底部窯體約束條件下磚混結(jié)構(gòu)煙囪爆破拆除設(shè)計(jì)

王 剛

（安徽江南爆破工程有限公司）

為響應(yīng)國家節(jié)能減排相關(guān)政策，窯廠高聳煙囪、化工造粒塔等建筑因環(huán)保問題逐漸被淘汰，爆破拆除因施工周期短、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)成為該類高聳建筑物拆除的主流方法之一［1-3］。吳欣欣等［4］利用有限元LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了倒塌過程鋼筋混凝土煙道口對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和倒塌的影響規(guī)律。李陽等［5］通過對實(shí)測振動(dòng)信號和數(shù)據(jù)分析比較，發(fā)現(xiàn)在拆除爆破過程中距離爆源較近處的爆破振動(dòng)大于塌落觸地振動(dòng)；塌落觸地振動(dòng)強(qiáng)度不僅與振中距有關(guān)，而且測點(diǎn)方位對其也有著重要的影響。洪衛(wèi)良［6］采用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，研究矩形切口對高聳煙囪定向爆破精準(zhǔn)性的影響。趙文等［7］針對底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高危裂縫鋼混煙囪爆破拆除復(fù)雜環(huán)境情況，布設(shè)合理的爆破切口、定向窗、卸荷槽，實(shí)現(xiàn)了80 m高危裂縫鋼混煙囪爆破拆除作業(yè)。呂義軍［8］制定了高鋼筋混凝土煙囪爆破拆除工程安全管理相關(guān)準(zhǔn)則。

針對存在底部窯體約束、風(fēng)化嚴(yán)重的高危型磚混煙囪，如何確定合理的傾倒方向、炸高和爆破切口位置，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，成為爆破拆除的首要任務(wù)。針對宣城市宣州區(qū)某磚混煙囪爆破拆除工程，采用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值仿真軟件建立三維有限元模型，預(yù)測了煙囪倒塌方向，并通過精心地爆破設(shè)計(jì)與施工，順利完成了底部窯體約束條件下風(fēng)化磚混煙囪爆破拆除工作。

1 工程概況

某高聳煙囪位于宣城市宣州區(qū)養(yǎng)賢鄉(xiāng)寶圩中心村境內(nèi)，因“節(jié)能減排、淘汰關(guān)閉粘土磚廠”的政策實(shí)施，確定予以爆破拆除。待拆除煙囪建在一東西朝向窯體的中間位置，窯體長65 m，寬15 m；煙囪筒體為磚混結(jié)構(gòu)，水泥沙漿砌筑，煙囪實(shí)測高度60 m，下部筒體直徑約4.5 m，底部筒體周長為14 m，壁厚約0.60 m，無內(nèi)襯，上部筒體直徑為3.3 m。因年代久遠(yuǎn)，煙囪風(fēng)化嚴(yán)重，整體結(jié)構(gòu)極不完整，煙囪高度20～40 m處有一長度約20 m的縱向裂縫。煙囪底部與窯體見圖1。

煙囪西北方向36 m處為近似南北走向彎曲延伸的鄉(xiāng)村水泥道路，55 m處有一處電線桿（窯廠用電線路，已廢棄），60 m處有一條南北走向通訊線路，80 m處為一條南北走向電力線路（10 kV河口114支線）；西側(cè)100 m處有3處二層居民住宅樓房；東北方向35 m處有4處磚瓦房；正東側(cè)35 m處有一處養(yǎng)殖場大門；東南方向約40 m處（距窯體4 m）有一磚瓦房，距煙囪75 m處有一磚瓦房；西南方向56 m處有一電線桿；南偏西方向50 m處有一個(gè)小型煙囪。爆破周邊環(huán)境較為復(fù)雜，如圖2所示。

2 爆破方案設(shè)計(jì)

2.1 煙囪爆破拆除原理與方案初選

高聳煙囪控制爆破拆除是在煙囪筒體切口范圍內(nèi)鉆孔裝藥，用爆炸能量對設(shè)計(jì)范圍內(nèi)筒體進(jìn)行破壞，形成切口，在自身重力產(chǎn)生的傾倒力矩及結(jié)構(gòu)極限彎矩共同作用下，切口處保留筒壁在各類荷載重新分布過程中形成中性軸，煙囪繞中性軸做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，方向?yàn)檫^煙囪重心且垂直于中性軸，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中伴有中性軸后移及保留筒壁的壓剪破壞，煙囪在倒塌、觸地碰撞中解體。為保證煙囪按設(shè)計(jì)方向及狀態(tài)倒塌，在確保爆破切口形狀、爆破參數(shù)前提下，需先對煙囪進(jìn)行局部加固補(bǔ)強(qiáng)或弱化處理，以保證筒體（尤其爆破切口范圍內(nèi)筒體）結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的對稱性與均勻性，調(diào)控傾倒力矩與結(jié)構(gòu)極限彎矩比例關(guān)系，控制保留筒壁中性軸形成位置與時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精確爆破拆除。

對于高聳煙囪爆破拆除，通常分為單向倒塌、折疊倒塌和原地坍塌。采用何種爆破倒塌方式，主要取決于煙囪的自身結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境條件，當(dāng)周圍環(huán)境條件較好時(shí)，常采用單向倒塌方案；當(dāng)周圍環(huán)境復(fù)雜時(shí)，常采用折疊倒塌，折疊次數(shù)越多，風(fēng)險(xiǎn)越大；原地坍塌方案技術(shù)難度較高，稍有失誤，會(huì)有向任意方向倒塌的可能。根據(jù)待爆破煙囪的結(jié)構(gòu)條件和周圍的環(huán)境情況，擬采用定向倒塌的控制爆破拆除方案。

2.2 倒塌方向選擇

考慮煙囪西北方向的水泥道路和高壓輸電線需要保護(hù)，東北方向明顯不具備倒塌條件，西南側(cè)在65 m范圍內(nèi)均為荒地，有足夠的倒塌空間，故確定倒塌方向?yàn)槲髌?0°方向，如圖3所示。

2.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 鉆孔直徑

采用氣腿式鑿巖機(jī)鉆眼，鉆孔直徑為38～42 mm。

2.3.2 鉆孔深度

鉆孔深度計(jì)算公式為

式中，B為煙囪壁厚，取0.60 m。

計(jì)算得出鉆孔深度L=0.40 m。

2.3.3 炮孔間距

炮孔間距計(jì)算公式為

計(jì)算得出炮孔間距a=0.45～0.51m，實(shí)際取0.50 m。采用梅花形布孔，同時(shí)考慮分散裝藥。

2.3.4 炮孔排距

對于磚混結(jié)構(gòu)煙囪，炮孔排距為

計(jì)算得出炮孔排距b=0.433 m，取0.40 m。

2.3.5 炸藥單耗

根據(jù)工程類比經(jīng)驗(yàn)，采用弱拋擲爆破，取炸藥單耗q=1.2 kg/m3。

2.3.6 單孔裝藥量

單孔裝藥量計(jì)算公式為

計(jì)算得出單孔裝藥量Q=0.144 kg，取0.15 kg，即使用300 g?32 mm藥卷裝藥時(shí)，每孔裝半支。

2.3.7 爆破缺口參數(shù)

根據(jù)煙囪結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)爆破缺口采用正梯形。

一般缺口長度為

式中，C為缺口處的筒體周長，14 m。

計(jì)算得出S=7.7～9.24 m，取8.16 m，則每排可布置16個(gè)炮孔。

缺口高度一般為

計(jì)算得出h=0.9～1.8 m，取1.5 m，則可布置4排炮孔。

炮孔數(shù)目計(jì)算公式為

計(jì)算得出N≈64個(gè)，實(shí)際炮孔數(shù)取58個(gè)，最下排布置16個(gè)炮孔，向上依次布孔15個(gè)、14個(gè)、13個(gè)。

總裝藥量計(jì)算公式為

計(jì)算得出Qz=8.7 kg。

爆破缺口位置及缺口平面見圖4。

2.4 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

炮孔起爆采用1、3段毫秒導(dǎo)爆管雷管，5～7 m線長，塑料導(dǎo)爆管針刺起爆。

起爆網(wǎng)絡(luò)為先簇聯(lián)后串聯(lián)，每簇10～12根，使用2發(fā)同段導(dǎo)爆管雷管捆扎，共5簇。網(wǎng)絡(luò)激發(fā)采用導(dǎo)爆管雷管，每個(gè)激發(fā)點(diǎn)采用2發(fā)瞬時(shí)或低段同段導(dǎo)爆管雷管，用絕緣膠布均勻捆扎并覆蓋，激發(fā)雷管用四通連接（復(fù)式連接閉合回路），或再用同段雷管捆扎后使用塑料導(dǎo)爆管連接至起爆站，最大段裝藥量約為4.4 kg。傳爆導(dǎo)爆管長不應(yīng)小于200 m。

2.5 爆破有害效應(yīng)校核

2.5.1 爆破振動(dòng)

爆破振動(dòng)計(jì)算公式為

式中，V為振動(dòng)速度，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，本次爆破需要重點(diǎn)保護(hù)的是北側(cè)和西側(cè)的民房，允許振動(dòng)速度為2.3 cm/s；K、α分別為與地震波的傳播介質(zhì)和爆破區(qū)地形地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定，這里取K=200，α=1.67；Q為最大段裝藥量，這里取4.4 kg；R為爆破中心至被保護(hù)建筑物或構(gòu)筑物之間的距離，需要保護(hù)的建筑設(shè)施（正東側(cè)的養(yǎng)殖場大門）最近距離約為35 m。

計(jì)算得出V=1.2 cm/s，小于2.3 cm/s，爆破振動(dòng)不會(huì)對養(yǎng)殖場大門造成破壞。由于煙囪倒塌范圍內(nèi)的地面均為軟土，且位于被保護(hù)的建筑物的背側(cè)，因而這里不做煙囪倒塌觸地振動(dòng)的強(qiáng)度校核。

2.5.2 爆破飛石

爆破個(gè)別飛石安全距離的計(jì)算公式為

式中，R為爆破時(shí)個(gè)別飛石的距離，m；K為與爆破區(qū)地形和風(fēng)向有關(guān)的系數(shù)，一般為1.0～1.5，這里取1.5；n為爆破作用指數(shù)，弱拋擲爆破時(shí)為1.0；W為最小抵抗線，這里取0.5 m。

計(jì)算得出R=12 m。可以看出，爆破飛石不會(huì)對周邊民房造成任何影響，為確保萬無一失，在布置有炮孔的煙囪外壁覆蓋2層建筑用尼龍網(wǎng)，外層再覆蓋一層草席，采用鐵絲網(wǎng)扎緊。

2.5.3 爆破沖擊波、噪音和有毒氣體

由于是在露天進(jìn)行爆破作業(yè)，并且爆破區(qū)場地開闊，因此，無須作爆破沖擊波、爆破噪音和有毒氣體的強(qiáng)度校核。

2.6 爆破防護(hù)措施

煙囪爆破飛石須嚴(yán)格控制在安全范圍內(nèi)，為切實(shí)有效控制缺口處爆破飛石，應(yīng)在裝藥封孔完畢、爆破網(wǎng)路聯(lián)網(wǎng)前，對爆破缺口采取主動(dòng)防護(hù)措施：①先用草袋或棉絮懸掛于缺口上方預(yù)先圈起并固定的鐵絲圈上，確保缺口處炮孔全部被草袋或棉絮覆蓋，草袋或棉絮之間應(yīng)緊密連接，無縫隙；②再用2層竹笆懸掛在鐵絲圈上，竹笆間應(yīng)有重疊，并用鐵絲進(jìn)行捆綁，連接牢固，確保缺口處炮孔全部覆蓋；③最后用一層鋼絲網(wǎng)對竹笆進(jìn)行圍捆，用鐵絲扎緊，確保竹笆、草袋或棉絮被鋼絲網(wǎng)覆蓋緊密。以上防護(hù)施工時(shí)應(yīng)避免破壞雷管導(dǎo)爆管。

3 數(shù)值模擬

采用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值仿真軟件建立煙囪和窯體等比例三維有限元模型，如圖5所示。煙囪筒體采用3D SOLID 164單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，窯體采用SHELL 163單元?jiǎng)澐猪敳拷饘俦?，底部基礎(chǔ)與支撐柱采用3D SOLID 164單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC定義磚混煙囪和窯體頂部薄殼材料，窯體底部基礎(chǔ)與地面采用*MAT_RIGID剛體材料定義。筒體施加豎直方向的重力，設(shè)置*MAT_ADD_EROSION控制煙囪筒體單元失效并模擬延時(shí)起爆，定義材料間的單面自動(dòng)接觸和地面與筒體的侵蝕接觸。其中，筒體材料與窯體鐵質(zhì)頂棚材料參數(shù)如表1所示。

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通過模擬煙囪倒塌過程，煙囪約在9 s完全倒塌，整體倒塌過程應(yīng)力峰值均在30～45 MPa，遠(yuǎn)大于煙囪抗拉強(qiáng)度，筒體部分單元失效，窯體鐵制頂棚受拉斷裂破損，但煙囪倒塌方向基本未偏移，從倒塌過程可以看到煙囪沿著受拉破壞后的單元作為塑性鉸做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)塑性鉸不斷沿著倒塌方向向前移動(dòng)。

在煙囪頂部選取1個(gè)節(jié)點(diǎn)，觀測其運(yùn)動(dòng)趨勢，如圖6、圖7所示?？梢钥闯觯?～4 s煙囪爆破切口形成后未立刻傾倒，即存在一穩(wěn)定階段，測點(diǎn)未發(fā)生明顯位移；5 s時(shí)Y、Z方向位移出現(xiàn)短時(shí)迅速增大階段；8.5 s后，筒體頂部單元與地面接觸，發(fā)生侵蝕，單元失效，故測點(diǎn)各坐標(biāo)完全歸零。倒塌過程中，X方向上各測點(diǎn)均未發(fā)生明顯位移，最大偏移量不足1 m，說明底部窯體對煙囪倒塌方向未產(chǎn)生較大影響；Y方向上測點(diǎn)移動(dòng)約60 m，為一個(gè)煙囪筒體長度；Z方向上各測點(diǎn)從60 m高度逐漸下降，最終趨于零，煙囪完全倒塌。

4 現(xiàn)場工程應(yīng)用

根據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行內(nèi)部隔墻和耐火磚的預(yù)拆除以及現(xiàn)場鉆孔爆破施工，同時(shí)做好爆破防護(hù)，見圖8。

煙囪倒塌過程中塌落動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為土體對筒體反作用，促進(jìn)筒體一步解體，由圖9可以看出，爆破后煙囪解體完全，基本未向兩側(cè)偏移，窯體頂棚受筒體沖擊作用部分發(fā)生損壞，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，爆破振動(dòng)與飛石均得到有效控制，爆破效果良好。

5 結(jié)語

針對一座60 m高的底部窯體約束條件下風(fēng)化磚混煙囪工程實(shí)際情況，合理設(shè)計(jì)爆破方案，并結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)預(yù)測筒體倒塌方向，之后經(jīng)過底部支撐結(jié)構(gòu)預(yù)拆除，鉆孔爆破及防護(hù)等工序，順利爆破拆除煙囪，煙囪倒塌方向與設(shè)計(jì)方向、數(shù)值模擬結(jié)果基本相同，底部窯體未對倒塌方向產(chǎn)生較大影響，爆破振動(dòng)、飛石均得到了有效控制，相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為類似結(jié)構(gòu)爆破拆除工程提供參考。