煙囪定向爆破的振動影響研究

摘 要：針對煙囪定向爆破工作，對其產(chǎn)生的振動影響進行分析。根據(jù)爆破過程，從數(shù)學、力學分析的角度，對其發(fā)生前沖、后坐的過程進行建模，重點分析第一次前沖和第二次前沖的影響。通過各單元的參數(shù)配置，對煙囪定向爆破的過程進行仿真分析，從爆破、坍塌到2次前沖，一共持續(xù)了17s的時間。對爆破過程的振動分析，監(jiān)測到了4個監(jiān)測點上的振動速度變化波形，細致地分析了振動形成的影響。

關鍵詞：煙囪；定向爆破；振動；模擬仿真

中圖分類號：O 38 文獻標志碼：A

爆破技術為高危建筑的拆除提供了充分的技術支持。其中，煙囪的爆破拆除是非常有代表性的一種[1]。爆破拆除不僅拆除效率高，而且也可以更有效地避免工人在拆除作業(yè)過程中所面臨的風險。然而，爆破拆除也有其自身的風險?，F(xiàn)代的煙囪建筑一般都采用鋼筋混凝土結(jié)構，建筑本身堅固程度高，再加上周圍環(huán)境復雜，就大大增加了爆破過程中的風險和難度[2]。為了達到摧垮煙囪結(jié)構的火藥量，爆破過程也帶來了更大的風險，尤其是其中的不可預測因素會增加爆破難度。整個爆破過程涉及爆破技術、火藥技術、建筑技術、結(jié)構力學技術、材料力學技術等，爆破方案的設計需要多門類知識的交叉運用和融會貫通[3]。而從爆破過程來看，煙囪在爆炸作用下傾倒、下挫、前沖、后坐都不一定會嚴格按照預想的角度和位置完成。即便爆破方案高度實現(xiàn)，煙囪爆破倒塌的過程中還伴隨了大量的粉塵和有毒物飛濺，最主要的是爆破過程中的振動會對周圍的其他建筑和居民生活產(chǎn)生嚴重的影響。因此，本文針對煙囪定向爆破問題，對其造成的振動影響進行研究。

1 煙囪定向爆破中的傾倒過程分析

為了最大限度地提升煙囪爆破過程的安全性，一般都會設置定向爆破的方案，使煙囪按照既定的方向坍塌。煙囪在爆破過程中會出現(xiàn)前沖、后坐的情況，這些情況如果按照預想進行就可以最大限度地完成爆破方案，減少對周邊建筑和人的損害。這些情況如果沒有按照預想進行，就可能帶來較大的危害。同時，煙囪坍塌及接觸地面過程中所涉及的振動也與前沖和后坐的具體情況有關。因此，為了更好地分析煙囪爆破過程中的振動影響，要先分析其前沖和后坐的規(guī)律。

首先，分析定向爆破中煙囪的前沖問題，在煙囪爆破坍塌的過程中，使其前沖的作用力主要是來自煙囪支撐部位的徑向反力。當這個作用力達到一定程度時，煙囪就會脫離支撐部位發(fā)生前沖現(xiàn)象。

煙囪在定向爆破倒塌的過程中，一般會發(fā)生兩次前沖。從前沖的出現(xiàn)到塌落部分與地面產(chǎn)生接觸，稱為第一次前沖。在接觸地面后，塌落部分的沖量如果大于地面能夠提供的摩擦力，塌落部分會進一步前沖，稱為第二次前沖。為了刻畫前沖過程中的運動效果，分別設置煙囪塌落前沖部分的水平向速度與垂直向速度存在對應關系。在第一次前沖后，當煙囪塌落部分觸地破碎后，雖然觸地，但是仍保留了一部分加速度，這時觸地部分會沿著地面進行二次前沖，直到在地面摩擦力的作用下速度降至0。2次前沖過程中的速度與時間存在對應關系。2次前沖的效果如圖1所示。

2 煙囪爆破過程中模擬仿真

煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第一次前沖到前沖結(jié)束后的距離，如公式（1）所示。

L1=l1-l2-l3-R3 （1）

式中：L1為煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第一次前沖到前沖結(jié)束后的距離；l1為煙囪在定向爆破過程中因絕對前沖所產(chǎn)生的距離；l2為煙囪在定向爆破過程中因傾倒產(chǎn)生的后坐距離；l3為煙囪在定向爆破過程中因傾倒產(chǎn)生的下坐距離；R3為煙囪底部的外圓半徑。

煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第二次前沖到前沖結(jié)束后的距離，如公式（2）所示。

（2）

式中：L2為煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第二次前沖到前沖結(jié)束后的距離；vx為煙囪定向爆破過程中塌落前沖部分的水平向速度；μ2為地面和煙囪塌落部分之間的摩擦系數(shù)；g為重力加速度；t2為第二次前沖的時間即煙囪塌落部分前沖和地面形成摩擦直至速度降低為0的時間。

前文結(jié)合煙囪定向爆破過程的前沖和后坐，重點分析了第一次前沖和第二次前沖。在此基礎上，為了更好地分析爆破、塌落過程中的振動影響，先進行爆破過程的模擬仿真。模擬仿真的進程，如圖2和圖3所示。

圖2和圖3中的計算依托第1節(jié)給出的數(shù)學模型和公式，例如：圖3中第12s時，煙囪在定向爆破過程中因絕對前沖所產(chǎn)生的距離l1=30.50m，煙囪在定向爆破過程中因傾倒產(chǎn)生的后坐距離l2=3.43m，煙囪在定向爆破過程中因傾倒產(chǎn)生的下坐距離l3=6.68m，煙囪底部的外圓半徑R3=4m。根據(jù)公式（1）可以計算出，煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第一次前沖到前沖結(jié)束后的距離L1，如公式（3）所示。

L1=l1-l2-l3-R3=30.50-3.43-6.68-4=16.39 m （3）

第12s時，煙囪定向爆破過程中塌落前沖部分的水平向速度vx=2.3m/s，t2=12s，地面和煙囪塌落部分之間的摩擦系數(shù)μ2=0.0164，重力加速度g=9.8m/s2。根據(jù)公式（2）可以計算出，煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第二次前沖到前沖結(jié)束后的距離L2，如公式（4）所示。

=2.3×12-0.5×0.0164×9.8×12×12=16.01 m " （4）

根據(jù)上述2個結(jié)果可以計算出仿真圖中煙囪的前沖距離，其他時間點上的計算按照同樣的方法進行。

根據(jù)計算，圖2和圖3一共設定了周期為17s的仿真時間。圖2給出了0s～10s的仿真結(jié)果，爆破發(fā)生在第0s，隨著爆破產(chǎn)生的破壞力，煙囪在第2s開始出現(xiàn)裂痕，到第4s開始出現(xiàn)微傾，到第6s～8s已經(jīng)有比較明顯的傾斜角度，到第10s已經(jīng)出現(xiàn)了較大的傾斜角度。

圖3給出了10s～17s的仿真結(jié)果。當爆破過程發(fā)生到12s，煙囪頂部已經(jīng)完全斷折，到第14s，塌落的部分完成觸地和第一次前沖，到第16.3s，塌落的部分完成第二次前沖。

在這個仿真過程中，具體的參數(shù)配置見表1。

3 煙囪爆破過程中的振動監(jiān)測與影響分析

煙囪定向爆破的過程會對周圍環(huán)境、建筑、人產(chǎn)生明顯的影響，例如大量的飛濺粉塵、碎石甚至是有毒物，這其中影響最大的是振動。因此考慮整體的安全性，必須注重對振動的監(jiān)測和控制。

在本文中仿真環(huán)境中，結(jié)合城市高聳煙囪周邊的常見配置，給出了酒店、停車場、醫(yī)院、居民小區(qū)等常見單元。這四類單元分布在煙囪的附近，在其中分別設置振動監(jiān)測點。酒店內(nèi)監(jiān)測點捕捉到煙囪爆破的振動信息波動曲線，如圖4所示。

根據(jù)振動縱波的實際情況，這里的振動速度有正向和反向的設置。其中，正向速度用正值表示，反向速度用負值表示。由圖3可知，由于酒店距離煙囪的位置較遠，再加上測試點設置在酒店2層樓房內(nèi)，因此其振動速度的絕對幅度變化并不大，振動速度在±0.20cm/s的范圍內(nèi)變化。隨著振動波的傳遞，酒店內(nèi)監(jiān)測點在11s附近捕捉到爆破引發(fā)的最大振動峰值。

停車場內(nèi)監(jiān)測點捕捉到煙囪爆破的振動信息波動曲線，如圖5所示。

由圖5可知，因為停車場距離煙囪的位置較近，再加上停車場為露天平地停車場，測試點就放在地面上，所以其振動速度的絕對幅度變化較大，振動速度在±1.2cm/s的范圍內(nèi)變化。隨著振動波的傳遞，停車場內(nèi)監(jiān)測點也在11s附近捕捉到爆破引發(fā)的最大振動峰值。

醫(yī)院內(nèi)監(jiān)測點捕捉到煙囪爆破的振動信息波動曲線，如圖6所示。

由圖6可知，因為醫(yī)院距離煙囪的位置也比較遠，再加上測試點設置在醫(yī)院5層樓房內(nèi)，所以其振動速度的絕對幅度變化并不大，振動速度在±0.24cm/s的范圍內(nèi)變化。隨著振動波的傳遞，醫(yī)院內(nèi)監(jiān)測點在第8s和第11s附近捕捉到最大和次大振動峰值。這與爆破振動與醫(yī)院樓體的諧振效應有關。

居民小區(qū)內(nèi)監(jiān)測點捕捉到煙囪爆破的振動信息波動曲線，如圖7所示。

由圖7可知，因為居民小區(qū)距離煙囪的位置適中，再加上測試點設置在小區(qū)3層樓房內(nèi)，所以其振動速度的絕對幅度變化并不大，振動速度在±0.4cm/s的范圍內(nèi)變化。隨著振動波的傳遞，居民小區(qū)內(nèi)監(jiān)測點在第8s捕捉到最大振動峰值。而前三組出現(xiàn)在11s的振動峰值沒有捕捉到，這是因為測試點周邊存在裝修噪聲的影響引起了干擾。

4 結(jié)語

高危建筑爆破是一項難點工作，而煙囪的定向爆破是其中比較常見的項目。煙囪爆破受煙囪本身結(jié)構、建筑材料和周邊環(huán)境的影響，且爆破過程的許多未知因素和復雜性，往往伴隨等級較高的風險，爆破難度較大。首先，本文分析了煙囪定向爆破過程中的前沖和后坐以及其和地面接觸、摩擦對振動產(chǎn)生的影響。其次，在此基礎上，通過17s的仿真過程模擬刻畫了煙囪從爆破到傾倒的全貌。最后，通過4個測試點測試了爆破過程中不同位置處受到的振動影響。

參考文獻

[1]魏曉林，鄭炳旭，傅建秋.爆破拆除高聳建筑定軸傾倒動力方程解析解[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2019，32（10）：1466-1468.

[2]言志信，葉振輝，劉培林，等.鋼筋混凝土高煙囪定向爆破拆除倒塌過程研究[J].振動與沖擊，2021，30（9）：197-201.

[3]趙根，張文煊，李永池.鋼筋混凝土煙囪定向爆破參數(shù)與效果的DDA模擬[J].工程爆破，2023，46（3）：23-25，53.