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        大孔徑爆破拆除復(fù)雜結(jié)構(gòu)石灰窯應(yīng)用實(shí)踐

        2022-12-17 02:45:28司士營(yíng)
        爆破 2022年4期
        關(guān)鍵詞:窯體石灰窯飛石

        司士營(yíng)

        (浙江安盛爆破工程有限公司,紹興 312000)

        為響應(yīng)國(guó)家“去除過剩產(chǎn)能,保護(hù)生態(tài)環(huán)境”的號(hào)召,蚌埠市高新區(qū)天河科技園近年來相繼對(duì)轄區(qū)內(nèi)的多座高污染石灰窯、磚窯和碎石場(chǎng)實(shí)施關(guān)停、爆破拆除。其中,增和新型石灰窯廠的兩個(gè)窯體中間有角鋼樓梯連接,窯體和基礎(chǔ)內(nèi)外構(gòu)造復(fù)雜。在建(構(gòu))筑物的爆破拆除工程中,常規(guī)均按照“多打孔,少裝藥”的經(jīng)典理念而采用小孔徑淺孔爆破[1],在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了少量孔徑小于φ35的小孔徑爆破拆除技術(shù)研究,甚至在國(guó)外出現(xiàn)了φ22、φ28、φ32孔徑的鉆機(jī)用于拆除爆破[2]。大孔徑在拆除爆破工程中的應(yīng)用,以往在城市高架橋爆破拆除[3]、鐵路線側(cè)巖墻爆破拆除[4]、大型混凝土基礎(chǔ)爆破拆除[5,6]、水下圍堰爆破拆除[7]、橋梁或橋墩爆破拆除[8,9]、高層樓房的爆破拆除中出現(xiàn)過[10],在類似于石灰窯等高聳類構(gòu)筑物的爆破拆除工程中鮮有嘗試。此處根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔難、工期緊的工程實(shí)際情況,采用大孔徑鉆孔成功對(duì)兩連體石灰窯實(shí)施爆破拆除,為蚌埠市大漢文化產(chǎn)業(yè)園的規(guī)劃建設(shè)掃除了障礙。

        1 工程概況

        1.1 石灰窯結(jié)構(gòu)

        1.1.1 總體結(jié)構(gòu)

        石灰窯由石灰窯窯體、基礎(chǔ)和附屬鋼結(jié)構(gòu)組成,總高度36.5 m,兩窯體頂部之間有鋼框架連接,中間有用于人員上下的角鋼樓梯連接,每個(gè)窯體基礎(chǔ)北側(cè)都有寬3 m、深10 m、高3 m的進(jìn)料通道深入筒體下部的基座內(nèi),兩窯體基礎(chǔ)邊緣最近距離3.2 m(圖1)。

        圖 1 石灰窯整體實(shí)拍圖Fig. 1 Picture of the lime kiln

        1.1.2 石灰窯窯體結(jié)構(gòu)

        窯體外表面為12 mm厚鋼板圍成的金屬外壁,高32 m,直徑11.5 m,內(nèi)壁為耐火磚,金屬外壁和耐火磚內(nèi)壁之間填充的材料為黃土。整個(gè)石灰窯窯體空腔底部直徑3 m,中部直徑為7 m、上部直徑為3 m,空腔形狀類似于一個(gè)樹立的橄欖球,底部出口連接出料通道內(nèi)的鐵爐,底部壁厚4.25 m。

        1.1.3 石灰窯基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

        基礎(chǔ)為鋼筋混凝土和砂漿砌石復(fù)合結(jié)構(gòu),高4.5 m、東西長(zhǎng)12.2 m、南北寬12 m??拷R空表面為鋼筋混凝土基礎(chǔ),配筋為φ25鋼筋,基礎(chǔ)內(nèi)部為孔隙率較大的砂漿砌石結(jié)構(gòu)(圖2)。

        圖 2 石灰窯基礎(chǔ)橫斷面結(jié)構(gòu)圖(單位:cm)Fig. 2 Cross section of the limestone kiln foundation structure(unit:cm)

        1.2 周邊環(huán)境

        爆破環(huán)境良好。東側(cè)30 m為簡(jiǎn)易房、北側(cè)30 m為簡(jiǎn)易房(待拆除),四周為開闊地帶,500 m范圍內(nèi)沒有需要保護(hù)的目標(biāo),石灰窯四周無地下管線需要保護(hù)。爆破環(huán)境見圖3。

        圖 3 石灰窯周邊環(huán)境示意圖(單位:m)Fig. 3 Schematic diagram of surrounding environment of the limestone kiln(unit:m)

        2 施工難點(diǎn)

        (1)由于工期緊,窯體較高,風(fēng)險(xiǎn)大,無法預(yù)先人工拆除角鋼樓梯和頂部框架鋼結(jié)構(gòu),從而使兩連體石灰窯變成兩個(gè)孤立的石灰窯窯體分別拆除[11]。

        (2)無法采用特種爆破方式對(duì)金屬外殼實(shí)施聚能切割爆破(根據(jù)聯(lián)系結(jié)果,需要10 d才能到貨,工期不允許);且金屬鋼板抗拉強(qiáng)度大,即使對(duì)筒體爆炸出缺口,也難以保證窯體順利倒塌。

        (3)窯體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,鉆孔易卡鉆,裝藥易卡藥,施工困難,效率低,效果無法保證。

        (4)石灰窯基礎(chǔ)方量達(dá)650余m3,高度僅4.5 m,爆破拋渣極困難,使石灰窯的倒塌存在不確定性。

        (5)石灰窯圖紙缺失,無法判斷石灰窯各部位的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)和尺寸。

        3 爆破施工方案

        綜合爆破體的復(fù)雜狀況,確定采用機(jī)械預(yù)拆除和爆破拆除相結(jié)合的方案,對(duì)石灰窯一對(duì)兩連體窯筒同時(shí)實(shí)施爆破,一次性拆除。

        3.1 倒塌方向的選擇

        如果兩個(gè)窯體是孤立的對(duì)象,則可以利用出料口的挑空,向垂直于出料口方向倒塌,但如今兩個(gè)窯體是有鋼結(jié)構(gòu)相互牽制的兩連體,因此倒塌方向只能選擇垂直于兩個(gè)窯體排列的南北向。鑒于石灰窯北側(cè)場(chǎng)地開闊,無被保護(hù)對(duì)象,且兩窯體出料口相對(duì)設(shè)置,分別朝向東北和西北。因此,定向倒塌方向確定為北向。

        3.2 鉆孔機(jī)具的選擇

        目前,在拆除爆破工程施工中,炮孔直徑大多采用38~44 mm,我們稱之為小孔徑[12],鉆孔機(jī)械為手持式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī),主要基于其鉆孔設(shè)備簡(jiǎn)單,可以降低單段起爆藥量,從而降低爆破振動(dòng),炸藥能在起爆體內(nèi)更加均勻分布,增加破碎效果等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該方法也有諸多弊端:鉆孔數(shù)量多,人工勞動(dòng)大,施工效率低,起爆器材用量大,網(wǎng)路復(fù)雜不易檢查等[13]。一般認(rèn)為孔徑大于70 mm即稱為大孔徑,大孔徑爆破由于藥量太過集中,爆破飛石和振動(dòng)不易控制,在拆除爆破應(yīng)用較少。但大孔徑爆破也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):鉆孔數(shù)量少,液壓鉆機(jī)施工效率高,裝藥速度快,雷管用量小,節(jié)約成本,藥包類似于集團(tuán)裝藥可最大限度置于結(jié)構(gòu)中央[3]。考慮到該石灰窯爆破部位基礎(chǔ)僅靠近臨空面為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),內(nèi)部砌石孔隙率大,采用手風(fēng)鉆易卡鉆,極易耽誤工期。而大孔徑潛孔鉆遇到結(jié)構(gòu)不完整的部位可以采用膠泥護(hù)壁等措施鉆進(jìn)。因此本工程選用φ90潛孔鉆機(jī)鉆孔,保證了鉆孔質(zhì)量取得了良好爆破的效果。

        3.3 施工總體部署

        第一步將基礎(chǔ)北部(設(shè)計(jì)倒塌方向)3 m寬度采用液壓破碎錘先行破碎拆除(靠基礎(chǔ)頂部的斜角破碎頭很難夠到,可以保留,既可以減少工作量,又可以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定),以利于爆渣拋出,確保石灰窯順利倒塌;第二步將位于石灰窯正下方的中間5 m寬度基礎(chǔ)采用爆破方式拆除,剩余的南部3 m寬度基礎(chǔ)作為預(yù)留支撐,使石灰窯失穩(wěn)倒塌(圖4)。

        圖 4 石灰窯拆除部位橫斷面及實(shí)拍圖(單位:cm)Fig. 4 Cross section and actual photo of the demolition part of the limestone kiln(unit:cm)

        4 爆破技術(shù)設(shè)計(jì)

        4.1 爆破切口設(shè)計(jì)

        4.1.1 爆破切口位置

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件、結(jié)合石灰窯結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為便于施工,確保爆破順利實(shí)施,爆破切口位置選擇在復(fù)合基礎(chǔ)(見圖4)。

        4.1.2 爆破切口形式

        為了能夠滿足窯體的倒塌要求,防止前沖,保證定向準(zhǔn)確,以及施工的方便和減少藥孔數(shù)量,采用正梯形復(fù)合切口[14]。

        4.1.3 切口長(zhǎng)度

        切口長(zhǎng)度的大小決定切口形成后窯體能否實(shí)現(xiàn)偏心失穩(wěn),如果切口過大可能導(dǎo)致余留部分沒有足夠的支撐力而使窯體倒塌方向失去控制,甚至出現(xiàn)后座和反向倒塌,反之可能出現(xiàn)傾而不倒的情況。煙囪水塔等筒形高聳構(gòu)筑物爆破范圍一般為筒壁周長(zhǎng)的1/2~2/3,相對(duì)應(yīng)的圓心角一般為180°~240°[12]。以此為參考,該窯體復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)切口自北向南深度為8 m,石灰窯窯體為直徑11.5 m的圓形,周長(zhǎng)36 m,保留部分對(duì)應(yīng)窯筒的圓心角為139°,切口對(duì)應(yīng)窯體弧形長(zhǎng)度為22.1 m,對(duì)應(yīng)的窯筒的圓心角為221°,屬于180°~240°的范圍,符合石灰窯的倒塌需求。因該石灰窯基礎(chǔ)較窯體略大,且有鋼筋混凝土澆筑,因此根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),該切口圓心角取值足以保證保留部分支撐窯體,不會(huì)發(fā)生后座現(xiàn)象(見圖5)。

        圖 5 石灰窯基礎(chǔ)切口對(duì)應(yīng)窯體弧度圖(單位:cm)Fig. 5 Radian diagram of the limestone kiln foundation cut corresponding to kiln body(unit:cm)

        4.1.4 切口高度

        切口高度設(shè)計(jì)應(yīng)確保爆破拆除時(shí)炸藥爆炸瞬間爆渣要能拋出爆破體,且切口形成后在切口上下沿閉合時(shí)窯體重心已偏離出窯體承重面,以防止傾而不倒或者因切口閉合碰撞導(dǎo)致窯體傾倒方向發(fā)生偏離。切口高度Hp根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)按下列公式確定

        Hp≥(1/6~1/4)D

        (1)

        式中:Hp為切口高度,m;D為切口位置窯體外徑,m。

        按上式計(jì)算,切口高度Hp=1.92~2.88 m,為保證倒塌的可靠性和機(jī)械施工的便利性,實(shí)際切口高度取石灰窯基礎(chǔ)的高度,即Hp=4.5 m,更能夠保證窯體重心移出窯體之外,形成足夠大的傾覆力矩,有利于傾倒。

        4.2 機(jī)械預(yù)拆除

        鉆孔作業(yè)前先行將圖4所示機(jī)械拆除部分用液壓破碎錘破碎拆除,并用挖掘機(jī)將碎渣清理干凈,為爆渣提供拋擲空間,進(jìn)一步探明石灰窯基礎(chǔ)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

        4.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

        (1)炮孔直徑φ:90 mm

        (2)最小抵抗線W:取1.2 m

        (3)炮孔間距a:a=(1.0~1.2)W,取1.2 m

        (4)炮孔排距b:b=(0.85~0.9)a,取1 m

        (5)孔位孔向:鉆孔方向主要選擇在石灰窯倒塌方向側(cè)面,即東西向穿孔,水平孔(圖6)。考慮到石灰窯基礎(chǔ)屬于不均質(zhì)基礎(chǔ),內(nèi)部孔隙率大,還有孤立的小碎石分布其間,鉆鑿出的孔壁不光滑,裝藥難度大,易卡藥,為保證能足量裝進(jìn)設(shè)計(jì)的藥量,實(shí)際施工中在側(cè)面按設(shè)計(jì)鉆孔的同時(shí),也在倒塌正面(即北側(cè))鉆鑿部分輔助炮孔,輔助炮孔孔深根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定,1~4 m不等,藥量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,依據(jù)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)確定,控制在1~5 kg。

        圖 6 石灰窯炮孔位置示意圖Fig. 6 Schematic diagram of blast hole position

        考慮到出料口為石灰窯內(nèi)部提供了臨空面,且兩窯體之間空間狹窄(僅3.2 m),不利于潛孔鉆機(jī)作業(yè)和移機(jī)。因此,鉆孔方向依據(jù)出料口方向設(shè)置,東面水平孔垂直于作業(yè)面;西面水平孔斜交于作業(yè)面,炮孔傾斜度以平行于出料口走向?yàn)闇?zhǔn)(圖7)。

        圖 7 石灰窯炮孔位置截面圖(單位:cm)Fig. 7 Cross section of blast hole position(unit:cm)

        (6)炮孔深度L:孔深取鉆孔處基礎(chǔ)厚度減去1/3W。經(jīng)計(jì)算

        東面:第一排L=5.6 m(最北側(cè))

        第二排L=4.6 m

        第三排L=3.6 m

        第四排L=2.6 m

        西面:第一排L=6.3 m

        第二排L=4.3 m

        第三排L=2.3 m

        (7)填塞長(zhǎng)度及材料 填塞長(zhǎng)度LT:取LT=0.5 m,填塞材料采用可手握成型的膠泥堵塞,并搗填密實(shí)。

        (8)單孔藥量Q1:Q1=qabL1

        式中,Q1為單個(gè)孔裝藥量,kg;q為單位體積耗藥量,g/m3,考慮到該石灰窯的實(shí)際情況,結(jié)構(gòu)不均質(zhì),形狀不規(guī)則,且基礎(chǔ)內(nèi)砂漿砌石有較多孔隙,會(huì)產(chǎn)生爆炸泄能的不利影響。外部是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的支撐功能。要保證爆渣能完全拋出,確保切口完全形成,要適當(dāng)加大藥量,并加強(qiáng)防護(hù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)單耗取q=2.0 kg/m3;a、b為藥孔的孔距及排距,m;L1為每個(gè)炮孔處的基礎(chǔ)壁厚,各排不一。

        具體藥量計(jì)算如下:

        東面:第一排Q1=14.4 kg

        第二排Q1=12.0 kg

        在房屋建筑施工的過程中,如果地基打的不牢靠,會(huì)對(duì)施工人員和未來的用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。所以在施工的過程中就應(yīng)該更加重視地基處理技術(shù),從根本上保護(hù)地基的穩(wěn)定性,只有這樣才能切實(shí)保證施工人員以及使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全。

        第三排Q1=9.6 kg

        第四排Q1=7.2 kg

        第五排Q1=9.4 kg

        西面:第一排Q1=15.1 kg

        第二排Q1=10.3 kg

        第三排Q1=5.5 kg

        (9)炮孔個(gè)數(shù):東面上下每排三孔,共五排,第五排兩孔,共14孔;西面上下每排三孔,共三排,共9孔。兩個(gè)石灰窯體共(14+9)×2=46孔。

        (10)炸藥選用:選用32 mm乳化炸藥,每三支并排用膠布纏繞成束,用竹片捆綁成直列裝藥,線裝藥密度約為2.8~3.0 kg/m。

        (11)炸藥量:經(jīng)計(jì)算每個(gè)石灰窯基礎(chǔ)設(shè)計(jì)用藥241.1 kg,兩窯體共計(jì)需482.2 kg。經(jīng)完工之后統(tǒng)計(jì),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝藥量為576 kg,多裝的炸藥集中在石灰窯北側(cè)正面及鋼筋密集部位的輔助炮孔。

        (12)雷管個(gè)數(shù):300發(fā)。

        4.4 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

        采用非電塑料導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)起爆,做到安全、可靠、準(zhǔn)爆。網(wǎng)路形式采用多閉合回路的導(dǎo)爆管網(wǎng)路以增加網(wǎng)路的起爆可靠性。

        每孔設(shè)置2發(fā)雷管,主爆孔孔內(nèi)雷管采用MS-10段毫秒延期雷管,孔外采用MS-5段接力雷管,依次由北向南逐排起爆(見圖8)。北側(cè)正面輔助炮孔采用每孔雙發(fā)MS-1、MS-3段雷管,最早引爆。

        圖 8 石灰窯起爆網(wǎng)路示意圖Fig. 8 Schematic diagram of detonation network

        4.5 爆破安全設(shè)計(jì)

        高聳類構(gòu)筑物拆除爆破時(shí)需特別控制的爆破危害效應(yīng)主要包括爆破振動(dòng)、塌落振動(dòng)和爆破飛石[15]。由于本次爆破環(huán)境較好,大孔徑爆破,單耗較高,有害效應(yīng)主要應(yīng)考慮爆破飛石。

        (1)爆破振動(dòng)校核

        根據(jù)薩道夫斯基公式計(jì)算爆破振動(dòng)速度

        (2)

        式中:V為質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度,cm/s;Q為一次齊爆的最大藥量,kg;R為最大一段齊爆藥量的幾何分布中心到鄰近被保護(hù)物的距離,m;K、α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。此工程取K=160,α=1.6。

        根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014),一般民用建筑物的安全振動(dòng)速度為2~2.5 cm/s。

        按照200 m距離計(jì)算,在此距離上其振動(dòng)速度為0.91 cm/s。因此,爆破地震波危害可不予考慮。

        (2)爆破飛石

        大孔徑、高單耗拆除爆破極易產(chǎn)生飛石,控制飛石防護(hù)措施為安全設(shè)計(jì)的第一要?jiǎng)?wù)。為將爆破飛石飛散距離控制在一定距離內(nèi),應(yīng)對(duì)爆破部位進(jìn)行重點(diǎn)覆蓋防護(hù)。覆蓋物采用雙層竹笆片,鐵絲環(huán)繞捆扎牢固,倒塌方向正面增加懸掛專用炮被,可有效控制爆破飛石的飛散距離,個(gè)別飛石不超過100 m。

        5 爆破效果分析

        本工程自5月3日中午簽訂合同并開始實(shí)施,于5月5日下午成功實(shí)施拆除并完工,前后僅用了2.5 d的時(shí)間,效率顯著。起爆后兩連體石灰窯按預(yù)定方向同時(shí)順利倒塌(圖9),塌落后充分解體,爆堆集中。未產(chǎn)生前沖和后座現(xiàn)象,200 m處的起爆點(diǎn)無明顯震感,爆破飛散物最遠(yuǎn)未超過100 m,達(dá)到了預(yù)期的爆破效果。

        圖 9 石灰窯倒塌過程圖Fig. 9 Collapse process diagram of the lime kiln

        6 結(jié)語

        大孔徑爆破拆除在工期要求緊、小直徑炮孔不易鉆鑿或者不具備手風(fēng)鉆設(shè)備條件時(shí),是一種極佳的備選方案,待拆除高聳類構(gòu)筑物有大體積混凝土(砌石)基礎(chǔ)時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。但由于單孔藥包相對(duì)比較集中,須嚴(yán)密堵塞、加強(qiáng)防護(hù),防止爆破飛石。

        對(duì)于煙囪水塔等空心薄壁類高聳構(gòu)筑物,由于堵塞長(zhǎng)度短,采用大孔徑爆破拆除易產(chǎn)生爆破飛石。在環(huán)境較好時(shí),仍需要雙層防護(hù)或在附近再搭設(shè)防護(hù)排架攔截防護(hù),并加大警戒距離;在鬧市區(qū)或環(huán)境復(fù)雜時(shí)不建議采用。

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