復(fù)雜環(huán)境下108 m高造粒塔定向控制拆除爆破

薛克軍,胡坤倫，楊 輝，夏治園，韓體飛，李 毅，宋凡平

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽雷鳴科化股份有限公司，安徽 淮北 235042)

為適應(yīng)新的生產(chǎn)工藝的要求，各個(gè)傳統(tǒng)的化工企業(yè)也開始升級產(chǎn)品線。但是，往往在升級的過程中遺留下來的老舊且高聳的各種反應(yīng)器、工業(yè)爐難以處理，在拆除這類高聳建筑物時(shí)，定向控制爆破以其安全、快捷的特點(diǎn)發(fā)揮了巨大的作用。但此類建筑物周圍往往有大量廠房和其他有用的生產(chǎn)設(shè)施，使得待拆除建筑物周圍的拆除爆破環(huán)境十分復(fù)雜，這對定向控制拆除爆破的技術(shù)細(xì)節(jié)有了更加苛刻的要求。因此，在實(shí)際拆除之前，結(jié)合相關(guān)的數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，力求爆破參數(shù)更加合理，將爆破危害程度降到最低[1]。

1 工程概況及技術(shù)難點(diǎn)

1.1 造粒塔概況

造粒塔為圓筒形框架結(jié)構(gòu)和長方體(樓梯、電梯間)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的異形結(jié)構(gòu)(見圖1)，總高108 m，筒身采用標(biāo)號300的混凝土澆筑而成，外徑19 m，內(nèi)徑18 m，壁厚0.5 m。筒體西側(cè)凸出一塊壁厚0.3 m，長10 m，寬8.495 m的剪力墻結(jié)構(gòu)樓梯電梯間。其中電梯間為2.25 m×2.25 m的正方體剪力墻結(jié)構(gòu)，壁厚分別為0.3 m和0.2 m，樓梯為鋼混結(jié)構(gòu)。

圖1 造粒塔

1.2 周邊環(huán)境

造粒塔周圍環(huán)境復(fù)雜(見圖2)，東北側(cè)140 m和北側(cè)210 m處分別為車間1和車間2；東側(cè)163 m處為車間3，200 m處為一氫氣罐放置地，若泄露十分危險(xiǎn)；東南側(cè)有一氣體管道，從東南側(cè)貫穿整個(gè)東北側(cè)，里面含有危險(xiǎn)氣體，距造粒塔最近處僅有17 m；南側(cè)24 m處有一10 kV高壓線路；西側(cè)90 m處為車間4。爆區(qū)環(huán)境對倒塌方向精度要求極高。

圖2 造粒塔周圍環(huán)境

1.3 工程技術(shù)難點(diǎn)

1)造粒塔高而且重，高徑比為5.7，下落勢能大，傾倒觸地的沖量大。

2)周邊建(構(gòu))筑物及設(shè)備設(shè)施等保護(hù)目標(biāo)眾多、且距離近，對爆破振動(dòng)、爆破飛石等有害效應(yīng)控制要求高。

3)待拆造粒塔處于廠區(qū)，施工過程不得影響廠區(qū)的正常生產(chǎn)。

2 爆破技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)及預(yù)處理

2.1.1 爆破方案總體設(shè)計(jì)

依據(jù)“開窗口、斷鋼筋、余留支撐板塊”以及“多打孔、少裝藥、適度破壞”的原則，根據(jù)該造粒塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和周圍環(huán)境條件，確定采用定向倒塌拆除爆破。倒塌方向北偏西6°，采用孔內(nèi)、孔外延時(shí)起爆技術(shù)，降低爆破振動(dòng)對周圍環(huán)境的影響。為了減緩造粒塔倒塌觸地振動(dòng)，設(shè)置多道緩沖土堤壩。

2.1.2 預(yù)處理

將造粒塔傾倒方向正前方的建(構(gòu))筑物全部拆除，電梯井與塔體間腋角分離，切除連接槽鋼，人工風(fēng)鎬分離連接混凝土并切除鋼筋。用機(jī)械臂開鑿造粒塔爆破切口兩側(cè)的定向窗和傾倒方向的定向槽，然后用風(fēng)鎬修整到設(shè)計(jì)尺寸?？紤]到0～9.575 m之間有出料斗，確定在倒塌方向的筒壁開鑿高7.5 m、寬2 m的減荷槽，用機(jī)械臂進(jìn)入對出料斗進(jìn)行機(jī)械拆除。

2.2 爆破切口設(shè)計(jì)

根據(jù)造粒塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的切口形狀為梯形。梯形底部用風(fēng)鎬開2個(gè)小角度定向窗，鑒于實(shí)際施工可行性[2]，定向角度設(shè)計(jì)為30°，根據(jù)確定的切口形狀，定向窗為三角形，三角形底邊長為2 m。

2.2.1 切口長度

根據(jù)筒形結(jié)構(gòu)抗壓不抗彎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，長度取該處周長的3/5，切口長度按下式確定[3]：

(1)

式中：L為爆破切口弧長，m；D為造粒塔切口處外徑，D=19 m。計(jì)算得到L=35.8 m。

2.2.2 切口高度

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，切口高度按下式計(jì)算[4]：

(2)

且切口高度應(yīng)滿足切口理論計(jì)算公式[5]：

(3)

式中：h為爆破切口高度，m；Hc為構(gòu)筑物重心高度，Hc=54.3 m；R為爆破切口截面外半徑，m；θ為爆破切口支撐截面半圓心角，θ=30°。

計(jì)算得到切口高度3.16～4.75 m。但因切口處有一門洞，高度約為6 m左右，以此高度為基準(zhǔn)，依據(jù)現(xiàn)場施工需求和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，一般切口高度取理論計(jì)算的1.5倍以上，且較大的切口有利于爆后切口內(nèi)混凝土脫離鋼筋，不至于阻礙傾倒鉸支的順利形成，最終切口高度定為7 m，滿足理論公式[6]。

2.2.3 重心偏移距離校核

造粒塔在重力矩作用下偏轉(zhuǎn)，當(dāng)切口上、下沿閉合時(shí)，重心偏移距離計(jì)算如下[7]：

S=Hctgθ

(4)

式中：S為重心偏移距離，m。

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得到重心偏移距離為31.4 m。計(jì)算說明造粒塔在傾倒閉合時(shí)，其重心高出底部半徑。爆破切口如圖3所示。

圖3 爆破切口

2.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)確定如下：由于壁厚δ=0.5 m，根據(jù)實(shí)際情況最小抵抗線W=0.25 m；炮孔深度L=(3/5～2/3)δ，因此L=0.3～0.33 m，根據(jù)實(shí)際情況取L=0.33 m；炮孔間距a=(1.0～1.8)W，因此a=0.25～0.45 m，根據(jù)實(shí)際情況取a=0.4 m；炮孔排距b=(0.87～1.0)a，因此b=0.38～0.4 m，根據(jù)實(shí)際情況取b=0.38 m。

2.3.2 裝藥量設(shè)計(jì)

鉆孔孔徑為40 mm，單孔藥量由以下公式計(jì)算[8]：

Q=qaδL

(5)

式中：Q為單孔裝藥量，kg；q為單位體積炸藥消耗量，kg/m3。

根據(jù)公式計(jì)算，造粒塔爆破孔網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 造粒塔筒壁孔網(wǎng)參數(shù)

2.3.3 總裝藥量計(jì)算

炮孔布置在爆破切口范圍內(nèi)，方向朝向造粒塔中心，相鄰排間炮孔采用梅花形布孔[9], 爆破切口布設(shè)13排炮孔，共553個(gè)炮孔，總裝藥量為110.6 kg。

2.4 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

為控制齊發(fā)最大裝藥量，降低爆破振動(dòng)帶來的影響，采用孔內(nèi)高段別，孔外延時(shí)起爆技術(shù)。由傾倒中心線開始，將造粒塔爆破切口分為4個(gè)爆破區(qū)域。其中1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)(樓電梯間)分別采用孔外MS1、MS3、MS5、MS7簇并聯(lián)，孔內(nèi)采用雙發(fā)MS10雷管。切口布孔和爆區(qū)如圖4所示。

圖4 切口布孔和爆區(qū)

3 爆破安全校核與防護(hù)措施

3.1 爆破振動(dòng)計(jì)算

為避免爆炸能量釋放過于集中，在炮孔設(shè)計(jì)上采用多鉆孔、少裝藥和延時(shí)起爆技術(shù)，使爆炸能量均衡釋放、爆炸荷載均勻分布，減少單段最大藥量[10]。

根據(jù)爆破對象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和需要保護(hù)目標(biāo)的情況，分析計(jì)算、校核最大一段齊爆藥量。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度采用薩道夫斯基爆破振動(dòng)速度預(yù)測計(jì)算公式[11]：

(6)

式中：Q為單段最大藥量，kg；R為保護(hù)目標(biāo)到爆點(diǎn)之間的距離，m；v為允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；k為與爆破地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，取100；k′為爆破振動(dòng)衰減系數(shù)，取0.3；α為地震波衰減指數(shù)，取α=1.6。

造粒塔拆除爆破時(shí)單段最大藥量不超過38.9 kg，最大處爆破振動(dòng)為管道處的2.27 cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)中規(guī)定的3 cm/s的爆破安全振動(dòng)速度。計(jì)算結(jié)果表明，爆破振動(dòng)效應(yīng)不會(huì)對周圍建筑和設(shè)施產(chǎn)生影響。

3.2 塌落振動(dòng)計(jì)算

根據(jù)中國科學(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[12]:

(7)

式中：vt為塌落引起的振動(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)件高度，m；R為觀測點(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；β為塌落振動(dòng)速度衰減指數(shù)，取-1.8；kt為塌落振動(dòng)速度衰減系數(shù)，取3.37。

根據(jù)造粒塔實(shí)際尺寸估算出其質(zhì)量約為8 000 t，由現(xiàn)場環(huán)境可知沖擊地面中心距離最近廠房4的距離大約在90 m左右。且在造粒塔倒塌方向上，每隔10 m距離開挖溝槽，設(shè)置減振土墻，塌落振動(dòng)將明顯減小，塌落振動(dòng)速度公式中衰減系數(shù)kt僅為原狀地面的1/4～1/3，則此時(shí)塌落振動(dòng)僅為1.26 cm/s，遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)，周圍建筑安全。

3.3 爆破飛石距離計(jì)算

在無任何防護(hù)措施條件下，拆除爆破飛石可采用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[13]：

Rmax=70k0.58

(8)

式中：Rmax為個(gè)別飛石最大距離，m；k為炸藥單耗，kg/m3。

計(jì)算得到個(gè)別飛石最大距離為110.5 m。實(shí)際工程中鉆孔部位，通過采用2層土工格柵、5層密目安全網(wǎng)對筒體實(shí)施覆蓋包裹，同時(shí)采用2層6針防曬網(wǎng)對爆破切口進(jìn)行懸掛防護(hù)。以往的工程實(shí)踐表明，通過以上措施，可以將爆破飛石的飛散距離大部分控制在15 m以內(nèi)，對周圍保護(hù)目標(biāo)不會(huì)造成危害。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

造粒塔采用整體式建模法，即把鋼筋混凝土材料視為單一均勻的材料，用ANSYS/LS-DYNA軟件按照1∶1的比例進(jìn)行建模(見圖5)。造粒塔整體使用SOLID164實(shí)體單元，*MAT_BILINEAR_ISOTROPIC 材料模型，地面材料設(shè)置為剛體。造粒塔采用單元失效模擬炸藥爆炸后形成的切口，隨后在重力作用下造粒塔開始失去穩(wěn)定性并向一邊傾倒。造粒塔傾倒過程中各種接觸碰撞擁有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，所以此次模擬以AUTO_SINGLE_SURFACE為接觸方式[14]。

圖5 造粒塔模型

4.2 模擬結(jié)果與分析

4.2.1 模擬倒塌過程

爆破切口在t=0.1 s時(shí)形成，由于造粒塔自身重力較大，在重力傾覆力矩的作用下開始倒塌，在10.2 s時(shí)，造粒塔完全倒塌，由于造粒塔材料強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)整體性較好，倒塌后并沒有出現(xiàn)較大的解體現(xiàn)象，因此爆堆長度與造粒塔本身高度接近，倒塌方向預(yù)留空間足夠。在整個(gè)過程中，可以觀察到造粒塔底部支撐的應(yīng)力狀態(tài)，有很強(qiáng)的壓、拉現(xiàn)象，但是并沒有出現(xiàn)明顯的后坐現(xiàn)象。模擬倒塌過程如圖6所示。

圖6 模擬倒塌過程

4.2.2 造粒塔頂部速度及位移

通過分析造粒塔頂部關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移，可以進(jìn)一步判斷出造粒塔在倒塌過程中是否出現(xiàn)偏移和后坐[15-17]。節(jié)點(diǎn)的位移和速度如圖7、圖8所示。

由圖7可以看出，該節(jié)點(diǎn)在z(豎直方向)方向和y(倒塌方向)方向的位移長度均在108 m左右，說明其倒塌效果充分；同時(shí)在x方向位移幾乎為0，可以看出倒塌時(shí)幾乎沒有出現(xiàn)偏差角度。

由圖8可知，在爆破切口形成時(shí)，頂點(diǎn)的速度逐漸增大，最大達(dá)到47.4 m/s，而后在觸地瞬間速度快速減為0左右。倒塌期間，并沒有出現(xiàn)明顯的速度突然變化，說明造粒塔底部支撐足夠，沒有出現(xiàn)下坐現(xiàn)象。由以上模擬結(jié)果表明該造粒塔倒塌的方案是可行的，倒塌效果良好。

圖7 節(jié)點(diǎn)x、y、z方向位移

圖8 節(jié)點(diǎn)z方向速度

4.3 與實(shí)際倒塌效果對比

通過倒塌實(shí)際形態(tài)圖和數(shù)值模擬形態(tài)的對比(見圖9)，我們發(fā)現(xiàn)倒塌后造粒塔整體結(jié)構(gòu)較為完整，且在近似時(shí)刻造粒塔空中倒塌姿態(tài)和實(shí)際倒塌姿態(tài)幾乎一致，進(jìn)一步說明了模擬對工程實(shí)踐的指導(dǎo)意義。

圖9 倒塌實(shí)際形態(tài)和數(shù)值模擬形態(tài)對比

5 結(jié)語

1)依據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)際情況，造粒塔采用了7 m的切口高度來保證倒塌效果；同時(shí)切口部分由于存在出料口，在爆破之前，也進(jìn)行了大量預(yù)處理工作，保證了爆破時(shí)切口的形成。

2)模擬結(jié)果顯示，造粒塔頂部關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移在z(豎直方向)方向和y(倒塌方向)方向的位移長度均在108 m左右，說明其倒塌效果充分；在x方向位移幾乎為0，可以看出倒塌時(shí)幾乎沒有出現(xiàn)偏差角度；同時(shí)該節(jié)點(diǎn)速度最大達(dá)到47.4 m/s，倒塌期間，并沒有出現(xiàn)明顯的速度突躍，說明造粒塔底部支撐足夠；由于造粒塔材料強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)整體性較好，倒塌后未出現(xiàn)較大的解體現(xiàn)象，爆堆長度與造粒塔本身高度基本一致。

3)造粒塔實(shí)際倒塌形態(tài)和模擬形態(tài)幾乎一致，證明該爆破方案設(shè)計(jì)合理；從實(shí)際倒塌結(jié)果來看，也證明了模擬對于工程實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。本次模擬采用的材料模型和接觸方式可以很好的模擬出倒塌效果，但相關(guān)參數(shù)仍需繼續(xù)優(yōu)化。