董 星，張 哲，劉永強，張坤麟，胡永玉，惠 佳，謝少凱

( 1.北京理工北陽爆破工程技術(shù)有限責任公司，北京 100081;2.新時代遼科(阜新)爆破工程有限公司，阜新 123000)

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，在城市擴建和企業(yè)升級改造中不可避免會遇到高聳建筑物的拆除，如煙囪、水塔等。這種高聳建筑物有著高度遠大于底部直徑的結(jié)構(gòu)特點，當其所處環(huán)境復雜時大多采用爆破拆除，此方法不僅效率高且可以保證施工安全，在工程實踐中得到了大量應(yīng)用。關(guān)于高煙囪的爆破拆除國內(nèi)有過一些實踐，如福建省安溪某發(fā)電廠150 m鋼筋混凝土煙囪拆除[1]、寶鋼120 m鋼結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除[2]、河南某210 m高的雙層套筒煙囪的爆破拆除等[3]。通過數(shù)值仿真模擬，能更好的為煙囪的爆破拆除效果進行預測并指導施工，如楊軍[4]、林謀金[5]、張廣榮等對不同高度的鋼筋混凝土煙囪爆破拆除進行了數(shù)值模擬[6]，從而為具體工程實踐提供參考，本文將對高煙囪定向爆破拆除作進一步闡述。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

待拆除煙囪位于遼寧省鐵嶺市某供熱公司院內(nèi)，建于2008年。煙囪北側(cè)10 m為暫緩拆除的鍋爐房、150 m為黑龍江路，西側(cè)150 m為公司圍墻及公司儲煤場，南側(cè)120 m為新建戒毒所，東側(cè)125 m為公路，東北側(cè)100 m為公司辦公樓，待拆除周圍環(huán)境見圖1。煙囪見圖2。

1.2 結(jié)構(gòu)特征

該煙囪地面以上標高100m，為鋼筋混凝土筒式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。煙囪筒身采用C30混凝土整體澆筑，豎向主要鋼筋為φ10、φ12、φ16、φ18；環(huán)向鋼筋為φ10、φ12、φ14、φ16。煙囪尺寸如表1所示，煙囪混凝土體積880.0 m3、隔熱層體積216.0 m3、內(nèi)襯體積438.0 m3，總重量約為3500 t。

表1 煙囪尺寸參數(shù)Table 1 Chimney size parameters

2 爆破拆除方案設(shè)計

對于高聳建(構(gòu))筑物的拆除，一般是根據(jù)伐樹原理，破壞底部支撐基座使其在自身重力作用下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而傾倒。

2.1 倒塌中心線

定向爆破拆除煙囪，要求在其倒塌方向必須具備一定寬度的狹長場地[7]，場地長度不得小于煙囪高度的1.0～1.2倍(自煙囪的中心點算起)，垂直于倒塌中心線的橫向?qū)挾炔坏眯∮跓焽枨锌诓课煌庵睆降?.0～4.0倍，對于鋼筋混凝土煙囪等剛度好的結(jié)構(gòu)，其倒塌的水平距離要求大一些。據(jù)此，在煙囪倒塌方向至少需要120 m長、50 m寬的場地，只有西側(cè)的一塊露天煤炭堆放場具備倒塌條件，故設(shè)計爆破倒塌方為西側(cè)。

2.2 爆破切口

(1)切口形狀

實踐證明，煙囪切口形狀應(yīng)以梯形或者矩形為宜。這樣在其初始倒塌過程中，原切口緩慢閉合，煙囪承壓區(qū)逐漸增大，相應(yīng)保證了壓縮破壞過程在倒塌中心線上的對稱，從而控制了煙囪倒塌的定向性。在切口圓心角相同時，梯形切口閉合所需時間短、對地面沖擊小[8]，更好的保證了煙囪倒塌的可靠性，因此本文選擇梯形切口施工。

(2)切口位置及尺寸

為了鉆孔方便，且考慮到煙囪底部煙道、出灰口等對結(jié)構(gòu)對失穩(wěn)的影響，切口由距地表0.5 m位置開始沿倒塌中心線對稱布置。

①切口圓心角

切口處弧長一般不宜小于筒體外部周長的1/2到2/3，這才能夠滿足初始定向傾倒失穩(wěn)條件[9]。根據(jù)圖紙和現(xiàn)場勘測，待拆煙囪切口部位筒體外徑12.5 m，則切口弧長

(1)

式中,D為切口部位煙囪筒體的外直徑。

現(xiàn)場根據(jù)具體施工情況L取25 m、開口角度230°，如圖3所示。

②切口高度

當切口上、下沿閉合時，煙囪的重心必須偏移出煙囪切口外邊緣，即煙囪重心偏移的距離大于爆破切口處的外半徑[10]。對于100 m煙囪考慮到爆破后筒身下坐的可能和適當增加安全系數(shù)，爆破切口高度宜適當加大。爆破部位(爆破缺口)高度的確定與煙囪材質(zhì)和筒壁厚度有關(guān)，鋼筋混凝土煙囪鋼筋分布密度大、筒壁較薄要取較大系數(shù)。

h≥(3～6)δ=1.12～2.28 m

(2)

式中，δ為爆破切口處煙囪壁厚，0.38 m。

根據(jù)工程經(jīng)驗取h=2.5 m。

③定向窗、定位窗

定向窗、定位窗為保證爆破后煙囪沿著設(shè)定的方向倒塌，在主爆區(qū)爆破之前用風鎬在倒塌中心線開鑿一個定向窗同時在切口兩端開鑿兩個定位窗，以保證煙囪沿倒塌中心線倒塌，并能在一定程度上降低一次起爆藥量，減少因爆破產(chǎn)生的振動及其他危害。本次拆除爆破中，定向窗長3 m、高2.5 m，定位窗底邊長2.5 m，底角取45°，如圖4。

(3)內(nèi)襯處理

為了確保倒塌方向的準確性，在鉆鑿炮孔時，人工將切口范圍3 m內(nèi)襯預先拆除。

2.3 孔網(wǎng)參數(shù)

(1)炮孔直徑d：采用風動鑿巖機鉆孔，炮孔直徑取40 mm；

(2)最小抵抗線W:

W=0.5δ

(3)

則W=0.19 m；

(3)炮孔孔深l:

l=(0.65～0.7)δ

(4)

取l=0.25 m；

(4)炮孔間距a：取a=0.35 m；

(5)炮孔排距b：取b=0.30 m；

(6)單孔藥量：

Q1=qabδ

(5)

式中，q為單位體積巖石所需炸藥量，取1.5 kg/ m3，計算得Q1=0.06 kg；

(7)炮孔總數(shù)N=522個；

(8)總藥量：

Q總=N·Q1

(6)

則Q總=31.32 kg。

2.4 起爆網(wǎng)路

爆破瞬間會產(chǎn)生巨大的向上推力，力矩方向與自身重力的力矩方向相反，這會對定向傾倒帶來不利影響。為降低爆破推力對其倒塌方向干擾，孔內(nèi)采用MS1、MS3、MS5段毫秒導爆管雷管進行毫秒微差起爆，即起爆順序由中心到兩側(cè)。選擇導爆管雷管簇聯(lián)起爆網(wǎng)路，每10～15發(fā)導爆管雷管組成一簇并用雙發(fā)導爆管雷管起爆，最后用高能脈沖起爆器作為起爆源。

3 安全防護

3.1 爆破振動速度校核

爆破振動速度根據(jù)下式進行校核[11]

V=K′K(Q1/3/R)α

(7)

式中：K′為爆破拆除修正系數(shù)，取K′=0.25；K、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，取K=150，α=1.5；Q為最大單段藥量，10.44 kg；R為建筑物到爆破中心的距離，m。

核算出煙囪周圍不同建筑物的爆破振動速度見表2，均遠小于國家標準規(guī)定的爆破振動安全允許值，因此爆破地震效應(yīng)不會對周圍建筑物造成影響。

表2 爆破振動計算結(jié)果表Table 2 Calculation results of blasting vibration

3.2 煙囪塌落振動校核

由于煙囪倒地會產(chǎn)生較大觸地沖擊振動，集中質(zhì)量(沖擊或塌落)作用于地面造成的塌落振動速度可用下式確定[12]

(8)

式中：Vt為塌落振動速度，cm/s；kt為衰減系數(shù)，kt=4.09；σ為地面介質(zhì)的破壞強度，一般取σ=10 MPa；β為衰減指數(shù)，β=-1.66；m為下落構(gòu)件的質(zhì)量，3500 t；H1為構(gòu)件重心高度，35 m；L為建筑物倒塌部位重心與被保護物距離，取最近的新建戒毒所處距離120 m。

將有關(guān)參數(shù)代入，計算得最近的新建戒毒所處塌落振動Vt=0.96 m/s，小于國家相關(guān)標準[11]。

在煙囪倒塌落地撞擊地面的位置鋪墊一層大于50 cm(近煙囪處50 cm厚、煙囪中部及頂部落地處100 cm厚)的粉煤灰或沙土，并每隔40 m用土袋或煤灰渣袋壘筑一定長度和高度的緩沖墻，并在緩沖墻上部壘三層裝滿細土的土袋或鋪滿三層草簾，緩沖墻長為煙囪寬的1.2～1.3倍，高約4 m，寬約3 m，以便減輕或避免煙囪落地撞擊振動和飛石的危害，如圖5所示。

3.3 飛石距離校核及校核飛石防護

拆除爆破中飛石傷人、損物的事故也偶有發(fā)生，對爆破飛石范圍進行校核能更好的劃定警戒范圍，由下式進行計算[13]

Lf=70q0.53

(9)

式中：Lf為無阻飛石的最大飛散距離，m；q為炸藥單耗，kg/m3。

計算得Lf=87 m，因此在300 m的警戒范圍外是安全的。

(1)裝藥前測量炮孔尺寸，保證炮孔深度、實際抵抗線不小于設(shè)計值。

(2)加強填塞質(zhì)量，嚴格控制炸藥單耗。

(3)在爆破部位懸掛2～3層竹笆、草袋等。

(4)警戒人員佩戴安全帽在安全警戒線以外作業(yè)。

4 數(shù)值模擬仿真

4.1 模型建立

采用LS-DYNA軟件對該煙囪的爆破倒塌過程進行數(shù)值模擬，為更好反映煙囪的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，選取分離式共節(jié)點模型，材料類型選擇為：采用LS-DYNA單元庫中的beam161單元、solid164單元分別對鋼筋、混凝土建立三維模型，鋼筋和混凝土本構(gòu)模型均采用經(jīng)典塑性隨動模型* MAT_PLASTIC_KINEMATIC*，地面采用solid164單元，并配用* MAT_ PIECEWISE _ LINEAR _ PLASTICITY * 材料定義本構(gòu)關(guān)系[14]，鋼筋、混凝土主要參數(shù)見表3，采用kg-m-s單位制建立1∶1的模型。

表3 模型參數(shù)設(shè)定Table 3 Material parameters

4.2 仿真結(jié)果與分析

(1)倒塌過程

在t=0時爆炸形成缺口，由于重力作用，缺口處保留的筒體被部分壓碎，在傾倒力矩的作用下煙囪開始加速傾斜，至起爆后11 s時最終整體觸地，整個倒塌過程如圖6所示。

(2)煙囪頂部的速度及位移

為進一步研究煙囪倒塌過程中的位移、速度規(guī)律，在模型中取煙囪頂部倒塌方向上的節(jié)點進行研究，在LS-PrePost軟件中分別導出該點倒塌方向(X)、豎直方向(Y)的位移、速度隨時間變化的數(shù)據(jù)，由Origin軟件繪圖如圖7。

由圖7可知：剛起爆后，煙囪頂部位移變化不大；在2～4 s時Y方向位移增長加快，說明煙囪出現(xiàn)了短暫的下坐現(xiàn)象，同時在X方向也向設(shè)計的倒塌方向發(fā)生了傾斜；在11 s時，X、Y方向位移均達到最大值分別為119 、99 m，即11 s時煙囪倒塌觸地；則，煙囪原高度：落地后長度=100∶119=1∶1.19，煙囪倒地后只發(fā)生了很小的前沖。

由圖8可知：起爆后0～4 s時，煙囪頂部速度變化不大；4～11 s時，隨著重力的作用Y方向速度不斷增大至22.8 m/s后觸地，而X方向速度先增大至9.4 m/s后因結(jié)構(gòu)完整的煙囪筒身牽制作用，該點X方向速度急劇降低至趨近0；在整個倒塌過程中，雖然X方向速度出現(xiàn)了先增后減的現(xiàn)象，但通過X、Y方向矢量和速度曲線可知，煙囪頂部是逐漸加速至觸地倒塌，觸地時矢量和速度與Y方向速度接近。

(3)地面振動速度

提取煙囪倒塌方向上100 m處地面振動速度進行分析，由圖9可知該位置的振動主要可以分為兩個階段：第一階段為爆炸及煙囪在重力和彎矩共同作用中自身下坐、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動，第二階段為煙囪傾倒觸地時對地面強大沖擊形成的坍落振動。

倒塌方向上100 m處地面上各階段的振動速度數(shù)值如表4，可知在煙囪拆除中坍落振動比爆破振動持續(xù)的時間長、振動幅度大，因此在進行煙囪爆破拆除設(shè)計時振動的校核以及施工過程振動防護措施的選擇中坍落振動不容小覷。

表4 地面振動速度Table 4 Ground vibration speed

5 爆后效果

起爆后煙囪靜止約1 s隨即發(fā)生傾倒，11 s后全部落地。倒塌過程中發(fā)生輕微下坐現(xiàn)象，倒塌方向與設(shè)計方向基本一致。如圖10，煙囪觸地后筒身破碎解體，數(shù)值仿真模擬倒塌過程(圖6)與實際倒塌過程(圖10)基本一致。倒塌后濺起的飛散物距倒塌中心線不遠，未發(fā)現(xiàn)拒爆藥包，防護措施達到預想效果，未對周圍建筑物及人員造成影響，爆破施工達到預期效果。

6 結(jié)語

通過對高煙囪的爆破拆除進行分析計算及數(shù)值模擬，提出切實可行的爆破方案，安全高效的實施了定向爆破拆除，可供類似工程參考。

切口設(shè)計時，應(yīng)選擇合適的切口位置、形狀、高度、角度和其他幾何參數(shù)。本工程中，切口圓心角可適當減小，減少爆破后煙囪下坐。

對高煙囪實施定向爆破拆除時，為降低一次爆破的上推力和爆破振動，宜采用分段起爆的方法，保證每次爆破范圍關(guān)于倒塌中心線對稱，中間先爆，兩側(cè)滯后。

通過數(shù)值仿真模擬技術(shù)能很好的預測煙囪倒塌的過程，可為實際施工提供參考。

煙囪爆破拆除中坍落振動比爆破振動危害更大。對高聳建筑物拆除時，應(yīng)仔細勘查嚴格按照預定設(shè)計方案進行施工，杜絕臨時調(diào)整。