復雜環境下108 m高造粒塔定向控制拆除爆破

薛克軍,胡坤倫，楊 輝，夏治園，韓體飛，李 毅，宋凡平

(1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽雷鳴科化股份有限公司，安徽 淮北 235042)

為適應新的生產工藝的要求，各個傳統的化工企業也開始升級產品線。但是，往往在升級的過程中遺留下來的老舊且高聳的各種反應器、工業爐難以處理，在拆除這類高聳建筑物時，定向控制爆破以其安全、快捷的特點發揮了巨大的作用。但此類建筑物周圍往往有大量廠房和其他有用的生產設施，使得待拆除建筑物周圍的拆除爆破環境十分復雜，這對定向控制拆除爆破的技術細節有了更加苛刻的要求。因此，在實際拆除之前，結合相關的數值模擬軟件進行模擬，力求爆破參數更加合理，將爆破危害程度降到最低[1]。

1 工程概況及技術難點

1.1 造粒塔概況

造粒塔為圓筒形框架結構和長方體(樓梯、電梯間)結構相結合的異形結構(見圖1)，總高108 m，筒身采用標號300的混凝土澆筑而成，外徑19 m，內徑18 m，壁厚0.5 m。筒體西側凸出一塊壁厚0.3 m，長10 m，寬8.495 m的剪力墻結構樓梯電梯間。其中電梯間為2.25 m×2.25 m的正方體剪力墻結構，壁厚分別為0.3 m和0.2 m，樓梯為鋼混結構。

圖1 造粒塔

1.2 周邊環境

造粒塔周圍環境復雜(見圖2)，東北側140 m和北側210 m處分別為車間1和車間2；東側163 m處為車間3，200 m處為一氫氣罐放置地，若泄露十分危險；東南側有一氣體管道，從東南側貫穿整個東北側，里面含有危險氣體，距造粒塔最近處僅有17 m；南側24 m處有一10 kV高壓線路；西側90 m處為車間4。爆區環境對倒塌方向精度要求極高。

圖2 造粒塔周圍環境

1.3 工程技術難點

1)造粒塔高而且重，高徑比為5.7，下落勢能大，傾倒觸地的沖量大。

2)周邊建(構)筑物及設備設施等保護目標眾多、且距離近，對爆破振動、爆破飛石等有害效應控制要求高。

3)待拆造粒塔處于廠區，施工過程不得影響廠區的正常生產。

2 爆破技術設計

2.1 方案設計及預處理

2.1.1 爆破方案總體設計

依據“開窗口、斷鋼筋、余留支撐板塊”以及“多打孔、少裝藥、適度破壞”的原則，根據該造粒塔的結構特點和周圍環境條件，確定采用定向倒塌拆除爆破。倒塌方向北偏西6°，采用孔內、孔外延時起爆技術，降低爆破振動對周圍環境的影響。為了減緩造粒塔倒塌觸地振動，設置多道緩沖土堤壩。

2.1.2 預處理

將造粒塔傾倒方向正前方的建(構)筑物全部拆除，電梯井與塔體間腋角分離，切除連接槽鋼，人工風鎬分離連接混凝土并切除鋼筋。用機械臂開鑿造粒塔爆破切口兩側的定向窗和傾倒方向的定向槽，然后用風鎬修整到設計尺寸。考慮到0～9.575 m之間有出料斗，確定在倒塌方向的筒壁開鑿高7.5 m、寬2 m的減荷槽，用機械臂進入對出料斗進行機械拆除。

2.2 爆破切口設計

根據造粒塔的結構特點，設計的切口形狀為梯形。梯形底部用風鎬開2個小角度定向窗，鑒于實際施工可行性[2]，定向角度設計為30°，根據確定的切口形狀，定向窗為三角形，三角形底邊長為2 m。

2.2.1 切口長度

根據筒形結構抗壓不抗彎的結構特點，長度取該處周長的3/5，切口長度按下式確定[3]：

(1)

式中：L為爆破切口弧長，m；D為造粒塔切口處外徑，D=19 m。計算得到L=35.8 m。

2.2.2 切口高度

根據以往工程經驗，切口高度按下式計算[4]：

(2)

且切口高度應滿足切口理論計算公式[5]：

(3)

式中：h為爆破切口高度，m；Hc為構筑物重心高度，Hc=54.3 m；R為爆破切口截面外半徑，m；θ為爆破切口支撐截面半圓心角，θ=30°。

計算得到切口高度3.16～4.75 m。但因切口處有一門洞，高度約為6 m左右，以此高度為基準，依據現場施工需求和實際工程經驗，一般切口高度取理論計算的1.5倍以上，且較大的切口有利于爆后切口內混凝土脫離鋼筋，不至于阻礙傾倒鉸支的順利形成，最終切口高度定為7 m，滿足理論公式[6]。

2.2.3 重心偏移距離校核

造粒塔在重力矩作用下偏轉，當切口上、下沿閉合時，重心偏移距離計算如下[7]：

S=Hctgθ

(4)

式中：S為重心偏移距離，m。

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得到重心偏移距離為31.4 m。計算說明造粒塔在傾倒閉合時，其重心高出底部半徑。爆破切口如圖3所示。

圖3 爆破切口

2.3 爆破參數設計

2.3.1 炮孔參數設計

根據炮孔參數設計原則，設計確定如下：由于壁厚δ=0.5 m，根據實際情況最小抵抗線W=0.25 m；炮孔深度L=(3/5～2/3)δ，因此L=0.3～0.33 m，根據實際情況取L=0.33 m；炮孔間距a=(1.0～1.8)W，因此a=0.25～0.45 m，根據實際情況取a=0.4 m；炮孔排距b=(0.87～1.0)a，因此b=0.38～0.4 m，根據實際情況取b=0.38 m。

2.3.2 裝藥量設計

鉆孔孔徑為40 mm，單孔藥量由以下公式計算[8]：

Q=qaδL

(5)

式中：Q為單孔裝藥量，kg；q為單位體積炸藥消耗量，kg/m3。

根據公式計算，造粒塔爆破孔網參數如表1所示。

表1 造粒塔筒壁孔網參數

2.3.3 總裝藥量計算

炮孔布置在爆破切口范圍內，方向朝向造粒塔中心，相鄰排間炮孔采用梅花形布孔[9], 爆破切口布設13排炮孔，共553個炮孔，總裝藥量為110.6 kg。

2.4 起爆網路設計

為控制齊發最大裝藥量，降低爆破振動帶來的影響，采用孔內高段別，孔外延時起爆技術。由傾倒中心線開始，將造粒塔爆破切口分為4個爆破區域。其中1區、2區、3區、4區(樓電梯間)分別采用孔外MS1、MS3、MS5、MS7簇并聯，孔內采用雙發MS10雷管。切口布孔和爆區如圖4所示。

圖4 切口布孔和爆區

3 爆破安全校核與防護措施

3.1 爆破振動計算

為避免爆炸能量釋放過于集中，在炮孔設計上采用多鉆孔、少裝藥和延時起爆技術，使爆炸能量均衡釋放、爆炸荷載均勻分布，減少單段最大藥量[10]。

根據爆破對象的結構特點和需要保護目標的情況，分析計算、校核最大一段齊爆藥量。質點振動速度采用薩道夫斯基爆破振動速度預測計算公式[11]：

(6)

式中：Q為單段最大藥量，kg；R為保護目標到爆點之間的距離，m；v為允許質點振動速度，cm/s；k為與爆破地質有關的系數，取100；k′為爆破振動衰減系數，取0.3；α為地震波衰減指數，取α=1.6。

造粒塔拆除爆破時單段最大藥量不超過38.9 kg，最大處爆破振動為管道處的2.27 cm/s，小于《爆破安全規程》(GB 6722-2014)中規定的3 cm/s的爆破安全振動速度。計算結果表明，爆破振動效應不會對周圍建筑和設施產生影響。

3.2 塌落振動計算

根據中國科學院力學研究所周家漢教授的研究成果，煙囪爆破塌落振動速度可以按照以下經驗公式進行計算[12]:

(7)

式中：vt為塌落引起的振動速度，cm/s；m為下落構件的質量，t；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為構件高度，m；R為觀測點至沖擊地面中心的距離，m；σ為塌落地面介質破壞強度，一般取10 MPa；β為塌落振動速度衰減指數，取-1.8；kt為塌落振動速度衰減系數，取3.37。

根據造粒塔實際尺寸估算出其質量約為8 000 t，由現場環境可知沖擊地面中心距離最近廠房4的距離大約在90 m左右。且在造粒塔倒塌方向上，每隔10 m距離開挖溝槽，設置減振土墻，塌落振動將明顯減小，塌落振動速度公式中衰減系數kt僅為原狀地面的1/4～1/3，則此時塌落振動僅為1.26 cm/s，遠小于國家標準，周圍建筑安全。

3.3 爆破飛石距離計算

在無任何防護措施條件下，拆除爆破飛石可采用如下經驗公式進行估算[13]：

Rmax=70k0.58

(8)

式中：Rmax為個別飛石最大距離，m；k為炸藥單耗，kg/m3。

計算得到個別飛石最大距離為110.5 m。實際工程中鉆孔部位，通過采用2層土工格柵、5層密目安全網對筒體實施覆蓋包裹，同時采用2層6針防曬網對爆破切口進行懸掛防護。以往的工程實踐表明，通過以上措施，可以將爆破飛石的飛散距離大部分控制在15 m以內，對周圍保護目標不會造成危害。

4 數值模擬

4.1 模型建立

造粒塔采用整體式建模法，即把鋼筋混凝土材料視為單一均勻的材料，用ANSYS/LS-DYNA軟件按照1∶1的比例進行建模(見圖5)。造粒塔整體使用SOLID164實體單元，*MAT_BILINEAR_ISOTROPIC 材料模型，地面材料設置為剛體。造粒塔采用單元失效模擬炸藥爆炸后形成的切口，隨后在重力作用下造粒塔開始失去穩定性并向一邊傾倒。造粒塔傾倒過程中各種接觸碰撞擁有相當的復雜性，所以此次模擬以AUTO_SINGLE_SURFACE為接觸方式[14]。

圖5 造粒塔模型

4.2 模擬結果與分析

4.2.1 模擬倒塌過程

爆破切口在t=0.1 s時形成，由于造粒塔自身重力較大，在重力傾覆力矩的作用下開始倒塌，在10.2 s時，造粒塔完全倒塌，由于造粒塔材料強度高，結構整體性較好，倒塌后并沒有出現較大的解體現象，因此爆堆長度與造粒塔本身高度接近，倒塌方向預留空間足夠。在整個過程中，可以觀察到造粒塔底部支撐的應力狀態，有很強的壓、拉現象，但是并沒有出現明顯的后坐現象。模擬倒塌過程如圖6所示。

圖6 模擬倒塌過程

4.2.2 造粒塔頂部速度及位移

通過分析造粒塔頂部關鍵節點的位移，可以進一步判斷出造粒塔在倒塌過程中是否出現偏移和后坐[15-17]。節點的位移和速度如圖7、圖8所示。

由圖7可以看出，該節點在z(豎直方向)方向和y(倒塌方向)方向的位移長度均在108 m左右，說明其倒塌效果充分；同時在x方向位移幾乎為0，可以看出倒塌時幾乎沒有出現偏差角度。

由圖8可知，在爆破切口形成時，頂點的速度逐漸增大，最大達到47.4 m/s，而后在觸地瞬間速度快速減為0左右。倒塌期間，并沒有出現明顯的速度突然變化，說明造粒塔底部支撐足夠，沒有出現下坐現象。由以上模擬結果表明該造粒塔倒塌的方案是可行的，倒塌效果良好。

圖7 節點x、y、z方向位移

圖8 節點z方向速度

4.3 與實際倒塌效果對比

通過倒塌實際形態圖和數值模擬形態的對比(見圖9)，我們發現倒塌后造粒塔整體結構較為完整，且在近似時刻造粒塔空中倒塌姿態和實際倒塌姿態幾乎一致，進一步說明了模擬對工程實踐的指導意義。

圖9 倒塌實際形態和數值模擬形態對比

5 結語

1)依據理論計算和現場實際情況，造粒塔采用了7 m的切口高度來保證倒塌效果；同時切口部分由于存在出料口，在爆破之前，也進行了大量預處理工作，保證了爆破時切口的形成。

2)模擬結果顯示，造粒塔頂部關鍵節點的位移在z(豎直方向)方向和y(倒塌方向)方向的位移長度均在108 m左右，說明其倒塌效果充分；在x方向位移幾乎為0，可以看出倒塌時幾乎沒有出現偏差角度；同時該節點速度最大達到47.4 m/s，倒塌期間，并沒有出現明顯的速度突躍，說明造粒塔底部支撐足夠；由于造粒塔材料強度高，結構整體性較好，倒塌后未出現較大的解體現象，爆堆長度與造粒塔本身高度基本一致。

3)造粒塔實際倒塌形態和模擬形態幾乎一致，證明該爆破方案設計合理；從實際倒塌結果來看，也證明了模擬對于工程實踐具有指導作用。本次模擬采用的材料模型和接觸方式可以很好的模擬出倒塌效果，但相關參數仍需繼續優化。