征以及爆后清渣方式等提出3 種可能采用的拆除爆破方案，并對其可行性進行分析。

1)筒體水壓爆破，其他部位鉆孔爆破方案。此方案需將輸煤漏斗出口封堵后，將筒型結構體內注滿水，將藥包懸掛于水中軸線部位，利用水的不可壓縮性將藥包的爆炸能量傳遞給筒壁，使其均勻解體。該方案具有施工周期短、成本低、破碎效果好的特點。但對注水及排水具有較高的要求，注水時要求水源充足，以防筒體局部滲漏得不到有效補充，要有暢通的排水通道，避免爆破對周邊設施造成損壞。由于待拆儲煤倉周邊沒有水源，車輛運水成本與工期均難達到工程要求，并且爆破點下坡方向數百米處設有伊泰凱達煤礦、廣利煤礦洗煤廠，所以本方案無法實施。

2)地面11.6 m以上位置開設爆破切口，定向傾倒爆破方案。此方案具有預處理工程量較少的特點，但需在11.6 m以上開設爆破切口的筒壁外側架設腳手架。此方案需采用筒壁鉆孔爆破方法開設定向窗和14 m高的爆破切口，但冬季外部腳手架上高空頂風作業(yè)的操作難度大，安全性較差。對于11.6 m以下部位待主體爆破完成后再進行鉆孔爆破。由于作業(yè)點東距曹羊線公路僅10 m，道路運輸十分繁忙，且在后期11.6 m以下部位頻繁的鉆孔爆破作業(yè)時，由于缺少筒體的防護作用(筒倉內部結構后期爆破破碎時)，爆破飛石防護難度大，作業(yè)成本高。通過利弊分析后，確定此方案不作為優(yōu)先方案。

3)地面0.5 m以上位置開設爆破切口，定向傾倒爆破方案。此方案類似于傳統高聳構筑物拆除爆破方式，采取開設定向窗，切斷鋼筋，預留支撐板塊的定向控制爆破。在地面以上0.5 m筒體部位開設爆破切口，并在開設爆破切口之前，采用機械拆除與鉆孔爆破相結合方法，預處理筒體內部的支撐立柱、承重墻、內部圈梁、井字橫梁和輸煤漏斗。此方案的最大特點是便于預處理爆破作業(yè)，利于爆破飛石的防護，施工過程的安全性較高。最大問題是筒體南側的運輸通道口，因為大大減少了筒體保留部位支撐面積，從而降低了保留部位抗壓強度，極易造成此部位在爆破傾倒瞬間的動態(tài)剪切失穩(wěn)，出現主體結構下坐的可能性，可以對南側門洞進行封堵加強。

綜上所述，方案3在經濟上與技術上最具可行性，作為此項工程優(yōu)選方案。

3 爆破設計

3.1 爆破切口

切口形狀和大小在筒體初始傾倒階段具有準確定向、防止后坐以及使其傾倒過程準確、平穩(wěn)的作用，它直接影響著筒形結構建筑拆除工程的安全與質量。為滿足爆破后結構主體能夠在自身重力作用下順利按照設計方向倒塌，而且盡量達到切口自身開設的工程量較小、成本較低等經濟指標。本工程選取正梯形爆破切口，定向窗為56°三角形切口。筒體保留部位為矩型支撐立柱與筒壁。

正梯形爆破切口，取210°圓心角，約為周長的0.6 倍，上切口寬20 m，下切口寬41.3 m(見圖3)。切口高度由待拆結構下部支撐立柱、圈梁h2及上部筒體h3組成。采用經驗公式[9]：h=Ltanα，其中h為儲煤倉切口高度，m；L為儲煤倉直徑，22 m；α為倒塌角，α≥25°，取h=22tan 38°=15.1 m(其中立柱h1=10.25 m，圈梁h2=1.35 m，筒體h3=4.5 m)?？紤]到三連體筒倉高徑比為2.7，結合相關工程的成功案例，提高筒體落地高度后獲得較好的筒體破碎效果，確保不出現后坐或坐而不倒現象，確定實際爆高為16 m(見圖3)。

注：圖中陰影區(qū)域為鉆孔爆破部位。圖3 切口尺寸Fig.3 Cut size

切口范圍內需要爆破的結構主要有筒壁、圈梁、東西立柱、中間立柱及兩側立柱，具體參數如表1所示。

表1 各結構部位爆破參數

3.2 預處理

預處理是以鉆孔爆破為主，機械拆除為輔的方式進行的，工程量較大。爆破前將每個筒體內部輸煤平臺、平臺上部3 個部分的填料、32 根井字梯形梁、8 個輸煤漏斗、圈梁、三面承重墻進行預處理，筒體內部預處理鋼筋混凝土約12 000 m3，素混凝土1 500 m3。全部預處理工程是在筒體封閉條件下進行的多次爆破作業(yè)，為了保證筒體結構的穩(wěn)定性，預處理過程嚴格控制單次爆破裝藥量不超過20 kg，在近百次的爆破作業(yè)過程中，筒體對爆破飛石起到了重要的防護作用，使預處理工程可在不進行交通管制條件下連續(xù)爆破作業(yè)，充分顯示出這一爆破方案的優(yōu)勢。

采用鉆孔爆破法進行預拆除時，嚴格執(zhí)行《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014[1]，嚴格控制單響藥量及每次爆破規(guī)模，防止產生較大的沖擊波和振動對筒體整體結構穩(wěn)定造成影響。同時，遵循由外到內、由上至下原則，逐步推進工作順序；選用中、小型設備，如液壓破碎錘(DY330)和有經驗的機械操作人員，并通過對講機及時與現場技術人員聯系，確保安全。在機械無法操作的地方，采用人工進行預處理。但是，對筒體穩(wěn)定性有影響的部位不得進行預拆除，各筒倉上附著物處理均不作預處理(包括金屬樓梯與上部框架結構)。

3.3 保留部位強度校核

單個結構物主體總質量為3.14×22×0.32×50×2.5=2 763.2 t，再加上上部質量約500 t，整個筒倉約3 263.2 t。而保留部分有筒壁(6 m×0.32 m)，東西立柱(0.8 m×0.8 m)×2根，中間立柱(0.6 m×0.6 m)+(3.2 m×0.32 m)，兩則立柱(1.5 m×1 m)×2根，支撐部位截面積7.584 m2，C30鋼筋混凝土抗壓強度為14.3 N/mm2,按照支撐面積計算，能支撐11 066 t的質量，計算結果：保留部分靜態(tài)軸向承載能力遠大于結構主體總質量。校核結果說明+0.5 m位置以上開設爆破切口，定向傾倒爆破方案可行。

4 起爆網路

根據周邊環(huán)境及保證各筒體的準爆，確定采用非電復式起爆網路(各儲煤倉爆破區(qū)域分單元孔內分段，孔外雙雷管復式)，筒壁部分為單發(fā)導爆管雷管，其他重要爆破部位為雙發(fā)導爆管雷管。在正式聯網前進行了起爆網路可靠性的模擬試驗，檢驗起爆器材質量與起爆網路的準爆性能。各筒倉爆破部位雷管段別設計如表2所示，起爆網路設計如圖4所示。

表2 各筒倉爆破部位雷管段別

注：主體結構爆破時總炮孔數為4 890 孔，總裝藥量為1 400 kg，起爆雷管總數為6 859 發(fā)。圖4 起爆網路設計(平面) Fig.4 Detonation network design (Plane)

5 爆破有害效應及安全防護

為保證爆破作業(yè)點附近人員、機械和建(構)筑物的安全，必須根據爆破產生的各種危害確定安全距離。爆破產生的各種有害效應主要為爆破振動、塌落振動及個別飛石，飛石現象可采取近體覆蓋防護和倒塌方向地面軟化進行有效控制，而爆破振動和塌落振動必須通過計算安全允許質點振動速度，確定安全范圍。

5.1 爆破振動

利用拆除爆破振動經驗公式[8]進行計算：

(1)

式中：v為允許最大振動速度，cm/s；K′為地震波修正系數，一般為0.3～0.5，取0.4；K、α為與地質地形有關的系數，一般取K=150，α=1.5；R為爆破幾何中心到鄰近被保護物的距離，取200 m ；Q為最大一段起爆藥量，按200 kg計算。

計算結果：v=0.3 cm/s，符合一般民用建筑物安全允許振速(小于2 cm/s)的規(guī)定[1]。對于主要保護對象的變電站，當控制最大一段單響藥量在200 kg以內時，變電站爆破振動監(jiān)測的數據最大為0.5 cm/s，也在允許安全范圍內。同時在倒塌方向增設減振溝來加強防護措施。

5.2 塌落振動

建(構)筑物在塌落觸地時，對地面的沖擊較大，產生塌落振動，因此需采取若干個爆破單元，實現多個單元逐次失穩(wěn)塌落，從而降低塌落振動。

塌落振動質點速度采用《爆破設計與施工》中的計算公式[2]：

(2)

式中：v為塌落質點振動速度，cm/s；M為最先撞擊地面且最大的塌落的質量，M=1 400 m3×2.4 t/m3=3 360 t ；H為塌落質量為M的重心高度，m；σ為地層介質的破壞強度，一般取10 MPa；K，α為與地質條件有關的衰減參數，分別取K=3.37，α=-1.66；R為觸地點中心距測點的距離，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

由于重心落差H=31 m，撞擊地面距離民房約200 m，所以由式(2)計算得出的塌落振動速度為0.29 cm/s，符合一般民用建筑物安全允許振速(小于2 cm/s)的規(guī)定[1]。

5.3 爆破飛石

由于拆除爆破的炮孔較淺，填塞短，所需爆破部位都是多臨空面的立柱和薄壁結構，抵抗線較小，本次爆破筒壁和圈梁為內側鉆孔，立柱為外側鉆孔，所以主要針對外側炮孔爆破產生的飛石進行防護。

參考炸藥單耗(見表1)，利用工程爆破界有關專家學者在拆除爆破的實踐中總結歸納出的，依據炸藥單耗計算個別飛石距離的經驗公式[6-7]：

Rmax=70q0.58

式中：Rmax為無覆蓋條件下拆除爆破飛石的飛散距離，m；q為炸藥單耗，kg/m3。

計算得Rmax=70×20.58=105 m，個別飛石距離未超過保護對象的安全允許距離。

另外，對外側筒壁及立柱采用棉被、廢舊輸送帶及鐵絲網綁扎進行防護。

6 爆破效果及存在問題分析

1)爆破效果。本次爆破規(guī)模為：總炮孔數為12 390 個(包括預處理7 500個)，總裝藥量為4 112 kg(包括預處理2 712 kg)，采用非電復式起網路，共使用7個段別的非電毫秒雷管，重要爆破部位炮孔裝入雙雷管，起爆雷管總數為14 603發(fā)(包括預處理7 744發(fā))。起爆后，三連體超大容積儲煤倉按照預定方向應聲倒地(見圖5)，整個構筑物解體充分，周圍設施無任何損傷。由于保留部分支撐強度較弱，筒倉傾倒過程出現明顯下坐(由于倒塌方向背側也存在門洞及填料處理了3/4，剩余1/4未處理，重心偏后，因此倒塌時出現先下坐后傾倒)，倒塌失穩(wěn)過程具有介于冷卻塔扭曲塌落和鋼筋混凝土煙囪傾倒塌落之間的特征，倒塌范圍接近構筑物高度的三分之二，各結構體的解體較為充分，回收廢鋼筋約940 t。

圖5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

2)存在問題的原因分析。三連體超大容積儲煤倉在傾倒與解體方面均獲得較為理想的爆破效果，完全沒有出現后坐現象。值得注意的是，起爆后結構體在傾倒過程中出現了將近10 m高度的明顯下坐，遠超預估值。過大尺度的下坐，極易造成構筑物整體坐而不倒的后果出現，分析其原因主要有以下幾點：①由于筒體保留部分的支撐強度較弱，應在今后工程中注意減小保留部位預處理規(guī)模，或對后側門洞進行適當支撐補強；②結構體的重心明顯偏向后部，應在預處理時加大后部填料預處理的規(guī)模，以減輕后部重量，使重心前移；③起爆前，對筒體保留部位外側鋼筋進行了切割處理，弱化筒體保留部位的支撐強度，建議類似工程不再進行保留部位外側的鋼筋切割處理，以增強其支撐強度。