張建平， 費鴻祿， 張北龍， 易 克

(1. 內(nèi)蒙古宏大爆破工程有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院，遼寧 阜新123000；3. 廣東中人企業(yè)(集團)有限公司，廣州 510515；4. 河南現(xiàn)代爆破技術(shù)公司，鄭州450008)

高聳煙囪定向爆破動態(tài)平衡的原理與應(yīng)用

張建平1， 費鴻祿2， 張北龍3， 易 克4

(1. 內(nèi)蒙古宏大爆破工程有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院，遼寧 阜新123000；3. 廣東中人企業(yè)(集團)有限公司，廣州 510515；4. 河南現(xiàn)代爆破技術(shù)公司，鄭州450008)

為了控制復(fù)雜環(huán)境下，受風(fēng)及外壁鋼結(jié)構(gòu)爬梯載荷影響的高聳煙囪定向爆破方向，基于動態(tài)平衡設(shè)計原理，采取了偏口補償平衡糾偏方法和合理的切口參數(shù)設(shè)計來調(diào)整煙囪傾倒瞬間的傾覆力矩方向，使不對稱載荷的煙囪在傾倒過程中處于相對的動態(tài)平衡狀態(tài)，確保了不對稱載荷下的高聳煙囪定向傾倒的準(zhǔn)確性，其設(shè)計方法和參數(shù)可供同類工程參考。

煙囪爆破；動態(tài)平衡；方向控制；風(fēng)載荷；偏口平衡法

1 引言

衡量高聳建(構(gòu))筑物定向爆破成功的重要標(biāo)志之一是按照設(shè)計方向準(zhǔn)確傾倒〔1-5〕，也只有在這個前提下，才能確保周圍設(shè)施的安全，才能使爆破的風(fēng)險設(shè)防得到保證。實踐證明，在樓房、冷卻塔和煙囪等高聳建(構(gòu))筑物定向爆破拆除中，煙囪的傾倒方向最容易發(fā)生偏斜，其原因是煙囪屬于細(xì)長桿件，高徑比大，在定向傾倒過程中的動態(tài)平衡很容易被其他影響因素破壞，導(dǎo)致煙囪傾倒方向的偏斜。本文以煙囪定向爆破實例，對不對稱載荷下的煙囪定向爆破的傾倒方向控制進行了初步的分析和探討。

2 工程概況

拆除的鋼筋混凝土煙囪位于包頭市第三熱電廠老廠院內(nèi)，周圍環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)15.0 m處是二層樓房，45.0 m處是廠區(qū)外居民區(qū)，至工業(yè)路135.0 m，東南方向95.0 m是廠內(nèi)鐵路貨站和居民平房；正南方向有較開闊的狹長空地180.0 m，在遠處是鑄鐵車間；西側(cè)距主廠房40.0 m，距引風(fēng)機房6.0 m；北側(cè)距離東西向輸煤棧橋30.0 m，東北角34.0 m是與棧橋相連的五層廠房。在煙囪的正南方向75.0 m處有東西方向埋深1.8 m的供熱管道。

煙囪高度150.0 m，底部最大外直徑14.78 m，壁厚500.0 mm；上部最大外直徑3.78 m，壁厚200.0 mm，總質(zhì)量4 900 t。鋼筋混凝土筒壁為雙層配筋，50.0 m范圍內(nèi)的外側(cè)豎筋Ф22@380，內(nèi)側(cè)豎筋Ф18@170。煙囪西側(cè)有自下而上的鋼結(jié)構(gòu)爬梯。在煙囪+50、+100、+139 m處設(shè)有環(huán)形工作平臺(見圖1)。

圖1 煙囪周圍環(huán)境示意圖Fig.1 Schematic diagram of surroundings of chimney

3 定向爆破方案設(shè)計

3.1 動態(tài)平衡設(shè)計原理

動態(tài)平衡原理是指定向爆破切口形成瞬間，煙囪傾倒過程中的載荷和受力對稱于設(shè)計傾倒方向，即設(shè)計傾倒中心線平分的煙囪兩側(cè)處于動靜載荷和受力對稱相等。動態(tài)平衡設(shè)計原理就是通過合理的爆破設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)煙囪定向傾倒過程的動態(tài)平衡。要達到這個目的，一是爆破前煙囪結(jié)構(gòu)的靜力對稱平衡，主要有煙囪自重、附件重量、煙囪自身傾斜產(chǎn)生的偏心載荷；二是傾倒過程的動力平衡，主要包括定向切口支撐力的爆破解除、支撐區(qū)的承載力和鋼筋的抗拉應(yīng)力、切口閉合的沖擊壓應(yīng)力、煙囪后坐的剪切應(yīng)力及風(fēng)載等的對稱平衡。由于煙囪傾倒方向兩側(cè)的對稱平衡是方向控制的關(guān)鍵，工程中首先選擇煙囪結(jié)構(gòu)的幾何對稱方向為設(shè)計傾倒方向，這就保證了煙囪靜力的基本對稱平衡。如果周圍環(huán)境條件不允許，可通過爆破前拆除煙囪的不對稱附件、分割爬梯、弱面補強、爆破切口變型等措施，來實現(xiàn)煙囪傾倒過程的動態(tài)平衡。但是，由于煙囪本身建筑材料和施工的差異性、自身的垂直度，軸向和環(huán)向的重量分布的均勻程度及附件載荷等結(jié)構(gòu)因素、風(fēng)載荷作用、煙囪傾倒瞬間的支撐點的支撐力不足、筒壁強度和后坐受力不均勻、切口內(nèi)支撐爆破破碎不均勻、切口閉合和觸地受力不對稱性等影響因素，絕對的動態(tài)平衡是不存在的，那么，通過合理的設(shè)計滿足相對的動態(tài)平衡就足以能控制煙囪的傾倒方向在一定的允許偏斜范圍內(nèi)，達到爆破拆除安全的目的。

3.2 技術(shù)難度和爆破方案

根據(jù)煙囪采取定向爆破拆除方案的周圍場地的情況，煙囪西、北及東側(cè)都有建筑物和居民區(qū)限制，只有南側(cè)狹長的場地可以利用。以西側(cè)與相距6.0 m的引風(fēng)機房在煙囪的傾倒方向長度67.2 m限制距離計算，允許煙囪向西的安全偏斜扇形角范圍為0～5.1°；東側(cè)按照東南方向的居民平房距離限制，計算的煙囪的安全偏斜扇形角允許0～20.6°。由于東側(cè)和東南方向都有抗震強度很低的磚結(jié)構(gòu)居民平房，而高聳煙囪傾倒觸地振動強度較大，煙囪的傾倒方向盡可能遠離居民區(qū)。綜合考慮以上因素和煙囪自身結(jié)構(gòu)的對稱情況，設(shè)計煙囪向正南方向定向傾倒。煙囪自身的南北煙道口對稱于設(shè)計方向，但是根據(jù)以往高聳煙囪定向爆破的經(jīng)驗，在設(shè)計傾倒方向右側(cè)的煙囪外壁有一列自下而上的鋼結(jié)構(gòu)爬梯，以及北方地區(qū)較大的風(fēng)載荷都會對其傾倒方向產(chǎn)生明顯的影響。因此，設(shè)計中根據(jù)煙囪的風(fēng)載荷和側(cè)面爬梯附件載荷的綜合影響產(chǎn)生的偏斜角，采取了偏口平衡補償糾偏方法修正了實際定向切口的對應(yīng)方向，目的是使煙囪傾倒過程更接近動態(tài)對稱平衡，以保證煙囪的設(shè)計傾倒方向。

3.2.1 風(fēng)載荷影響

風(fēng)載荷是指煙囪傾倒過程中所承受的有一定方向性的風(fēng)的彎曲作用，其大小與煙囪受風(fēng)作用面積的大小和風(fēng)速有關(guān)，而影響煙囪傾倒方向的風(fēng)載荷還與風(fēng)向有關(guān)。當(dāng)風(fēng)向與煙囪設(shè)計傾倒方向一致或完全相反，只是增大或減小了煙囪的傾覆力矩，而對傾倒方向沒有影響，只有當(dāng)風(fēng)載作用方向與煙囪設(shè)計傾倒方向成一定角度時才會影響到煙囪的傾倒方向。把風(fēng)載荷引起的煙囪偏斜近似簡化為等直徑圓筒截面的懸臂梁的撓度力學(xué)問題，由于煙囪截面從下向上逐漸減小，而風(fēng)載荷從下向上逐漸增大，可把風(fēng)載看作是一個沿?zé)焽韪叨确较蚓驾d荷，但是，作用于煙囪半圓弧形面積上的風(fēng)壓大小沿環(huán)向分布不均勻，半圓弧頂?shù)娘L(fēng)壓最大并沿環(huán)向?qū)ΨQ衰減為零，其大小與風(fēng)向和弧形面切線方向夾角有關(guān)。為了簡化計算，可把半圓弧上環(huán)向弧形分布的風(fēng)壓近似看作為兩個對稱三角形分布載荷(見圖2)，最大分布風(fēng)壓為Wp。則煙囪傾倒瞬間，由風(fēng)載荷引起的煙囪頂端最大偏移值δw和對應(yīng)的最大偏角θw分別為

(1)

按爆破時6級風(fēng)考慮，作用在煙囪高度方向的平均風(fēng)速取12.0 m/s，根據(jù)式(1)計算的風(fēng)載引起的煙囪頂部的最大偏移值δw=3.89 m，對應(yīng)的偏斜角為1.49°。此計算值應(yīng)該是風(fēng)載影響的最小值，因為爆破定向切口形成瞬間，煙囪的切口部位即由固定端逐漸變?yōu)殂q支點了。

3.2.2 附件載荷影響

對稱于煙囪傾倒方向的三層環(huán)形工作臺附件載荷只會增加煙囪的傾覆力矩，不會影響煙囪的傾倒方向。實踐中觀察到煙囪常見的附件之一爬梯對煙囪傾倒方向有明顯的影響，原因是其自重和軸向拉力明顯的限制了，煙囪傾倒過程中在爬梯一側(cè)的軸向解體，傾倒后的爬梯軸向金屬構(gòu)件個別被拉斷。該煙囪在傾倒方向右側(cè)與傾倒方向90°有一爬梯，在煙囪傾倒過程中的力學(xué)作用相當(dāng)于爬梯軸向的錨固力和自重兩部分線載荷的共同作用，由于煙囪直徑自下而上減小，而爬梯軸向拉力和重力上下相同，給煙囪的附加力相當(dāng)于自上而下的側(cè)向拉力的彎曲作用，可按照等效力學(xué)原理簡化為煙囪頂端最大的三角形分布載荷的懸臂梁力學(xué)模型(見圖2)。由爬梯引起的煙囪頂端偏移值δa和對應(yīng)的偏角θa分別為

(2)

式中：qa為爬梯附件的線載荷，N/m。

爬梯位置與煙囪設(shè)計傾倒方向垂直，爬梯總質(zhì)量2 250 kg。根據(jù)同類煙囪定向爆破的實際觀測，爆破后鋼結(jié)構(gòu)爬梯的多根Ф14鋼筋被拉斷，I級鋼筋的動載極限抗拉強度[σT]=33.6 MPa，按2根鋼筋拉斷條件估算其產(chǎn)生的側(cè)向線載荷10 340 N/m，按倒三角形最大分布的線載荷qa為 20 974.0 N/m。按公式(2)計算的爬梯引起煙囪頂部最大偏移量為2.53 m，對應(yīng)的偏斜角為0.97°。

圖2 風(fēng)和爬梯對煙囪的等效力學(xué)模型Fig.2 Equivalent mechanical model of wind and ladder to the chimney

4 定向爆破技術(shù)參數(shù)

4.1 爆破切口參數(shù)

4.1.1 切口位置和形狀

考慮到煙囪底部及南、北對稱煙道的結(jié)構(gòu)特點，原則上適當(dāng)降低爆破缺口位置，以及考慮到煙囪根部在設(shè)計倒塌方向中間有一煙道口(1.6 m×3.2 m)作為煙囪切口中間導(dǎo)向窗，切口下邊緣距地面以上1.0 m處。為了保證切口閉合的壓縮破壞過程的動態(tài)對稱平衡，切口形狀采取了三角形和梯形組合形狀。按照切口的閉合角不易超過30°的原則，三角形切口頂角確定為30°，切口的底邊長度1.8 m，高度1.0 m，梯形與三角形交點水平角45°。較小的切口頂角可使切口緩慢閉合，承壓面積增大，使壓縮區(qū)迅速前移，支撐強度均勻。而支撐區(qū)的受壓區(qū)的壓應(yīng)力相應(yīng)減小，破碎區(qū)減小，支撐力均勻?qū)ΨQ，減小切口閉合沖擊力，保證了切口拉伸和壓縮破壞過程的對稱性。為了使施工后的切口強度均勻，嚴(yán)格按照設(shè)計尺寸人工風(fēng)鎬施工，并割斷三角形切口內(nèi)的所有鋼筋。定向切口如圖3所示。

圖3 偏口補償平衡法和切口尺寸示意圖Fig.3 Diagram of partial equilibrium method and notch size

4.1.2 切口高度及長度

(1)切口高度。煙囪爆破切口的最大高度按下式計算：

h=5δ

(3)

式中：δ為爆破切口位置的煙囪筒壁的厚度。

設(shè)計爆破切口下邊緣(1.0 m)處的筒壁厚度0.50 m，直徑14.49 m。

根據(jù)公式(3)計算的筒壁定向切口的最大高度為2.5 m。高切口可使煙囪在切口形成瞬間獲得較大的傾倒速度和傾覆力矩，但是，高切口閉合時間較長，傾覆力矩和支撐區(qū)拉壓應(yīng)力很容易失去對稱平衡，不利于煙囪傾倒方向的控制。綜合以上因素，實際切口高度確定為2.4 m。

(2)切口長度。為了避免切口形成瞬間，支撐區(qū)的支撐力不足而產(chǎn)生煙囪后坐或支撐力不均勻，破壞煙囪傾倒瞬間的動態(tài)平衡狀態(tài)出現(xiàn)煙囪偏斜，按照盡可能增大支撐區(qū)的原則，確定定向爆破切口對應(yīng)的開口角為212.0°，相應(yīng)的切口長度為26.8 m。

4.1.3 偏口補償平衡糾偏方法

偏口補償平衡方法是根據(jù)煙囪不對稱載荷情況，通過偏切口設(shè)計改變煙囪傾倒瞬間的傾覆力矩方向，來補償煙囪設(shè)計傾倒方向載荷偏小一側(cè)的不對稱，以獲得煙囪傾倒過程中的相對動態(tài)平衡，保證煙囪準(zhǔn)確定向傾倒的糾偏方法。

根據(jù)以上計算的風(fēng)和爬梯附件不對稱載荷綜合影響的偏角為2.46°，采取了偏口補償平衡糾偏方法。實際確定的糾偏角為南偏東3°，外壁弧長逆時針旋轉(zhuǎn)0.38 m，實際切口方向?qū)ΨQ于設(shè)計的糾偏方向。具體做法是在風(fēng)和爬梯載荷作用力的一側(cè)增大切口長度，另一側(cè)縮小切口長度的不對稱偏口，以補償煙囪傾倒瞬間風(fēng)和爬梯載荷影響的不平衡。由于糾偏角的原因，煙囪傾倒方向煙道口與設(shè)計方向出現(xiàn)不對稱，按糾偏角計算的煙道口向傾倒方向左側(cè)試爆拓寬了0.5 m，以保持切口支撐部分對稱(見圖3)。

4.1.4 切口爆破參數(shù)

孔深L=380 mm，孔距a= 350 mm，排距b=300 mm。按照設(shè)計切口高度和孔網(wǎng)參數(shù)布置了8排孔。

單孔裝藥量按公式Q=qabδ計算，炸藥單耗根據(jù)爆破切口部位混凝土強度及經(jīng)驗取q=2.8 kg/m3，計算的每孔裝藥量150 g。實際裝藥量調(diào)整為底部兩排孔250 g，最上兩排孔150 g，中間孔200 g。實際炮孔數(shù)416個，炸藥85.0 kg。

切口內(nèi)的鉆孔要對稱于設(shè)計傾倒方向均勻布置，鉆孔位置和尺寸精確，每孔裝藥量精確，并對稱于傾倒方向。人工預(yù)先開設(shè)切口兩側(cè)導(dǎo)向窗。在有效的防護措施下，采取了爆破切口內(nèi)的支撐筒壁加強裝藥，使切口內(nèi)支撐瞬間完全破碎，保證爆破瞬間形成的切口對稱設(shè)計糾偏方向。

4.2 支撐區(qū)抗拉鋼筋的屈服破壞和支撐力對稱

4.2.1 抗拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力

由于煙囪長徑比大，定向切口形成瞬間的煙囪傾覆力矩使抗拉鋼筋的實際拉應(yīng)力比其動載極限抗拉強度大了幾百倍(見表1)，鋼筋會被迅速拉斷。如果煙囪傾倒過程中，煙囪背側(cè)鋼筋拉斷過程中持續(xù)時間過長會使煙囪傾覆力矩減小而出現(xiàn)拉應(yīng)力不對稱。為了減小煙囪定向切口閉合后的支撐區(qū)抗拉鋼筋剩余強度，使鋼筋抗拉力和支撐力處于對稱平衡狀態(tài)，提高煙囪繞切口的轉(zhuǎn)動慣量保持其設(shè)計的傾倒方向〔6〕，爆破前把煙囪定向切口水平的背側(cè)對稱于設(shè)計糾偏方向，每側(cè)1.5 m弧長內(nèi)的軸向鋼筋切斷。

4.2.2 足夠的支撐力

煙囪的支持區(qū)面積一般較小，足夠的支撐力是煙囪傾倒動態(tài)平衡的必要條件。假設(shè)拉壓區(qū)面積相等，煙囪傾倒彎曲中性軸位于支撐區(qū)面積平分線，切口以上煙囪重量全部作用在支撐區(qū)上，支撐力的計算結(jié)果如表1所示。計算結(jié)果表明實際承載力足夠，但是隨著煙囪傾斜角的增大，中性軸逐漸前移，受壓區(qū)縮小而拉伸區(qū)增大，當(dāng)受拉區(qū)面積減至0.29 m2時，對應(yīng)傾倒方向兩側(cè)各2.3°的弧長段的混凝土達到了極限抗壓強度被壓碎，煙囪開始下坐。實際上，煙囪在切口閉合時，隨著煙囪的承壓區(qū)向切口位置前移，中性軸前移，原來的支撐區(qū)逐漸成為全拉伸區(qū)，煙囪傾倒對支撐區(qū)產(chǎn)生的剪切破壞作用增強。

表1 支撐區(qū)抗拉鋼筋的拉應(yīng)力和支撐力

注：假設(shè)支撐區(qū)彎曲中心軸位于弧長平分線。Ⅱ級鋼筋動載極限抗拉強度40.8 MPa；C30砼動載極限抗壓強度36.0 MPa。

4.3 定向切口爆破的對稱性

為了使爆破定向切口內(nèi)的支撐力全部瞬間對稱解除，采取了齊發(fā)爆破，孔內(nèi)MS2延時導(dǎo)爆管雷管，孔外雙套電雷管起爆網(wǎng)路。如果環(huán)境安全條件不允許，采取多段延時起爆時，要盡可能減少起爆段數(shù)，起爆順序和同段起爆孔數(shù)要嚴(yán)格對稱于設(shè)計傾倒方向。

5 爆破效果和體會

爆破后煙囪按照設(shè)計的正南方向準(zhǔn)確倒塌，解體充分，爆破和煙囪觸地的地震波振動強度以及碎塊飛濺距離都控制在安全范圍內(nèi)。實踐證明，采取偏口補償平衡糾偏方法來平衡不對稱載荷的偏心彎曲作用是有效的。也說明爬梯等附加載荷對煙囪傾倒方向的影響是明顯的，必要時可提前自上而下分割爬梯，以減弱其錨固力和軸向拉力。

6 結(jié)論

(1)影響煙囪倒塌的動態(tài)平衡因素很多，而且十分復(fù)雜，絕對的動態(tài)平衡是不存在的。

(2)在高聳煙囪爆破傾倒工程實踐中，風(fēng)和附件等偏心載荷對高聳煙囪的傾倒方向有明顯的影響，應(yīng)該引起人們在定向爆破設(shè)計中的足夠重視。

(3)根據(jù)風(fēng)和爬梯引起的煙囪綜合偏斜角，采取了偏口補償平衡糾偏方法和合理的切口設(shè)計參數(shù)來調(diào)整煙囪傾倒瞬間的傾覆力矩的方向，使不對稱載荷的煙囪在傾倒過程處于相對的動態(tài)平衡狀態(tài)，保證了煙囪定向傾倒的準(zhǔn)確性。

(4)初步分析了復(fù)雜環(huán)境下，風(fēng)、爬梯附件載荷對高聳煙囪定向爆破傾倒方向的影響，還有待進一步深入探討其影響規(guī)律。

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Principle and application of dynamic equilibrium in directional blasting of high chimney

ZHANG Jian-ping1， FEI Hong-lu2， ZHANG Bei-long3， YI Ke4

(1. Inner Mongolia Hongda Blasting Engineering Co.,Ltd., Baotou 014010, Inner Mongolia, China；2. College of Engineering Blasting, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning，China；3. Guangdong Zhongren Enterprise (Group) Co., Ltd., Guangzhou 510515,China；4. Henan Province Modern Blasting Technology Co.,Ltd.,Zhengzhou 450008,China)

In order to control the direction of high chimney directional blasting effected by wind and wall steel ladder load in complex environment, based on the dynamic equilibrium principle, partial equilibrium method and reasonable design of notch parameters were adopted. The direction of overturning moment of the chimney toppling was adjusted. The chimney was with asymmetric in a state of relative dynamic equilibrium in the dumping process. The accuracy of the high chimney directional falling under asymmetric loads was ensured. The design method and parameters could be a reference for similar projects.

Chimney blasting; Dynamic equilibrium; Direction control; Wind load; Partial equilibrium method

1006-7051(2016)06-0023-05

2016-03-13

張建平(1960-)，男，博士，高級工程師，從事拆除和土巖爆破工程技術(shù)設(shè)計和研究。E-mail:zhangjianping60@hotmail.com

TD235.3

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.005