100 m高鋼筋混凝土煙囪定向爆破拆除實踐

周應(yīng)軍 羅 鵬 李本偉 胡浩川

(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司)

某待拆除煙囪地面以上標(biāo)高為100 m，鋼筋混凝土筒式結(jié)構(gòu)。在+0.5 m標(biāo)高處煙囪外直徑為9.71 m，內(nèi)直徑為8.71 m，壁厚500 mm，隔熱層為0 mm，內(nèi)襯為0 mm；在+5.00 m標(biāo)高處外徑為9.21 m，內(nèi)徑為8.37 m，壁厚420 mm，隔熱層為80 mm，內(nèi)襯為240 mm；在+17.5 m標(biāo)高處煙囪外直徑為7.96 m，內(nèi)直徑為7.48 m，壁厚240 mm，隔熱層為50 mm，內(nèi)襯為120 mm；在+100 m標(biāo)高處，煙囪外徑為6.40 m，壁厚160 mm，隔熱層為50 mm，內(nèi)襯為120 mm；經(jīng)計算煙囪質(zhì)量約1 787 t，重心高度為34 m。根據(jù)煙囪結(jié)構(gòu)及強度，機械拆除費時費力，擬采用爆破方法拆除。

1 工程環(huán)境

該煙囪北面距昌江391 m，距180 m煙囪煤倉間23 m；東面距升壓站128 m，距空調(diào)房125 m，距100 m煙囪汽機房62 m，距100 m煙囪煤倉間 49 m；南面距在建高鐵線227 m，距運行食堂70 m；西南面距廢棄液化氣站92 m；西面距居民樓235 m，距老年宮191 m，距門球場160 m，距消防樓135 m；西北面距某中學(xué)教學(xué)樓252 m，距中學(xué)體育館150 m，距檢修車間127 m，距180 m煙囪80 m。原發(fā)電廠生產(chǎn)區(qū)內(nèi)除升壓站在運行外，其余建構(gòu)筑物全部處于廢棄待拆除狀態(tài)。具體周圍環(huán)境見圖1。

2 爆破方案設(shè)計

根據(jù)100 m煙囪自身結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境特點，決定采用定向爆破拆除方案，煙囪向西定向傾倒[1-6]。

2.1 爆破切口設(shè)計

2.1.1 爆破切口部位及形狀

煙囪在傾倒過程中，宜使其切口逐漸閉合，常見的切口展開圖有矩形、三角形、梯形等。對于高度較小的煙囪，切口展開圖通常為矩形，對于高煙囪，如果采用矩形切口線，存有爆前因預(yù)留支撐部位不對稱而坐塌的危險，較理想的切口線是使煙囪在爆破初始階段傾倒較平穩(wěn)緩慢，為此，切口線宜為梯形。根據(jù)煙囪的布筋情況，設(shè)計切口形狀為正梯形，煙囪切口部位距地面以上+0.5 m處。

2.1.2 切口弧長確定

為保證煙囪不發(fā)生后坐并按預(yù)定方向傾倒，余留截面受拉部分бtmax>[бt]，受壓部分бpmax<[бp]。爆破切口形成后，煙囪前傾產(chǎn)生的壓應(yīng)力遠大于鋼筋抗壓屈服極限，故僅需對煙囪余留界面的支撐能力進行安全校核即可，即只要余留截面能夠提供足夠支撐能力，就能保證煙囪向設(shè)計方向傾倒。

混凝土的抗壓強度[бp]=38.9 MPa，抗拉強度[бt]=2.4 MPa，根據(jù)經(jīng)驗,煙囪開口角β取220°,則對應(yīng)爆破開口弧度為

L=R(β/180)π ,

(1)

式中，L為開口弧度，m；R為煙囪外半徑，4.855 m；β為煙囪開口角，220°。

計算得出L=18.6 m。

余留截面抗壓能力校核計算公式為

бp=mg/S,

(2)

(3)

式中，m為煙囪質(zhì)量，1 787 t；g為重力加強度，9.8 m/s2；S為余留截面面積，m2;r為煙囪內(nèi)半徑，

圖1 爆區(qū)周圍環(huán)境示意

4.355 m；其他參數(shù)符號意義同上。

計算得出S=5.62 m2，бp=3.11 MPa≤[бp]。說明爆破切口形成時，煙囪不會產(chǎn)生后座。

2.1.3 切口高度的確定

對于煙囪爆破切口高度的選取，目前有2種應(yīng)用較廣的方法[7-10]。

(1)通過外半徑計算切口高度，根據(jù)以往工程經(jīng)驗:

H1=(1/6～1/4)R,

(4)

式中，R為切口處煙囪外半徑，4.855 m。

計算得出H1=0.81～1.21 m。

(2)通過壁厚計算切口高度，即

H2=(3.0～5.0)δ,

(5)

式中，δ為切口部位煙囪壁厚，0.5 m。

計算得出H2=1.5～2.5 m。

綜上所述，根據(jù)實際經(jīng)驗并結(jié)合本工程實際情況，切口高度取2.4 m。

2.1.4 定向窗的布置及尺寸

為了確保煙囪能準(zhǔn)確按設(shè)計方向倒塌，除正確選取爆破缺口的形狀和參數(shù)外，還應(yīng)該保證支撐區(qū)對稱，開鑿定向窗是保證支撐區(qū)對稱的主要技術(shù)措施。采用風(fēng)鎬、氣腿式鑿巖機及水鉆開爆破切口的定向窗，根據(jù)確定的切口形狀，定向窗為三角形，三角形底邊長為3.0 m，高1.73 m，定向窗夾角為30°。

根據(jù)上述設(shè)計理論及計算方法，結(jié)合煙囪結(jié)構(gòu)和尺寸，本次爆破切口設(shè)計見圖2，參數(shù)見表1。

圖2 爆破切口示意(單位：cm)

開口角β/(°)切口弧長L/m切口高度H/m定向窗邊長/m定向窗角度/(°)定向窗高度/m中心導(dǎo)向窗尺寸/m22018．612．403．0301．733．0×6．1(拱形)

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

炮孔布置在爆破切口范圍內(nèi)，方向朝向煙囪中心，相鄰排間炮孔采用矩形布置。

炮孔深度為

L=(0.6-0.85)δ，

(6)

式中，δ為爆破切口處的筒壁厚度，0.5 m。

計算得出LX=0.35 m，LZ=0.40 m，LS=0.32 m。

孔距a=0.40 m，排距b=0.4 m，炸藥單耗q=1.875～3.75 kg/m3，單孔裝藥量Q=150～300 g，共布置7排孔，上部2排炸藥單耗取1.875 kg/m3，中間3排炸藥單耗取3.75 kg/m3，下部2排炸藥單耗取2.5 kg/m3，最終爆破藥量由試炮確定。中間3排裝雙發(fā)雷管，其他排裝單發(fā)雷管。具體爆破參數(shù)見表2。

表2 爆破參數(shù)設(shè)計

2.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計

為了確保安全準(zhǔn)爆，采用非電導(dǎo)爆管雷管微差起爆系統(tǒng)，分2段起爆。爆破切口中間采用MS-1段非電雷管，兩側(cè)分別采用MS-3段非電雷管，每個炮孔裝1～2發(fā)，其中下4排孔形成交叉復(fù)式網(wǎng)路，并適當(dāng)調(diào)高單孔藥量，每18～20發(fā)非電雷管組成一簇，用2發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管連接，交叉復(fù)式網(wǎng)路用起爆器起爆。爆破網(wǎng)路見圖3。

圖3 起爆網(wǎng)路示意

3 安全校核與防護

3.1 切口爆破振動

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)安全判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)[11]，通常采用下式計算爆破引起的地面質(zhì)點振動速度。

(7)

式中,V為距爆破點距離R處質(zhì)點振動允許速度,cm/s；R為保護對象距爆破點的距離,m；Q為炸藥量，單段最大起爆藥量,18.9 kg；K、α為系數(shù)和衰減指數(shù),取K=150，α=1.62。

對煙囪周圍被保護建構(gòu)筑物進行安全振速校核，爆破振動速度計算結(jié)果見表3。

由表3可知，煙囪爆破周圍建構(gòu)筑物振動速度小于規(guī)程允許的振動速度，因此，煙囪爆破振動不會對周邊需保護的建構(gòu)筑物造成太大影響。

3.2 煙囪塌落觸地振動

塌落觸地振動由下式驗算[11-12]：

(8)

式中,V為地表振速，cm/s；m為下落體質(zhì)量，1 787 t；g為重力加速度，m/s2；H重心高度，m；σ為破壞

表3 煙囪爆破振動安全校核計算結(jié)果

強度，一般取10 MPa；R為保護對象距煙囪倒塌點的距離，m；Kt、β為衰減參數(shù)，取Kt=3.37，β=1.66。

計算得出在煙囪傾倒觸地時不同目標(biāo)的振動速度，見表4。

表4 煙囪觸地振動安全校核計算結(jié)果

由表4可知，煙囪觸地周圍建構(gòu)筑物振動速度小于規(guī)程允許的振動速度，即煙囪觸地時的地震效應(yīng)很弱，因此，煙囪周邊需保護的建構(gòu)筑物是安全的。

3.3 爆破飛石校核及防護措施

無防護條件下個別飛石的最大飛散距離按經(jīng)驗公式[13]計算：

(9)

式中,S′為飛石最遠距離,m；V0為飛石初速度，10～40 m/s,取最大值40 m/s；g為重力加速度，m/s2。

計算得出S′=80 m。可以看出，爆破飛石可能會對周圍建構(gòu)筑物造成破壞，需要進行覆蓋防護，主要對被爆介質(zhì)直接進行覆蓋，從而達到減小爆破危害效應(yīng)的目的。覆蓋防護的材料可用防曬網(wǎng)、土工格柵、土工布，其作用主要是緩沖個別碎塊的拋擲初速度。

4 結(jié) 語

煙囪起爆后緩慢傾倒，12 s后全部落地，煙囪筒體在塌落沖量作用下，筒體基本摔扁、破碎，爆破后的飛石飛濺很少，周圍機組、廠房未受到任何影響。根據(jù)爆破現(xiàn)場觀察及影像資料回放，下坐過程中，最先是筒體的根部點接觸，然后接觸面積逐步增大，直到足以支撐住煙囪，隨后煙囪加速傾倒、觸地。此次爆破，煙囪按照設(shè)計方向倒塌，偏差在5°以內(nèi)，爆破產(chǎn)生的各種有害效應(yīng)也在可控范圍內(nèi)，未對周圍建構(gòu)筑物和人員造成傷害，爆破拆除施工取得圓滿成功。

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