閆統(tǒng)釗, 張智宇， 黃永輝

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093； 2.昆明理工大學(xué) 爆破新技術(shù)應(yīng)用研究所，昆明 650093)

55 m磚煙囪小角度切口爆破拆除

閆統(tǒng)釗1,2, 張智宇1,2， 黃永輝2

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093； 2.昆明理工大學(xué) 爆破新技術(shù)應(yīng)用研究所，昆明 650093)

為了成功爆破拆除一座55 m高的磚結(jié)構(gòu)煙囪，根據(jù)周?chē)h(huán)境、煙囪高度及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取了合適的爆破傾倒方向和合理的爆破參數(shù)，采用了精準(zhǔn)的爆破起爆網(wǎng)路。在實(shí)際工程中，磚煙囪爆破切口圓心角多數(shù)在200°～220°，通過(guò)對(duì)煙囪傾倒需滿足的條件進(jìn)行計(jì)算，確定其滿足條件的爆破圓心角范圍。設(shè)計(jì)了小角度爆破切口，其對(duì)應(yīng)圓心角為185°，并且在爆破前進(jìn)行預(yù)處理。起爆后，煙囪按照設(shè)計(jì)方向順利傾倒，取得了較好的爆破效果。振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果均在安全允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了磚煙囪小角度切口爆破拆除的可行性，可為類(lèi)似工程提供參考。

磚煙囪；爆破拆除；小角度；爆破切口；預(yù)處理

1 引言

在城市改建和廠礦企業(yè)改造中，經(jīng)常遇到高聳構(gòu)筑物的拆除。高聳構(gòu)筑物一般是指煙囪、水塔、跳傘塔和電視塔等高寬比大而壁薄的構(gòu)筑物，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是重心高、支撐面積小和容易失穩(wěn)〔1〕。對(duì)此類(lèi)構(gòu)筑物采用自上而下的人工機(jī)械法拆除，需要高空作業(yè)，功效低且不安全；采用爆破方法拆除，在高聳構(gòu)筑物底部進(jìn)行鉆孔爆破，可以使煙囪和水塔等構(gòu)筑物失穩(wěn)倒塌，不僅施工速度快、功效高，而且還可以保證施工安全，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多。

2 工程概況

2.1 周?chē)h(huán)境

為配合彌勒縣山心村露天煤礦擴(kuò)建工程建設(shè)，將位于露天煤礦附近的一座磚結(jié)構(gòu)煙囪進(jìn)行爆破拆除。煙囪東南側(cè)55 m是廠房；東北側(cè)45 m是磚房；西北側(cè)60 m是磚房和鍋爐房；西側(cè)70 m是露天煤礦的采場(chǎng)，露天臺(tái)階坡度比較陡；東南側(cè)的廠房與東北側(cè)的磚房、東北側(cè)的磚房與西北側(cè)的磚房之間有電線，周?chē)h(huán)境如圖1所示。

圖1 周?chē)h(huán)境示意圖Fig.1 Schematic diagram of surroundings

2.2 煙囪結(jié)構(gòu)

待拆除煙囪為磚砌結(jié)構(gòu)。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下: 高55 m，最底部3 m立在磚窯中，在煙囪出露磚窯部位設(shè)置爆破切口，該部位外周長(zhǎng)13.4 m，外直徑4.3 m，外壁厚0.75 m，內(nèi)襯厚0.25 m，煙囪外壁為青磚，內(nèi)襯為紅磚，內(nèi)襯、外壁之間有0.05 m空氣間隔。

3 爆破方案設(shè)計(jì)

3.1 爆破方案的確定

高聳構(gòu)筑物拆除爆破方案可分為定向倒塌、折疊式倒塌和原地倒塌。根據(jù)周?chē)h(huán)境情況和爆破拆除施工的要求及煙囪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本工程選擇的爆破方案是南偏西45°定向傾倒。

3.2 爆破切口設(shè)計(jì)

3.2.1 切口形狀

爆破切口形狀的選擇直接影響高聳構(gòu)筑物倒塌定向的準(zhǔn)確性〔1〕。當(dāng)前，在控制爆破拆除煙囪、水塔等高聳構(gòu)筑物時(shí)，常用的切口形狀有斜形、反斜形、反人字形、梯形、倒梯形、長(zhǎng)方形等〔2〕。本工程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，為了更好控制煙囪的倒塌方向，防止倒塌過(guò)程中出現(xiàn)前沖、后坐和偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，采用倒梯形切口，切口形狀如圖2所示。

圖2 爆破切口Fig.2 The blasting notch

3.2.2 切口高度

爆破切口高度是保證倒塌方向的重要技術(shù)參數(shù)〔1〕。爆破切口的高度應(yīng)適當(dāng)高一些，可防止其在傾倒過(guò)程發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，但切口高度過(guò)高，不僅會(huì)增加工作量，還可能造成傾倒速度過(guò)快，形成前沖；切口高度過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)“傾而不倒”，甚至可能造成在傾倒過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)偏移，因此要合理確定〔2〕。根據(jù)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，磚砌體煙囪的切口高度一般不宜小于爆破部位壁厚δ的1.5倍〔1〕，通常取H=(1.5～3.0)δ=1.125～2.25 m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本工程切口高度H取1.4 m。

3.2.3 切口長(zhǎng)度

(1)爆破切口長(zhǎng)度是影響煙囪倒塌情況的關(guān)鍵參數(shù)，其直接影響倒塌的距離和方向〔2〕。爆破切口長(zhǎng)度過(guò)短、過(guò)長(zhǎng)都會(huì)對(duì)定向倒塌不利，切口長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)因?yàn)楸Ａ敉脖谄鹬巫饔玫牟糠痔伲瑢?dǎo)致爆破后煙囪產(chǎn)生后坐；切口長(zhǎng)度過(guò)短則煙囪又可能爆而不倒〔1〕。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煙囪的爆破切口弧長(zhǎng)L可由下式確定:

S/2

(1)

式中：S為煙囪爆破切口部位的外周長(zhǎng)，S=13.4 m。

由式(1)可得：6.7 m

(2)對(duì)于結(jié)構(gòu)物較高、風(fēng)化較嚴(yán)重、強(qiáng)度較小的磚結(jié)構(gòu)，L可取較小值；對(duì)直徑大而壁厚、強(qiáng)度大的磚結(jié)構(gòu)，L取較大值。取值時(shí)，以能夠準(zhǔn)確、順利傾倒為原則。實(shí)際工程中磚煙囪爆破切口圓心角大多數(shù)在200°～220°之間，其結(jié)果是留作起支撐作用的部分在爆破切口形成瞬間容易被壓垮，由于各個(gè)方向下坐不均勻，導(dǎo)致傾倒方向的改變〔3〕。

煙囪傾倒需滿足的條件由下式確定〔4〕:

NR≥NP

(2)

MR≤MP

(3)

式中:NR為煙囪余留截面的抗壓極限支持力；NP為爆破切口以上煙囪的質(zhì)量；MR為煙囪余留截面的極限抗彎矩；MP為煙囪自重等引起的截面彎矩(傾覆力矩)。

由式(2)得爆破切口圓心角最大值:

θmax≤2π-NP/(δ1R[σ]+δ2R1[σ])

(4)

式中：NR=(2π-θ)δ1R[σ]+(2π-θ)δ2R1[σ]；θ為爆破切口圓心角；R為爆破部位外半徑；δ1為爆破部位外壁厚；δ2為爆破部位內(nèi)襯厚；R1=(R+r-δ1)/2；r為爆破部位內(nèi)半徑；[σ]為磚砌體與砂漿之間的極限抗拉強(qiáng)度。

由式(3)得爆破切口圓心角最小值:

NP/(2δR02[σ])≥{R0[2sin θ1-sin[(2π-θ)/2]]} /e+[(2π-θ)/2]-2θ1

(5)

式中：e={4(R3-r3)sin[(2π-θ)/2]}/3(2π-θ)(R2-r2)；θ1=arccos(e/ R0)；δ=R-r；R0= (R+r)/2。代入NP=400 t；R=2.1 m；r=1.1 m；[σ]=1.5 MPa；δ1=0.75 m；δ2=0.25 m。

計(jì)算得150°≤θ≤220°。

為了確保煙囪在爆破瞬間重心偏移產(chǎn)生傾覆力矩而失穩(wěn)，且考慮到本工程煙囪屬磚結(jié)構(gòu)，其抗拉強(qiáng)度比較弱，故選取的圓心角為185°，對(duì)應(yīng)切口長(zhǎng)度L為6.9 m(見(jiàn)圖3)。

圖3 爆破切口剖面示意圖Fig.3 Profile diagram of blasting notch

3.2.4 定向窗

為保證爆破后煙囪沿著設(shè)定的方向倒塌，在主爆區(qū)爆破之前用風(fēng)鎬在切口兩端各開(kāi)鑿一個(gè)定向窗，以保證切口關(guān)于倒塌中心線對(duì)稱，并能在一定程度上降低一次起爆藥量，減少由于爆破產(chǎn)生的振動(dòng)及其他危害〔1〕。本次拆除爆破中，定向窗位于爆破切口的兩端，底角β取45°。

3.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

(1) 炮孔直徑D。采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔水平鉆孔，鉆頭直徑為38 mm，炮孔直徑D為40 mm。

(2) 最小抵抗線W。W=δ/2，δ為煙囪的壁厚(不含內(nèi)襯厚度)，即W=δ/2=0.375 m。

(3) 孔深L。L=(0.65～0.68)δ，δ為煙囪的壁厚(不含內(nèi)襯厚度)，取L=0.50 m。

(4) 間距a。a=(0.8～0.95)L，取0.40 m。

(5) 排距b。b=0.85a，取0.35 m。

(6) 單孔藥量Q1。Q1=qabδ，取150 g。其中，q為單位炸藥消耗量，參考類(lèi)似工程，取1.4 kg/m3。

(7) 炮孔總數(shù)N=65個(gè)。

(8) 總藥量Q總。Q總=NQ1=9 750 g。

爆破切口炮孔布置如圖4所示。

圖4 爆破切口炮孔布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of blastholes layout

3.4 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

采用導(dǎo)爆管雷管簇聯(lián)起爆網(wǎng)路，最后用電雷管起爆。一般情況下，煙囪爆破切口尺寸不大，孔數(shù)不多，爆破藥量不大，爆破振動(dòng)比塌落振動(dòng)小得多，可不必采用分段延時(shí)爆破，采用瞬發(fā)爆破能使切口準(zhǔn)確、快速形成，保證精確、順利實(shí)現(xiàn)定向傾倒，故本次爆破設(shè)計(jì)為瞬發(fā)一次起爆(見(jiàn)圖5)。

圖5 起爆網(wǎng)路示意圖Fig.5 Schematic diagram of initiation network

4 安全校核

4.1 爆破振動(dòng)校核

爆破振動(dòng)速度按薩道夫斯基公式計(jì)算〔5〕：

v=KK′(Q1/3/R)α

(6)

式中:v為被保護(hù)建筑物所在地質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，cm/s；Q為最大一次爆破炸藥總量，kg；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，取200；K′為修正系數(shù)，取0.3；α為衰減系數(shù)，取α=1.6；將R=45 m、Q=9.75 kg代入式(6) 計(jì)算得v=0.46 cm/s，小于規(guī)定的建筑物安全允許振速1.5 cm/s〔5〕。

4.2 塌落振動(dòng)校核

塌落振動(dòng)速度按下列公式計(jì)算〔6〕：

vt=Kt[R/( MgH/δ)1/3]β

(7)

式中:vt為塌落引起的地面振速，cm/s；M為下落構(gòu)建的質(zhì)量，由煙囪直徑、高度及密度估算質(zhì)量為400 t；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為構(gòu)件重心的高度，約為21 m；δ為地面介質(zhì)破壞強(qiáng)度，一般取10 MPa；R為觀測(cè)點(diǎn)至沖擊地面中心的距離，取45 m；Kt，β為塌落振動(dòng)速度衰減的系數(shù)和指數(shù),Kt=3.7，β=-1.7。

計(jì)算得vt=0.94 cm/s，故塌落振動(dòng)小于規(guī)定的建筑物安全允許振速1.5 cm/s〔5〕。

4.3 安全防護(hù)措施

在爆破切口部位采用單層鐵絲網(wǎng)和麻袋覆蓋且捆扎牢固；附近建筑物所有門(mén)窗用竹排捆扎牢固封堵。

為了避免建筑物觸地沖擊造成飛石和觸地沖擊振動(dòng)危害，清理了現(xiàn)場(chǎng)原有碎石并做好減振措施〔7〕。在倒塌范圍內(nèi)設(shè)了5排土堤，能夠起到緩沖作用，防止碎石飛濺。切口方向禁止人員停留，在煙囪四周設(shè)置半徑200 m的警戒范圍，起爆時(shí)所有人員都撤離到安全地帶。

5 振動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析

5.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了監(jiān)測(cè)振動(dòng)對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊?，共設(shè)3個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，其中測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2分別布置在東南側(cè)廠房的中間和北側(cè)，兩側(cè)點(diǎn)之間相距5 m，監(jiān)測(cè)振動(dòng)對(duì)廠房的影響；測(cè)點(diǎn)3布置在東北側(cè)磚房的南側(cè)，監(jiān)測(cè)振動(dòng)對(duì)磚房的影響。

5.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

部分實(shí)測(cè)振動(dòng)波形如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)1的振動(dòng)波形圖Fig.6 The vibration waveform of measuring point 1

從圖6可以看出，整個(gè)煙囪倒塌過(guò)程的振動(dòng)波形主要分為三段。主要是因?yàn)闊焽鑳A倒過(guò)程中有爆破引起的振動(dòng)、頂部煙囪掉落引起的振動(dòng)和塌落引起的振動(dòng)，因而在圖6中呈現(xiàn)三段波形。整個(gè)爆破過(guò)程持續(xù)近8 s，最先測(cè)得的是煙囪切口爆破振動(dòng)波形，持續(xù)時(shí)間為0～2.0 s；其次是頂部煙囪掉落觸地引起的振動(dòng)波形，持續(xù)時(shí)間約為3.0～4.5 s；最后是煙囪倒塌觸地的振動(dòng)波形，持續(xù)時(shí)間約為5.0～6.5 s。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，此次監(jiān)測(cè)到的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)均在安全允許范圍內(nèi)，一方面說(shuō)明了設(shè)計(jì)的爆破方案可行；另一方面說(shuō)明了安全防護(hù)措施保護(hù)了周?chē)ㄖ锏陌踩?/p>

6 爆破效果及體會(huì)

煙囪基本按設(shè)計(jì)向西南方向倒塌，從現(xiàn)場(chǎng)可以看出，整體的爆破效果良好，具有較好的破碎度，不需要進(jìn)行二次爆破破碎，對(duì)后期的清渣工作比較有利(見(jiàn)圖7)。

圖7 爆破效果Fig.7 Blasting effect

在此次拆除爆破工程中，爆破切口所對(duì)應(yīng)的圓心角只設(shè)計(jì)為185°，要遠(yuǎn)小于一般工程實(shí)例的圓心角，起爆后煙囪按照設(shè)計(jì)的方向順利傾倒，驗(yàn)證了小角度切口爆破拆除磚結(jié)構(gòu)煙囪的可行性，可為類(lèi)似的爆破拆除工程提供參考。

〔1〕 韋愛(ài)勇,王玉杰,高文學(xué).控制爆破技術(shù)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2009:174-181.

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Blasting demolition of 55 m brick chimney by small angle blasting notch

YAN Tong-zhao1,2, ZHANG Zhi-yu1,2, HUANG Yong-hui2

(1.School of Land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;2.Institute of New Blasting Technology and Application, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

In order to successfully demolish a 55 m high brick chimney, the appropriate collapsing direction, reasonable blasting parameters, and accurate blasting initiation network were used according to the surrounding environment and the height and structure characteristics of chimney. In practical engineering, blasting notch center angle of brick chimney was mostly between 200°～220°. The conditions satisfied the chimney dumping were calculated, then the range of the blasting center angle satisfying the condition was determined. A small angle blasting notch was designed and its corresponding center angle was 185°. It was pretreated before blasting. After the explosion, the chimney dumped smoothly according to the design direction and a good blasting effect was achieved. Vibration monitoring results were within safety limits. The feasibility of blasting demolition of brick chimney by a small angle blasting notch was verified and it could provide a reference for similar projects.

Brick chimney；Blasting demolition；Small angle；Blasting notch；Pretreatment

1006-7051(2016)06-0038-04

2016-08-31

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(2013FZ036)

閆統(tǒng)釗(1990-)，男，碩士，從事爆破與安全技術(shù)研究。E-mail：1076499749@qq.com

張智宇 (1973-)，男，碩士，副教授，從事爆破與安全技術(shù)研究。E-mail：924221851@qq.com

TD235.3

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.008