120 m 高鋼內(nèi)筒鋼混煙囪爆破拆除技術(shù)?

李 飛 孫 飛 顧 云 劉 迪 劉勤杰 劉 新

核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司(江蘇南京，211102)

引言

作為一種快速拆除樓房、煙囪、冷卻塔等高聳建(構(gòu))筑物行之有效的手段，爆破為我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)做出了突出的貢獻(xiàn)。 對(duì)于煙囪而言，目前常見的爆破結(jié)構(gòu)主要為磚結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土(鋼混)結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)等。 雖然煙囪爆破已積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于鋼內(nèi)筒鋼混煙囪而言，由于其自身綜合了鋼混煙囪與鋼結(jié)構(gòu)煙囪兩者的結(jié)構(gòu)特征，它的爆破拆除與已往的煙囪爆破工程有所不同。 對(duì)其爆破拆除時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，全面分析其結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)處理及爆破參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，這對(duì)現(xiàn)有爆破技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

該鋼內(nèi)筒鋼混煙囪控制爆破拆除工程位于江蘇省南通市海安市。因原場(chǎng)地用途調(diào)整，需對(duì)電廠內(nèi)建(構(gòu))筑物進(jìn)行整體拆除。場(chǎng)地內(nèi)建有一座高度120 m的鋼內(nèi)筒鋼混煙囪。其中，鋼混筒身高度120 m，鋼內(nèi)筒高度123 m。 為確保拆除施工的安全，經(jīng)綜合對(duì)比，決定采取控制爆破方法對(duì)該煙囪進(jìn)行拆除。 煙囪的具體情況見圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Site map

1.2 工程環(huán)境

爆破環(huán)境(圖2)如下:東側(cè)距離建材公司最近處約58 m，距離某飼料公司最近處約81 m；南側(cè)距離場(chǎng)地內(nèi)待拆鍋爐房最近處約60 m，距離場(chǎng)地內(nèi)待拆配電房最近處約126 m；西側(cè)距離立新河最近約117 m；北側(cè)距離廢棄電塔最近約106 m；倒塌方向距離通揚(yáng)運(yùn)河(已斷航)最近約140 m。

圖2 工程環(huán)境圖(單位:m)Fig.2 Engineering environment map(unit:m)

2 結(jié)構(gòu)特征及總體爆破方案

2.1 結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 鋼混煙囪結(jié)構(gòu)特征

待拆煙囪鋼混筒體由筒壁構(gòu)成，無隔熱層和內(nèi)襯，總質(zhì)量約2 000 t。 筒壁底部外徑10.55 m，內(nèi)徑為9.75 m；頂部外徑為4.10 m，內(nèi)徑為3.70 m。 筒體按一定斜率自底部至頂部漸變，筒壁混凝土標(biāo)號(hào)為C30。 筒壁配筋分為環(huán)向配筋和豎向配筋。 煙囪底部外側(cè)環(huán)向配筋為?16 mm，間距200 mm；內(nèi)側(cè)環(huán)向配筋為?14 mm，間距200 mm；底部外側(cè)豎向配筋為?16 mm；內(nèi)側(cè)豎向配筋為?14 mm；保護(hù)層30 mm。

煙囪底部共開設(shè)3 個(gè)孔洞；其中，1 個(gè)根部人孔，2 個(gè)煙道孔。 2 個(gè)煙道孔夾角180°，沿根部人孔兩側(cè)對(duì)稱，見圖3。 根部人孔底部標(biāo)高+0.00 m，寬1.50 m、高2.40 m，該處壁厚 0.40 m。 2 個(gè)煙道口底部標(biāo)高均為+4.30 m，寬2.20 m，高4.70 m，壁厚0.40 m。

圖3 底部人孔及煙道孔相對(duì)位置Fig.3 Relative position of manhole and flue hole at bottom

煙囪筒壁內(nèi)側(cè)標(biāo)高+1.65 ～+2.90 m 處設(shè)置有牛腿，牛腿高1.25 m，牛腿上部砌筑0.90 m 高磚砌體，見圖4。

圖4 牛腿現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 Field map of corbel

2.1.2 鋼內(nèi)筒結(jié)構(gòu)特征

鋼內(nèi)筒采用鈦鋼復(fù)合板，Q235B 鋼板(基材)厚度為 10 mm(40 m 以上)和 12 mm(40 m 以下)，內(nèi)筒內(nèi)徑為3.2 m，外筒設(shè)有厚度不小于80 mm 的防腐保溫層，外護(hù)板為厚度不小于0.4 mm 的彩鋼板。內(nèi)筒全高設(shè)置環(huán)向加勁肋，間距為4.8 m，加勁角鋼采用 L75 ×75 ×6，總質(zhì)量約105 t。 煙囪筒壁內(nèi)側(cè)與鋼內(nèi)筒之間分別在120、75、25 m 高度處設(shè)置平臺(tái)，平臺(tái)處均設(shè)置止晃裝置。

其中，25 m 平臺(tái)作為檢測(cè)和維修平臺(tái)，同時(shí)也是直爬梯的起點(diǎn)，采用三角槽鋼作為支撐，在內(nèi)筒周邊形成1 m 寬的平臺(tái)，上鋪鋼格柵。

煙囪內(nèi)部25 m 以下為環(huán)煙囪壁的鋼爬梯，25 m以上到75 m 平臺(tái)為直爬梯。 環(huán)形爬梯采用04J401鋼梯圖集內(nèi)T4B07C-30，鋼梯角度為45°，每上升3 m 設(shè)置一個(gè)平臺(tái)，沿內(nèi)筒壁環(huán)形上升，到達(dá)25 m 處為止。 直爬梯寬700 mm，外設(shè)護(hù)籠，每5 m 設(shè)置休息平臺(tái)。

圖5 為25 m 平臺(tái)的平面圖。

圖5 25m 平臺(tái)平面布置圖Fig.5 Layout plan of 25 m platform

圖6 為鋼內(nèi)筒的底部現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖6 鋼內(nèi)筒底部現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.6 Site drawing of the bottom of steel inner cylinder

2.2 總體爆破方案

煙囪整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，綜合分析經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)后，確定采用定向倒塌爆破方案；定向倒塌后，再采用機(jī)械方法破碎解體[1-3]。 根據(jù)四周環(huán)境情況，結(jié)合煙囪自身結(jié)構(gòu)特征，為確保周邊建筑物的安全和煙囪充分解體，采用向北偏西29°方向定向倒塌的方式，即沿?zé)焽柚行闹粮咳丝籽娱L(zhǎng)線方向倒塌，如圖2 所示。

3 爆破切口參數(shù)選取

根據(jù)煙囪特定位置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、爆破環(huán)境和工程要求，確保定向準(zhǔn)確、施工方便和減少藥孔數(shù)量，采用底部低位切口。 切口高度為標(biāo)高±0.00 m 以上0.50 m；此外，筒壁外徑R=5.21 m。 切口采用正梯形[4-6]。 切口形式及位置見圖7，傾斜角約為26°。

圖7 爆破切口示意圖(單位:m)Fig.7 Schematic diagram of blasting cut (unit:m)

3.1 爆破切口圓心角α

根據(jù)煙囪自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際受力情況，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式

切口對(duì)應(yīng)的圓心角α為220°。 則切口長(zhǎng)度為:Lp=(α/360)2πR=(220/360)×2 × 3.14 × 5.21 =20.0 m。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，切口上沿長(zhǎng)度取14.5 m。

3.2 爆破切口高度Hp 的選取及校核

對(duì)鋼混煙囪而言，切口形成后，切口內(nèi)裸露的豎向鋼筋必須失穩(wěn)。 同時(shí)，還應(yīng)使煙囪在傾倒至較大角度時(shí)，切口的上、下沿才閉合相撞，防止相撞時(shí)傾倒方向發(fā)生偏離[5-8]。 筒體傾倒至爆破切口閉合時(shí)，重心位置應(yīng)偏移到切口標(biāo)高處筒壁范圍以外。 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，則

式中:Hp為切口高度，m；D為切口處的直徑，m。

按照式(2)計(jì)算，煙囪的最大切口高度為Hp=1.76 ～2.64 m；根據(jù)實(shí)際情況及計(jì)算結(jié)果綜合考慮，切口總高度取2.50 m。

3.3 切口閉合時(shí)煙囪重心偏移距離的校核

爆破切口閉合時(shí)，煙囪的重心必須偏移至煙囪筒體以外才能保證其可靠?jī)A倒。

爆破切口的閉合角β為

式中:Hp為爆破切口高度；R、r分別為煙囪底部的外徑、內(nèi)徑；α1=220°。 將煙囪的參數(shù)代入式(3)，得β=19.8°。

閉合后，煙囪的重心偏移距離x為

式中:ZC為煙囪相對(duì)爆破切口位置的重心高度，取48 m。 將煙囪的參數(shù)代入式(4)，得x=16.08 m；煙囪重心偏移至筒壁以外的量為x-R=10.80 m。

通過計(jì)算可以看出，煙囪的重心完全能夠移至筒壁以外。 因此，爆破切口高度的設(shè)計(jì)是合理的。

4 預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)

為減小一次齊爆藥量，降低爆破規(guī)模，提高爆破安全性，使煙囪沿預(yù)定方向順利坍塌并形成良好的破碎效果，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，進(jìn)行預(yù)處理。

4.1 鋼混筒體預(yù)處理

1)輔助導(dǎo)向窗開設(shè)位置及尺寸。 爆破前應(yīng)在切口范圍內(nèi)預(yù)先切除一部分，以提高煙囪傾倒的可靠性。 根據(jù)待爆破拆除煙囪的結(jié)構(gòu)特征，在切口中心線位置，以根部人孔為基礎(chǔ)開設(shè)輔助導(dǎo)向窗，輔助導(dǎo)向窗底部標(biāo)高+0.00 m、高3.00 m、寬3.00 m。使用氧割將輔助導(dǎo)向窗洞口內(nèi)的鋼筋隔斷，見圖8。

圖8 鋼混煙囪筒體預(yù)處理展開圖(單位:m)Fig.8 Pretreatment development of reinforced concrete chimney (unit:m)

2)定向窗開設(shè)位置及尺寸。 煙囪切口爆破前，在對(duì)稱于傾倒軸線的切口兩側(cè)開設(shè)定向窗，定向窗寬1.50 m。 為保證定向窗開設(shè)方向準(zhǔn)確及邊沿整齊，爆破前先標(biāo)定切口位置，后使用水鉆鉆割定向窗，見圖8。

3)爬梯和避雷針在缺口內(nèi)的部分全部割斷。

4.2 鋼內(nèi)筒預(yù)處理

1)為避免爆破時(shí)鋼內(nèi)筒底部附屬的旋轉(zhuǎn)內(nèi)梯影響煙囪順利倒塌，在爆破前，須將首層檢查維修平臺(tái)以下鋼內(nèi)筒的所有附屬構(gòu)件切割解體，并清運(yùn)出煙囪。

2)為避免爆破過程中鋼內(nèi)筒對(duì)鋼混筒體產(chǎn)生反向支撐等不利現(xiàn)象，確保鋼內(nèi)筒能隨著鋼混結(jié)構(gòu)筒體沿預(yù)定方向一同順利倒塌，在鋼內(nèi)筒根部以上0.5 m 處開設(shè)圓心角270°、高1.2 m 的正梯形切口。切口下沿弧長(zhǎng)7.5 m，定位角45°，切口內(nèi)沿切口中心線對(duì)稱預(yù)留3 條0.3 m 寬的部分作支撐，切口中心線與煙囪切口中心線一致，具體尺寸見圖9。

圖9 鋼內(nèi)筒根部預(yù)處理尺寸圖(單位:m)Fig.9 Pretreatment dimension drawing of the root of steel inner cylinder

3)爆破前，為避免鋼內(nèi)筒底部預(yù)處理切口部位因自重發(fā)生屈服下坐等不利現(xiàn)象，在首層檢查維修平臺(tái)處增加鋼混筒體與鋼內(nèi)筒的整體性約束。 具體施工工序如下:

在首層平臺(tái)上部鋼內(nèi)筒0. 5 m 處，將規(guī)格20 cm×20 cm×1 cm 的鋼板焊接至筒體外側(cè)同一標(biāo)高的圓周上，共焊接4 塊，每塊間隔54°，待焊接牢固后，在鋼板上焊接用于系掛鋼絲繩的連接環(huán)；

使用水鉆在鋼混筒體內(nèi)側(cè)相應(yīng)位置鉆設(shè)通孔，鉆設(shè)水平位置較鋼內(nèi)筒焊接位置高1.5 m；

使用6 股?10 mm 的鋼絲繩，一端系掛于鋼內(nèi)筒外側(cè)焊接的連接環(huán)上，另一端套上套筒，穿過煙囪筒壁上的鉆孔，采用實(shí)心鐵柱固定于筒壁外側(cè)；

使用張緊設(shè)備對(duì)4 條6 股鋼絲繩進(jìn)行張緊力調(diào)試，確保4 條鋼絲繩受力均勻。 詳見圖10。

5 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 筒體爆破切口參數(shù)確定

圖10 鋼混煙囪與鋼內(nèi)筒整體性約束示意圖(單位:m)Fig.10 Schematic diagram of integral constraint between reinforced concrete chimney and steel inner cylinder(unit:m)

最小抵抗線W取切口處煙囪壁厚δ的一半，即W=δ/2；藥孔間距a =1.5～1.8W，取0.35m；藥孔排距b=(0.85～1.00)a，取0.35 m；藥孔孔深L =(0.67 ～0.70)δ，取0.28 m(磚砌體及牛腿處適當(dāng)取大)；單孔藥量Q1=qabδ，g；q為單位體積耗藥量(單耗)，kg/m3，鋼筋混凝土一般取1.5 ～2.0 kg/m3。筒體爆炸部位平面展開見圖11。

圖11 筒體爆破部位平面展開圖(單位:m)Fig.11 Expanded plan of the blasting position of cylinder (unit:m)

5.2 鋼內(nèi)筒爆破切口參數(shù)確定

在鋼內(nèi)筒預(yù)處理窗口之間預(yù)留3 段0.3 cm 寬的部分的中間位置，各放置一列?32 mm 的乳化炸藥，與鋼混筒體切口裝藥同時(shí)起爆，確保爆破時(shí)放置炸藥部分發(fā)生屈服，使鋼內(nèi)筒能夠隨著鋼混筒體沿著預(yù)定方向順利倒塌，裝藥位置見圖12。

圖12 鋼內(nèi)筒爆破部位平面展開圖(單位:m)Fig.12 Expanded plan of the blasting position of steel inner cylinder (unit:m)

該筒體爆破切口的裝藥參數(shù)見表1。 鋼內(nèi)筒爆破切口共使用90 cm 長(zhǎng)的?32 mm 乳化炸藥，按10 g/cm 計(jì)算，共需乳化炸藥0.9 kg。 筒體及鋼內(nèi)筒裝藥量共計(jì)39.2 kg，雷管數(shù)量400 發(fā)。

5.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

考慮到廠區(qū)內(nèi)雜散電流及射頻電干擾等原因，為確保起爆的安全可靠，采用導(dǎo)爆管毫秒延期雷管、導(dǎo)爆管及四通連接件組成的復(fù)合加強(qiáng)型起爆網(wǎng)路。另由于爆破總藥量小，且裝藥分散，結(jié)合待爆破煙囪自身的結(jié)構(gòu)特征，所有裝藥均采用3 段毫秒延期雷管，不分段一次齊爆。

表1 爆破參數(shù)Tab.1 Blasting parameters

6 爆破效果

起爆5 s 后，煙囪開始邊下坐、邊朝預(yù)定方向緩慢傾倒；第6 s 后，下坐完成，此時(shí)，煙囪筒體重心已偏離出煙囪底部，繼續(xù)朝預(yù)定方向加速傾倒；12 s后，倒塌完畢。

爆破后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，煙囪筒體充分解體，鋼內(nèi)筒底部完全斷開，倒塌方向準(zhǔn)確無誤，周圍建(構(gòu))筑物完好無損，達(dá)到了預(yù)期的效果。

7 結(jié)論

1)針對(duì)本次爆破拆除的煙囪自身結(jié)構(gòu)的特殊性，通過在鋼內(nèi)筒底部沿倒塌方向開設(shè)預(yù)處理切口、在檢修平臺(tái)處將鋼混筒身與鋼內(nèi)筒使用鋼絲繩連接等手段，避免了鋼內(nèi)筒在實(shí)施爆破前筒壁屈服失效而發(fā)生危險(xiǎn)，同時(shí)也增強(qiáng)了爆破過程中鋼混筒體與鋼內(nèi)筒倒塌趨勢(shì)的一致性。 實(shí)踐證明，爆破過程中，鋼內(nèi)筒未對(duì)煙囪整體倒塌趨勢(shì)產(chǎn)生不利影響，倒塌方向與設(shè)計(jì)倒塌方向的偏差在3°以內(nèi)。 對(duì)類似工程在一定程度上具有指導(dǎo)意義。

2)本次爆破拆除煙囪為鋼內(nèi)筒鋼混煙囪，與常規(guī)鋼混煙囪相比，爆破難度高。 由于鋼內(nèi)筒的支撐作用，爆破后煙囪整體下坐發(fā)生時(shí)間較傳統(tǒng)鋼混煙囪延遲約3 s。 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，混凝土為脆性材料，煙囪爆破失穩(wěn)后，通常會(huì)發(fā)生下坐現(xiàn)象。 下坐完成之前這段時(shí)間是煙囪發(fā)生炸而不倒或偏離預(yù)定倒塌方向的關(guān)鍵時(shí)刻，鋼內(nèi)筒鋼混煙囪自起爆至下坐完成時(shí)間較長(zhǎng)，安全隱患概率較大，故對(duì)鋼內(nèi)筒鋼混煙囪的爆破參數(shù)須結(jié)合自身結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。