非对称定向窗爆破拆除烟囱的施工技术

孙俊鹏，缪玉松，周衍明，陈 新

(大连经济技术开发区金源爆破工程有限公司, 辽宁 大连市 116600)

0 引 言

随着国家“上大压小，节能减排”政策的号召与落实，一批污染大、能耗高的暖气供热中心相继关停转产[1]。需将其配套的烟囱及厂房设备进行拆除重建，一般厂房设备大多采用机械拆除的方式进行拆除。烟囱由于高度较高，周围环境复杂，受拆除机械臂长的影响，大多采用控制爆破定向倒塌的方式进行拆除。“定向倒塌”的设计原理主要是在倒塌方向的中心线方向上，开设对称的大于周长1/2的爆破切口，使烟囱在其重力的作用下，发生失稳和破坏，迫使其按预定方向、范围倒塌。然而，对于结构对称、支撑点不对称的高耸烟囱进行拆除爆破时，难以通过预拆除的手段消除烟道口处的应力集中。此时，可通过非对称定向窗减弱烟道口的影响。结合85 m高钢筋混凝土烟囱拆除爆破，采用非对称定向窗成功消除了烟道口处应力集中的影响，具有一定的指导意义。

1 工程概况

大连金源供热中心的改造需将供暖烟囱拆除。烟囱高85 m，钢筋混凝土结构，底部外直径5.0 m，壁厚56 cm，烟囱内衬耐火砖厚度24 cm，筒壁与耐火砖之间填充耐火材料厚度5 cm。采用双排配筋，其中横向箍筋为170根Φ25 Mn，间距50 cm；纵向立筋156根Φ20 Mn，间距10 cm。在底部南侧有一高1.8 m、宽1 m的烟道口，整体重量约970 t。

待拆烟囱周围环境复杂，北侧50 m处是厂房，南侧4 m处是锅炉房，西侧5 m处是废弃厂房，30 m处为金源西街，烟囱东北方向100 m处有一收购站。周围环境见图1。

图1 周围环境示意

2 爆破方案

烟囱拆除常用的方案有定向倒塌、折叠倒塌、原地倒塌[2]。因折叠倒塌和原地倒塌工程施工复杂、工作量大、劳动强度高，一般在烟囱高度不超100 m、有足够倒塌空间的情况下不采用这两种方案，该烟囱选用定向倒塌方案。并考虑烟囱倒塌后可能会产生0.1～0.2倍高度的前冲，1～3倍外径的侧向抛散，经现场测量勘查，在烟囱东偏北50°有100 m长的空地，可作为倒塌方向。

2.1 爆破切口长度

爆破切口的长度直接决定着爆破切口的角度[3]。切口过小，会使支撑体保留面积太大，烟囱产生后座不能顺利倒塌；切口过大，会使支撑受力点减少，切口产生后，倾倒方向难易控制。因此，切口长度对控制烟囱倒塌方向有着直接的影响。根据工程经验，切口长度一般为周长的1/2～3/4，同时考虑烟道口的影响，本次爆破缺口圆心角取220°。

爆破切口高度是保证烟囱能否按预定方向倒塌的重要参数之一。工程实际中，常以3～5倍的壁厚为基准进行计算，同时也要考虑烟囱自身的性质[4]。由于烟道口高度为1.8 m，考虑烟道口四周可能产生应力集中，故取小值，切口高度取1.5 m。

2.2 定向窗

在烟囱拆除爆破中，爆破定向窗的设计对倾倒方向的控制具有至关重要的作用[5],烟囱定向窗1处有一烟道口，烟道口为砖砌-砂浆浇灌而成，烟道口的存在，改变了烟囱周围应力的均匀分布，使得烟囱在烟道口处的抗压、抗拉强度得到一定程度的增强，如果按照常规布置对称定向窗，则在烟道口处会产生应力集中，致使定向窗两侧受力不均，由两侧同时受压转化为一侧受压、一侧受拉，形成强大的扭转力矩，使倒塌中心轴由原来的AB偏向至ab(如图2)，极有可能发生意外。支撑体横截面形状决定其抵抗强度[6]，近似的用下式进行计算：

(1)

式中：KR—支撑体截面抗压强度，MPa；

S—支撑体截面面积，；

h—支撑体高度，m；

a—混凝土抗压强度，Pa；

b—钢筋抗压强度，Pa；

u—支撑体截面周长，m。

计算得出支撑体1所承受的抗压强度为14.4 MPa；支撑体2所承受的抗压强度为9.75 MPa。对支撑体进行简化计算，支撑体1以支柱的形式承受支撑体2面积上所承受的压力。为保证预处理作业后保留有足够的支撑面积，并尽可能降低烟囱自重在烟道口处导致受力集中而影响倒塌方向，确保烟囱按设计方向倒塌。尝试使用大角度定向窗，设计定向窗1处定向角度为30°，通过等效受力计算确定定向窗2角度为35°。

2.3 爆破参数设计

爆破参数的选择决定了爆破效果和质量，合理爆破参数的选择，不仅要考虑爆破体自身的影响，还要综合爆破参数间的影响及施工的方便，综合考虑各方面因素的影响，设计爆破参数如图3所示。

3 安全校核及防护

3.1 安全校核

(1) 支撑强度校核。构筑物断裂的条件是支撑面所受的压应力超过支撑材料所能承受的最大抗压强度。定向窗和导向窗切除后，切口所留的支撑面积S=3.5，烟囱在支撑面上的压应力可近似用下式计算：

σr=p/s

(2)

式中：p—烟囱的重力，N。

计算得支撑面上的压应力为2.86 MPa，小于支撑面上的抗压强度9.75 MPa,可满足烟囱的支撑条件。

图2 切口截面布置

图3 爆破设计示意

(2) 扭曲强度校核。扭曲强度主要是指静风风压作用于烟囱面上，对支撑面所产生的剪应力，烟囱的表面积可由下式求得：

(3)

结合(2)式求得作用于支撑面上的拉应力为0.097 MPa，小于混凝土的抗拉强度1.2 MPa。满足在6级风力作用下的扭曲强度。

(3) 触地振动校核。烟囱爆破拆除倒塌振动速度常用下式计算[7]：

V=K[(MgH/σ)1/3/R]β

(4)

式中：V—烟囱倒塌触地所引起的地面振动速度，cm/s；

M—烟囱倒塌部分的质量，t；

g—重力加速度，9.8 m/s2；

H—烟囱的质心高度，m；

σ—倒塌地面介质的破坏强度，取10 MPa；

R—倒塌中心距离振动点的距离，m；

K、β—烟囱倒塌振动的衰减系数和指数，K=3.37～4.09，取3.5,β=1.66～1.8，取1.7。

按R=45 m进行计算，求得烟囱触地振动为1.05 cm/s。满足房屋对振动的要求。

3.2 安全防护

本次爆破中主要考虑爆破飞散物、冲击波、振动所产生的危害，同时还应对烟囱倒地后产生的飞石和碎块采取必要的防护措施[8]。

(1) 对被爆体内所有炮眼进行覆盖，先用草栅覆盖3层，用铁丝夯实后，在外层加盖一层钢丝网，最外层再用草栅覆盖，以阻挡飞散物和爆破飞石的危害。

(2) 将邻近建筑物附近的门窗打开，以减少爆破冲击波的影响。

(3) 为减低触地振动和减小碎石的飞溅速度，在烟囱倒塌方向设置缓冲带。烟囱垂直倒塌在缓冲带上，没有引起碎石的飞溅。

(4) 由于待拆除烟囱地处居民区，须对周围居民提前清场，爆破前，请有关部门协助警戒。

(5) 爆破前在缓冲带上洒水降尘，减小烟尘和空气微粒的危害。

4 爆破效果与分析

(1) 起爆前，对风向和风速进行测试，风向和风速均在计算的允许范围内，保证了烟囱在倾倒过程中两侧受力的均衡性。

(2) 起爆后约11 s，烟囱按照设计的预定方向倒塌，落入缓冲带。烟囱高度25 m以上摔成扁平状，钢筋和混凝土分离，以下部位保持圆筒状。

(3) 由于爆破前在缓冲带上进行了洒水降尘处理，爆破后没有飞散物，产生烟尘较小。

(4) 对爆破振动进行了监测，所测得的最大振速值为0.67 cm/s，小于理论计算值，说明缓冲带起到了较好的降振作用。

参考文献：

[1]夏卫国，曾 政.海口华能电厂150 m高钢筋混凝土烟囱控制爆破拆除[J].爆破,2011,28(1):71￣73.

[2]金骥良,顾毅成,史雅语.拆除爆破设计与施工[M].北京：中国铁道出版社,2004.

[3]王 晨,高文乐,方昌华,等.100 m高钢筋混凝土烟囱的双向折叠爆破拆除[J].工程爆破,2010,16(3): 68￣71.

[4]夏卫国,史长猛,武双章,等.谏壁电厂三座100 m高钢筋混凝土烟囱爆破拆除[J].爆破器材, 2011,40(2):36￣38.

[5]冯叔俞,吕 毅.城市控制爆破[M].北京：中国铁道出版社.1987.

[6]史家堉,程贵海,郑长青.建筑物爆破拆除理论与实践[M].中国建筑工业出版社.2010.

[7]周家汉.爆破拆除塌落振动速度计算公式的讨论[J].工程爆破,2009,15(1):1￣4.

[8]路 亮,龙 源,谢全民,等.高层楼房爆破塌落振动对周围目标影响的测试与分析[J].爆破器材, 2010,39(2):1￣3.