复杂环境下烟囱的机械与定向爆破联合拆除.pdf

第35卷第4期 2018年12月 Vol. 35 No. 4 Dec. 2018 爆破 BLASTING 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，吴超昭泽军,襲保华2,黄均矿 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，住置距烟囱底部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 -487X201804 -0094 -05 Combined Mechanical and Directional Blasting Demolition of a Chimney in Complex Environment GAO Wen-le , WU Chao1,ZHANG Ze-hua ,PEI Bao-hua ,HUANG Jun-ming 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 11.5m 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 1工程概述 11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 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-mailwenlegao .163. eomc 通讯作者吴 超1993 -,男，硕士在读，主要从事岩土力学和爆 破安全技术的科研匸作，E-mail 735655415 qq. com 基金项目国家自然科学基金51279096 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1m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。 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95 北 图1爆破拆除环境单位m Fig. 1 Blasting demolition environment unitm 12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Q 12 Q16。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 mm0 13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⑷。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⑵。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⑶，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⑷。定向窗的底角一般选取2535,取4 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HM3.05.0计算* 为烟囱的壁厚。缺口处壁厚30.27 m,计算得爆 破缺口高度为HM0.81l.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，最终取日 1.5 mo 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⑸。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⑷；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 96爆破2018年12月 破缺口研究得出⑹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 謀x2ttR 10. 8 mo 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 最小抵抗线恥最小抵抗线按照公式得卩 0.65 - 0.6850.1755 -0.1836 m,取 W 0.18 mo 2 炮孔深度厶炮孔深度按公式得厶1. 1 1.2W 0.1980.216 m,为方便施工，取0.20 mo 3 炮孔直径d根据钻孔的设备选择炮孔直径 d 二38 mmo 4 炮孔间距a炮孔间距a按照公式得a二 1.0〜1.30二0. 18〜0.234 m,为方便施工，取a二 0. 25 mo 5 炮孔排距b炮孔排距b按公式6二0. 6〜 0. 9a 0. 15 〜0.225 m,取 b 0. 20 m。 6 单孔装药量匕可按体积公式计算单孔装 药量Qd qabS,其中q为炸药单耗,g 3.5 kg/m3, 即 Qd qabS 0. 047 kg 47 g,取 Qd 50 go 7 总装药量W Qd 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/va 炮孔排距 6/ m 炮孔个数 炸药单耗g/ kg・十 单孔药量 “g 装药量 O/kg 380.200.250.201523.5507.6 烟囱倒塌中心线 6400 炮孔 定向窗 中间窗 2200 - - 25501300 00Z 250 150 O 图2爆破缺口形状、尺寸示意图单位nun Fig. 2 Blasting gap shape, size diagram unit mm 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MSI、 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⑺，具体如图3所示。 炮孔 ［一弓囱倒塌中心线 中间窗 MS1 MS2 MS3 图3起爆网路示意图 Fig. 3 Sketch map of detonation network 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97 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⑻。 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 0.9卩 /； 式中N“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，取卩0. 23；/c为混凝土 的轴心抗压强度设计值，取11.9 MP；4为截面面 积；/；纵向钢筋的抗压强度设计值，取300 N/mm2 ； 人为全部纵向钢筋截面面积⑼。 经计算，Nu4771.45 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 KK训。 式中卩为质点振动速度,cm/s；K、a与地形、地 质有关的系数，取A33.6,a 1.6；K，为拆除爆破 衰减系数，取0. 25 ；2为最大齐爆药量,Q QJV喰 2.7 kg；R为被保护物到爆源的距离⑵，最近距离取 13.5 mo 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［回 vk,\- I- MgH/o-1/3 J 式中V为振动速度,cm/s；K’、0为衰减系数, 一般取K, 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，日 56.5 m；R冲击 地面中心到建筑物的最近距离45 m;r为介质 破坏强度，MPa；g为重力加速度，取9.8 m/s2o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⑴］,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。 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。 98爆破 2018年12月 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,3.6s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,2011,322 459-464, [1 ] YANG Jian-hua, MA Yu-yan, LU Wen-bo. Analysis of fracture mechanics for falling tall chimneys during demoli tion blasting[ J]. Rock and Soil Mechanics ,2011 ,322 459-464. in Chinese [2] 何松,林大能，喻智，等.2座45 m砖烟囱的爆破 拆除[J].采矿技术,2017,17172-73,85. [2] HE Song,LIN Da-neng,YU Zhi,et al. Blasting demolition of 2 45 m brick chimneys [ J ]. Mining Technology ,2017 , 171 72-73,85. in Chinese 下转第140页 140爆破2018年12月 study on effect of topography on propagation of blasting wave [ J ]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engi neering ,20079 1817-1823. in Chinese [7]蔡冻，吴立，梁禹.野山河隧道爆破振动监测与 分析[J].爆破,2009,26489-92. [7] CAI Dong,WU Li,LIANG Yu. Monitoring and analysis on blasting vibration of yeshanhe tunnel[ J ]. Blasting,2009, 264 89-92. in Chinese [8]梁 才隧洞钻爆对邻近已有隔震措施的建构筑物 振动安全影响研究[D].武汉武汉大学,2018. [8 ] LIANG Cai. Study on the influence of tunnel drilling and blasting on vibration safety of buildings adjacent to exist ing isolation measures [ D]. Wuhan Wuhan University, 2018. in Chinese 英文编辑柯波 （上接第98页） [3]魏德，李玉岐.缺口形状对烟囱拆除爆破倒塌过程 的影响分析[J] 爆破,2008,25492-95. [3] WEI De,LI Yu-qi. Influence of incision shape on blasting collapse process of chimney demolition analysis[ J]. Blas ting,2008 ,254 92-95. in Chinese [4] 王旭光.爆破设计与施工[M].北京冶金工业出版 社,201120. [5] 李禹锡，彭小林,万朝海，等.两侧紧邻建筑物处烟囱 爆破拆除技术[J]广东水利电力职业技术学院学报, 2017,154 70-74. [5] LI Yu-xi, PENG Xiao-lin, WAN Chao-hai,et al. Chimney blasting demolition technology near buildings on both sides [ J ]. Journal of Guangdong Vocational and Technical College of Water Conservancy and Electric Power,2017, 154 70-74. in Chinese [6] 张宝岗，赵明生,余红兵，等.切口角度对冷却塔爆破 拆除影响研究[J] 爆破,2018,351109-115. [6 ] ZHANG Bao-gang, ZHAO Ming-sheng, YU Hong-bing, et al. Study on the influence of incision angle on blasting demolition of cooling tower [ J ]. Blasting, 2018,35 1 109-115. in Chinese [7] 郑文富，张文龙,陈少辉.复杂环境下120 m高烟囱定 向爆破拆除[J].探矿工程岩土钻掘工程,2018, 451 89-92, [7 ] ZHENG Wen-fu, ZHANG Wen-long, CHEN Shao-hui. Di rectional blasting demolition of 120 m tall chimneys in complex environment [ J ]. Prospecting Engineering Geotechnical Drilling and Tunneling Engineering , 2018,451 89-92. in Chinese [8] 熊祖钊，易 流，黄小武，等.城市复杂环境下基坑土 石方爆破振动控制研究[J] 爆破,2016,33145- 49. vibration control of foundation pit earthwork blasting under complex urban environment [ J ]. Blasting, 2016,33 1 45-49. in Chinese [9]高文乐，葛家才，柳 姬，等.国内冷却塔拆除爆破设 计综述[J]爆破,2012,292 67-71. [9] GAO Wen-le,GE Jia-cai,LIU Ji,et al. Review of domestic demolition blasting design of cooling tower [ J J. Blasting, 2012,292 67-71. in Chinese [10] 李胜林，栗曰峰，李奎，等.爆破振动速度预测误差 的可靠性分析[J].爆破,2013,301119-121. [10] LI Sheng-lin,LI Yue-feng,LI Kui,et al. Reliability anal ysis of estimation error in blasting vibration velocity [ J ]. Blasting,2013 ,30 1 119-121. in Chinese [11] 唐春海.150 m高烟囱爆破拆除振动测试[C] 〃中国 力学学会工程爆破专业委员会.中国力学学会工程 爆破专业委员会2013年年度工作会议暨学术交流会 论文集,20133. [11] TANG Chun-hai. Vibration test for blasting demolition of 150 m tall chimneys[ C] 〃Chinese Society of Theoreti cal and Applied Mechanics Engineering Blasting Profes sional Committee. Chinese Society of Theoretical and Ap plied Mechanics Engineering Blasting Professional Com mittees 2013 Annual Working Conference and Proceed ings of Academic Exchange Conference, 2013 3. in Chinese [12] 王 晨，高文乐，方昌华，等.100 m高钢筋混凝土烟 囱的双向折叠爆破拆除[J]工程爆破,201016 68-71. [12] WANG Chen,GAO Wen-le,FANG Chang-hua,et al. Bi directional folding blasting demolition of a 100 m-high reinforced concrete chimney [ J ]. Engineering Blasting, 2010 16 68-71. in Chinese [8 ] XIONG Zu-zhao, YI Liu, HUANG Xiao-wu ,et al. Study on 英文编辑黄刚