100 m高鋼混煙囪小倒塌夾角拆除爆破

李玉景，趙 文，張寶亮，倪吉倫，王付景

(貴州開源爆破工程有限公司，貴陽 551400)

對于高聳建構筑物的拆除工程，相比于人工拆除和機械拆除法而言，爆破法因其具有安全高效等優(yōu)點，而獲得廣泛的應用，尤其是煙囪的爆破拆除。盡管煙囪爆破拆除已經(jīng)是一項比較成熟的工程技術，但是由于每個煙囪的大小尺寸和結(jié)構及周邊環(huán)境都有巨大差異，實際施工時需要控制的風險點較多，因此采取的技術措施和風險防控手段有較大差別。這就要求在設計煙囪爆破拆除的方案時，要綜合考慮其自身結(jié)構和周邊環(huán)境，確定合理的傾倒方向、炸高和爆破切口的位置等。

對于煙囪拆除爆破的研究與實踐較多。余紅兵等[1]基于貴陽輪胎廠的煙囪爆破實踐，分析認為自身較重的鋼混煙囪切口圓心角可縮小至210°，以降低側(cè)翻后坐風險；張英才等[2]對240 m高鋼混煙囪爆破效果分析后認為，煙囪傾倒產(chǎn)生3.9°的小偏差是由于底部中心線一側(cè)支撐筒體長期受風化作用，強度變?nèi)鯇е轮尾蛔闼拢恍瞎馕涞萚3]在磚煙囪拆除時使用爆破方式開鑿定向窗，降低了勞動強度，縮短了開鑿時間；沈朝虎等[4]通過量綱分析和模擬試驗預測煙囪飛濺物距離，提出塌落場地為泥漿夾石時應特別注意鋼混煙囪引起的觸地飛濺問題；王宇等[5]以攝影結(jié)合應變測量技術探究了煙囪下坐和斷裂過程中的力學特征和破壞過程。根據(jù)大量施工經(jīng)驗和相關文獻[6-8]，鋼混煙囪拆除爆破常見的風險主要有倒塌過程上部筒體斷裂、倒塌角度偏移、觸地振動及飛濺物、筒體的前沖或后坐、薄壁小填塞引起的沖擊波等。

本文針對山東華金電廠100 m高危廢煙囪的復雜環(huán)境及其自身結(jié)構的復雜性，進行了爆破拆除方案設計，介紹了爆破拆除效果，并分析了倒塌方向偏轉(zhuǎn)3°及產(chǎn)生少量飛濺物的原因，可為同類煙囪的爆破拆除工程提供有益借鑒和重要參照。

1 工程概況

1.1 煙囪結(jié)構

待拆除煙囪為鋼筋混凝土建筑，建于20世紀90年代，高100 m，底部標高0.0 m處外徑8.0 m，頂部外徑3.32 m，下部壁厚0.35 m，下部1.2 m至橫梁底部標高2.50 m逐步加厚至0.80 m，下部0.00～2.50 m無內(nèi)襯及耐火磚、隔熱層，下部(2.5～10 m)隔熱層厚0.08 m，內(nèi)襯0.24 m。煙囪標高3.38 m處設有鋼灰斗，鋼灰斗由“井”字形橫梁支撐，橫梁寬40 cm、高70 cm，煙囪標高3.9 m處設有2個煙道口，煙道口寬2.0 m，高2.2 m，底部清灰口寬1.6 m、高1.8 m。煙囪筒體底部內(nèi)部縱筋、環(huán)筋分布較密，挑頭處為20@100，內(nèi)環(huán)筋為12@100，外環(huán)筋為20@150。

1.2 周邊環(huán)境

待拆除煙囪周邊環(huán)境復雜(見圖1)。其西側(cè)距廠房18 m，正北60 m為煤倉過道及發(fā)電機組、鍋爐房，東北側(cè)85 m處為保留廠房，正東側(cè)70 m處為冷卻塔，正南方向20 m處為保留廠房及架空管道，西南方向距離G327國道最近距離145 m。廠區(qū)內(nèi)煙囪附近地面均已硬化，部分區(qū)域地下有管線設施。

圖1 周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment

1.3 工程要求及難點

1.3.1 基本要求

爆破拆除不能破壞周圍建筑物主體結(jié)構，飛濺物不可損傷周邊設備、設施，不能傷害周圍人員，不可破壞地下管線設施。

1.3.2 工程難點

1)煙囪為薄壁高配筋率錐形筒體，結(jié)構具有較大的強度、較強的抗拉性能，不易鉆孔，炮孔填塞小，炸藥能量利用率低，易造成空氣沖擊波。

2)根據(jù)現(xiàn)場勘查，僅煙囪東偏北側(cè)區(qū)域可供倒塌，倒塌范圍夾角僅33°，而兩側(cè)建筑物至少應保留10 m以上的安全距離，實際可供倒塌的范圍夾角僅21°，因此需嚴格控制倒塌角度的精準性，將偏差控制在設計中心線兩側(cè)5°以內(nèi)。

3)煙囪煙道口、出灰口、灰斗架等底部結(jié)構在設計的傾倒中心線兩側(cè)不對稱，在切口形成后應力會重新分布，受力情況復雜，可能造成傾倒偏差。

2 爆破方案設計

2.1 倒塌方向選擇

設計倒塌中心線為東偏北22°，煙囪中心沿倒塌中心線距離東北側(cè)圍墻僅121 m，倒塌中心線距煙囪東側(cè)冷卻塔最近距離僅27 m(見圖2)。

圖2 倒塌區(qū)域衛(wèi)星圖Fig.2 Satellite view of collapse area

2.2 爆破切口設計

煙囪爆破切口的設計最為關鍵，其位置決定了煙囪的傾倒方向，其尺寸形狀決定了起爆后煙囪是否能按照設計進行倒塌。因此，切口的設計應遵循環(huán)境容許原則和結(jié)構對稱原則。在預處理時應盡可能使定向窗、卸荷槽(導向窗)沿倒塌中心軸線對稱，當在倒塌中心線方向無法實現(xiàn)底部結(jié)構對稱時，應根據(jù)煙囪定向拆除工程特點，結(jié)合周圍環(huán)境實際情況，選擇能夠滿足倒塌要求的方向，或搭設腳手架抬高切口高度，避開底部結(jié)構，也有工程使用相似材料配比封堵煙道口、檢修門洞，從而實現(xiàn)沿設計倒塌中心線對稱。

根據(jù)該煙囪結(jié)構特點，本工程選擇使用正梯形切口，為便于施工，切口位置設置于地面標高以上(見圖3～圖4)0.4 m處，切口高度2.8 m，切口對應的圓心角216°，底部弧長15.07 m，上部弧長11.87 m；同時充分考慮煙囪現(xiàn)有結(jié)構對稱性，利用底部現(xiàn)有檢修門洞(高1.80 m、寬1.60 m)作為一個導向窗(卸荷槽)，同時在倒塌中心線另一側(cè)對稱開鑿一個導向窗(卸荷槽)；兩側(cè)設直角三角形定向窗，直角邊尺寸1.6 m×0.92 m，定向窗外側(cè)同水平方向夾角約30°，定向窗距上部煙道口最小高差2.5 m。

圖3 爆破切口Fig.3 Blasting cut

圖4 切口展開Fig.4 Unfolded of blasting cut

2.3 灰斗架、內(nèi)襯耐火磚爆破設計

因煙囪底部標高2.50～3.38 m處有灰斗架及其支撐“井”字橫梁，在預處理時使用乙炔焊將灰斗切割拆除，對“井”字形橫梁，進行裝藥爆破弱化其結(jié)構強度，鉆孔布置如圖5所示，①～④位置處各鉆3排炮孔，每排2個，孔深0.60 m。底部標高2.5 m以下無內(nèi)襯及隔熱層，而切口標高在0.4～3.2 m，因此耐火磚、隔熱層可不做處理。

圖5 “井”字梁鉆孔布置Fig.5 Drilling layout of “#” beam

2.4 預處理

預處理主要為煙囪爬梯、灰斗、定向窗及卸荷槽的處理。煙囪爬梯采用乙炔焊配合吊車切割吊運，灰斗則使用乙炔焊切割后由人工搬運；卸荷槽(見圖6)使用破碎錘開鑿，并將內(nèi)部鋼筋切割清理。

圖6 卸荷槽Fig.6 Unloading groove

定向窗(見圖7)的精準與否直接關系煙囪傾倒方向的準確性，因此定向窗的開鑿應盡可能保證規(guī)整，采用水鉆取芯密孔切割方式開鑿，取芯直徑為90 mm。

圖7 定向窗Fig.7 Directional window

2.5 炮孔參數(shù)

炮孔同樣使用水鉆取芯式鉆機(可直接切斷鋼筋)，炮孔直徑40 mm，最小抵抗線取該位置煙囪壁厚的一半，炮孔深度取煙囪壁厚的2/3。因煙囪為薄壁結(jié)構，鉆孔較為密集，孔網(wǎng)參數(shù)及單耗取值如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

2.6 爆破網(wǎng)路

采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路。鑒于國內(nèi)在小斷面巷道、小孔網(wǎng)參數(shù)延時爆破工程中常出現(xiàn)部分電子雷管拒爆現(xiàn)象，且電子雷管在國內(nèi)應用于拆除爆破的工程案例很少，同時考慮到該工程使用炸藥量較小、炮孔均在地面以上，以及煙囪薄壁結(jié)構具有較強的泄能作用、爆破振動造成危害的可能性小，因此采用相同延時起爆，即：炮孔內(nèi)電子雷管均設置為0 ms延時。

3 爆破安全校核與設計

3.1 爆破飛石防護設計

拆除爆破產(chǎn)生飛石的原因有兩個，一是爆破拋擲作用，二是煙囪觸地時的飛濺作用。因此，分別按照兩類飛石進行防護。

1)爆破飛石防護。不同于巖體松動爆破，煙囪爆破中應徹底粉碎切口內(nèi)混凝土，因此炸藥單耗取值宜便高，而薄壁結(jié)構泄能作用強，造成的爆破飛石初始動能大，拋散距離遠，尤其是當缺口位置較高時應重點防護。本工程采用3層草墊、3層整塊的毛氈布在爆破切口外用鐵絲捆扎牢固(見圖8)。

圖8 爆破切口防護Fig.8 Blasting cut protection

2)觸地飛濺防護。由于本鋼混煙囪配筋率高，筒體具備一定的抗拉性能，而爆破只對其底部缺口進行作業(yè)，頂部雖存在斷裂可能，但倒塌過程中煙囪整體不會發(fā)生解體，觸地瞬間為重量巨大的剛性整體沖擊地面，因此應采取措施減緩觸地飛濺。

采取在煙囪40 m以上部分的著地區(qū)域鋪設多道防護土堤方式減緩觸地飛濺，最遠處土堤(距煙囪軸心110 m)高4.0 m，以阻擋觸地瞬間筒體內(nèi)部氣浪夾雜碎石向前拋擲，其余每道土堤高3.5 m、寬4.5～5.0 m，盡可能清除土堤表層雜石，避免使用濕度過大的土，并用推土機壓平、夯實。為減少揚塵、減緩土堤內(nèi)夾石在強沖擊下拋散，選擇單個尺寸較大的草墊、毛氈布在防護堤表面進行覆蓋，草墊、毛氈布各鋪3層，層間橫豎十字疊壓，以提高覆蓋物的整體性，增強防護效果(見圖9)。

圖9 防護土堤Fig.9 The earth embankment protection

3.2 振動校核

大量工程實踐監(jiān)測與理論分析表明：煙囪爆破過程的振動波形主要分為3個階段，分別是由切口內(nèi)炸藥起爆、煙囪下坐切口閉合撞擊及筒體觸地沖擊，其中振動較大的一般為煙囪的觸地沖擊振動。

1)爆破振動校核。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[9]推薦的薩道夫斯基公式進行計算校核：

(1)

式中：v為振動速度，cm/s；K，α為與地形、地質(zhì)有關的系數(shù)，分別取40、1.6；Q為最大單響藥量，取31.8 kg；R為齊爆藥量的幾何分布中心到鄰近被保護物的距離，取18.0 m。

經(jīng)計算，爆破振動校核值v=2.48 cm/s。附近建筑均為工業(yè)構筑物，校核振速符合《爆破安全規(guī)程》爆破振動安全允許標準值要求。

2)觸地振動校核。高大建筑在倒塌觸地時，對地面的沖擊作用較大，產(chǎn)生的塌落振動一般采用下式計算[10]：

(2)

式中：vp為塌落引起的地面振動速度峰值，cm/s；m為下落結(jié)構物的質(zhì)量，本拆除煙囪為1 200 t；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為結(jié)構物重心的高度，取35 m；R為觀測點至沖擊地面中心的距離，取28 m；σ為地面介質(zhì)破壞強度，取10 MPa；K′、β為與地質(zhì)地形有關的系數(shù)，分別取3.37、-1.6。

計算得vp=4.25 cm/s，根據(jù)經(jīng)驗和相關研究，合理設置墊層等緩沖措施可將煙囪觸地瞬間的塌落振動峰值降低70%，本工程設置多道堤壩緩沖煙囪觸地瞬間的沖擊力，緩沖作用對觸地振動的折減系數(shù)k取50%，可得塌落引起的振動在最近處的待保護建筑校核值為2.13 cm/s，符合標準要求。

4 爆破效果與經(jīng)驗總結(jié)

1)起爆后，實際著地中心線向東側(cè)偏轉(zhuǎn)約3°，未損毀周邊建構筑物、設施設備，僅距設計倒塌中心線27 m處廠房有數(shù)塊玻璃破碎。

2)實際著地中心線產(chǎn)生小角度偏差的原因推測為：切口位于煙囪下部，底部結(jié)構復雜且不對稱，煙囪南側(cè)煙道口位于該側(cè)定向窗上部，最小高度差2.5 m，煙囪在下坐過程中切口閉合后，由于上部煙道口的存在，該側(cè)相比另一側(cè)的支撐強度較弱，從而導致發(fā)生微小偏轉(zhuǎn)。由拍攝的視頻可以看出(見圖10)，爆破初期傾倒方向精準，而后的切口閉合時向有煙道口的一側(cè)微小偏轉(zhuǎn)。

圖10 煙囪觸地瞬間Fig.10 The moment of chimney touching the ground

3)盡管對緩沖土堤的用土進行了晾曬，對土堤表面進行夯實并加以多層覆蓋，但在巨大的沖擊作用下仍有飛散物砸壞了近處建筑物的部分玻璃，飛散物主要為未晾曬干的較稀泥巴(見圖11)。這點啟示我們，在拆除爆破中，當有剛性的大體積結(jié)構沖擊地面時，應特別關注塌落區(qū)域的較稀泥土及飽和泥漿夾石。

圖11 泥巴飛散物Fig.11 The flying mud

5 結(jié)語

鑒于山東華金電廠100 m高危廢煙囪的周邊環(huán)境和復雜結(jié)構，合理設計了爆破倒塌方向和切口、炸高、預處理、安全防控、炮孔參數(shù)、起爆網(wǎng)路等技術方案，達到了爆破拆除的預期目的。盡管著地中心線偏轉(zhuǎn)了約3°，而且著地后濺起的少量稀泥巴砸壞了近處建筑物的部分玻璃，但本次爆破拆除總體上是成功的，為業(yè)界提供了又一個復雜環(huán)境下局部結(jié)構不對稱的高煙囪爆破拆除的成功案例。