复杂环境废弃烟囱爆破拆除及安全控制措施研究.pdf

第37卷第2期 2020年6月 Vo l . 37 No . 2 Jun . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.02.012 复杂环境废弃烟囱爆破拆除及安全控制措施研究* 余红貝,赵明生2 1.保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳550002；2,保利民爆哈密有限公司，哈密839000 摘要城镇废弃烟囱爆破拆除施工由于四邻环境复杂、烟囱筒体结构不稳定，对爆破的精准性、安全性提 出了很高要求。贵阳市轮胎厂烟囱为钢筋混凝土结构，为满足安全生产要求，根据理论计算选取了合理的爆 破方案,采取了覆盖防护、减震沟隔离、钢管排架防护等控制措施控制爆破次生灾害，并通过控制最大单响药 量、优化爆破网路等措施，理论计算得到振动、飞石均满足安全判据。爆破效果表明邻近受控建构筑物 在爆破拆除施工过程中没有受到损伤，爆破振动峰值为0.45 c m/s,合理的爆破参数和有效的防护措施是保 证爆破过程中控制次生危害的有效办法。 关键词烟囱；复杂环境；爆破拆除；减振技术 中图分类号TU746.5 文献标识码A 文章编号1001 -487X202002 - 0069 - 06 Study o n Blasting Demo litio n o f Abando ned Chimney in Co mplex Enviro nment and Safety Co ntro l Measures YU Hong-bing ,ZHAO Ming-sheng2 1. Po l y Xin l ia n Bl a st in g En gin eer in g Gr o up Co . ,Lt d・,Guiya n g 550002, Chin a ； 2. Po l y Ex p o sive Ha mi Co . , Lt d. ,Ha mi 839000, Chin a Abstract Due t o t he c o mp l ex sur r o un din g en vir o n men t a n d un st a bl e st r uc t ur e o f t he c himn ey, t he bl a st in g dem o l it io n o a ba n do n ed c himn eys in c it ies a n d t o wn s r eq uir es high a c c ur a c y a n d sa fet y. On e ex a mp l e is t he c himn ey o f Guiya n g t ir e fa c t o r y whic h p o ssesses a r ein fo r c ed c o n c r et e st r uc t ur e. In o r der t o meet t he r eq uir emen t s o f sa fet y p r o duc t io n ,a r ea so n a bl e bl a st in g sc heme is sel ec t ed a c c o r din g t o t he t heo r et ic a l c a l c ul a t io n . An d t he c o n t r o l mea sur es suc h a s c o ver in g p r o t ec t io n, da mp in g dit c h iso l a t io n, st eel p ip e ben t p r o t ec t io n a r e t a k en t o c o n t r o l t he sec o n da r y dis a st er s due t o bl a st in g. Thr o ugh c o n t r o l l in g t he ma x imum sin gl e del a y c ha r ge, o p t imiz in g t he bl a st in g n et wo r k a n d o t h er mea sur es ,t he t heo r et ic a l c a l c ul a t io n sho ws t ha t t he vibr a t io n s a n d fl yin g r o c k s meet t he sa fet y c r it er io n . The bl a s t in g effec t s sho w t ha t t he a dja c en t buil din gs st r uc t ur es un der c o n t r o l a r e n o t da ma ged in t he p r o c ess o bl a st in g demo l it io n, a n d t he p ea k p a r t ic l e vel o c it y o f t he bl a st in g vibr a t io n s is 0.45 c m/s. Rea so n a bl e bl a st in g p a r a met er s a n d effec t ive p r o t ec t ive mea sur es a r e effic ien t met ho ds t o c o n t r o l sec o n da r y disa st er s in t he bl a st in g p r o c ess. Key wo rds c himn ey; c o mp l ex en vir o n men t ； bl a st in g demo l it io n ； vibr a t io n r educ t io n t ec hn o l o gy 破作为主要的施工方法。爆破拆除高大钢筋混凝土 具有以下特点①烟囱高度高、体积大;②拆除工期 紧;③四邻环境复杂，安全环保要求高。褚怀保，徐 鹏飞等以高速摄影监测、数值模拟为基础,理论再现 了钢筋混凝土烟囱爆破拆除倒塌过程中的受力过 程⑷；王宇、姚颖康等结合视频监控技术、应变监测 技术和数值模拟技术⑵，对钢筋混凝土烟囱爆破拆 受安全性和工期要求，城镇地区烟囱多采用爆 收稿日期2020-01 -12 作者简介余红兵（1991 -），男，湖南常德人，高级工程师，硕士，主 要从事工程爆破方向研究，（E-ma il） 602574716 q q . c o m。 通讯作者赵明生（1982 -），男，黑龙江双城人,研究员、博士，主要 从事工程爆破技术研究，（E-ma il） 542042223 q q . eo mo 基金项目2017年新疆维吾尔自治区天池百人计划（新人社函 〔2017〕699 号） 70爆破2020年6月 除失稳下坐和空中断裂机制进行了综合性分析；徐 鹏飞,苏筱嘉，司君婷,赵文等分别对复杂环境下的 烟囱拆除爆破参数进行了优化，加强了安全防护措 施句，均有效的控制了烟囱倒塌时的振动和飞石 飞散距离。以贵州轮胎厂废弃烟囱爆破拆除工程为 研究背景，通过对爆破设计方案参数优化及采取多 重控制措施,研究烟囱倒塌过程对周围建构筑物 的影响，安全、精细爆破拆除为今后复杂环境下的高 耸烟囱爆破提供参考。 1工程概况 为建设数博大道,拟对对贵阳市云岩区三马片 区轮胎厂区废弃烟囱实施爆破拆除。烟囱整体结构 为钢筋混凝土结构。烟囱高80 m,外壁为钢筋混凝 土结构，厚35 c m,内衬耐火砖，壁厚30 c m,烟囱混 凝土体积314.78 mJ耐火砖内衬205.3 m3,部结 构完整。烟囱所在区域已经形成封闭围挡。东北侧 175 m为百花大道,中间区域建筑物已经拆迁完;西 侧距烟囱44 m处是其他中标单位地块;西南侧距离 待拆除建筑物200 m,建筑物已经废弃;东南侧35 m 处是厂区围墙，紧邻金坡路，东侧沿金坡路地下有城 市燃气管道最近距离35 m,道路东侧是城区居民 房，为金关村金宅小区，距离最近处为55 m。烟囱 四邻环境如图1所示。 图1四邻环境平面示意图 Fig. 1 Pl a n o sur r o un din g en vir o n men t 2爆破拆除设计 根据业主工期、安全、技术要求和现场环境，采 用爆破进行拆除施工。结合烟囱高度、结构尺寸、四 邻环境和平面位置，确定采用定向倾倒控制爆破技 术对该烟囱予以拆除。根据现场环境，烟囱倒塌方 向为西偏南25。,并且采用水钻切边开窗、出灰口破 碎预处理的方式处理切口，最后爆破时采用混凝土 和内衬同时爆破的方式使烟囱定向倒塌。见图2。 2.1切口参数切口参数 根据倒塌方位确定烟囱倒塌中心线，为了满足 烟囱倒塌过程中切口闭合的设计要求，保证定向准 确，采用正梯形爆破切口。烟囱切口中心截面 0.8 m处的筒体周长为20. 09 m,切口圆心角为 220。，底部外壁展长 20. 09 x 220/360 12.27 m,实 取 12. 3 m；内壁展长 5 x 3. 14 x 220/360 9.59 m, 实取9.6 mo切口高度H是烟囱拆除爆破设计的 重要参数,据一般工程经验,H1.5_3.0E,其中 5为切口处烟囱的壁厚，本工程中烟囱底部内外壁 总厚约为0.67 m,考虑到倒塌场地有限，尽量缩小 烟囱的触地范围，实取ff 3.0mo根据烟囱的结构 特点和倒塌方向控制，切口两侧预开三角形定向窗, 0. 8 m处定向窗底长1.5 m,高3 m,见图3所示。 烟囱底部距离地面0. 8 m高设计为施工操作平 台，烟囱外壁爆破切口从底部平台起 0. 8 3.8m,内壁爆破切口从底部平台起 0. 8 3.8 mo 2.2孔网参数孔网参数 根据本工程的特点和现场设备情况，采用 40 mm的冲击钻进行垂直钻孔，炮孔采用梅花形布 孔。根据爆破设计手册及现场工程实际，内外壁 孔网参数如表1所示,炮孔布置示意图如图4所示。 第37卷第2期余红兵，赵明生复杂环境废弃烟囱爆破拆除及安全控制措施研究71 图2烟囱设计倒塌方向 Fig. 2 Design c o l l a p se dir ec t io n o f c himn ey 倒塌申心线 b.3 --------1-------- 定向窗/. i i i i 厂 ◎ N \定向窗 12严丄5「 4 图3烟囱爆破切口展开图单位m Fig. 3 Devel o p men t o f bl a st in g c ut o f c himn ey un it m 表1烟囱拆除工程爆破参数 Table 1 Blasting parameters o f chimney demo litio n pro ject 名称 壁厚/ c m 孔径/ mm 孔距/ c m 排距/ c m 炸药单耗/ g m-3 单孔装药 量/g 炸高/m 总布 孔/个 总装药 量/炖 外壁354030302500803.031024.80 内壁304030301500503.020510.25 图4炮孔布置示意图单位m Fig. 4 La yo ut o bl a st ho l es un it m b内壁炮孔布置 b In n er bl a st ho l e l a yo ut 3安全防护措施 3.1爆破振动控制爆破振动控制 3.1.1振动防护措施 在烟囱与被保护建（构）筑物之间且离爆源一 定距离外开挖减震沟可以有效地减小爆破振动。根 据周边勘察情况,本次烟囱爆破主要保护东侧35 m 围墙外城市燃气管道,45 m处为居民楼。为减少爆 破振动和烟囱倒塌触底振动对城市燃气管道产生影 响,在烟囱东侧距离围墙1 m出开挖减震沟，减震沟 底2 m,顶宽3 m,深3 m,开挖长度约100 m。 为进一步减少烟囱倒塌过程中触地产生的触地 振动,根据物理学动量和冲量原理,在物体与地面之 间搭设缓冲物,使物体触地时间增长,速度减小,动 量减小，使得接触地面瞬间冲量减小。因此,根据动 量和冲量原理在倒塌正方向布设3道缓冲堤，当烟 囱倒塌后会为缓冲堤的横向扩张提供补偿空间，使 烟囱倒塌触地整个缓冲时间变长,降低的触地的瞬 间速度，烟囱动量减小,转化成触地冲量减小，很好 的降低了烟囱触地振动。 缓冲堤沿倒塌中心线从塔基边缘算起距离 40 m、60 m处各布设一条。每道长30 m、宽3 m,高 度依次为2 m、2.5 mo每道缓冲堤外围用双层沙包 墙堆砌，缓冲堤中间为空（间距1 m），缓冲堤平面见 图5。 图5现场安全防护总体俯视图 Fig. 5 Over a l l t o p view o f sit e sa fet y p r o t ec t io n 3.1.2振动校核 需要对爆破振动和触地振动进行验算,保证周 围受控建（构）筑物在爆破拆除过程中振动处于安 72爆破2020年6月 全阈值之内⑺刃。 1 爆破振动 根据公式 ” kikQ/Ra 烟囱距需保护距离为35 m左右，取R45 m； 根据经验取K 100, a 1. 5 ； Q次最大起爆药量,根 据装药设计,0取24.8 k g。现场采用双层防护和减 震带防护取为0.5。 即 即 y 0.5 x 100 x [24.751/3/35] 1.5 1. 8 c m/s 按照GB67222014爆破安全规程取周边设 施最大允许振动速度取为2 c m/s ,可见爆破时产生 的振动能够满足安全要求。 2 触地振动 由中科院力学所公式 Vl Vl 勺鬻勺鬻 式中匕为振动峰值速度,c m/s；倒塌方向采用三排 减震堤，心取0. 5 ；0为衰减系数，取1.5；a为塌落 地面介质承载极限强度，取10 MPa；/为质心至计 算点的距离,m。该烟囱总质量M约1280 t ,重心/i 为30 m,得到不同距离的塌落振动速度计算值如表 2所示。 表2塌落振动速度计算值 Table 2 Calculatio n value o f co llapse vibratio n speed 距离 R/m 30 45 60 100 震速/c m・s “ 0.72 0.39 0.26 0.12 塌落触地点距离管道45 m,距离民房60 m,经 测算均小于安全允许阈值，因此塌落体的触地振动 不会对周边受控对象造成危害。 3.2爆破飞石及冲击波控制爆破飞石及冲击波控制 为减小爆破飞石,对烟囱爆破切口布孔部位采 用胶皮网双层防护。对布孔部位采用双层胶皮网包 裹捆扎，如图6所示。在烟囱东侧厂区内距离围墙 不低于10 m、东南侧处搭建9 m高钢管排架，长度 100 m,在倒塌正前方紧邻需保护厂房搭设长40 m, 高9 m钢管排架，搭设总长度合计140 m。排架外 挂双层草垫,防止爆破飞石、触底飞石以对被保护建 构筑物造成损伤。 由中科院力学所公式 vf 20y3/r2 Sm* .fi f2 Vj sin 20/g 式中耳为个别飞石的初速度‘m/s；为设计 中单孔装药量，取0. 1 k g； W为最小抵抗线，取 0.3 m；g为重力加速度，取9. 8 m/s2；Sma x为个别飞 石最大飞散距离,m；/；为介质系数,被爆介质为混 凝土结构系数取9.5； A为防护系数，一层防护取 2,两层防护取1，三层防护取0. 5 ；0为飞石抛射角， 设计中取5。。爆破设计中在布孔部位采用胶网双 层防护，同时在东侧和西南侧搭设钢管排架,在钢管 排架上面覆盖双层草垫,防护系数取花0.05。 a 胶皮网安全防护施工 h胶皮网防护施工完成效果 a Sa fet y p r o t ft c t io n b Co mp l et io n effec t o f r ubber c o n st r uc t io n o f r ubber n et n et p r o t ec t io n c o n st r a c t io n 图6炮孔双层胶皮网安全防护 Fig. 6 Sa fet y p r o t ec t io n en gin eer in g o do ubl e l a yer r ubber n et fo r bl a st ho l e 根据上述公式计算可得最大飞石距离为 S“*19.2m,满足安全要求。 3.3安全警戒安全警戒 按照技术设计进行上述各项减震、防飞石措施。 起爆网路经现场爆破技术人员检查无误后方可起 爆。起爆前，明确划定安全和警戒位置，以烟囱触地 点为中心周围100 m范围为警戒范围,100 200 m 范围内的居民全部疏散撤离,200 m以外的居民在 爆破时不允许站在楼顶、阳台等无遮挡处,共设立十 一个警戒点。爆破警戒区域如图7所示。 4试爆及爆破参数优化 选取烟囱左侧离定向窗1 m位置处7个外墙炮 孔呈2、3、2排列，共三排,4个内衬炮孔呈2、2 排列,共两排，与外墙炮孔位置对应进行试爆，内 墙炮孔装药50 g,外墙炮孔装药80 g,爆破后，外墙 混凝土表层未完全脱笼，内墙脱落,说明药量明显偏 小，经过人工锤击后发现混凝土部分未破碎厚度达 5 c m,现场检查原因为钢筋笼距离外壁表面近，在爆 破时炸药能力大部分向烟囱内部释放，未能使钢筋 混凝土完全脱笼。为保证爆破效果，随之在烟囱试 爆位置右侧1 m处进行二次试爆，外墙和内墙装药 量分别为100 g和80 g,此次试爆爆破效果良好，混 凝土全部脱笼，内衬装药位置全部塌落。爆破效果 如图8所示。 5爆破效果分析 如图9所示,起爆后2 s ,烟囱按照设计方向倾 第37卷第2期余红兵，赵明生复杂环境废弃烟囱爆破拆除及安全控制措施研究73 倒,4 s后烟囱整体偏移2。后发生下坐，倒塌方向后 侧支撑部分触地，切口闭合，随后速度加快倾斜, 11 s后烟囱倒塌至缓冲堤上,整个爆破倾倒过程持 续约11 S。从烟囱爆破录像中分析得到，烟囱在倾 倒一定程度后发生下坐现象,主要是预留支撑体及 切口下方筒体强度不够，不能继续支撑切口上部筒 体重量，同时，烟囱定向窗切口角度过大，使得烟囱 在彳顷倒过程中定向窗不能在前期闭合，烟囱整体 下坐。 图7警戒平面示意图单位m Fig. 7 Sk et c h ma p o f wa r n in g p l a n e un it m 爆破后烟囱切口至以上30 m筒体部分破碎, 30 m以上筒体全部摔成扁平状或碎块，烟囱在倒塌 中心线上的最大塌散距离为78 m,横向最大塌散宽 度为10 m,爆堆集中。在缓冲堤和减震沟的共同作 用下，经监测结果倒塌触地振动在距离50 m处测得 数据为0.45 c m/s ,对周边房屋和管道没有造成任 何不利影响。同时,经过爆后勘察，爆破飞石和触地 飞石没有对倒塌侧方和后方的居民房屋造成破坏, 通过录像分析，最大飞石距离为20 m。 图8试爆效果图 Fig. 8 Effec t dia gr a m o f ex p l o sio n t est a 0s爆破 b处烟囱倾斜后座 e10s烟囱倾斜倒塌 dl l s时刻烟囱触地 a 0 sbl a s t in g b 4 sdea ii ba c k wa r d a n d la .c k l a sh c 10 siiic l in e c o il a p se d 1.1 sr t o uc h t he gr o un d 图9不同时刻烟囱倒塌形态分析 Fig. 9 An a l ysis o f c himn ey c o l l a p se a t differ en t t imes 6结论 i对于自重较重的钢筋混凝土烟囱，后续类 似工程为降低后座侧翻风险，可缩小爆破切口至烟 囱底部范围的210,同时，定向窗可采用复式梯形 切口，减小向窗角度至30。。 74爆破2020年6月 2 在不清楚钢筋混凝土钢筋分布情况下必须 按照爆破安全标准GB6722进行试爆,确保试爆 后形成的各窗口性状良好，相应部位内衬应全部破 碎,才根据试爆调整药量能装药填塞。 3 对爆破切口的有效柔性主动防护，倒塌方 向堆砌沙袋缓冲堤,防护方向挖掘减震沟，可将爆破 次生灾害控制在安全允许范围内。 参考文献参考文献References [1] 褚怀保，徐鹏飞，叶红宇，等.钢筋混凝土烟囱爆破拆 除倒塌与受力过程研究[J].振动与冲击，2015, 3422 183-186,198, [1 ] CHU Hua i-ba o ,XU Pen g-fei,YE Ho n g-yu,et a l . 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