李玉景，趙 文，張寶亮，倪吉倫，王付景

(貴州開源爆破工程有限公司，貴陽 551400)

對(duì)于高聳建構(gòu)筑物的拆除工程，相比于人工拆除和機(jī)械拆除法而言，爆破法因其具有安全高效等優(yōu)點(diǎn)，而獲得廣泛的應(yīng)用，尤其是煙囪的爆破拆除。盡管煙囪爆破拆除已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的工程技術(shù)，但是由于每個(gè)煙囪的大小尺寸和結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境都有巨大差異，實(shí)際施工時(shí)需要控制的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較多，因此采取的技術(shù)措施和風(fēng)險(xiǎn)防控手段有較大差別。這就要求在設(shè)計(jì)煙囪爆破拆除的方案時(shí)，要綜合考慮其自身結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境，確定合理的傾倒方向、炸高和爆破切口的位置等。

對(duì)于煙囪拆除爆破的研究與實(shí)踐較多。余紅兵等[1]基于貴陽輪胎廠的煙囪爆破實(shí)踐，分析認(rèn)為自身較重的鋼混煙囪切口圓心角可縮小至210°，以降低側(cè)翻后坐風(fēng)險(xiǎn)；張英才等[2]對(duì)240 m高鋼混煙囪爆破效果分析后認(rèn)為，煙囪傾倒產(chǎn)生3.9°的小偏差是由于底部中心線一側(cè)支撐筒體長(zhǎng)期受風(fēng)化作用，強(qiáng)度變?nèi)鯇?dǎo)致支撐不足所致；邢光武等[3]在磚煙囪拆除時(shí)使用爆破方式開鑿定向窗，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了開鑿時(shí)間；沈朝虎等[4]通過量綱分析和模擬試驗(yàn)預(yù)測(cè)煙囪飛濺物距離，提出塌落場(chǎng)地為泥漿夾石時(shí)應(yīng)特別注意鋼混煙囪引起的觸地飛濺問題；王宇等[5]以攝影結(jié)合應(yīng)變測(cè)量技術(shù)探究了煙囪下坐和斷裂過程中的力學(xué)特征和破壞過程。根據(jù)大量施工經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[6-8]，鋼混煙囪拆除爆破常見的風(fēng)險(xiǎn)主要有倒塌過程上部筒體斷裂、倒塌角度偏移、觸地振動(dòng)及飛濺物、筒體的前沖或后坐、薄壁小填塞引起的沖擊波等。

本文針對(duì)山東華金電廠100 m高危廢煙囪的復(fù)雜環(huán)境及其自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，進(jìn)行了爆破拆除方案設(shè)計(jì)，介紹了爆破拆除效果，并分析了倒塌方向偏轉(zhuǎn)3°及產(chǎn)生少量飛濺物的原因，可為同類煙囪的爆破拆除工程提供有益借鑒和重要參照。

1 工程概況

1.1 煙囪結(jié)構(gòu)

待拆除煙囪為鋼筋混凝土建筑，建于20世紀(jì)90年代，高100 m，底部標(biāo)高0.0 m處外徑8.0 m，頂部外徑3.32 m，下部壁厚0.35 m，下部1.2 m至橫梁底部標(biāo)高2.50 m逐步加厚至0.80 m，下部0.00～2.50 m無內(nèi)襯及耐火磚、隔熱層，下部(2.5～10 m)隔熱層厚0.08 m，內(nèi)襯0.24 m。煙囪標(biāo)高3.38 m處設(shè)有鋼灰斗，鋼灰斗由“井”字形橫梁支撐，橫梁寬40 cm、高70 cm，煙囪標(biāo)高3.9 m處設(shè)有2個(gè)煙道口，煙道口寬2.0 m，高2.2 m，底部清灰口寬1.6 m、高1.8 m。煙囪筒體底部?jī)?nèi)部縱筋、環(huán)筋分布較密，挑頭處為20@100，內(nèi)環(huán)筋為12@100，外環(huán)筋為20@150。

1.2 周邊環(huán)境

待拆除煙囪周邊環(huán)境復(fù)雜(見圖1)。其西側(cè)距廠房18 m，正北60 m為煤倉(cāng)過道及發(fā)電機(jī)組、鍋爐房，東北側(cè)85 m處為保留廠房，正東側(cè)70 m處為冷卻塔，正南方向20 m處為保留廠房及架空管道，西南方向距離G327國(guó)道最近距離145 m。廠區(qū)內(nèi)煙囪附近地面均已硬化，部分區(qū)域地下有管線設(shè)施。

圖1 周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment

1.3 工程要求及難點(diǎn)

1.3.1 基本要求

爆破拆除不能破壞周圍建筑物主體結(jié)構(gòu)，飛濺物不可損傷周邊設(shè)備、設(shè)施，不能傷害周圍人員，不可破壞地下管線設(shè)施。

1.3.2 工程難點(diǎn)

1)煙囪為薄壁高配筋率錐形筒體，結(jié)構(gòu)具有較大的強(qiáng)度、較強(qiáng)的抗拉性能，不易鉆孔，炮孔填塞小，炸藥能量利用率低，易造成空氣沖擊波。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，僅煙囪東偏北側(cè)區(qū)域可供倒塌，倒塌范圍夾角僅33°，而兩側(cè)建筑物至少應(yīng)保留10 m以上的安全距離，實(shí)際可供倒塌的范圍夾角僅21°，因此需嚴(yán)格控制倒塌角度的精準(zhǔn)性，將偏差控制在設(shè)計(jì)中心線兩側(cè)5°以內(nèi)。

3)煙囪煙道口、出灰口、灰斗架等底部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的傾倒中心線兩側(cè)不對(duì)稱，在切口形成后應(yīng)力會(huì)重新分布，受力情況復(fù)雜，可能造成傾倒偏差。

2 爆破方案設(shè)計(jì)

2.1 倒塌方向選擇

設(shè)計(jì)倒塌中心線為東偏北22°，煙囪中心沿倒塌中心線距離東北側(cè)圍墻僅121 m，倒塌中心線距煙囪東側(cè)冷卻塔最近距離僅27 m(見圖2)。

圖2 倒塌區(qū)域衛(wèi)星圖Fig.2 Satellite view of collapse area

2.2 爆破切口設(shè)計(jì)

煙囪爆破切口的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，其位置決定了煙囪的傾倒方向，其尺寸形狀決定了起爆后煙囪是否能按照設(shè)計(jì)進(jìn)行倒塌。因此，切口的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循環(huán)境容許原則和結(jié)構(gòu)對(duì)稱原則。在預(yù)處理時(shí)應(yīng)盡可能使定向窗、卸荷槽(導(dǎo)向窗)沿倒塌中心軸線對(duì)稱，當(dāng)在倒塌中心線方向無法實(shí)現(xiàn)底部結(jié)構(gòu)對(duì)稱時(shí)，應(yīng)根據(jù)煙囪定向拆除工程特點(diǎn)，結(jié)合周圍環(huán)境實(shí)際情況，選擇能夠滿足倒塌要求的方向，或搭設(shè)腳手架抬高切口高度，避開底部結(jié)構(gòu)，也有工程使用相似材料配比封堵煙道口、檢修門洞，從而實(shí)現(xiàn)沿設(shè)計(jì)倒塌中心線對(duì)稱。

根據(jù)該煙囪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本工程選擇使用正梯形切口，為便于施工，切口位置設(shè)置于地面標(biāo)高以上(見圖3～圖4)0.4 m處，切口高度2.8 m，切口對(duì)應(yīng)的圓心角216°，底部弧長(zhǎng)15.07 m，上部弧長(zhǎng)11.87 m；同時(shí)充分考慮煙囪現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，利用底部現(xiàn)有檢修門洞(高1.80 m、寬1.60 m)作為一個(gè)導(dǎo)向窗(卸荷槽)，同時(shí)在倒塌中心線另一側(cè)對(duì)稱開鑿一個(gè)導(dǎo)向窗(卸荷槽)；兩側(cè)設(shè)直角三角形定向窗，直角邊尺寸1.6 m×0.92 m，定向窗外側(cè)同水平方向夾角約30°，定向窗距上部煙道口最小高差2.5 m。

圖3 爆破切口Fig.3 Blasting cut

圖4 切口展開Fig.4 Unfolded of blasting cut

2.3 灰斗架、內(nèi)襯耐火磚爆破設(shè)計(jì)

因煙囪底部標(biāo)高2.50～3.38 m處有灰斗架及其支撐“井”字橫梁，在預(yù)處理時(shí)使用乙炔焊將灰斗切割拆除，對(duì)“井”字形橫梁，進(jìn)行裝藥爆破弱化其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，鉆孔布置如圖5所示，①～④位置處各鉆3排炮孔，每排2個(gè)，孔深0.60 m。底部標(biāo)高2.5 m以下無內(nèi)襯及隔熱層，而切口標(biāo)高在0.4～3.2 m，因此耐火磚、隔熱層可不做處理。

圖5 “井”字梁鉆孔布置Fig.5 Drilling layout of “#” beam

2.4 預(yù)處理

預(yù)處理主要為煙囪爬梯、灰斗、定向窗及卸荷槽的處理。煙囪爬梯采用乙炔焊配合吊車切割吊運(yùn)，灰斗則使用乙炔焊切割后由人工搬運(yùn)；卸荷槽(見圖6)使用破碎錘開鑿，并將內(nèi)部鋼筋切割清理。

圖6 卸荷槽Fig.6 Unloading groove

定向窗(見圖7)的精準(zhǔn)與否直接關(guān)系煙囪傾倒方向的準(zhǔn)確性，因此定向窗的開鑿應(yīng)盡可能保證規(guī)整，采用水鉆取芯密孔切割方式開鑿，取芯直徑為90 mm。

圖7 定向窗Fig.7 Directional window

2.5 炮孔參數(shù)

炮孔同樣使用水鉆取芯式鉆機(jī)(可直接切斷鋼筋)，炮孔直徑40 mm，最小抵抗線取該位置煙囪壁厚的一半，炮孔深度取煙囪壁厚的2/3。因煙囪為薄壁結(jié)構(gòu)，鉆孔較為密集，孔網(wǎng)參數(shù)及單耗取值如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

2.6 爆破網(wǎng)路

采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路。鑒于國(guó)內(nèi)在小斷面巷道、小孔網(wǎng)參數(shù)延時(shí)爆破工程中常出現(xiàn)部分電子雷管拒爆現(xiàn)象，且電子雷管在國(guó)內(nèi)應(yīng)用于拆除爆破的工程案例很少，同時(shí)考慮到該工程使用炸藥量較小、炮孔均在地面以上，以及煙囪薄壁結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的泄能作用、爆破振動(dòng)造成危害的可能性小，因此采用相同延時(shí)起爆，即：炮孔內(nèi)電子雷管均設(shè)置為0 ms延時(shí)。

3 爆破安全校核與設(shè)計(jì)

3.1 爆破飛石防護(hù)設(shè)計(jì)

拆除爆破產(chǎn)生飛石的原因有兩個(gè)，一是爆破拋擲作用，二是煙囪觸地時(shí)的飛濺作用。因此，分別按照兩類飛石進(jìn)行防護(hù)。

1)爆破飛石防護(hù)。不同于巖體松動(dòng)爆破，煙囪爆破中應(yīng)徹底粉碎切口內(nèi)混凝土，因此炸藥單耗取值宜便高，而薄壁結(jié)構(gòu)泄能作用強(qiáng)，造成的爆破飛石初始動(dòng)能大，拋散距離遠(yuǎn)，尤其是當(dāng)缺口位置較高時(shí)應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)。本工程采用3層草墊、3層整塊的毛氈布在爆破切口外用鐵絲捆扎牢固(見圖8)。

圖8 爆破切口防護(hù)Fig.8 Blasting cut protection

2)觸地飛濺防護(hù)。由于本鋼混煙囪配筋率高，筒體具備一定的抗拉性能，而爆破只對(duì)其底部缺口進(jìn)行作業(yè)，頂部雖存在斷裂可能，但倒塌過程中煙囪整體不會(huì)發(fā)生解體，觸地瞬間為重量巨大的剛性整體沖擊地面，因此應(yīng)采取措施減緩觸地飛濺。

采取在煙囪40 m以上部分的著地區(qū)域鋪設(shè)多道防護(hù)土堤方式減緩觸地飛濺，最遠(yuǎn)處土堤(距煙囪軸心110 m)高4.0 m，以阻擋觸地瞬間筒體內(nèi)部氣浪夾雜碎石向前拋擲，其余每道土堤高3.5 m、寬4.5～5.0 m，盡可能清除土堤表層雜石，避免使用濕度過大的土，并用推土機(jī)壓平、夯實(shí)。為減少揚(yáng)塵、減緩?fù)恋虄?nèi)夾石在強(qiáng)沖擊下拋散，選擇單個(gè)尺寸較大的草墊、毛氈布在防護(hù)堤表面進(jìn)行覆蓋，草墊、毛氈布各鋪3層，層間橫豎十字疊壓，以提高覆蓋物的整體性，增強(qiáng)防護(hù)效果(見圖9)。

圖9 防護(hù)土堤Fig.9 The earth embankment protection

3.2 振動(dòng)校核

大量工程實(shí)踐監(jiān)測(cè)與理論分析表明：煙囪爆破過程的振動(dòng)波形主要分為3個(gè)階段，分別是由切口內(nèi)炸藥起爆、煙囪下坐切口閉合撞擊及筒體觸地沖擊，其中振動(dòng)較大的一般為煙囪的觸地沖擊振動(dòng)。

1)爆破振動(dòng)校核。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[9]推薦的薩道夫斯基公式進(jìn)行計(jì)算校核：

(1)

式中：v為振動(dòng)速度，cm/s；K，α為與地形、地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，分別取40、1.6；Q為最大單響藥量，取31.8 kg；R為齊爆藥量的幾何分布中心到鄰近被保護(hù)物的距離，取18.0 m。

經(jīng)計(jì)算，爆破振動(dòng)校核值v=2.48 cm/s。附近建筑均為工業(yè)構(gòu)筑物，校核振速符合《爆破安全規(guī)程》爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)值要求。

2)觸地振動(dòng)校核。高大建筑在倒塌觸地時(shí)，對(duì)地面的沖擊作用較大，產(chǎn)生的塌落振動(dòng)一般采用下式計(jì)算[10]：

(2)

式中：vp為塌落引起的地面振動(dòng)速度峰值，cm/s；m為下落結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量，本拆除煙囪為1 200 t；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為結(jié)構(gòu)物重心的高度，取35 m；R為觀測(cè)點(diǎn)至沖擊地面中心的距離，取28 m；σ為地面介質(zhì)破壞強(qiáng)度，取10 MPa；K′、β為與地質(zhì)地形有關(guān)的系數(shù)，分別取3.37、-1.6。

計(jì)算得vp=4.25 cm/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究，合理設(shè)置墊層等緩沖措施可將煙囪觸地瞬間的塌落振動(dòng)峰值降低70%，本工程設(shè)置多道堤壩緩沖煙囪觸地瞬間的沖擊力，緩沖作用對(duì)觸地振動(dòng)的折減系數(shù)k取50%，可得塌落引起的振動(dòng)在最近處的待保護(hù)建筑校核值為2.13 cm/s，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 爆破效果與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1)起爆后，實(shí)際著地中心線向東側(cè)偏轉(zhuǎn)約3°，未損毀周邊建構(gòu)筑物、設(shè)施設(shè)備，僅距設(shè)計(jì)倒塌中心線27 m處廠房有數(shù)塊玻璃破碎。

2)實(shí)際著地中心線產(chǎn)生小角度偏差的原因推測(cè)為：切口位于煙囪下部，底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不對(duì)稱，煙囪南側(cè)煙道口位于該側(cè)定向窗上部，最小高度差2.5 m，煙囪在下坐過程中切口閉合后，由于上部煙道口的存在，該側(cè)相比另一側(cè)的支撐強(qiáng)度較弱，從而導(dǎo)致發(fā)生微小偏轉(zhuǎn)。由拍攝的視頻可以看出(見圖10)，爆破初期傾倒方向精準(zhǔn)，而后的切口閉合時(shí)向有煙道口的一側(cè)微小偏轉(zhuǎn)。

圖10 煙囪觸地瞬間Fig.10 The moment of chimney touching the ground

3)盡管對(duì)緩沖土堤的用土進(jìn)行了晾曬，對(duì)土堤表面進(jìn)行夯實(shí)并加以多層覆蓋，但在巨大的沖擊作用下仍有飛散物砸壞了近處建筑物的部分玻璃，飛散物主要為未晾曬干的較稀泥巴(見圖11)。這點(diǎn)啟示我們，在拆除爆破中，當(dāng)有剛性的大體積結(jié)構(gòu)沖擊地面時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注塌落區(qū)域的較稀泥土及飽和泥漿夾石。

圖11 泥巴飛散物Fig.11 The flying mud

5 結(jié)語

鑒于山東華金電廠100 m高危廢煙囪的周邊環(huán)境和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)了爆破倒塌方向和切口、炸高、預(yù)處理、安全防控、炮孔參數(shù)、起爆網(wǎng)路等技術(shù)方案，達(dá)到了爆破拆除的預(yù)期目的。盡管著地中心線偏轉(zhuǎn)了約3°，而且著地后濺起的少量稀泥巴砸壞了近處建筑物的部分玻璃，但本次爆破拆除總體上是成功的，為業(yè)界提供了又一個(gè)復(fù)雜環(huán)境下局部結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的高煙囪爆破拆除的成功案例。