复杂环境下烟囱的机械与定向爆破联合拆除(1).pdf

第35卷 第4期 2018年12月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 4  Dec. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2018. 04. 017 复杂环境下烟囱的机械与定向爆破联合拆除* 高文乐 1， 吴 超 1， 张泽华1， 裴保华2， 黄均明2 （1.山东科技大学土木工程与建筑学院， 青岛266590；2.山东天宝爆破有限公司， 临沂276400） 摘 要 介绍了在倒塌距离不足的复杂环境下， 采用机械和定向爆破联合拆除的方法拆除80 m高的钢筋 混凝土烟囱的工程实例。爆破缺口选择为正梯形， 位置距烟囱底部23. 5 m处， 缺口的长度为10. 8 m， 高度为 1.5 m。通过合理的延期时差和起爆顺序， 使烟囱倒塌时产生一定的后座， 缩短了11. 5 m的上部烟囱倒塌距 离， 同时利用后座的剪切作用降低了6. 8 m下部烟囱的高度， 保证烟囱剩余部分机械拆除的安全。通过合理 的爆破参数设计和控制爆破危害效应的有效措施， 爆破达到了预期的效果。 关键词 定向爆破；爆破缺口；钢筋混凝土烟囱；安全防护；剪切作用 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2018）04 －0094 －05 Combined Mechanical and Directional Blasting Demolition of a Chimney in Complex Environment GAO Wen-le1，WU Chao1，ZHANG Ze-hua1，PEI Bao-hua2，HUANG Jun-ming2 （1. School of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590，China；2. Shandong Tianbao Dlasting Co Ltd，Linyi 276400，China） Abstract An engineering example of demolishing an 80 m reinforced concrete chimney by mechanical and di- rectional blasting s is introduced under the complex environment with an insufficient collapse distance. A trap- ezoidal blasting gap for this directional demolition blast is located 23. 5 m above the bottom of the chimney. The length of the gap is 10. 8 m and the height is 1. 5 m. Through a reasonable delay time interval and an initiation se- quence，a certain recoil happens at the moment when the chimney is tilted. As a results，the collapse distance of the 11. 5 m upper chimney and the height of the 6. 8m bottom part are shortened by the shearing action induced by the recoil so as to ensure the safety of mechanical demolition of the rest of the chimney. An expected result has been a- chieved through a reasonable design of blasting parameters and effective measures to control the harmful influences of the demolition blast. Key words directional blasting；blasting gap；reinforced concrete chimney；safety protection；shearing action 收稿日期2018 －07 －30 作者简介高文乐（1966 －） ， 男， 教授、 硕士， 主要从事岩土力学和爆破安 全技术的教学和科研工作， （E-mail）wenlegao＠。 通讯作者吴 超（1993 －） ， 男， 硕士在读， 主要从事岩土力学和爆 破安全技术的科研工作， （E-mail）735655415＠ qq. com。 基金项目国家自然科学基金（51279096） 1 工程概述 1. 1 爆破拆除环境 威海市老热电厂位于威海市市乳山市区， 该工 厂厂区内有一90年代建造的80 m高钢筋混凝土烟 囱需要拆除。目前工程已经停产， 但生产设备目前 尚未运出厂区， 该烟囱结构高耸， 烟囱内部的钢筋氧 化严重， 出于保护周围生产设备和厂房考虑， 决定采 用爆破的方式进行拆除。该烟囱位于乳山热电厂背 面， 其东侧紧靠着生产厂房，南侧距离输煤长廊 25 m， 西侧距离煤棚34 m， 北侧距离厂区院墙58 m， 院墙外地下1 m深埋处有电缆。爆破周围环境相对 比较复杂， 待拆除烟囱周边环境图如图1所示。 万方数据 图1 爆破拆除环境（ 单位m） Fig. 1 Blasting demolition environment（unitm） 1. 2 结构特点 该烟囱为钢筋混凝土结构， 其内部有耐火砖内 衬、 隔热层和钢筋， 其内部配置的钢筋尺寸为φ 12 ～ φ 16。烟囱顶部（ 标高80 m处） 外径为2840 mm， 内 径为2400 mm， 壁厚为200 mm； 底部（标高0 m处） 外径为6740 mm、 内径为6040 mm、 壁厚为350 mm。 1. 3 工程难点 （1） 待拆除烟囱高80 m， 而周围众多厂房、 设备 距烟囱的最大距离不超过58 m， 小于烟囱的高度 80 m， 故烟囱的倒塌距离不足。 （2） 烟囱为钢筋混凝土结构， 具有高度大、 长细 比大、 支撑面积小， 容易产生偏向， 因此要使烟囱按 设计方向准确倒塌难度较大。 （3） 因本烟囱高度高、 质量较大， 在对倒塌时触 地振动、 爆破飞石的产生、 烟囱倒地时产生的二次碎 石飞溅和粉尘的控制难度大， 因此需要采取有效防 护的措施减小爆破产生的有害效应。 2 爆破拆除方案 该烟囱自身结构和周围环境情况复杂， 同时甲 方要求保护紧靠的厂房、 输煤长廊、 煤棚等生产设施 以及北侧围墙和围墙外的地下电缆， 为了解决以上 问题， 最终决定采用机械与定向爆破联合拆除的方 法。烟囱上部首先实行定向爆破倒塌， 在烟囱中下 部炸开缺口， 爆破缺口范围内的钢筋混凝土利用爆 破作用抛出， 破坏烟囱的支撑， 使其重心发生偏移， 在爆破的瞬间产生倾覆力矩， 破坏其稳定性， 沿预设 的方向倒塌［ 1］。通过控制缺口形成时间和保留支 撑部分的承载力， 使烟囱在倾斜的瞬间产生后座， 缩 短上部烟囱倒塌距离的同时使下部烟囱囱身在后座 的剪切作用下进一步破坏。烟囱上部倒塌完成后， 烟囱下面部分使用液压破碎锤破碎烟囱筒壁， 形成 缺口， 当缺口达到一定程度时， 烟囱在自重的作用下 下落坍塌， 从而达到烟囱完全拆除目的。 为了减少施工成本和保证施工过程中的安全， 利用烟囱的信号平台作为施工平台， 爆破缺口设置 在烟囱的＋23. 5 m处， 烟囱倒塌高度为56. 5 m， 烟 囱的东、 西、 南侧距离建筑物较近， 西北侧场地相对 比较开阔， 距离围墙82 m， 完全满足定向倒塌距离， 因此烟囱选择向西北45方向倒塌。 3 爆破参数设计 3. 1 爆破缺口设计 （1） 爆破缺口位置 爆破缺口设计距烟囱底部 在＋23. 5 m处， 此处烟囱的参数外径为5600 mm， 内径为5060 mm， 烟囱的壁厚为270 mm。 （2） 爆破缺口形式 在烟囱爆破拆除工程中， 我 国常用的缺口形状有梯形、倒梯形、矩形等形 状［ 2］。由于该烟囱为钢筋混凝土结构， 刚性性能较 好， 且通过测试发现烟囱重心没有发生偏移， 根据魏 德等人得出的在梯形缺口情况下烟囱倒塌时后坐的 距离较大的结论［ 3］， 决定采用正梯形爆破缺口， 并 在爆破缺口两侧对称的开一个直角三角形的定向 窗， 中间开一个矩形中间窗。两侧的定向窗的破坏 状态是决定烟囱按设计倒塌方向倾斜倒塌的关键， 因此必须严格关于中心线对称且径向必须打通内 衬［ 4］。定向窗的底角一般选取 α ＝25 ～35， 取α ＝ 34； 高和爆破缺口的高度相同为1. 5 m； 三角的底 边长为2. 2 m。 （3） 爆破缺口高度 其为保证烟囱定向倒塌的 一个重要参数。采用公式H≥（3. 0 ～5. 0）δ计算，δ 为烟囱的壁厚。缺口处壁厚δ ＝ 0. 27 m， 计算得爆 破缺口高度为H≥0. 81 ～1. 35 m。根据计算结果再 结合以往施工经验， 钢筋混凝土烟囱刚性较大不易 于失稳， 爆破缺口高度应适当取较大值， 最终取H ＝ 1. 5 m。 （4） 爆破缺口圆心角 爆破缺口圆心角是爆破 的重要参数， 其值大小对烟囱爆破倾覆态势、 平稳程 度、 扭折、 后坐等至关重要［ 5］。规范中规定爆破缺 口圆心角的选取范围一般为180 ～ 240， 当爆破缺 口圆心角选择较大数值时， 爆破缺口形成的瞬间， 爆 破缺口上部烟囱产生的瞬间倾覆力矩相对较大， 使 烟囱产生较大后坐力。但如果缺口上部烟囱的重力 超过了预留支撑的极限抗压强度， 则会导致预留支 撑的瞬间被压塌， 而使烟囱下坐， 会造成烟囱爆而不 到或倒塌方向失去控制的危险［ 4］； 当爆破缺口圆心 角选择较小数值时， 爆破缺口形成的瞬间， 爆破缺口 上部烟囱产生的瞬间倾覆力矩相对较小， 烟囱会缓 慢倾倒， 将不会产生后坐。 因本烟囱高度高， 重力大， 结合张宝岗等人对爆 59第35卷 第4期 高文乐， 吴 超， 张泽华， 等 复杂环境下烟囱的机械与定向爆破联合拆除 万方数据 破缺口研究得出［ 6］ 缺口角度为 200时， 产生的塌 落振动较大， 缺口较度为240倒塌方向偏移较大， 产生的下坐振动较大。因此选较大的爆破缺口圆心 角220， 使其在满足预留支撑的极限抗压强度的前 题条件下， 有较大的倾覆力矩， 使其产出较大的后坐 以降到烟囱底部的高度， 同时塌落振动和下坐振动 相对较小。 （5） 爆破缺口长度 根据公式得L ＝220 360 2πR ＝ 10. 8 m。 3. 2 爆破参数设计 炮孔布置在爆破缺口范围内， 方向朝向烟囱中 心线， 呈梅花形布孔。 （1） 最小抵抗线W 最小抵抗线按照公式得W ＝ （0.65 ～0.68）δ ＝0.1755 ～0.1836 m， 取W ＝0.18 m。 （2） 炮孔深度L 炮孔深度按公式得L ＝（1. 1 ～ 1.2）W ＝0.198 ～0.216 m， 为方便施工， 取L ＝0.20 m。 （3） 炮孔直径d 根据钻孔的设备选择炮孔直径 d ＝38 mm。 （4）炮孔间距a 炮孔间距a按照公式得a ＝ （1. 0 ～1. 3）W ＝0. 18 ～0. 234 m， 为方便施工， 取a ＝ 0. 25 m。 （5） 炮孔排距b 炮孔排距b按公式b ＝（0. 6 ～ 0. 9）a ＝（0. 15 ～0. 225）m， 取b ＝0. 20 m。 （6） 单孔装药量Qd 可按体积公式计算单孔装 药量Qd ＝ qabδ， 其中q为炸药单耗，q ＝3. 5 kg／ m3， 即Qd＝ qabδ ＝0. 047 kg ＝47 g， 取Qd＝50 g。 （7） 总装药量W ＝ QdN，N为炮孔个数， 经计 算设计炮孔约152个， 则总装药量为7. 6 kg。 爆破参数取值见表1， 爆破缺口形状、 尺寸示意 图见图2。 表1 爆破参数结果 Table 1 Calculation results of the blasting parameters 炮孔直径 d／ mm 炮孔深度 L／ m 炮孔间距 L／ m 炮孔排距 b／ m 炮孔个数 炸药单耗q／ （kgm －3） 单孔药量 Qd／ g 装药量 Qz／ kg 380. 200. 250. 201523. 5507. 6 图2 爆破缺口形状、 尺寸示意图（ 单位mm） Fig. 2 Blasting gap shape，size diagram（unitmm） 3. 3 起爆网路 该爆破采用非电毫秒导爆管雷管起爆网路， 爆 破缺口孔内用MS3段导爆管雷管， 孔外采用MS1、 MS2、MS3段导爆管雷管延时，MS1段共连接48个 炮孔，MS2段共连接54个炮孔，MS3段共连接50个 炮孔， 爆破缺口处采用“簇联”方式连接成关于中心 线对称的爆破网路［ 7］， 具体如图 3所示。 图3 起爆网路示意图 Fig. 3 Sketch map of detonation network 69爆 破 2018年12月 万方数据 爆破缺口处采用正梯形分段延时爆破方式， 其 优势在于 （1） 在前一段爆后， 会为后一段爆破创造出新 的自由面， 有利于减小后一段爆破阻力， 同时可以有 效的控制爆破振动效应［ 8］。 （2） 由于爆破网路中的分段形式， 使得爆破缺 口内部始终保持着正梯形的缺口， 下部缺口长度始 终大于上部缺口的长度， 在定向窗的辅助下， 保证烟 囱朝着爆破设计的方向倾倒。 4 爆破安全校核及防护 4. 1 缺口剩余部分承载力计算 在爆破缺口形成后， 缺口保留部分立即承受了 上部烟囱自重的突加荷载， 若此时出现筒壁被压碎， 筒身突然大幅下垂的现象， 很有可能影响烟囱的倒 塌方向， 因此必须对保留部分进行支撑稳定性验算。 可按以下公式计算剩余部分轴心受压构件承载力 Nu ＝ 0. 9φ（fc＋ f ′ yA′s） 式中Nu为轴向压力承载力设计值； 钢筋混凝 土轴心受压构件稳定系数， 取φ ＝0. 23；fc为混凝土 的轴心抗压强度设计值， 取11. 9 MP；A为截面面 积；f ′ y纵向钢筋的抗压强度设计值， 取300 N／ mm 2； A′ s为全部纵向钢筋截面面积［ 9］。 经计算，Nu ＝ 4771. 45 kN， 稍大于上部筒身自 重F ＝ 4759. 76 kN， 所以缺口保留部分在爆破瞬间 是可以承受上部烟囱自重的突加荷载。 4. 2 爆破振动计算 炸药爆破引起的振动按以下公式计算 V ＝ K′K 3 槡Q R α 式中V为质点振动速度，cm／ s；K、α与地形、 地 质有关的系数， 取k ＝ 33. 6，α ＝ 1. 6；K′为拆除爆破 衰减系数， 取0.25；Q为最大齐爆药量，Q ＝ QdNmax＝ 2.7 kg；R为被保护物到爆源的距离［ 2］， 最近距离取 13.5 m。 经计算，最近建筑物的震动速度为V ＝ 0. 22 cm／ s ＜一般建筑物安全允许最小值1. 5 cm／ s， 故满是要求。 4. 3 触地振动速度 按照地面没有任何缓冲， 整体落地的极限情况 进行验算， 目前建筑物塌落震动的计算公式为［ 10］ V ＝ Kt R （MgH／ σ） 1／[]3 β 式中V为振动速度，cm／ s；Kt、β为衰减系数， 一般取Kt＝ 3. 36；M为塔体缺口以上质量，M ＝ 485. 69 t；H为建筑物质心高度，H ＝56. 5 m；R冲击 地面中心到建筑物的最近距离，R ＝45 m；σ为介质 破坏强度，MPa；g为重力加速度， 取9. 8 m／ s2。代入 上式得V ＝1. 72 cm／ s。 由于爆破缺口位于烟囱标高23. 5 m处， 当爆破 缺口形成后， 随着烟囱的倒塌， 烟囱顶部会首先触地 前冲， 由于其运动惯量最大而产生最大触地振动.因 此， 需要在爆破前采取一定措施降低塌落振动。结 合现场实际情况， 充分利用厂区煤灰渣， 在烟囱塌落 区域内铺设厚度不低于1. 5 m的缓冲层， 并在倒塌 方向开挖减震沟， 以降低塌落振动对临近厂房建筑 的危害。 爆破过程中对爆破和触地振动进行了监测， 测 点布置在东侧的厂房区内。 经对现场实测数据进行整理分析， 共测得有效 振动速度波形图9组， 其最大振动发生在烟囱头部 的触地时刻， 而不是炸药爆炸时刻［ 11］， 最大振速为 0. 19 cm／ s， 最大主振频率为7. 324 Hz， 波形图如图 4所示。 图4 烟囱头部触地前冲振动波形图 Fig. 4 Oscillogram of the head of the chimney frontlash 4. 4 爆破个别飞散物的安全防护 本次爆破在电厂生产区域内进行且临近公路， 重点是对爆破飞石的防护。通过合理的设计、 保证 炮眼的堵塞长度和填塞质量、 控制单孔装药量、 所有 炮孔部位覆盖防护采用草帘子与竹排间隔捆绑， 并 利用信号平台的围挡设置一层竹排进行二次防护， 严格控制个别飞散物不超过警戒区域［ 12］。 4. 5 爆破扬尘控制措施 采取适当的措施， 尽量降低爆破扬尘对周围环 境的影响。具体措施有 （1） 通过围蔽、 加高施工场地的防护网， 尽可能 的把粉尘的扩散范围减小。 79第35卷 第4期 高文乐， 吴 超， 张泽华， 等 复杂环境下烟囱的机械与定向爆破联合拆除 万方数据 （2） 在防护用的草帘子进行喷水， 用来吸附粉 尘， 将其作为第一层降尘帷幕。 （3） 清理建筑物和建筑倒塌场地上的积尘， 冲 洗建筑物上的浮尘， 并尽量让建筑物多吸水， 减少扬 尘源。 （4） 爆破当日， 安排洒水车、 降尘车进行降尘及 冲洗地面， 爆破后立即喷水降尘。 5 爆破效果与分析 5. 1 爆破效果 起爆后， 混凝土和保护物在爆破的作用下飞出， 烟囱上部出现倒塌趋势。起爆3 s时， 在倾覆力矩 的作用下， 烟囱上部开始向西北侧倾斜并且逐渐加 速，3. 6 s时出现了后座， 下部保持直立。当起爆8 s 时， 烟囱处于水平状态， 此时上部烟囱完全折断， 烟 囱头部快速坠落。经历8. 5 s后烟囱上部全部着 地， 此时烟囱下部剩余部分最高处16. 7 m， 最低处 10. 5 m。 烟囱倒塌长度45 m， 倒塌宽度8 m， 破碎解体充 分、 定向准确， 周围设施完好无损， 爆破危害效应得 到了有效控制， 爆破达到了预期效果， 爆破过程示意 图见图5。 图5 爆破过程示意图 Fig. 5 Schematic diagram of blasting process 5. 2 分析 （1） 试爆是合理确定爆破参数的有效手段， 是 确定爆破危害效应影响范围和防护措施是否有效的 可靠方法.本次爆破在爆破缺口处选择了10孔炮 孔， 每孔装药50 g进行试爆， 试爆过程中， 虽然大部 分个别飞散物控制在安全范围内， 但在倒塌方向上 仍出现少许碎石， 飞掷距离超过安全范围， 因此拆除 爆破时个别飞散物防护由原来的3层变为5层， 取 得了良好的效果。由此可见， 在烟囱的爆破拆除中， 爆破缺口处更容易产生的个别飞散物， 应为防护的 重点； 施工中采用直接和间接的双层防护是防护飞 石的一种有效方法。 （2） 在烟囱倒塌过程中， 为防止烟囱头部前冲 产生较大振动和预防筒体撞击刚性地面时产生大量 的触地飞溅， 在倒塌方向上铺设厚度1. 5 m粉煤灰， 减振效果良好， 实际监测值低于理论计算值， 同时烟 囱的触地飞溅也得到了有效的控制。因此， 对高耸 建（ 构） 筑物的爆破拆除在倒塌范围内铺设一定厚 度缓冲层是控制触地振动和飞溅的有效手段。 （3） 该烟囱倒塌过程中， 烟囱上部筒身在爆破 3. 6 s时出现的后座现象， 此时烟囱重心偏移出烟囱 筒身， 倒塌方向已经确定， 因此后座并未影响烟囱的 倒塌方向， 但由于烟囱多年使用， 保留部分的实际承 压强度比计算值要少， 因此， 倒塌瞬间烟囱保留部分 是无法承受上部荷载； 同时烟囱的向前倾倒产生的 水平后座力， 导致支撑部分产生剪切破坏， 进一步加 剧了后座， 既达到了缩少上部烟囱的倒塌距离， 又降 低下部烟囱的剩余高度，增加了机械拆除的安全 性.由此可见， 在建（ 构）筑物的爆破拆除中， 只要倒 塌反方向场地充足时， 可以通过合理的爆破参数设 计， 使其产生一定的后座， 降低下部结构高度， 使拆 除无需进行折叠爆破， 进一步降低拆除爆破风险。 参考文献（References） ［1］ 杨建华， 马玉岩， 卢文波.高烟囱爆破拆除倾倒折断力 学分析［J］.岩土力学，2011，32（2） 459-464. ［1］ YANG Jian-hua，MA Yu-yan，LU Wen-bo. 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