孫 飛 郭文華 顧 云 王旭鳴 單 浩 李 飛

①核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司(江蘇南京，211102)

②蘇州市公安局(江蘇蘇州，215131)

引言

近幾十年，爆破作為一種經(jīng)濟(jì)有效的手段[1]，被廣泛應(yīng)用于煙囪、樓房等高聳建(構(gòu))筑物的拆除。 查閱大量文獻(xiàn)可知[2-5]，被爆破拆除的建(構(gòu))筑物通常是單個(gè)或者多個(gè)相距較遠(yuǎn)的，對(duì)類(lèi)似筒倉(cāng)集群式的高聳構(gòu)筑物的爆破拆除工程較少[6-7]。 為確保施工安全，以張家港聯(lián)峰鋼鐵筒倉(cāng)集群爆破拆除工程為研究背景，對(duì)筒倉(cāng)集群的爆破切口參數(shù)設(shè)計(jì)及預(yù)處理技術(shù)展開(kāi)研究。

1 工程概況

該爆破拆除工程位于江蘇省張家港市南豐鎮(zhèn)永聯(lián)村。 因焦化場(chǎng)地用途調(diào)整，需對(duì)場(chǎng)地內(nèi)筒倉(cāng)集群進(jìn)行拆除。 場(chǎng)地內(nèi)共建3 排筒倉(cāng)，每排9 個(gè)，合計(jì)27 個(gè)，工程現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。 為便于設(shè)計(jì)施工，對(duì)筒倉(cāng)集群統(tǒng)一編號(hào)(圖2)。 其中，49.97 m 高筒倉(cāng)18 座，47.77 m 高筒倉(cāng)5 座，9.80 m 高筒倉(cāng)4 座。 為確保拆除施工安全，經(jīng)綜合比較，對(duì)9.80 m 高筒倉(cāng)采取機(jī)械拆除，47.77 m 高和49.97 m 高筒倉(cāng)采取爆破拆除，具體參數(shù)見(jiàn)表1。 表1 中，因筒倉(cāng)下部橫墻及漏斗于爆破前已預(yù)處理拆除，故筒體質(zhì)量未計(jì)算此部分。

圖1 待爆筒倉(cāng)集群Fig.1 Silo cluster to be blasted

圖2 待爆筒倉(cāng)集群平面圖Fig.2 Plan of silo cluster to be blasted

2 筒倉(cāng)集群結(jié)構(gòu)特征及總體爆破方案

2.1 筒倉(cāng)集群結(jié)構(gòu)特征

需使用控制爆破法拆除的筒倉(cāng)共23 座，具體結(jié)構(gòu)特征如下。

1)待爆筒倉(cāng)集群共有A、B、C3 排。 其中，A排待爆筒倉(cāng)7 座，B排及C排待爆筒倉(cāng)各為8 座；筒倉(cāng)排間距3.0 m，各排筒倉(cāng)除前兩座間距10.0 m 外，其余間距均為2.5 m。

2)在編號(hào)C4 與C6 筒倉(cāng)背部各有一座與筒倉(cāng)連為一體的框架樓梯，見(jiàn)圖1(b)。

3)相鄰?fù)矀}(cāng)頂部之間均由6 條截面200 mm ×200 mm 的H 型鋼連接，見(jiàn)圖3。

4)49. 97 m 高的筒倉(cāng)頂部覆有鋼制倉(cāng)頂板，47.77 m 高的筒倉(cāng)頂部無(wú)倉(cāng)頂板，其他結(jié)構(gòu)特征均相同。 見(jiàn)圖3。

圖3 筒倉(cāng)頂部H 型鋼連接圖Fig.3 Connection drawing of H-section steel at the top of silo

5)筒倉(cāng)內(nèi)徑20.62 m、外徑21.38 m；筒倉(cāng)底部由鋼筋混凝土倉(cāng)底梁及漏斗板連為一體，基礎(chǔ)頂?shù)絺}(cāng)底板頂面( +9.800 m)混凝土標(biāo)號(hào)C35，其他部位混凝土標(biāo)號(hào)為C30。

6)筒壁、倉(cāng)壁混凝土外側(cè)保護(hù)層厚度30 mm，內(nèi)側(cè)保護(hù)層厚度35 mm；豎向鋼筋為?18 mm，環(huán)向鋼筋:-2.00 ～4.00 m 高度為?18＠150；4.00 ～8.00 m 高度為?20＠150；8.00 ～12.00 m 高度為?20＠100。

7)倉(cāng)底梁及漏斗板連成整體。 倉(cāng)底與漏斗板共設(shè)置3 道橫墻，沿筒體四周分布10 根70 cm ×70 cm 起支撐作用的暗柱；中間橫墻厚度為0.6 m，兩側(cè)橫墻厚度為0.5 m；橫墻之間設(shè)置6 個(gè)倒圓錐形狀漏斗，錐底至漏斗板高度6.0 m，錐底距離筒倉(cāng)底部3.8 m。 見(jiàn)圖4。

2.2 總體爆破方案

根據(jù)筒倉(cāng)自身結(jié)構(gòu)特征及四周環(huán)境，確定總體爆破方案如下。

1)倒塌方向:選擇逐排定向爆破，倒塌方向北偏東37°，見(jiàn)圖2。

表1 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of silo structure

圖4 橫墻及漏斗現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Actual view of transverse wall and funnel

2)爆破切口形式:正梯形[8]。

3)起爆順序:分3 次爆破，每次爆破一排，待場(chǎng)地清理完畢再爆破下一排。

3 筒倉(cāng)爆破失穩(wěn)機(jī)制分析

筒倉(cāng)具有重心底且高寬比小的特點(diǎn)。 利用控制爆破法拆除的倒塌機(jī)制[9]:在筒倉(cāng)底部一定位置，采用炸藥爆炸能量形成爆破切口，而后爆破切口上部筒體在自身重力與支座反力共同形成的傾覆力矩作用下發(fā)生失穩(wěn)，從而沿預(yù)定方向發(fā)生傾倒觸地，達(dá)到拆除的目的。

在筒倉(cāng)爆破切口形成后，切口處起支撐作用的部分(環(huán)型筒體)為余留支撐體(圖5 所示陰影部分)。 若余留支撐體處鋼筋混凝土的極限抗壓強(qiáng)度小于爆破切口上部筒體的重力，則余留支撐體便會(huì)瞬間被壓垮，從而導(dǎo)致筒體后坐。 這樣極易出現(xiàn)筒體炸而不倒或傾倒方向失去控制的危險(xiǎn)情況。 如果余留支撐體處鋼筋混凝土的極限抗壓強(qiáng)度大于爆破切口上部筒體的重力，則上部筒體會(huì)在自身重力與支座反力共同形成的傾覆力矩作用下，以余留支撐體為軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而倒塌。 此過(guò)程中，余留支撐體處存在一條中性軸CD，以中性軸為界，一側(cè)受拉，為拉應(yīng)力區(qū)；另一側(cè)受壓，為壓應(yīng)力區(qū):均呈中性軸處為零、邊緣區(qū)域最大的三角形分布。 如圖6 所示。

圖5 切口橫截面示意圖Fig.5 Cut cross section

圖6 余留支撐體截面應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of remaining support section

當(dāng)最大壓應(yīng)力處達(dá)到鋼筋混凝土的最大極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，即出現(xiàn)壓碎區(qū)；中性軸CD隨著壓碎區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大后移，同時(shí)拉應(yīng)力區(qū)范圍逐漸變大，壓應(yīng)力區(qū)范圍逐漸減小。 隨著拉應(yīng)力區(qū)不斷增大，在余留支撐體正后方會(huì)出現(xiàn)裂縫，并向中性軸CD方向發(fā)展；支撐體壓應(yīng)力區(qū)面積不斷減小，壓應(yīng)力不斷增大；進(jìn)而筒倉(cāng)會(huì)以CD軸為支點(diǎn)定向朝爆破切口方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)切口閉合時(shí)，重心偏移出原爆破筒體，筒倉(cāng)在傾覆力矩的作用下發(fā)生倒塌[10]。

4 筒倉(cāng)爆破切口參數(shù)選取

根據(jù)筒倉(cāng)爆破失穩(wěn)機(jī)制分析可知[11]，為確保筒倉(cāng)爆破后沿預(yù)定方向順利倒塌，爆破切口參數(shù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 主要參數(shù)有爆破切口圓心角α和爆破切口高度Hp。

4.1 爆破切口圓心角α

筒倉(cāng)爆破后沿預(yù)定方向順利傾倒的基本條件是[12]:

1)余留支撐截面處鋼筋混凝土的極限抗壓強(qiáng)度大于爆破切口上部筒體的重力作用，避免余留支撐截面瞬間被壓垮進(jìn)而發(fā)生安全事故。

2)傾倒過(guò)程中，筒體產(chǎn)生的傾覆力矩大于余留支撐截面的抗彎力矩。

針對(duì)基本條件2)，筒倉(cāng)材料為鋼筋混凝土，底部由筒壁與暗柱組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其傾倒過(guò)程中余留支撐截面處的動(dòng)力學(xué)行為異常復(fù)雜，盡管已有大量學(xué)者對(duì)其傾倒過(guò)程動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程做了深入的研究，但計(jì)算過(guò)程繁雜，很難應(yīng)用于實(shí)際工程。

由于筒倉(cāng)與煙囪均屬于筒式結(jié)構(gòu)，且煙囪定向爆破在國(guó)內(nèi)已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此筒倉(cāng)爆破圓心角α 可參照煙囪爆破切口參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行確定。

假設(shè)煙囪與筒倉(cāng)高度均為H，爆破切口處內(nèi)、外直徑分別為r、R，切口圓心角均為α。 可知，煙囪的重心高度約為H/3，筒倉(cāng)的重心高度約為H/2，且煙囪爆破切口上部筒體的質(zhì)量小于筒倉(cāng)的質(zhì)量，故在倒塌過(guò)程中筒倉(cāng)的傾覆力矩遠(yuǎn)大于煙囪的傾覆力矩。 因此，在上述假設(shè)條件下，開(kāi)設(shè)相同切口圓心角α?xí)r，筒倉(cāng)更容易失穩(wěn)傾倒。

參照大量的煙囪定向爆破成功經(jīng)驗(yàn)，最佳切口圓心角α取值在210° ～230°之間。 考慮筒倉(cāng)底部暗柱的影響，結(jié)合切口預(yù)處理設(shè)計(jì)，爆破切口圓心角α取252°，見(jiàn)圖7。

圖7 爆破切口截面圖Fig.7 Section of blasting cut

針對(duì)基本條件1)，爆破切口圓心角α ＝252°，余留支撐截面對(duì)應(yīng)圓心角108°(圖7)，余留支撐截面面積S ＝8.56 m2；可粗略計(jì)算出余留支撐截面處由筒倉(cāng)自重引起的平均壓應(yīng)力:

式中:δ1、δ2分別為高49.97、47.77 m 的筒倉(cāng)余留支撐截面處平均壓應(yīng)力；m1、m2分別為高49.97、47.77m 的筒倉(cāng)質(zhì)量。

余留支撐截面主要抗壓材料為C35 混凝土，抗壓強(qiáng)度為35 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于δ1、δ2。 由此可見(jiàn)，爆破切口圓心角α ＝252°符合兩個(gè)基本條件的要求，能確保筒倉(cāng)爆破后沿預(yù)定方向傾倒。

4.2 爆破切口高度Hp 選取及校核

4.2.1 爆破切口高度Hp 選取

大量煙囪類(lèi)高聳構(gòu)筑物爆破拆除工程實(shí)踐表明[4-8]，爆破切口高度Hp是決定被爆對(duì)象結(jié)構(gòu)能否整體失穩(wěn)、順利傾倒的重要參數(shù)。 迄今為止，大多數(shù)高聳構(gòu)筑物的爆破切口高度的選取方法，均先參照構(gòu)筑物具體結(jié)構(gòu)特征，擬定爆破切口高度Hp，再以重心偏出理論進(jìn)行計(jì)算，即只需確保爆破切口閉合時(shí)上部結(jié)構(gòu)的重心偏移距離大于筒倉(cāng)外直徑即可。

由于筒倉(cāng)底部由鋼筋混凝土倉(cāng)底梁及漏斗板連為一體，高度為9.8 m，為便于預(yù)處理，爆破切口高度Hp取10.0 m。

4.2.2 切口閉合時(shí)筒倉(cāng)重心偏移距離校核

根據(jù)幾何關(guān)系，爆破切口閉合角α0可用式(3)確定:式中，r為筒倉(cāng)切口處內(nèi)半徑，取10.31 m；R為筒倉(cāng)的外半徑，取10.69 m；α為切口圓心角，取252°。

由式(3)可計(jì)算出爆破切口的閉合角α0＝30.84°。 閉合后，參照煙囪爆破傾倒重心偏移計(jì)算原理，筒倉(cāng)重心偏移距離L由式(4)計(jì)算:

式中:z為筒倉(cāng)重心高度，49.97 m 高筒倉(cāng)取25.00 m，47.77 m 高筒倉(cāng)取24.00 m。

分別代入式(4)得，49.97 m 高筒倉(cāng)重心偏移距離L1＝11.96 m；47.77 m 高筒倉(cāng)重心偏移距離L2＝11.45 m。 計(jì)算結(jié)果均大于筒倉(cāng)外半徑R ＝10.69 m。 可知筒倉(cāng)爆破切口高度設(shè)計(jì)符合要求。

5 預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)

由于筒倉(cāng)高寬比約為2.3，且筒倉(cāng)集群結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為使筒倉(cāng)在爆破后沿預(yù)定方向順利倒塌，爆破前在確保筒體穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，須預(yù)先對(duì)筒倉(cāng)進(jìn)行一定程度的預(yù)處理[13]。

5.1 筒倉(cāng)內(nèi)部預(yù)處理

使用機(jī)械對(duì)內(nèi)部橫墻及漏斗進(jìn)行破除，并清運(yùn)出筒倉(cāng)。 僅留漏斗板，見(jiàn)圖8。

圖8 筒倉(cāng)內(nèi)部預(yù)處理Fig.8 Internal pretreatment of silo

5.2 筒倉(cāng)爆破切口預(yù)處理

為增加裝藥部分的臨空面，確保爆破切口處筒壁混凝土完全破碎，失去承壓作用，使用機(jī)械將爆破切口處進(jìn)行預(yù)處理。 切口處共有暗柱6 根，其中1?！?＃保留，5＃、6＃破除；除1＃、2＃旁保留弧長(zhǎng)3 m 的筒壁外，其余爆破切口內(nèi)筒壁全部破除；使用長(zhǎng)臂機(jī)械在筒倉(cāng)切口上部鑿出三角形缺口，可避免爆破時(shí)切口閉合后切口上沿的支撐作用。 見(jiàn)圖9。

圖9 筒倉(cāng)切口預(yù)處理Fig.9 Pretreatment of silo cut

5.3 筒倉(cāng)頂部預(yù)處理

考慮爆破順序要求，為確保爆破時(shí)后排筒倉(cāng)不對(duì)前排筒倉(cāng)傾倒產(chǎn)生不利影響，使用氧割槍將筒倉(cāng)頂部排間6 條H 型鋼隔斷，見(jiàn)圖10。 每排筒倉(cāng)間連接的H 型鋼不做處理，可使爆破時(shí)單排筒倉(cāng)間增加相互牽引力，利于筒倉(cāng)的順利傾倒。

圖10 筒倉(cāng)頂部排間H 型鋼預(yù)處理Fig.10 Pretreatment of H-section steel in the top row of silo

5.4 樓梯預(yù)處理

為避免樓梯對(duì)C排筒倉(cāng)傾倒的影響，使用機(jī)械將樓梯及內(nèi)側(cè)立柱破除，僅保留后側(cè)兩根立柱。

6 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)及爆破效果

6.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)筒倉(cāng)預(yù)處理后的受力特征，具體爆破參數(shù)如下。

1)孔徑選取38 mm，梅花形布孔，選用?32 mm乳化炸藥。

2)切口保留筒壁處孔深28、38 cm，排距38 cm；暗柱處孔深0.55 cm，孔距36 cm，排距42 cm；考慮鉆孔誤差，單個(gè)筒倉(cāng)總裝藥量44 ～48 kg，單耗2.2 ～3.0 kg/m3。

3)1＃、2＃暗柱及與之相連的筒壁部分采用HS3段延期雷管；3＃、4＃暗柱采用HS4 段延期雷管；為避免余留支撐中的暗柱部分對(duì)筒倉(cāng)倒塌產(chǎn)生的牽制作用過(guò)大，在7?！?0＃暗柱底部裝填少量炸藥，采用HS5 段延期雷管。 待單個(gè)筒倉(cāng)網(wǎng)路連接成閉環(huán)以后，為防止整排筒倉(cāng)同時(shí)倒塌觸底產(chǎn)生較大振動(dòng)，在相鄰?fù)矀}(cāng)之間采用MS9 段延期雷管，從單側(cè)進(jìn)行起爆。

4)為控制爆破飛石飛散距離，在爆破部位外側(cè)固定兩層竹笆，加一層密目網(wǎng)進(jìn)行近體防護(hù)[14]。

6.2 爆破效果

3 排筒倉(cāng)依次爆破后，均沿預(yù)定方向準(zhǔn)確倒塌，解體充分，觸地振動(dòng)速度及飛石均控制在安全范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期效果。

7 結(jié)論

1)在筒倉(cāng)、煙囪等高聳構(gòu)筑物爆破拆除時(shí)，爆破參數(shù)設(shè)計(jì)切勿完全照搬經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，應(yīng)在完全熟悉構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)特征及周?chē)h(huán)境后，借鑒經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與安全校核。 余留支撐部分在有暗柱的情況下，爆破切口圓心角α可適當(dāng)增大10% ～15%。

2)拆除爆破中，對(duì)爆破切口的預(yù)處理至關(guān)重要，處理不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致爆前倒塌或爆后不倒等現(xiàn)象；因此，在工程實(shí)施前期，爆破切口附近非承重結(jié)構(gòu)物須清除干凈，承重部分預(yù)處理前須進(jìn)行安全校核，確保在施工安全的情況下，達(dá)到最佳爆破效果。