復雜環境下210 m煙囪定向爆破拆除

程 楠

(中鐵二十三局集團有限公司，成都 610072)

上世紀八十年代以來，我國就開始采用爆破方法拆除百米以上高聳鋼筋混凝土煙囪。爆破拆除高聳鋼筋混凝土煙囪具有以下難點：①煙囪高度高、體積大；②拆除工期緊；③四鄰環境復雜，安全要求高[1]。徐鵬飛等人采用兩段單向控制爆破拆除180 m高鋼筋混凝土煙囪[2]，兩次爆破均取得了良好的爆破效果，達到了安全、精細爆破拆除的目的；李本偉等人在復雜環境中采用控制爆破技術爆破拆除180 m鋼筋混凝土煙囪[3]，針對煙囪尺寸大、鋼筋密、混凝土強度高的結構特點，預先開鑿大尺寸導向窗減少了爆破面積，并且通過鋪設防護土堤有效地控制了爆破次生災害的產生；朱寬等人以某特大鋼筋混凝土煙囪定向爆破工程為研究對象，采用高速攝影、應力應變測量兩種測量手段，對煙囪爆破倒塌過程進行實驗研究，獲取傾倒過程中的各種運動參量[4]。以國華徐州發電有限公司210 m煙囪爆破拆除工程為研究背景，根據理論計算與工程經驗選取了合理的爆破切口形狀、尺寸及開鑿工藝、爆破參數、起爆網路以及多重控制措施，研究煙囪爆破拆除的傾倒過程以及爆破拆除對周邊建(構)筑物的影響。

1 工程環境

國華徐州發電有限公司響應國家“上大壓小、節能減排”政策號召關停7、8號機組。機組210 m煙囪因結構高大且堅固，需進行爆破拆除。待拆除煙囪位于國華徐州發電有限公司廠區內，西北側距化水集控室辦公區135 m，距燃料物資部辦公樓及廠房63 m，距西北側圍墻(傾倒方向)222 m；西側距生活消防水管道及電纜30 m，西南側距民房190 m；東南側加熱站88 m，距綜合樓146 m；東側供熱管道(埋深0.5 m)19 m；東南側廠區鐵路線277 m，距京滬鐵路線382 m。煙囪周邊環境如圖1、2所示。

圖 2 待拆除煙囪環境圖(單位：m)Fig. 2 Environmental of chimney to be demolished(unit:m)

2 煙囪結構

待拆除4#煙囪為鋼筋混凝土結構，混凝土采用C30，高210.00 m，+6.85 m處外半徑8.41 m，壁厚750 mm，隔熱層厚80 mm，內襯厚200 mm；底部布置有兩個檢修口，檢修口高2.50 m，寬1.80 m；+5.00 m處布置有兩個煙道口，煙道口寬4.30 m、高7.25 m。井字梁和積灰平臺位于+20.00 m處以下。筒身混凝土體積2519.5 m3，隔熱層484.45 m3，內襯873.90 m3。+6.85 m處豎向筋布置：雙層布筋，外側布設83φ25豎向筋，內側布設218φ20豎向筋；環向筋布置：環向筋采用螺旋式箍筋布置方式，外側鋼筋布置規格為φ22@140，內側鋼筋布置規格為φ18@160。

3 爆破拆除設計

結合煙囪高度、結構尺寸、周邊環境，在待拆除煙囪+6.85 m處布置爆破切口，傾倒方向為南北兩個出灰口對稱中心為準，即西偏北2°方向，采用孔內延時起爆技術，并用繩鋸進行定向窗的預處理[5-10]。

3.1 爆破切口設計

爆破切口形狀設計為正梯形。根據余留部分力學分析并結合類似煙囪爆破拆除經驗，切口圓心角取216°，切口布置在+6.85 m處，該處煙囪外徑D=8.41 m，壁厚δ=750 mm，煙囪切口弧長L=πD(216/360)=π×16.82×216/360=31.12 m。切口高度H=(1/6～1/4)D=2.8～4.2 m，實際取H=4.5 m。定向窗為直角三角形，角度為30°，底邊長為0.49 m，高0.28 m。切口平面布置如圖3所示。

圖 3 切口平面布置示意圖(單位：m)Fig. 3 Diagram of cut layout(unit:m)

3.2 爆破參數設計

(1)孔網參數

切口炮孔深度L=(0.6～0.85)δ，其中δ為爆破切口處的筒壁厚度，δ=0.75 m，炮孔深度L1=0.57 m，孔距a1=0.45 m，排距b1=0.45 m，炸藥單耗q1=2.30 kg/m3，單孔裝藥量Q1=350 g。為保證內襯不影響煙囪倒塌過程，在煙囪內部平臺+6.85 m處對內襯進行鉆孔，炮孔深度L2=0.17 m，孔距a2=0.35 m，排距b2=0.45 m，炸藥單耗q2=1.45 kg/m3，單孔裝藥量Q2=50 g。爆破總藥量為188.25 kg。

(2)炮孔布置

炮孔布置在爆破切口范圍內，方向朝向煙囪中心，煙囪外壁相鄰排間炮孔采用矩形布置，采用云梯車進行鉆孔作業，煙囪外壁爆破切口布設11排炮孔，共495孔；內襯炮孔采用梅花形布置，在內部平臺搭設腳手架進行鉆孔作業，共布設6排炮孔，共300孔。具體爆破參數如表1所示，實際炮孔布置如圖4所示。

表 1 爆破參數設計Table 1 Blasting parameter design

圖 4 炮孔布置圖Fig. 4 Blasthole layout

3.3 起爆網路設計

為了確保安全準爆，采用非電導爆管微差起爆網路，分兩段起爆。煙囪內襯和煙囪外壁爆破切口中間采用MS1段非電雷管，兩側分別采用MS3段非電雷管，中間先起爆，兩側滯后[11]。每個炮孔裝1～2發非電雷管，其中下四排孔形成交叉復式網路并適當調高單孔藥量，每18～20發非電雷管組成一簇，用2發瞬發導爆管雷管連接。形成交叉復式網路。見圖5。

圖 5 起爆網路示意圖Fig. 5 Schematic diagram of detonation network

4 安全防護措施

4.1 振動控制措施

根據待拆除煙囪周邊勘測情況，本次爆破拆除工程主要保護對象為西南的民房以及西側的生活消防水管道、電纜，其中生活消防水管道、電纜處于煙囪倒塌中心線上，民房距離預估煙囪頭部觸地位置較近。為減少爆破振動和煙囪倒塌觸地振動對周邊建(構)筑物的影響[12]，采用了以下措施：

(1)沿生活消防水管道、電纜的走向鋪設兩層鋼板，并在鋼板上方采用黃土、磚渣鋪設一條上寬2 m、下寬5 m、高3 m的減震堤。

(2)在倒塌方向的正前方，217 m處采用黃土、磚渣鋪設一條長20 m、上寬3 m、下寬6 m、高4 m的減震堤，并在減震堤靠近煙囪一側開挖一條2 m深的溝槽。

(3)為減小煙囪觸地造成地面碎石的飛濺，減震堤堆筑的材料里面不能有碎塊，用2層防曬網整體覆蓋減震堤。

4.2 其他安全防護措施

(1)采用云梯車進行鉆孔、裝藥、防護施工，避免登高作業，保證施工人員的安全。

(2)加強對裝藥部位的覆蓋，對裝藥部位從里層到外層采用2層土工格柵，10層密目安全網，2層黑色防曬網進行懸掛式覆蓋防護，以防爆破飛石的飛出[13,14]。

(3)對周邊需保護的建(構)筑物采用2層黑色防曬網進行懸掛式覆蓋防護，防止爆破飛散物對窗戶、玻璃造成損壞。

5 振動監測

5.1 振動監測儀器與結果

本次測試采用了由成都泰測科技有限公司生產的Blast-UM爆破測振儀對煙囪西南側的民房建筑及東北側的京滬鐵路線進行了質點振動速度監測，以確保其安全性。表2為煙囪爆破振動監測結果，圖6為典型振動速度波形圖。

圖 6 典型振動速度波形圖Fig. 6 Typical vibration velocity waveform

表 2 煙囪爆破振動監測結果Table 2 Chimney blasting vibration monitoring results

5.2 監測結果分析

(1)根據本次振動監測的數據，煙囪爆破拆除工程中塌落觸地振動遠大于炸藥爆炸產生的爆破振動。

(2)從表2可以看出最大振動速度在居民樓1#測點，振速為0.2716 cm/s，主頻為11.1 Hz，遠遠小于磚混結構民房的安全振動速度2 cm/s。因此，鄰近居民樓是安全的。

(3)一般廠房和民房的自振頻率在1～3 Hz，而本次爆破引起振動頻率在10.5～20.1 Hz之間，超過民房的自振頻率，不會引起共振導致民房破壞。

6 爆破效果及分析

2020年11月19日下午3點54分，210 m煙囪爆破拆除。起爆后煙囪按照預定的方向緩慢傾斜，傾斜過程約7 s，從12 s開始加速傾倒落地，12 s時煙囪筒體在約1/2處開始斷裂，18 s后全部落地，定向傾倒方向無誤，無后座現象。整體爆堆長度為227 m，煙囪筒體落地被分為3段，底部0～50 m筒體被壓扁，混凝土破壞較少，50～100 m筒體被壓扁壓碎，100～227 m筒體混凝土基本完全粉碎。周邊建(構)筑物、地下水管道、地下線纜安然無恙，爆破總體效果良好。見圖7。

圖 7 煙囪爆后效果圖Fig. 7 Effect diagram of chimney after explosion

通過本次210 m煙囪的定向爆破拆除，有如下體會：

(1)在選擇5～30 m高位切口時，傳統鉆孔作業需搭設腳手架平臺進行鉆孔作業，該方法成本高、耗時長，對腳手架搭設要求高，并且平臺還需在爆破前拆除，對后續裝藥、聯網作業影響大，安全性不高。而本次工程通過運用云梯車載人進行鉆孔作業，與傳統方法相比較，云梯車移動方便、靈活，節省搭設與拆除時間，不會影響聯網工作，安全系數較高。

(2)與傳統定向窗預處理方法相比，用繩鋸切割法處理定向窗，夾角與形狀更精確，后排結構保護更充分，工期更短，在降低成本的同時減少了對煙囪的損傷。

(3)在高聳建(構)筑物爆破拆除工程中，有必要采用減振與防飛濺措施，可以有效控制高聳建(構)筑物觸地帶來的振動，飛石等危害。

(4)2層土工格柵，10層密目安全網，2層黑色防曬網的近體防護能夠有效的控制爆破飛石。