謝亮波，王 銘，張西良，儀海豹，顧紅建，江東平

(1.中鋼集團 馬鞍山礦山研究院有限公司，馬鞍山 243000； 2.馬鞍山礦山研究院 爆破工程有限責任公司，馬鞍山 243000； 3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，馬鞍山 243000)

隨著我國城市化進程的不斷推進，大批待拆除高聳建(構(gòu))筑物的周邊環(huán)境日益復雜，使得安全爆破拆除的難度逐漸增大，也對控制爆破提出了更高的技術(shù)要求。為實現(xiàn)復雜環(huán)境下的安全爆破拆除，諸多爆破科研工作者開展了大量相關(guān)研究工作[1-6]：謝先啟院士提出了大型拆除爆破工程項目全壽命周期管理模式，以及SCPE項目管理方法，并在3.5 km武漢沌陽高架橋爆破拆除工程中得到應用；費鴻祿利用Matlab數(shù)值軟件分析了冷卻塔塔體觸地解體過程，提出冷卻塔爆破整體延期時間不宜過大的建議，降低冷卻塔爆破對周圍建筑的危害；季杉采用單柱和單跨橋梁模型研究了爆破振動和塌落振動傳播規(guī)律，指出塌落振動主頻與結(jié)構(gòu)前幾階頻率接近，爆破工程時需優(yōu)先考慮塌落振動；武哲采用人工剪破碎和機械剪切等方法結(jié)合力學原理對剪力墻、電梯井等進行了預拆除，通過結(jié)合樓房的建筑材料、結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)選擇爆破參數(shù)，實現(xiàn)了90 m高樓房的折疊控制爆破；張建華利用 ANSYA/LS-DYNA 軟件研究了小缺口爆破技術(shù)對冷卻塔拆除的影響，提出小缺口爆破技術(shù)能夠促進冷卻塔的傾倒速度，提高冷卻塔觸地破碎程度和降低爆破振動；蒙云琪采用數(shù)值模擬軟件建立分離式耦合模型，優(yōu)化確定了鐵四院前大樓爆破拆除方案。已有研究成果從數(shù)值模擬、振動控制等角度進行了多方面研究，然而在結(jié)構(gòu)設計資料不詳?shù)谋”跓焽璨鸪矫骢r有報道。

以長江沿岸某薄壁型鋼筋混凝土煙囪為例，在綜合考慮煙囪周邊環(huán)境及拆除難點的基礎上，制定安全可靠的倒塌方案，從合理選擇爆破切口高度、優(yōu)化爆破孔網(wǎng)參數(shù)、加強安全防護等角度進行爆破危害控制，以實現(xiàn)煙囪的定向控制爆破拆除，消除煙囪的安全隱患，為類似拆除爆破提供一定借鑒。

1 概述

1.1 煙囪概況

石溪野水泥廠區(qū)內(nèi)的待拆煙囪位于長江沿岸300 m范圍內(nèi)，運行30多年后廢棄，表層混凝土風化嚴重，巖塊片落現(xiàn)象突出。按照國家長江綠色發(fā)展和生態(tài)保護規(guī)劃，消除煙囪的安全隱患，須對其爆破拆除。該煙囪高度62 m，內(nèi)襯耐火磚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；呈下部直徑大、上部直徑小的圓筒形；下部外徑4.5 m，內(nèi)徑3.5 m；壁厚50 cm，其中耐火磚厚度24 cm，鋼筋混凝土厚度21 cm。在煙囪正南側(cè)有一煙道，寬×高=1.1 m×1.5 m。

1.2 周圍環(huán)境

該煙囪周邊環(huán)境復雜，東側(cè)有一從市發(fā)電廠引出的南北走向高壓線路，與煙囪的最近距離為85 m；東北側(cè)和東南側(cè)共計有3座高壓線塔，距離分別為180 m、255 m和270 m。煙囪東側(cè)、西側(cè)、北側(cè)分別為西山路、沿江大道和六汾河路，最近距離分別為53 m、173 m和310 m。東北側(cè)距某爐料加工廠最近235 m。煙囪周邊環(huán)境示意圖見圖1，現(xiàn)場照片見圖2。

2 拆除爆破方案

2.1 爆破拆除難點

(1)煙囪建設年代久遠，結(jié)構(gòu)設計圖紙缺失，鋼筋分布不清，增大爆破參數(shù)選取難度。

(2)通常煙道處鋼筋分布較為密集，煙道未預拆除，可能對倒塌方向存在一定影響。

(3)該煙囪為典型的薄壁結(jié)構(gòu)，對孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥單耗以及爆破飛石控制帶來挑戰(zhàn)。

(4)內(nèi)襯耐火磚年久風化，爆破切口處進行預處理，存在整體剝離塌落的安全風險。

(5)周邊環(huán)境復雜，爆破危害控制難度大。

2.2 倒塌方案及預處理

(1)倒塌方案

該煙囪的正東側(cè)85 m處為需保護的高壓線路，而南側(cè)場地比較開闊；同時考慮到煙道位于正南側(cè)，由于工期緊，沒有進行預拆除，為此，設計采用向正南側(cè)定向倒塌方案，倒塌方向與高壓線走向一致。

(2)預處理

定向窗的對稱性是決定煙囪按照設計方向倒塌的關(guān)鍵。為保證倒塌方向的可靠性，在爆破切口兩側(cè)對稱各設置一個三角形定向窗，高度1 m，底邊1.5 m；經(jīng)現(xiàn)場測量定位后，采用人工方式開鑿。

為避免內(nèi)襯耐火磚整體剝離塌落，在爆破切口位置間隔處理掉部分耐火磚，剩余部分作為上部耐火磚的安全支撐。

2.3 爆破設計參數(shù)

(1)爆破切口

爆破切口是影響煙囪失穩(wěn)傾倒的關(guān)鍵因素。切口高度h與煙囪的材質(zhì)和筒壁厚度δ有關(guān)，同時應保證爆破切口閉合后煙囪的重心偏離煙囪的支撐點。通常切口高度h需滿足[7-9]

h≥(3～5)δ

同樣高度下，壁厚時，取小值；壁薄時，取大值。根據(jù)類似工程實際經(jīng)驗，這里設計采用梯形爆破切口；考慮到煙道未進行預處理，且為薄壁結(jié)構(gòu)，切口高度應適當增大，設計切口高度取2.25 m。為便于現(xiàn)場鉆孔作業(yè)，切口下沿離地高度75 cm。

預留具有一定承載能力的支撐柱不進行爆破，承受上部重力荷載，可以保證煙囪傾倒方向的可靠性。通常，爆破切口范圍是筒壁的周長的1/2～2/3，對應的圓心角為180°～240°；這里綜合考慮選取切口角度225°。爆破切口示意圖見圖3。

(2)炸藥單耗

單位炸藥消耗量是拆除爆破設計中的一個重要參數(shù)。選擇的炸藥單耗不合適，不僅影響爆破效果，還會導致爆破事故。單耗選取的太大，爆破過粉碎，爆破飛石過遠，防護效果不好時易于發(fā)生飛石傷害事故；反之，單耗選取的太小，容易發(fā)生炸而不倒現(xiàn)象，增加二次處理安全風險。

(3)爆破參數(shù)

炮孔布置應力求炮孔規(guī)則整齊布置，使炸藥均勻分布于爆破體中，以保證爆破后破碎塊度均勻。采用直徑φ40 mm鉆孔，正方形布孔方式；鑒于煙囪結(jié)構(gòu)設計圖紙缺失，布筋情況不清，在定向窗開鑿前，根據(jù)初步估計筒壁厚度，設計的筒壁和煙道處孔距分別為25 cm和30 cm，孔深分別為15 cm和70 cm，設計爆破切口處共計布置168個炮孔。

在定向窗完成后，實際筒壁厚度較預估值薄，原設計孔距參數(shù)偏大。因此，對孔網(wǎng)參數(shù)進行了適當調(diào)整，分別在筒壁原孔位對角線中心和煙道處進行了補孔工作；實際共計布孔289個。經(jīng)現(xiàn)場補孔調(diào)整后，實際筒壁炸藥單耗為3.8 kg/m3，煙道處2.3 kg/m3；由此計算，筒壁和煙道處的單孔裝藥量分別為40 g和200 g，共計使用炸藥量16.32 kg。煙道處采取分兩段裝藥方式，每段100 g，以均衡炸藥能量分布。

(4)起爆網(wǎng)路

煙囪拆除爆破的炮孔數(shù)量多，且對起爆可靠性要求嚴格。為此，設計采用非電復式起爆網(wǎng)路；沿煙道口中心線為對稱軸，兩邊孔內(nèi)分別采用2段和4段導爆管雷管，孔內(nèi)同段控制在20發(fā)內(nèi)為一簇，簇連連接；孔外復式連接至起爆點。

3 拆除爆破危害控制

3.1 塌落振動控制

(1)塌落振動計算

根據(jù)中國地震烈度表(GB/T 17742—2008)可知，該煙囪所在地區(qū)的地震烈度為6度，對應的地面峰值速度為5～9 cm/s。根據(jù)《電力設施抗震設計規(guī)范》(GB 50260—2013)和《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)定》(DLT 5154—2012)，輸電線路桿塔和基礎抗震設防烈度應采用當?shù)氐幕镜卣鹆叶?。說明高壓線塔基的抗震設防烈度為6度。為確保爆破作業(yè)期間高壓線塔基的安全，這里選取的安全允許振動速度為2 cm/s。

爆破振動和塌落振動效應是周邊設施安全的一個重要影響因素[10-13]。煙囪爆破拆除主要以塌落振動為主，爆破振動強度較小，只要塌落振動速度控制在周邊保護設施的安全允許范圍內(nèi)即可滿足要求。根據(jù)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(jīng)驗公式進行計算[14]

式中：Vt為塌落引起的地面振動速度，cm/s；M為下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；g為重力加速度，9.8 m/s2；h為構(gòu)件的高度，62 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(zhì)破壞強度，一般取10 MPa；Kt、β為塌落振動速度衰減系數(shù)和指數(shù)，分別取3.37和-1.8。

根據(jù)煙囪建筑設計圖紙，煙囪質(zhì)量M約為340 t，煙囪高度h為62 m，東北側(cè)高壓線塔基至沖擊地面中心的距離為200 m。

計算可知，煙囪塌落在最近高壓線塔基附近引起的地面振動速度為0.11 cm/s，遠小于高壓線塔基的安全允許振動速度2.0 cm/s。

(2)塌落振動控制措施

為減輕煙囪塌落振動影響范圍，在倒塌方向上分別在距離煙囪20 m和40 m處各設置一個高度為1.0 m的土擋墻，作為塌落沖擊時的緩沖墊層。

3.2 爆破飛石控制

(1)爆破飛石距離計算

由于拆除爆破的炮孔深度淺，堵塞長度??；破碎鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的炸藥單耗大，如果采取的防護遮擋措施不到位，可能造成臨近建筑物、設施的損壞和人員的傷害。無覆蓋條件下，拆除爆破飛石可采用如下經(jīng)驗公式進行估算[15]

Rmax=70k0.58

式中：R為個別飛石最大距離，m；k為炸藥單耗，kg/m3。

計算可得，無覆蓋條件下，爆破飛石最大距離為151.8 m。

(2)飛石安全防護及安全警戒范圍

為有效控制爆破飛石危害，減小飛石飛散距離，對爆破切口位置采用鐵絲網(wǎng)和多層密目網(wǎng)進行近體防護。同時，為防止煙囪塌落后飛濺石塊傷人事故的發(fā)生，爆破拆除前，將倒塌方向前側(cè)地面上的碎石等清理干凈。

根據(jù)本次爆破煙囪的周邊環(huán)境，為避免爆破飛石傷害事故的發(fā)生，保證爆破作業(yè)安全，煙囪南側(cè)、北側(cè)、東側(cè)的爆破警戒范圍分別為500 m、310 m和350 m，西側(cè)至江邊。在爆區(qū)周圍的主要道路口共計設置八個警戒點，安排專人進行爆破警戒，確保人員、車輛等疏散到安全地點。

4 現(xiàn)場爆破效果

通過精心的設計、施工，煙囪起爆10 s后，完全按照預定的方向?qū)崿F(xiàn)了塌落觸地，塔體完整性較好，未對周邊高壓線等造成任何損害；現(xiàn)場振動監(jiān)測結(jié)果表明，在最近高壓線塔基處的峰值振動速度為0.21 cm/s，稍大于理論預測值，但仍在其安全允許振動速度范圍內(nèi)；爆破飛石控制在40 m范圍內(nèi)，取得了較好的爆破危害控制效果?，F(xiàn)場爆破效果見圖4。

本次爆破作業(yè)成功實施，較好的保證了周邊建(構(gòu))筑物的安全。中央電視臺在《壯麗70年 奮斗新時代——共和國發(fā)展成就巡禮·安徽》—“為有源頭活水來，共抓長江大保護”欄目，對該煙囪拆除爆破進行了全程現(xiàn)場直播報道。

5 結(jié)語

(1)煙囪結(jié)構(gòu)設計圖紙是爆破孔網(wǎng)參數(shù)設計的關(guān)鍵；對于建設年代久遠、技術(shù)資料缺失的鋼混煙囪，應根據(jù)開鑿定向窗掌握的筒壁參數(shù)對設計方案進行適當調(diào)整，保證倒塌方案的可靠性。

(2)煙囪拆除后，現(xiàn)場塌落振動和爆破飛石皆控制在安全范圍內(nèi)，說明了爆破設計參數(shù)、切口方案的合理性，設置緩沖減振擋墻和近體覆蓋防護對爆破危害控制是十分有效的，對類似薄壁煙囪爆破拆除具有一定指導借鑒作用。

(3)該爆破工程的圓滿實施，既消除了煙囪的安全隱患，又加快了水泥廠拆除整治進度，有力推進了安徽長江生態(tài)景觀帶建設步伐，為周邊居民的生活環(huán)境和沿江生態(tài)提升創(chuàng)造了有利條件。