復雜環境下磚混結構煙囪爆破拆除數值模擬及方案設計

王 剛

(安徽江南爆破工程有限公司,安徽 寧國 242300)

在城鎮建設改造升級過程中,達不到國家環保標準的煙囪、冷卻塔須進行爆破拆除。 盡管爆破拆除技術已經日臻完善,但復雜環境下高聳煙囪爆破拆除作業仍需綜合考慮煙囪尺寸、結構特征、環境、安全風險等因素,方可確定合理的傾倒方向、炸高和爆破切口位置等[1-3]。

在高聳煙囪爆破拆除研究與實際應用方面,李玉景等[4]借用煙囪原有檢修門洞設計對稱卸荷槽、采用水鉆取芯密孔切割工藝精準開設定向窗,實現了煙囪的安全倒塌。 李飛等[5]采用了底部爆破、定向倒塌的控制爆破方案成功爆破拆除120 m 高的鋼筋混凝土煙囪。 程楠[6]通過優化開鑿工藝、爆破參數及起爆網路等控制措施控制爆破次生災害;采用混合材料懸掛式覆蓋防護、減振堤等安全措施控制爆破負面效應,實現了復雜環境下210 m 高煙囪爆破拆除。 褚懷保等[7]以高速攝影監測、數值模擬結果為基礎,對鋼筋混凝土煙囪爆破拆除倒塌過程及保留筒壁受力過程與狀態進行綜合分析研究。費鴻祿[8]建立了不同切口形狀煙囪相應的后坐理論模型和判別準則,并結合工程實例分析了切口形狀對鋼筋混凝土高煙囪拆除爆破傾倒后坐的影響規律。

基于宣城市原德勝玻璃廠61 m 煙囪爆破拆除工況進行方案設計,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、開鑿工藝、爆破參數、起爆網路及多重控制措施,并結合數值仿真技術,對煙囪倒塌過程進行模擬計算,預測了倒塌方向,成功實現了復雜環境下磚混結構煙囪的爆破拆除。

1 工程概況

1.1 煙囪結構

待拆除煙囪為磚混結構,結構完整,基本無風化。煙囪實測高度為61 m,下部筒體周長為16.3 m,直徑約為5.2 m,壁厚為0.62 m,上部筒體直徑約為1.4 m,內徑為0.8 m,耐火磚內襯厚度為0.12 m,煙囪內部有一堵隔墻,南北走向,厚度約為0.12 m。 煙囪筒體有一個0.8 cm×0.8 cm 的出灰口。

1.2 周邊環境

待拆除煙囪周邊環境復雜,廠區范圍和鋼結構主廠房長邊沿西北—東南方向布置,待拆除煙囪位于鋼結構廠房西北側,距離鋼結構廠房5 m,西南側距廠區圍墻27 m,50 m 處為蘭寶服裝廠圍墻,兩圍墻之間為荒草地。 正南側約100 m 處為偉仁衛浴食堂和二層宿舍樓。 西側10 m 處為鋼桁架棚,西北側35 m 處為廠區圍墻。 北側50 m 處為廠區鋼桁架棚,圍墻外為竹林。 東北側5 m 處為鍋爐房,52 m 處為建國商砼儲料罐,與廠區僅一道低矮圍墻相隔。

2 方案設計

2.1 總體倒塌方案

煙囪高61m,質地良好,周圍可供煙囪倒塌的空間有限,只有向北方向可供煙囪倒塌距離較大,但僅有50 m,定向倒塌會觸及廠區以外的竹林地。鑒于委托單位對工期和施工經濟性的綜合考慮,經與北側竹林地的業主協商,確定采用向北定向倒塌的控制爆破拆除方案,如圖1 所示。

圖1 倒塌設計方向(單位:m)

2.2 定向窗、定位窗的開設

煙囪切口進行鉆孔前,在對稱于傾倒軸線的切口兩側開設定向窗,定向倒塌中心線方向中間開設定位窗。 兩側定向窗呈垂直三角形布置,底邊長為1.2 m、高為0.8 m,定位窗的高度為1.5 m,寬度為0.6 m。 定向窗先用風鉆鉆邊孔,再用風鎬進行開設,最后進行人工修整。

2.3 內部隔墻及耐火磚的預拆除

定位窗開鑿完畢后,通過定位窗進入煙囪內部,用風鎬對內部隔墻和耐火磚進行人工處理。 煙囪隔墻垂直于切口方向,隔墻處理高度與切口高度相同,沿隔墻自切口處向保留處逐漸降低,呈三角形。 對切口處的耐火磚進行人工處理,處理高度與切口相同,破壞周長為煙囪周長的一半。

2.4 倒塌方向的地面處理

為防止煙囪筒體倒塌觸地振動和磚碎塊反彈對周圍的建筑物造成損壞,提前對倒塌方向上的水泥地面進行破拆,露出表土,破拆范圍為沿倒塌中心線方向距離煙囪15 m 處開始至圍墻外,破拆寬度為倒塌中心線兩側不小于5 m(即破拆總寬度不小于10 m)。

2.5 爆破參數設計

1)鉆孔直徑Ф=38～40 mm。

2)最小抵抗線W:取切口處煙囪壁厚的一半,即W=δ/2(δ為壁厚),即W=0.3 m。

3)鉆孔深度L:L=0.667δ,則L=0.4 m。

4)炮孔間距a:a=(0. 75 ～0. 85)δ,即a=0.48 m,取a=0.45 m。

5)炮孔排距b:b=0.866a,則b=0.39 m,取b=0.4 m。

6)炸藥單耗q:根據工程類比經驗q=1.2 kg/m3。

7)單孔裝藥量Q:Q=qabδ, 則Q=0.13 kg/孔,取Q=0.15 kg/孔。

2.6 爆破切口參數設計

1)切口形狀:倒梯形。

2)切口長度S:S=(1/2 ～2/3)C,這里S取7/12C,C為切口處筒體周長,C=16. 3 m,則S=0.58C=9.45 m。

3)切口高度h:h=2.5δ=1.5 m。

4)炮孔數目N:實際布置4 排,合計60 個炮孔。

5)總裝藥量:Q總=NQ= 60×0.15=9.0 kg。

爆破切口開挖位置及切口平面展開如圖2所示。

圖2 爆破切口開挖位置及切口平面展開

2.7 起爆方法及網路設計

1)起爆方法:炮孔起爆采用普通毫秒導爆管雷管,同段起爆。

2)起爆網路:起爆網路為先簇聯后串聯,每簇接12 根塑料導爆管,共分5 簇捆扎。 網路激發采用導爆管雷管,每個激發點采用2 發瞬發或低段同段導爆管雷管,用絕緣膠布均勻捆扎并覆蓋,激發雷管用四通連接(復式連接閉合回路)或再用同段雷管捆扎后使用塑料導爆管連接至起爆站,單響藥量為9.0 kg。

起爆網路如圖3 所示。

圖3 起爆網絡示意圖

2.8 爆破安全設計

1)爆破振動計算根據GB 6722—2014《爆破安全規程》的規定:

式中:V為爆破產生的質點振動速度,cm/s,普通居民住宅所允許的振動速度為:(2.3 ～2.8)cm/s;K、α為與地震波的傳播介質和爆破區地形地質條件有關的系數和衰減系數,K= 300,α= 1.8;Q為最大段裝藥量,kg,取9.0 kg;R為爆破中心至被保護建筑物或構筑物之間的距離,m,因煙囪周邊均為鋼結構廠房,抗震能力較強,此處以西北側圍墻外破舊磚瓦房作為檢測對象,距離煙囪為40 m。

代入式(1),可得:V=1.46 cm/s＜2.3 cm/s。

2)塌落振動計算

根據量綱分析法,集中質量(沖擊或塌落)作用于地面造成的塌落振動速度可采用式(2)確定:

式中:Vt為塌落振動速度,cm/s;Kt為衰減系數,取3.37;σ為地面介質的破壞強度,MPa,取10 MPa;β為衰減指數,取1.66;R為監測點至撞擊中心的距離,m;M為下落構件的質量,t;H為構件重心高度,m。

通過計算,不同位置的塌落振動速度見表1,距離是以煙囪重心著地點到各建筑的距離。 由表1 可得,此次爆破煙囪塌落振動速度都在允許范圍內。

表1 不同位置的塌落振動速度

3)爆破飛石的控制

拆除爆破易產生飛石,需采用竹排、稻草覆蓋炮孔并進行捆扎,以確保周邊設施安全。

3 數值模擬

采用ANSYS/LSDYNA 有限元仿真軟件建立煙囪等比例模型并對煙囪的倒塌過程進行模擬分析。采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 定義磚混煙囪材料,筒體及地面采用3D SOLID 164 劃分網格,地面定義為剛體材料,筒體施加豎直方向的重力,設置* MAT_ ADD_EROSION 控制煙囪筒體單元失效并模擬延時起爆,定義PART 組間的單面自動接觸。 其中,筒體材料參數見表2。

表2 磚混煙囪筒體材料參數

建立有限元模型,豎直方向為Z方向。 觀測煙囪數值模擬倒塌過程,如圖4 所示。

圖4 煙囪數值模擬倒塌過程

由圖4 可知,起爆后,筒體受重力影響逐步發生失穩,2.5 s 后,煙囪呈現明顯傾倒趨勢,5 s 時,煙囪底部材料局部失效,伴有一定的下坐現象,9 s后筒體完全觸地,煙囪塌落動能一部分轉化為土體對筒體的反作用,促使筒體進一步解體,一部分轉化為產生觸地地震波能量。 從倒塌過程可以看到煙囪沿著受拉破壞后的單元作為塑性鉸做定軸轉動,同時塑性鉸不斷沿著倒塌方向向前移動。

選取煙囪頂部部分節點,觀察其運動軌跡變化,如圖5、圖6 所示。

圖5 煙囪頂部選取節點

圖6 測點三方向運動軌跡

圖6 中,紅、綠、藍色曲線對應測點X、Y、Z方向坐標變化。 由圖中可以看出,煙囪爆破切口形成后未立刻呈傾倒趨勢,即存在一穩定階段;5 s 時,X、Z方向位移出現短時迅速增大;8 s 后,速度趨于平穩。頂部各測點在Z方向數值下落61 m,在X負方向平均移動約60 m,Y方向平均移動約20 m。 結合圖2分析發現,煙囪筒體倒塌部位在破舊瓦房和鋼桁架棚之間,往竹林方向,不會對桁架棚造成影響。

4 現場工程應用

根據爆破設計方案進行頂下窗開挖,使定向窗、卸荷槽(導向窗)沿倒塌中心軸線對稱。 再進行現場鉆孔、裝藥并做爆破防護。 煙囪倒塌過程如圖7 所示。

圖7 煙囪實際倒塌過程

由圖7 可知,實際倒塌過程與數值仿真結果較為一致,煙囪在9 s 內倒塌,倒塌方向朝向竹林方向,傾倒方向無誤,無后坐現象,鋼桁架棚和破舊瓦房均未受到影響,爆破振動與飛石均得到有效控制。

5 結語

針對復雜環境下磚混煙囪爆破拆除工況,合理設計爆破方案并結合數值仿真技術預測筒體倒塌方向,通過合理開挖定向窗,鉆孔爆破,順利爆破拆除1 座61 m 高的磚混煙囪,煙囪倒塌方向與設計方向、數值模擬結果基本相同,爆破振動、飛石均得到了有效控制,相關經驗可為類似結構爆破拆除提供參考。