120m超高塔架式钢结构烟囱定向爆破拆除

孙 飞， 龙 源， 纪 冲， 谭 灵， 高福银， 余家杨

(解放军理工大学 野战工程学院， 南京 210007)



120m超高塔架式钢结构烟囱定向爆破拆除

孙 飞， 龙 源， 纪 冲， 谭 灵， 高福银， 余家杨

(解放军理工大学 野战工程学院， 南京 210007)

摘要：介绍了一座120m高钢结构烟囱的定向爆破拆除工程。通过对烟囱自身结构特点及周围环境的分析，合理的选择爆破切口、爆破参数、延时起爆网路及安全防护等技术措施。为了确保起爆后烟囱沿设计方向顺利倒塌，预先对爆破部位钢板进行机械切割预处理，并针对各爆破部位钢板形状设计出相配合尺寸的聚能切割器。爆破拆除的钢结构烟囱倒塌在设计范围内，四周建(构)筑物和设施完好无损。该烟囱的爆破拆除在安全和质量上都达到了预期效果，可为类似爆破工程提供经验。

关键词：钢结构烟囱； 聚能切割器； 预处理； 爆破拆除； 定向爆破

1引 言

从轧制钢材作为建筑材料以来，钢结构即成为一种应用极为广泛的结构，特别是在钢铁工业建设中更为突出。与混凝土结构相比，其具有强度高、抗震性能好、自重轻、施工速度快、地基费用省、占用面积小、工业化程度高等一系列优点，在现代建筑中得到广泛应用〔1〕。我国在上世纪20年代便开始应用钢结构，目前，许多大型的重工业厂区和基础经济建设诸如烟囱、厂房、大型体育场、电视塔等，均采用钢结构建设而成。对于使用寿命到期或因区域规划需拆除的大型或高耸钢结构构筑物，爆破法已成为最有效、最快捷的拆除方法〔2〕。

待爆钢结构烟囱(高120m)位于上海市宝钢股份有限公司三号烧结厂区内。由于近年来，三烧结机日益老化，并难以适应环境经营要求，需将其拆除。因工期紧，安全要求严，机械拆除难度大，决定采用爆破拆除，这是迄今国内采用定向控制爆破技术拆除最高的一座钢结构烟囱。

2工程概况

2.1周围环境

烟囱东北侧距离工业管道80m，距离建(构)筑物(空压机房、锅炉房)82m；西北侧距离架空煤气管道19m，距离厂区建(构)筑物59m；西南侧为拆除空地；东南侧距离电缆隧道124m。周边环境如图1所示。重点保护对象为距离爆破目标最近的架空煤气管道。

图1　周边环境示意图Fig.1　Scheme of surroundings

2.2烟囱结构

烟囱由筒身和塔架组成，重心高度约54m。筒身钢材料为Q235B，共由19节钢管通过加强螺栓连接而成，总高度为120m，总重约700t。烟囱筒身外半径、厚度等尺寸见表1。

表1　钢结构烟囱筒身尺寸

塔架钢材料为Q345B，高度为108m，其主构件为4根外半径400mm、厚度为16mm的钢管立柱，钢管立柱之间由钢连杆加强固定连接。钢结构烟囱的立体图、平面图如图2所示。

图2　钢结构烟囱结构示意图Fig.2　Sketch of steel chimney

3爆破方案与参数设计

3.1烟囱倒塌方式及切口位置确定

根据烟囱的周边环境情况，结合其自身的结构特征及各部位尺寸，决定选择定向控制爆破拆除方案，倒塌方向为南偏东43o(图2箭头方向)。烟囱筒身的切口位置布置在距地面4m处。

3.2爆破切口设计

根据烟囱自身结构的情况，并参照传统钢筋混凝土烟囱爆破拆除的工程实例，决定采用正梯形的爆破切口形式。切口对应的圆心角选取240o, 切口破坏高度为2m。经计算，理论切口圆心角所对应的弧长为14.65m，保留区的弧长为7.34m。切口处考虑到施工方便，调整后的参数如图3所示。

图3　爆破切口展开Fig.3　Unfolded map of blasting cut

3.3炸药的选择

考虑到钢结构的强度大、韧性好等特点，结合国内外几例钢结构的爆破拆除工程可知，线型聚能切割器是针对钢结构爆破拆除首选的基本器材〔1〕。

聚能切割器基本原理：当炸药爆炸后，爆轰产物沿着聚能罩内表面垂直的方向飞出，聚集在轴线上，汇聚成一束高速、高压、高能量密度的薄儿片状射流，对爆破目标进行切割〔3〕。

常用于控制爆破拆除的聚能切割器为直线型聚能切割器，其使用方法通常是根据爆破部位的形状进行人工弯折或拼接成型来完成爆破任务。为了达到更好的爆破效果，本次使用的聚能切割器分为直线型和弧线型，弧线型聚能切割器是先根据设计计算，列出所需聚能切割器的具体要求(包括炸高、尺寸、弧度、长度等具体参数，详见表2)，然后再定制加工而成。其优点是施工方便，保证爆破效果。弧线型聚能切割器见图4。

另外，为了增大聚能切割器的起爆可靠度，用导爆索将相邻的聚能切割器相互缠绕连接。

表2　爆破部位和药量分布

注：(1)所需聚能切割器的切割厚度为20mm，线装药密度350g/m，共需炸药16.24kg；(2)烟囱筒身处所需的弧线型聚能切割器尺寸规格：弧长半径为3.5m、弧长为1.6m，共需14条；(3)塔架的4根钢管支柱所需的弧线型聚能切割器尺寸规格：弧长半径为0.4m、弧长为1m，共需16条；(4)塔架的4根钢管支柱所需的聚能切割器为直线型：长度为1m，共需8条。

图4　弧线型聚能切割器尺寸Fig.4　Size of the curve-shaped charge cutters

3.4预处理

为减少装药量和增加烟囱倒塌的可靠性，需使用气割枪对钢结构烟囱筒身和塔架进行预切割。

3.4.1筒身的预处理

(1)用气割枪在爆破切口处开设2个定位窗、2个辅助窗和1个定向窗。各窗相对位置、具体尺寸见图3。

(2)为了防止起爆后切口下沿顶住上沿对烟囱倒塌造成不利影响，用气割枪沿定向窗下沿中部至筒身底部割出一条垂直于地面的缝，如图3①所示。

(3)考虑到烟囱筒身16mm厚的Q235B型钢材有很高的抗拉强度，决定在筒身切口保留部分的正后方装药，在切口处起爆后爆出一道3m长的缝。为了方便在此处固定装药，使用气割枪在图3②处割出3个20cm×20cm的方形孔。

(4)为了固定好聚能切割器，保证聚能切割器能发挥最佳效果，使用气割枪在聚能切割器安装固定部位烧数个小孔，用来穿铁丝固定聚能切割器。筒身聚能切割器安装位置见图3。

3.4.2塔架的预处理

(1)为确保烟囱倒塌过程中塔架底部支柱不受连杆的牵制等影响，在爆破前使用气割枪将塔架底部连接支柱的连杆割断。

(2)对支柱的预处理：使用气割枪在距地面2m以上处开矩形孔和割缝(图5)，其中对支柱1、2割缝的纵向长度应大于上下两条聚能切割器装药之间的距离；其中支柱1、2与支柱3、4的预处理及固定聚能切割器的方式分别相同。

(3)在安装聚能切割器固定部位烧数个小孔(具体位置在图5中用*表示)，用来穿铁丝固定聚能切割器。各支柱处聚能切割器固定位置见图5。

3.5爆破网路设计

由于烟囱位于厂区内，周围环境复杂，为避免杂散电流、感应电流等对爆破网路的影响，只能使用安全可靠的非电起爆网路。由于钢结构烟囱的爆破拆除可供借鉴的工程实例有限，本文参照传统的钢筋混凝土烟囱的起爆网路布置情况，并结合钢结构烟囱的筒身和塔架各自的结构特点，最终确定采用分MS2、HS5两段延时起爆：其中筒身爆破切口处与支柱1、2采用MS2段毫秒延时雷管；筒身保留部分和支柱3、4采用HS5段半秒延时雷管。

图5　塔架支柱药条分布Fig.5　Distribution of the shaped charge cutters of the pillars of tower

4爆破安全与防护措施

由于钢烟囱塔架不是中心对称建造的，故倒塌过程中可能会与计划倒塌方向产生几度的偏移量，而钢烟囱倒塌方向上为拆除区域，经测量，倒塌方向在烟囱左右两侧28°以内均安全。故可不考虑钢烟囱的重心对倒塌方向的影响。

4.1爆破振动校核

国内外大量观测结果表明：反应爆破振动的物理量与炸药量与爆源距离、岩土性质及场地条件等因素有密切关系，但具体表达式各国有所不同。我国实施的《爆破安全规程》(GB 6722-2014)采用的是萨道夫斯基公式〔4〕：

v=KK′(Q1/3/R)α

(1)

式中：v为允许质点爆破振动速度，cm/s；K′为城市控制爆破的修正系数，K′=0.25～1.00，当距爆源中心近时，取大值，反之取小值，本工程中结合周围环境及现场工况取K′=0.30；K、α为地质、地层系数，分别取K=150、α=1.5；Q为最大单段药量，此次爆破最大的单段药量为MS2段爆区，共计13.72kg；R为距爆源中心的距离，取爆点与架空煤气管道的距离，R=19m。将有关数据代入上式可得v=2.01cm/s。根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)可知〔4〕，爆破振动速度在安全范围内，由此可见爆破振动是安全的。

4.2塌落振动校核

建筑物的塌落振动速度比爆破地震波引起的质点振动速度大些。查阅《爆破安全规程实施手册》可知〔5〕，塌落振动速度目前尚无统一计算公式，通常采用的是无量纲相似参数分析方法，集中质量(冲击或塌落)作用于地面造成的塌落振动速度vt如下：

vt=Kt[(MgH/σ)1/3/R1]β

(2)

式中：vt为爆破目标塌落触地振动速度，cm/s；Kt为衰减系数，一般取3.37；σ为地面介质的破坏强度，MPa，由于倒塌区域之前为厂房建筑区，地面几乎全部水泥硬化，并且还残留有很多钢结构基础构筑物，故此处取σ=100MPa；β为衰减系数，β =1.66；R1为观测点至撞击中心的距离，m；M为爆破目标倒塌部分的质量，M=700t；H为爆破对象重心高度，H=54m。经计算，塌落所引起的各保护目标处振动速度如表3所示。

表3　爆破振动验算数据

根据上表中计算出的振动速度，参照《爆破安全规程实施手册》〔5〕，可知振动速度完全满足设计要求。本次爆破采用分区分段解体，并且筒身、塔架之间存在相互牵连作用，筒身四周被塔架包裹，倒塌时塔架先触地，对后期落地的筒身起缓冲作用。因此，塌落触地冲击的振动影响将更小。

4.3安全防护措施

(1)直接防护：筒身和塔架的直接防护，由于聚能切割器的聚能效应〔6-7〕，能产生一束速度、压力和能量密度都很高的金属射流和反方向飞行的杵杆，为了防止这类飞行的金属体对设备和人员造成危害，使用厚10mm的软胶皮裹在爆破部位对其进行近体防护，如图6所示。

图6　直接防护Fig.6　Direct protection

(2)间接防护：指对架空煤气管道的防护。在架空煤气管道侧面按照要求和规范搭设钢管脚手架并外挂双层竹笆。而工业管道、建(构)筑物和电缆隧道距离爆破目标比较远，故无需对其进行安全防护。

5爆破效果与结论

5.1爆破效果

起爆后，烟囱筒身和塔架开始一起向预期的倒塌方向倾倒。当倾倒约2°～3°时，HS5段被引爆，约4s后筒身开始下坐，并与塔架一起沿倒塌方向继续倾倒；约5s后筒身下坐完毕，同时，塔架倒塌方向一侧触地，形成新的铰支点，随后与筒身一起倾倒；约12s后，烟囱倒塌完毕。图7为烟囱的实际爆破效果图，从图中可以看出，烟囱倒塌触地的方向准确，爆破振动、飞溅物、塌落振动均控制在设计范围内，周围建构筑物和设备也完好无损。

图7　爆破效果Fig.7　Blasting effect

5.2结 论

(1)在爆破拆除钢结构建(构)筑物时，与普通外部装药爆破相比，选用线型聚能切割器具有节省炸药、切割快速、方便和降低成本等优点。

(2)由于组成材料的不同，钢结构烟囱起爆后的破坏响应时间远小于传统的钢筋混凝土烟囱的破坏响应时间。

(3)该钢结构烟囱为塔架式烟囱，结构复杂，它的成功爆破是继2007年一座80m高钢结构烟囱爆破后的又一次突破，可为类似工程提供经验。

参考文献(References)：

〔1〕 马海鹏. 特大型钢结构建筑物爆炸切割拆除机理及应用研究[D]. 长沙：中南大学，2013.

MA Hai-peng. Study on demolition principle and application by explosion cutting for extra large steel structure building[D]. Changsha: Central South University, 2013.

〔2〕 汪旭光，于亚伦. 拆除爆破理论与工程实例[M]. 北京：人民交通出版社，2008.

WANG Xu-guang,YU Ya-lun. Demolition blasting theory and engineering examples[M]. Beijing:China Communications Press,2008.

〔3〕 谢兴博，贺五一. 拆除控制爆破实用技术[M]. 南昌：江西科学技术出版社，2009.

XIE Xing-bo,HE Wu-yi. Practical technology of demolition control blasting[M]. Nanchang:Jiangxi Science and Technology Press,2009.

〔4〕 爆破安全规程 GB 6722-2014[S]. 北京：中国标准出版社，2014.

Safety regulations for blasting GB 6722-2014[S]. Beijing: China Standards Press, 2014.

〔5〕 汪旭光，于亚伦，刘殿中. 爆破安全规程实施手册[M]. 北京：人民交通出版社，2010.

WANG Xu-guang,YU Ya-lun,LIU Dian-zhong. Enforceable handbook of safety regulations for blasting[M]. Beijing:China Communications Press,2010.

〔6〕 唐献述，龙源，王耀华，等. 大型钢结构厂房拆除控制爆破总体方案设计[J]. 工程爆破，2002，8(4):24-28.

TANG Xian-shu，LONG Yuan，WANG Yao-hua，et al. General plan for demolition of large-scale steel-structural factory house by controlled blasting[J]. Engineering Blasting,2002,8(4):24-28.

〔7〕 王耀华，蔡立艮，周春华, 等. 大型钢结构物聚能切割爆破预处理分析与应用[J]. 解放军理工大学学报(自然科学版)，2007，8(2):166-171.

WANG Yao-hua，CAI Li-gen，ZHOU Chun-hua，et al. Analysis and utilization of pretreatment techniques in linear shaped charge blasting of heavy steel structure[J]. Journal of PLA University of Science and Techno-logy,2007,8(2):166-171.

Demolition of a 120m-high tower steel chimney by directional blasting

SUN Fei， LONG Yuan， JI Chong， TAN Ling， GAO Fu-yin， YU Jia-yang

(College of Field Engineering, University of Science and Technology of PLA, Nanjing 210007, China)

ABSTRACT：A directional blasting engineering was introduced to demolish a 120m-high tower steel chimney. Based on the analysis of chimney′s structural characteristics and surrounding environment, blasting cuts, blasting parameters, delayed detonating network and safeguarding were selected rationally. In order to ensure the chimney collapse exactly towards the designed direction, blasting steel parts by mechanical cutting pretreatment were advanced, and the shaped charge cutter matched with the shape of blasting steel parts was designed. The steel chimney collapsed within the scope of design with surrounding buildings(structures) and equipments remaining intact. The desired effect of the blasting was achieved in terms of safety as well as quality, and it could be a reference for similar blasting engineerings.

KEY WORDS：Steel chimney; Shaped charge cutter; Pretreatment; Blasting demolition; Directional blasting

文章编号：1006-7051(2016)02-0065-05

收稿日期：2015-05-04

作者简介：孙 飞(1989-)，男，硕士，主要从事爆炸与毁伤作用机理研究及其应用。E-mail：1326662880@qq.com

中图分类号：TD235; TU746.5

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.014