100 m 鋼筋混凝土煙囪定向爆破拆除實(shí)踐與數(shù)值模擬

董 星，張 哲，劉永強(qiáng)，張坤麟，胡永玉，惠 佳，謝少凱

( 1.北京理工北陽爆破工程技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100081;2.新時代遼科(阜新)爆破工程有限公司，阜新 123000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在城市擴(kuò)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。這種高聳建筑物有著高度遠(yuǎn)大于底部直徑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)其所處環(huán)境復(fù)雜時大多采用爆破拆除，此方法不僅效率高且可以保證施工安全，在工程實(shí)踐中得到了大量應(yīng)用。關(guān)于高煙囪的爆破拆除國內(nèi)有過一些實(shí)踐，如福建省安溪某發(fā)電廠150 m鋼筋混凝土煙囪拆除[1]、寶鋼120 m鋼結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除[2]、河南某210 m高的雙層套筒煙囪的爆破拆除等[3]。通過數(shù)值仿真模擬，能更好的為煙囪的爆破拆除效果進(jìn)行預(yù)測并指導(dǎo)施工，如楊軍[4]、林謀金[5]、張廣榮等對不同高度的鋼筋混凝土煙囪爆破拆除進(jìn)行了數(shù)值模擬[6]，從而為具體工程實(shí)踐提供參考，本文將對高煙囪定向爆破拆除作進(jìn)一步闡述。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

待拆除煙囪位于遼寧省鐵嶺市某供熱公司院內(nèi)，建于2008年。煙囪北側(cè)10 m為暫緩拆除的鍋爐房、150 m為黑龍江路，西側(cè)150 m為公司圍墻及公司儲煤場，南側(cè)120 m為新建戒毒所，東側(cè)125 m為公路，東北側(cè)100 m為公司辦公樓，待拆除周圍環(huán)境見圖1。煙囪見圖2。

1.2 結(jié)構(gòu)特征

該煙囪地面以上標(biāo)高100m，為鋼筋混凝土筒式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。煙囪筒身采用C30混凝土整體澆筑，豎向主要鋼筋為φ10、φ12、φ16、φ18；環(huán)向鋼筋為φ10、φ12、φ14、φ16。煙囪尺寸如表1所示，煙囪混凝土體積880.0 m3、隔熱層體積216.0 m3、內(nèi)襯體積438.0 m3，總重量約為3500 t。

表1 煙囪尺寸參數(shù)Table 1 Chimney size parameters

2 爆破拆除方案設(shè)計(jì)

對于高聳建(構(gòu))筑物的拆除，一般是根據(jù)伐樹原理，破壞底部支撐基座使其在自身重力作用下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而傾倒。

2.1 倒塌中心線

定向爆破拆除煙囪，要求在其倒塌方向必須具備一定寬度的狹長場地[7]，場地長度不得小于煙囪高度的1.0～1.2倍(自煙囪的中心點(diǎn)算起)，垂直于倒塌中心線的橫向?qū)挾炔坏眯∮跓焽枨锌诓课煌庵睆降?.0～4.0倍，對于鋼筋混凝土煙囪等剛度好的結(jié)構(gòu)，其倒塌的水平距離要求大一些。據(jù)此，在煙囪倒塌方向至少需要120 m長、50 m寬的場地，只有西側(cè)的一塊露天煤炭堆放場具備倒塌條件，故設(shè)計(jì)爆破倒塌方為西側(cè)。

2.2 爆破切口

(1)切口形狀

實(shí)踐證明，煙囪切口形狀應(yīng)以梯形或者矩形為宜。這樣在其初始倒塌過程中，原切口緩慢閉合，煙囪承壓區(qū)逐漸增大，相應(yīng)保證了壓縮破壞過程在倒塌中心線上的對稱，從而控制了煙囪倒塌的定向性。在切口圓心角相同時，梯形切口閉合所需時間短、對地面沖擊小[8]，更好的保證了煙囪倒塌的可靠性，因此本文選擇梯形切口施工。

(2)切口位置及尺寸

為了鉆孔方便，且考慮到煙囪底部煙道、出灰口等對結(jié)構(gòu)對失穩(wěn)的影響，切口由距地表0.5 m位置開始沿倒塌中心線對稱布置。

①切口圓心角

切口處弧長一般不宜小于筒體外部周長的1/2到2/3，這才能夠滿足初始定向傾倒失穩(wěn)條件[9]。根據(jù)圖紙和現(xiàn)場勘測，待拆煙囪切口部位筒體外徑12.5 m，則切口弧長

(1)

式中,D為切口部位煙囪筒體的外直徑。

現(xiàn)場根據(jù)具體施工情況L取25 m、開口角度230°，如圖3所示。

②切口高度

當(dāng)切口上、下沿閉合時，煙囪的重心必須偏移出煙囪切口外邊緣，即煙囪重心偏移的距離大于爆破切口處的外半徑[10]。對于100 m煙囪考慮到爆破后筒身下坐的可能和適當(dāng)增加安全系數(shù)，爆破切口高度宜適當(dāng)加大。爆破部位(爆破缺口)高度的確定與煙囪材質(zhì)和筒壁厚度有關(guān)，鋼筋混凝土煙囪鋼筋分布密度大、筒壁較薄要取較大系數(shù)。

h≥(3～6)δ=1.12～2.28 m

(2)

式中，δ為爆破切口處煙囪壁厚，0.38 m。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取h=2.5 m。

③定向窗、定位窗

定向窗、定位窗為保證爆破后煙囪沿著設(shè)定的方向倒塌，在主爆區(qū)爆破之前用風(fēng)鎬在倒塌中心線開鑿一個定向窗同時在切口兩端開鑿兩個定位窗，以保證煙囪沿倒塌中心線倒塌，并能在一定程度上降低一次起爆藥量，減少因爆破產(chǎn)生的振動及其他危害。本次拆除爆破中，定向窗長3 m、高2.5 m，定位窗底邊長2.5 m，底角取45°，如圖4。

(3)內(nèi)襯處理

為了確保倒塌方向的準(zhǔn)確性，在鉆鑿炮孔時，人工將切口范圍3 m內(nèi)襯預(yù)先拆除。

2.3 孔網(wǎng)參數(shù)

(1)炮孔直徑d：采用風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆孔，炮孔直徑取40 mm；

(2)最小抵抗線W:

W=0.5δ

(3)

則W=0.19 m；

(3)炮孔孔深l:

l=(0.65～0.7)δ

(4)

取l=0.25 m；

(4)炮孔間距a：取a=0.35 m；

(5)炮孔排距b：取b=0.30 m；

(6)單孔藥量：

Q1=qabδ

(5)

式中，q為單位體積巖石所需炸藥量，取1.5 kg/ m3，計(jì)算得Q1=0.06 kg；

(7)炮孔總數(shù)N=522個；

(8)總藥量：

Q總=N·Q1

(6)

則Q總=31.32 kg。

2.4 起爆網(wǎng)路

爆破瞬間會產(chǎn)生巨大的向上推力，力矩方向與自身重力的力矩方向相反，這會對定向傾倒帶來不利影響。為降低爆破推力對其倒塌方向干擾，孔內(nèi)采用MS1、MS3、MS5段毫秒導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行毫秒微差起爆，即起爆順序由中心到兩側(cè)。選擇導(dǎo)爆管雷管簇聯(lián)起爆網(wǎng)路，每10～15發(fā)導(dǎo)爆管雷管組成一簇并用雙發(fā)導(dǎo)爆管雷管起爆，最后用高能脈沖起爆器作為起爆源。

3 安全防護(hù)

3.1 爆破振動速度校核

爆破振動速度根據(jù)下式進(jìn)行校核[11]

V=K′K(Q1/3/R)α

(7)

式中：K′為爆破拆除修正系數(shù)，取K′=0.25；K、α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，取K=150，α=1.5；Q為最大單段藥量，10.44 kg；R為建筑物到爆破中心的距離，m。

核算出煙囪周圍不同建筑物的爆破振動速度見表2，均遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的爆破振動安全允許值，因此爆破地震效應(yīng)不會對周圍建筑物造成影響。

表2 爆破振動計(jì)算結(jié)果表Table 2 Calculation results of blasting vibration

3.2 煙囪塌落振動校核

由于煙囪倒地會產(chǎn)生較大觸地沖擊振動，集中質(zhì)量(沖擊或塌落)作用于地面造成的塌落振動速度可用下式確定[12]

(8)

式中：Vt為塌落振動速度，cm/s；kt為衰減系數(shù)，kt=4.09；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；m為下落構(gòu)件的質(zhì)量，3500 t；H1為構(gòu)件重心高度，35 m；L為建筑物倒塌部位重心與被保護(hù)物距離，取最近的新建戒毒所處距離120 m。

將有關(guān)參數(shù)代入，計(jì)算得最近的新建戒毒所處塌落振動Vt=0.96 m/s，小于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11]。

在煙囪倒塌落地撞擊地面的位置鋪墊一層大于50 cm(近煙囪處50 cm厚、煙囪中部及頂部落地處100 cm厚)的粉煤灰或沙土，并每隔40 m用土袋或煤灰渣袋壘筑一定長度和高度的緩沖墻，并在緩沖墻上部壘三層裝滿細(xì)土的土袋或鋪滿三層草簾，緩沖墻長為煙囪寬的1.2～1.3倍，高約4 m，寬約3 m，以便減輕或避免煙囪落地撞擊振動和飛石的危害，如圖5所示。

3.3 飛石距離校核及校核飛石防護(hù)

拆除爆破中飛石傷人、損物的事故也偶有發(fā)生，對爆破飛石范圍進(jìn)行校核能更好的劃定警戒范圍，由下式進(jìn)行計(jì)算[13]

Lf=70q0.53

(9)

式中：Lf為無阻飛石的最大飛散距離，m；q為炸藥單耗，kg/m3。

計(jì)算得Lf=87 m，因此在300 m的警戒范圍外是安全的。

(1)裝藥前測量炮孔尺寸，保證炮孔深度、實(shí)際抵抗線不小于設(shè)計(jì)值。

(2)加強(qiáng)填塞質(zhì)量，嚴(yán)格控制炸藥單耗。

(3)在爆破部位懸掛2～3層竹笆、草袋等。

(4)警戒人員佩戴安全帽在安全警戒線以外作業(yè)。

4 數(shù)值模擬仿真

4.1 模型建立

采用LS-DYNA軟件對該煙囪的爆破倒塌過程進(jìn)行數(shù)值模擬，為更好反映煙囪的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，選取分離式共節(jié)點(diǎn)模型，材料類型選擇為：采用LS-DYNA單元庫中的beam161單元、solid164單元分別對鋼筋、混凝土建立三維模型，鋼筋和混凝土本構(gòu)模型均采用經(jīng)典塑性隨動模型* MAT_PLASTIC_KINEMATIC*，地面采用solid164單元，并配用* MAT_ PIECEWISE _ LINEAR _ PLASTICITY * 材料定義本構(gòu)關(guān)系[14]，鋼筋、混凝土主要參數(shù)見表3，采用kg-m-s單位制建立1∶1的模型。

表3 模型參數(shù)設(shè)定Table 3 Material parameters

4.2 仿真結(jié)果與分析

(1)倒塌過程

在t=0時爆炸形成缺口，由于重力作用，缺口處保留的筒體被部分壓碎，在傾倒力矩的作用下煙囪開始加速傾斜，至起爆后11 s時最終整體觸地，整個倒塌過程如圖6所示。

(2)煙囪頂部的速度及位移

為進(jìn)一步研究煙囪倒塌過程中的位移、速度規(guī)律，在模型中取煙囪頂部倒塌方向上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，在LS-PrePost軟件中分別導(dǎo)出該點(diǎn)倒塌方向(X)、豎直方向(Y)的位移、速度隨時間變化的數(shù)據(jù)，由Origin軟件繪圖如圖7。

由圖7可知：剛起爆后，煙囪頂部位移變化不大；在2～4 s時Y方向位移增長加快，說明煙囪出現(xiàn)了短暫的下坐現(xiàn)象，同時在X方向也向設(shè)計(jì)的倒塌方向發(fā)生了傾斜；在11 s時，X、Y方向位移均達(dá)到最大值分別為119 、99 m，即11 s時煙囪倒塌觸地；則，煙囪原高度：落地后長度=100∶119=1∶1.19，煙囪倒地后只發(fā)生了很小的前沖。

由圖8可知：起爆后0～4 s時，煙囪頂部速度變化不大；4～11 s時，隨著重力的作用Y方向速度不斷增大至22.8 m/s后觸地，而X方向速度先增大至9.4 m/s后因結(jié)構(gòu)完整的煙囪筒身牽制作用，該點(diǎn)X方向速度急劇降低至趨近0；在整個倒塌過程中，雖然X方向速度出現(xiàn)了先增后減的現(xiàn)象，但通過X、Y方向矢量和速度曲線可知，煙囪頂部是逐漸加速至觸地倒塌，觸地時矢量和速度與Y方向速度接近。

(3)地面振動速度

提取煙囪倒塌方向上100 m處地面振動速度進(jìn)行分析，由圖9可知該位置的振動主要可以分為兩個階段：第一階段為爆炸及煙囪在重力和彎矩共同作用中自身下坐、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動，第二階段為煙囪傾倒觸地時對地面強(qiáng)大沖擊形成的坍落振動。

倒塌方向上100 m處地面上各階段的振動速度數(shù)值如表4，可知在煙囪拆除中坍落振動比爆破振動持續(xù)的時間長、振動幅度大，因此在進(jìn)行煙囪爆破拆除設(shè)計(jì)時振動的校核以及施工過程振動防護(hù)措施的選擇中坍落振動不容小覷。

表4 地面振動速度Table 4 Ground vibration speed

5 爆后效果

起爆后煙囪靜止約1 s隨即發(fā)生傾倒，11 s后全部落地。倒塌過程中發(fā)生輕微下坐現(xiàn)象，倒塌方向與設(shè)計(jì)方向基本一致。如圖10，煙囪觸地后筒身破碎解體，數(shù)值仿真模擬倒塌過程(圖6)與實(shí)際倒塌過程(圖10)基本一致。倒塌后濺起的飛散物距倒塌中心線不遠(yuǎn)，未發(fā)現(xiàn)拒爆藥包，防護(hù)措施達(dá)到預(yù)想效果，未對周圍建筑物及人員造成影響，爆破施工達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)語

通過對高煙囪的爆破拆除進(jìn)行分析計(jì)算及數(shù)值模擬，提出切實(shí)可行的爆破方案，安全高效的實(shí)施了定向爆破拆除，可供類似工程參考。

切口設(shè)計(jì)時，應(yīng)選擇合適的切口位置、形狀、高度、角度和其他幾何參數(shù)。本工程中，切口圓心角可適當(dāng)減小，減少爆破后煙囪下坐。

對高煙囪實(shí)施定向爆破拆除時，為降低一次爆破的上推力和爆破振動，宜采用分段起爆的方法，保證每次爆破范圍關(guān)于倒塌中心線對稱，中間先爆，兩側(cè)滯后。

通過數(shù)值仿真模擬技術(shù)能很好的預(yù)測煙囪倒塌的過程，可為實(shí)際施工提供參考。

煙囪爆破拆除中坍落振動比爆破振動危害更大。對高聳建筑物拆除時，應(yīng)仔細(xì)勘查嚴(yán)格按照預(yù)定設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工，杜絕臨時調(diào)整。