非對(duì)稱(chēng)定向窗爆破拆除煙囪的施工技術(shù)

孫俊鵬，繆玉松，周衍明，陳 新

(大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)金源爆破工程有限公司, 遼寧 大連市 116600)

0 引 言

隨著國(guó)家“上大壓小，節(jié)能減排”政策的號(hào)召與落實(shí)，一批污染大、能耗高的暖氣供熱中心相繼關(guān)停轉(zhuǎn)產(chǎn)[1]。需將其配套的煙囪及廠房設(shè)備進(jìn)行拆除重建，一般廠房設(shè)備大多采用機(jī)械拆除的方式進(jìn)行拆除。煙囪由于高度較高，周?chē)h(huán)境復(fù)雜，受拆除機(jī)械臂長(zhǎng)的影響，大多采用控制爆破定向倒塌的方式進(jìn)行拆除。“定向倒塌”的設(shè)計(jì)原理主要是在倒塌方向的中心線方向上，開(kāi)設(shè)對(duì)稱(chēng)的大于周長(zhǎng)1/2的爆破切口，使煙囪在其重力的作用下，發(fā)生失穩(wěn)和破壞，迫使其按預(yù)定方向、范圍倒塌。然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、支撐點(diǎn)不對(duì)稱(chēng)的高聳煙囪進(jìn)行拆除爆破時(shí)，難以通過(guò)預(yù)拆除的手段消除煙道口處的應(yīng)力集中。此時(shí)，可通過(guò)非對(duì)稱(chēng)定向窗減弱煙道口的影響。結(jié)合85 m高鋼筋混凝土煙囪拆除爆破，采用非對(duì)稱(chēng)定向窗成功消除了煙道口處應(yīng)力集中的影響，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

大連金源供熱中心的改造需將供暖煙囪拆除。煙囪高85 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底部外直徑5.0 m，壁厚56 cm，煙囪內(nèi)襯耐火磚厚度24 cm，筒壁與耐火磚之間填充耐火材料厚度5 cm。采用雙排配筋，其中橫向箍筋為170根Φ25 Mn，間距50 cm；縱向立筋156根Φ20 Mn，間距10 cm。在底部南側(cè)有一高1.8 m、寬1 m的煙道口，整體重量約970 t。

待拆煙囪周?chē)h(huán)境復(fù)雜，北側(cè)50 m處是廠房，南側(cè)4 m處是鍋爐房，西側(cè)5 m處是廢棄廠房，30 m處為金源西街，煙囪東北方向100 m處有一收購(gòu)站。周?chē)h(huán)境見(jiàn)圖1。

圖1 周?chē)h(huán)境示意

2 爆破方案

煙囪拆除常用的方案有定向倒塌、折疊倒塌、原地倒塌[2]。因折疊倒塌和原地倒塌工程施工復(fù)雜、工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高，一般在煙囪高度不超100 m、有足夠倒塌空間的情況下不采用這兩種方案，該煙囪選用定向倒塌方案。并考慮煙囪倒塌后可能會(huì)產(chǎn)生0.1～0.2倍高度的前沖，1～3倍外徑的側(cè)向拋散，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量勘查，在煙囪東偏北50°有100 m長(zhǎng)的空地，可作為倒塌方向。

2.1 爆破切口長(zhǎng)度

爆破切口的長(zhǎng)度直接決定著爆破切口的角度[3]。切口過(guò)小，會(huì)使支撐體保留面積太大，煙囪產(chǎn)生后座不能順利倒塌；切口過(guò)大，會(huì)使支撐受力點(diǎn)減少，切口產(chǎn)生后，傾倒方向難易控制。因此，切口長(zhǎng)度對(duì)控制煙囪倒塌方向有著直接的影響。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，切口長(zhǎng)度一般為周長(zhǎng)的1/2～3/4，同時(shí)考慮煙道口的影響，本次爆破缺口圓心角取220°。

爆破切口高度是保證煙囪能否按預(yù)定方向倒塌的重要參數(shù)之一。工程實(shí)際中，常以3～5倍的壁厚為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)也要考慮煙囪自身的性質(zhì)[4]。由于煙道口高度為1.8 m，考慮煙道口四周可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，故取小值，切口高度取1.5 m。

2.2 定向窗

在煙囪拆除爆破中，爆破定向窗的設(shè)計(jì)對(duì)傾倒方向的控制具有至關(guān)重要的作用[5],煙囪定向窗1處有一煙道口，煙道口為磚砌-砂漿澆灌而成，煙道口的存在，改變了煙囪周?chē)鷳?yīng)力的均勻分布，使得煙囪在煙道口處的抗壓、抗拉強(qiáng)度得到一定程度的增強(qiáng)，如果按照常規(guī)布置對(duì)稱(chēng)定向窗，則在煙道口處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使定向窗兩側(cè)受力不均，由兩側(cè)同時(shí)受壓轉(zhuǎn)化為一側(cè)受壓、一側(cè)受拉，形成強(qiáng)大的扭轉(zhuǎn)力矩，使倒塌中心軸由原來(lái)的AB偏向至ab(如圖2)，極有可能發(fā)生意外。支撐體橫截面形狀決定其抵抗強(qiáng)度[6]，近似的用下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：KR—支撐體截面抗壓強(qiáng)度，MPa；

S—支撐體截面面積，；

h—支撐體高度，m；

a—混凝土抗壓強(qiáng)度，Pa；

b—鋼筋抗壓強(qiáng)度，Pa；

u—支撐體截面周長(zhǎng)，m。

計(jì)算得出支撐體1所承受的抗壓強(qiáng)度為14.4 MPa；支撐體2所承受的抗壓強(qiáng)度為9.75 MPa。對(duì)支撐體進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，支撐體1以支柱的形式承受支撐體2面積上所承受的壓力。為保證預(yù)處理作業(yè)后保留有足夠的支撐面積，并盡可能降低煙囪自重在煙道口處導(dǎo)致受力集中而影響倒塌方向，確保煙囪按設(shè)計(jì)方向倒塌。嘗試使用大角度定向窗，設(shè)計(jì)定向窗1處定向角度為30°，通過(guò)等效受力計(jì)算確定定向窗2角度為35°。

2.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

爆破參數(shù)的選擇決定了爆破效果和質(zhì)量，合理爆破參數(shù)的選擇，不僅要考慮爆破體自身的影響，還要綜合爆破參數(shù)間的影響及施工的方便，綜合考慮各方面因素的影響，設(shè)計(jì)爆破參數(shù)如圖3所示。

3 安全校核及防護(hù)

3.1 安全校核

(1) 支撐強(qiáng)度校核。構(gòu)筑物斷裂的條件是支撐面所受的壓應(yīng)力超過(guò)支撐材料所能承受的最大抗壓強(qiáng)度。定向窗和導(dǎo)向窗切除后，切口所留的支撐面積S=3.5，煙囪在支撐面上的壓應(yīng)力可近似用下式計(jì)算：

σr=p/s

(2)

式中：p—煙囪的重力，N。

計(jì)算得支撐面上的壓應(yīng)力為2.86 MPa，小于支撐面上的抗壓強(qiáng)度9.75 MPa,可滿足煙囪的支撐條件。

圖2 切口截面布置

圖3 爆破設(shè)計(jì)示意

(2) 扭曲強(qiáng)度校核。扭曲強(qiáng)度主要是指靜風(fēng)風(fēng)壓作用于煙囪面上，對(duì)支撐面所產(chǎn)生的剪應(yīng)力，煙囪的表面積可由下式求得：

(3)

結(jié)合(2)式求得作用于支撐面上的拉應(yīng)力為0.097 MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度1.2 MPa。滿足在6級(jí)風(fēng)力作用下的扭曲強(qiáng)度。

(3) 觸地振動(dòng)校核。煙囪爆破拆除倒塌振動(dòng)速度常用下式計(jì)算[7]：

V=K[(MgH/σ)1/3/R]β

(4)

式中：V—煙囪倒塌觸地所引起的地面振動(dòng)速度，cm/s；

M—煙囪倒塌部分的質(zhì)量，t；

g—重力加速度，9.8 m/s2；

H—煙囪的質(zhì)心高度，m；

σ—倒塌地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，取10 MPa；

R—倒塌中心距離振動(dòng)點(diǎn)的距離，m；

K、β—煙囪倒塌振動(dòng)的衰減系數(shù)和指數(shù)，K=3.37～4.09，取3.5,β=1.66～1.8，取1.7。

按R=45 m進(jìn)行計(jì)算，求得煙囪觸地振動(dòng)為1.05 cm/s。滿足房屋對(duì)振動(dòng)的要求。

3.2 安全防護(hù)

本次爆破中主要考慮爆破飛散物、沖擊波、振動(dòng)所產(chǎn)生的危害，同時(shí)還應(yīng)對(duì)煙囪倒地后產(chǎn)生的飛石和碎塊采取必要的防護(hù)措施[8]。

(1) 對(duì)被爆體內(nèi)所有炮眼進(jìn)行覆蓋，先用草柵覆蓋3層，用鐵絲夯實(shí)后，在外層加蓋一層鋼絲網(wǎng)，最外層再用草柵覆蓋，以阻擋飛散物和爆破飛石的危害。

(2) 將鄰近建筑物附近的門(mén)窗打開(kāi)，以減少爆破沖擊波的影響。

(3) 為減低觸地振動(dòng)和減小碎石的飛濺速度，在煙囪倒塌方向設(shè)置緩沖帶。煙囪垂直倒塌在緩沖帶上，沒(méi)有引起碎石的飛濺。

(4) 由于待拆除煙囪地處居民區(qū)，須對(duì)周?chē)用裉崆扒鍒?chǎng)，爆破前，請(qǐng)有關(guān)部門(mén)協(xié)助警戒。

(5) 爆破前在緩沖帶上灑水降塵，減小煙塵和空氣微粒的危害。

4 爆破效果與分析

(1) 起爆前，對(duì)風(fēng)向和風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試，風(fēng)向和風(fēng)速均在計(jì)算的允許范圍內(nèi)，保證了煙囪在傾倒過(guò)程中兩側(cè)受力的均衡性。

(2) 起爆后約11 s，煙囪按照設(shè)計(jì)的預(yù)定方向倒塌，落入緩沖帶。煙囪高度25 m以上摔成扁平狀，鋼筋和混凝土分離，以下部位保持圓筒狀。

(3) 由于爆破前在緩沖帶上進(jìn)行了灑水降塵處理，爆破后沒(méi)有飛散物，產(chǎn)生煙塵較小。

(4) 對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，所測(cè)得的最大振速值為0.67 cm/s，小于理論計(jì)算值，說(shuō)明緩沖帶起到了較好的降振作用。

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