國能雙鴨山180 m 高鋼筋混凝土煙囪爆破拆除*

張龍飛,王明玉

(1.烏蘭察布市安平爆破作業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 烏蘭察布市 012000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院,遼寧 阜新市 123000)

1 工程概況

黑龍江省國能雙鴨山市發(fā)電廠位于雙鴨山市寶山區(qū)七星鎮(zhèn)八分場,1#、2#200 MW 發(fā)電機(jī)組由于產(chǎn)能升級,發(fā)電機(jī)組、煙囪及鍋爐廠需要拆除,要求將1#煙囪(高180 m)進(jìn)行爆破拆除。

1.1 煙囪結(jié)構(gòu)

待拆除煙囪高180 m,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),兩個(gè)煙道口,煙道口與東西方西軸線夾角為45°,煙道口寬為5.0 m,高為8 m。煙囪底部外直徑為24.74 m,壁厚為0.5 m,無隔熱層和內(nèi)襯;標(biāo)高20 m 處外直徑為21.14 m,壁厚為0.5 m,隔熱層厚為0.08 m,內(nèi)襯耐火磚厚為0.24 m;標(biāo)高為100 m 處外直徑為10.34 m,壁厚為0.26 m,隔熱層為空氣層厚為0.05 m,內(nèi)襯耐火磚厚為0.12 m。

1.2 周邊環(huán)境

待拆除1#、2#200 MW 機(jī)組180 m 煙囪位于黑龍江國能雙鴨山發(fā)電有限公司廠區(qū)內(nèi),具體環(huán)境如圖1所示。

圖1 煙囪周邊環(huán)境

1.3 工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

(1) 待拆除煙囪周邊環(huán)境較為復(fù)雜。

(2)180 m 煙囪在爆破傾倒時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能較大,會(huì)對地面產(chǎn)生較大的震動(dòng);塌落觸地粉塵也較大。

(3) 可供煙囪倒塌方向上倒塌后煙囪頂部位置距周圍被保護(hù)對象最近安全距離不足100 m,頂部沖擊控制難度大。

2 煙囪結(jié)構(gòu)爆破方案選擇

根據(jù)控制爆破原理,結(jié)合煙囪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其周邊環(huán)境情況,認(rèn)為在技術(shù)上比較可行的方案是:將煙囪倒塌方向確定為朝向2#冷卻塔中心方向(煙囪爆破時(shí)2#冷卻塔已經(jīng)完成爆破及垃圾清運(yùn)),20 m處定向倒塌控制爆破方案所需要的場地能夠滿足,且塌落觸地振動(dòng)和沖擊波都在可控范圍內(nèi),減震溝開設(shè)工作量大,可提前采取多臺(tái)設(shè)備挖掘施工。因此,綜合確定采用20 m 處定向倒塌控制爆破方案。

3 爆破技術(shù)設(shè)計(jì)方案

為了降低煙囪實(shí)際倒塌高度,通過搭設(shè)鋼管腳手架將作業(yè)平臺(tái)提高至20 m 處,即在煙囪20.5 m標(biāo)高處向上進(jìn)行鉆孔爆破。

3.1 方案分析比較與確定

3.1.1 切口位置

根據(jù)本工程煙囪結(jié)構(gòu)和實(shí)際施工需要,結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn),確定采用正梯形爆破切口[1]。

(1) 豎直位置。在煙道口不影響爆破切口對稱性的條件下,根據(jù)盡量降低切口位置的原則,同時(shí)考慮鉆孔施工可操作性的因素,將爆破切口的下邊界定于20.5 m 處,爆破切口尺寸如圖2所示。

圖2 爆破切口尺寸

(2) 水平位置。爆破切口水平位置位于倒塌中心線兩側(cè),沿倒塌中心線對稱布置。

3.1.2 切口弧長

煙囪采用定向倒塌設(shè)計(jì)方案,一般是對其底部筒壁實(shí)施爆破。不考慮煙道口和出灰口的位置時(shí),爆破切口長度是筒壁周長的1/2～2/3,其對應(yīng)的圓心角為180°～240°,即:

式中,Lc為爆破切口弧長[2];D為爆破部位筒壁外直徑。

對于強(qiáng)度較小的磚砌圓筒形高聳建(構(gòu))筑物,Lc可以取小值;而對強(qiáng)度較大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的圓筒形高聳建(構(gòu))筑物,Lc取大值。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及對煙囪結(jié)構(gòu)的分析,一般鋼筋混凝土煙囪取206°～210°圓心角,計(jì)算時(shí)取208°,根據(jù)煙囪結(jié)構(gòu)圖可知:20.5 m 高位置處煙囪外直徑為21.4 m,代入式(1)得Lc=38.37 m,取38.4 m,即208.1°。

3.1.3 切口高度

爆破切口高度[3]過小,圓筒形高聳建筑物在傾倒過程中會(huì)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn),達(dá)不到正確的傾倒方向;爆破切口過大,在傾倒過程中容易出現(xiàn)后坐現(xiàn)象,同時(shí)會(huì)增加鉆孔工作量。

根據(jù)爆破部位的壁厚δ確定爆破切口的高度h=(3～5)δ,磚煙囪的壁厚較厚時(shí),取小值;鋼筋混凝土煙囪壁厚較薄時(shí),取大值。切口高度:h=(3～5)×0.5 m=1.5～2.5 m,綜上所述,考慮到炮孔間排距的影響,切口高度取2.45 m。

3.1.4 定向窗

定向窗[4]是將保留部分和爆破部分隔開,使切口在爆破時(shí)保留部分不受影響,以保證正確的倒塌方向。定向窗底角一般選取α=25°～35°,選取定向窗長為2.1 m,高為1.21 m,底角為30°。

3.1.5 減荷槽

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本工程在20.5 m 處開設(shè)爆破切口的特點(diǎn),擬定開設(shè)1大4小5個(gè)減荷槽[5],尺寸如下:中軸線大減荷槽高為2.45 m,寬為2 m;4個(gè)小減荷槽高為2.45 m,寬為1 m,對稱布置在倒塌中心線兩側(cè)。

3.2 爆破參數(shù)

3.2.1 炮孔深度

根據(jù)國內(nèi)外的施工經(jīng)驗(yàn),合理的炮孔深度[6]可以按下式確定,對于薄壁結(jié)構(gòu)建筑物:

式中,δ為壁厚,取為0.5 m,代入數(shù)據(jù)得:L=(0.3～0.35)m,實(shí)取L=0.34 m。

3.2.2 炮孔間距和排距

炮孔間距a和排距b見式(3)[7]:

分別代入數(shù)據(jù)得:a=0.289～0.323 m,為減少鉆孔工作量,保證煙囪的穩(wěn)定性,結(jié)合對薄壁結(jié)構(gòu)爆破工程經(jīng)驗(yàn),實(shí)取0.4 m。b=0.866a=0.3464 m,實(shí)取0.35 m,即孔距a取0.4 m,排距b取0.35 m。

3.2.3 單孔裝藥量Q單的確定

單孔裝藥可按體積公式計(jì)算[8]:

式中,q為炸藥單耗,筒壁為薄壁結(jié)構(gòu),單耗取2000 g/m3,代入計(jì)算得Q單=140 g,實(shí)取150 g。

3.2.4 總裝藥量

根據(jù)爆破切口尺寸及炮孔排間距可知:切口爆破區(qū):共布置8排炮孔,共計(jì)550個(gè)炮孔,按單孔裝藥150 g計(jì)算,總裝藥量Q總=82.5 kg。

3.3 爆破分區(qū)

為了降低單段起爆藥量,提高爆破效果,本工程采用電子數(shù)碼雷管分區(qū)分段進(jìn)行爆破,從倒塌中心向兩側(cè)依次分段起爆[9]。

本次煙囪爆破分為3個(gè)起爆區(qū),從倒塌中心向兩側(cè)依次起爆,見圖3和表1。

圖3 炮孔布置及爆區(qū)劃分

3.4 起爆網(wǎng)絡(luò)

每孔內(nèi)一發(fā)雷管,起爆網(wǎng)絡(luò)采用孔內(nèi)25 ms、50 ms、75ms延期,用數(shù)碼電子雷管起爆器起爆。網(wǎng)絡(luò)連接如圖4所示。

圖4 起爆網(wǎng)絡(luò)

4 爆破安全驗(yàn)算

4.1 爆破前的穩(wěn)定性驗(yàn)算

(1) 煙囪預(yù)處理后其剩余壁體的支撐面積:

式中,R為爆破切口的平均外徑,m;r為爆破切口的平均內(nèi)徑,m;∑a i為預(yù)切的定向窗、減荷槽圓弧所對的圓心角的和,將R=10.57 m,r=10.07,∑a i=55.29°,代入得S1=27.44 m2。

(2) 由煙囪荷載引起的壓應(yīng)力:

式中,F為煙囪的重力,N。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙所使用的原材料工程量估算,180 m 高煙囪20 m 以上的質(zhì)量M=5856.1 t,將F=G=Mg=5.856×107N,將S1=27.44 m2代入式(6)得P=2.13 MPa。

已知煙囪的混凝土拉壓強(qiáng)度為σc=30 MPa＞2.13 MPa,因此,預(yù)處理后煙囪不會(huì)由于自身荷載作用使混凝土材料壓碎、失穩(wěn)。

4.2 爆破后危害效應(yīng)驗(yàn)算

4.2.1 塌落振動(dòng)[10]

式中,Vt為爆破拆除后建(構(gòu))筑物塌落觸地引起的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度;M為建(構(gòu))筑物塌落體的質(zhì)量,本工程中取煙囪質(zhì)量M=5856.1 t;g為重力加速度,10 m/s2;H為煙囪重心高度90 m;σ為建筑物爆破后解體混凝土構(gòu)件的破壞強(qiáng)度,一般取10 MPa;R為震中距,塌落中心等效位置位于煙囪倒塌方向100 m 左右,距600 MW 主廠房汽輪機(jī)約350 m,到升壓站330 m;到保留庫房距離為70 m,到保留庫房(3#、4#機(jī)組鍋爐房)130 m;Kt、β為 塌落振動(dòng)主振波形峰值振速的衰減系數(shù)和指數(shù),取Kt=3.37～4.09、衰減指數(shù)β=-1.66～-1.80,采用減震溝和減震土墻時(shí)衰減系數(shù)Kt為煙囪的1/3～1/2,保守取Kt=2.0,β=-1.66。

計(jì)算后得:煙囪倒塌后的塌落觸地振動(dòng)在600 MW 主廠房汽輪機(jī)為0.17 cm/s,在升壓站為0.19 cm/s滿足運(yùn)行中的水電站及發(fā)電廠中心控制室設(shè)備的震動(dòng)需要;再保留庫房(3#、4#機(jī)組鍋爐房)振動(dòng)為2.53 cm/s,滿足一般民用建筑、工業(yè)和商業(yè)建筑物的震動(dòng)需要。

4.2.2 爆破震動(dòng)

由于爆破部位處于20 m 高空狀態(tài),振動(dòng)傳播值很小,因此,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算對周邊建筑物無影響。

4.2.3 個(gè)別飛石距離的計(jì)算

個(gè)別爆破飛石的最大水平距離按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中,V為飛石初速度,m/s;Q為單孔最大藥量,kg;w為最小抵抗線,m;k為系數(shù),0.2～0.5;g為重力加速度,取10 m/s2;S為個(gè)別飛石水平方向最大距離,m;t為飛石飛行時(shí)間;H為炮孔高度時(shí),個(gè)別飛石的水平距離最遠(yuǎn)。

為避免個(gè)別飛石對周圍環(huán)境造成危害,依托20 m 作業(yè)平臺(tái)處提前做好保護(hù)平臺(tái),在保護(hù)平臺(tái)上、下、側(cè)面包裹鋼絲網(wǎng)、密目綠網(wǎng)等對飛石進(jìn)行防護(hù),可控爆破飛石在30 m 之內(nèi)。警戒時(shí)應(yīng)加大警戒范圍。

5 爆破安全控制

5.1 爆破飛石防護(hù)

通過個(gè)別飛石安全驗(yàn)算,需要進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)才能將爆破飛石控制在合理范圍內(nèi)。

5.1.1 加強(qiáng)爆破切口筒壁的近體防護(hù)和距離防護(hù)

考慮20 m 處鋼管作業(yè)平臺(tái)在1.5 m 寬處,作業(yè)空間受限制,特設(shè)計(jì)煙囪上輕體高強(qiáng)防護(hù),在開始鉆孔施工前就將距離防護(hù)措施做好,在距煙囪1.5 m 處防護(hù)腳手架掛設(shè)2層1 cm×1c m 的鋼絲網(wǎng)和密目綠網(wǎng)作為爆破時(shí)的距離防護(hù),同時(shí)兼顧鉆孔施工安全防護(hù);在炮孔裝好炸藥后在所有爆破部位筒壁外側(cè)掛設(shè)2層鋼絲網(wǎng)1層密目綠網(wǎng)做近體防護(hù),如圖5所示。

圖5 爆破部位防護(hù)示意

5.1.2 被保護(hù)對象的重點(diǎn)部位防護(hù)

因?yàn)闊焽璞茣r(shí)飛石飛散范圍較大,因此,煙囪東南方向煤場設(shè)備室距150 m 范圍內(nèi)朝向煙囪爆破切口一側(cè)的窗戶用草簾或鋼絲網(wǎng)將窗戶進(jìn)行遮擋。

5.2 塌落振動(dòng)防護(hù)

考慮煙囪倒塌的特點(diǎn),在其倒塌方向開挖20～30 m 寬的4道減震溝,并將挖出的土在減震溝背離兩側(cè)敷設(shè)共4道緩/防沖土墻(土內(nèi)不應(yīng)有石塊等易飛濺物),并在緩沖土墻頂寬1 m 平臺(tái)上均勻鋪設(shè)一層土袋以增加與煙囪接觸時(shí)土墻的緩沖效果。最后考慮煙囪頭部觸地位置位于2#冷卻塔環(huán)形池內(nèi),將池內(nèi)地基做軟化處理并在東南半圈水池依托池壁外側(cè)堆高2～3 m 防沖土墻,將頭部的沖擊波擋在水池與防沖土墻內(nèi)側(cè),減震措施布置,如圖6所示。

圖6 減震防沖措施布置

6 爆破效果分析

煙囪在爆破拆除過程中按設(shè)計(jì)方向準(zhǔn)確倒塌在預(yù)設(shè)范圍內(nèi),無后坐現(xiàn)象發(fā)生,筒體破碎充分,對周邊建筑物無影響,無安全事故發(fā)生,爆破各項(xiàng)指標(biāo)均在可控范圍內(nèi),多減荷槽定向倒塌控制爆破達(dá)到預(yù)期效果,煙囪倒塌過程如圖7所示。

圖7 煙囪倒塌過程

7 結(jié)論

(1) 采用一大四小5個(gè)減荷槽可以更好地控制煙囪的倒塌方向和速度,從而確保倒塌的安全性。

(2) 選擇適當(dāng)?shù)谋茀?shù),如爆破藥量、爆破延時(shí)和起爆網(wǎng)絡(luò),可以有效控制煙囪的倒塌形態(tài)和減小煙囪倒塌對周邊環(huán)境的影響。

(3) 本研究的成功經(jīng)驗(yàn)可以為類似的拆除爆破工程提供參考和借鑒,擴(kuò)大了拆除爆破技術(shù)的應(yīng)用范圍。