复杂环境下同时爆破拆除热电厂厂房和150 m烟囱

邹宗山，杨　军，佐建君，何成龙

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.北京理工北阳爆破工程技术有限责任公司，北京 100081)



复杂环境下同时爆破拆除热电厂厂房和150 m烟囱

邹宗山1，2，杨军1，2，佐建君2，何成龙1

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.北京理工北阳爆破工程技术有限责任公司，北京 100081)

摘要:响应国家的节能减排的号召，某热电厂需要同时爆破拆除50 000 m2的大型多跨厂房和150 m烟囱。爆破作业环境复杂，建构筑物倒塌空间有限，通过厂房双向折叠、并与烟囱相向倾倒的倒塌方案，控制爆破倒塌范围不超过20 m。采用孔内半秒延时与孔外毫秒延时相结合的双闭合复式起爆网路，既满足厂房双向折叠定向倾倒方案多段别延时起爆需要，又确保起爆网路的安全性和可靠性。利用厂房爆后废墟、缓冲沟及减振沟相结合的综合降振技术，实现降低爆破振动的影响。安全高效地完成了此项拆除爆破工程，大大的缩短了工程工期，节约了工程成本。

关键词:厂房；烟囱；爆破拆除；起爆网路；振动控制

1工程概况

1.1工程环境

响应国家节能减排的号召，甘肃省兰州市永登县和桥镇大唐连城发电厂因技术改造需要爆破拆除一栋建筑面积50 000 m2框架结构的厂房和一座高150 m钢筋砼结构的烟囱。工程环境复杂，厂房正西侧50 m处是拟拆除的烟囱，西侧靠南角12 m处是需保护的灰渣泵房设备厂房(长17.25 m×宽9.4 m×高6.5 m)；东侧23 m处有埋深2.7 m混凝土循环水道(宽1.5 m×高2.0 m)，32 m是正在运行的变压站；南侧24 m处为正在运行的新建300 MW发电机组厂房；北侧22 m处是化学水处理车间。见图1。

1.2工程结构

厂房长98.76 m，宽80 m，占地面积7900 m2，建筑面积50 000 m2，厂房由西向东依次由空气预热器(高8.2 m)、锅炉膛(高50 m)、电梯井(高50 m)、制粉车间(高34 m)、除氧间(高27.5 m)和汽机房(高26.8 m)组成。经人工、机械局部预拆除后，厂房还需要爆破9种不同截面尺寸的110根立柱，东西方向共11轴，南北方向共11跨，厂房平面结构示意图见图2。

烟囱高150 m，筒体用250#混凝土整体滑模浇筑而成，+0.0～+12.6 m之间敷设φ 18 mm的竖筋及φ 14 mm的环筋，烟囱爬梯设在西侧方向，烟囱底部外半径7.06 m，顶部外半径1.0 m，+3.0 m外是烟囱的积灰平台，且南北方向各有一个3.2 m×5 m的矩形烟道，此处烟囱的外半径为6.94 m，壁厚0.5 m，烟囱结构示意图见图3。

1.3技术问题

热电厂内工程环境复杂，为了缩短工程工期和节约工程成本，要求同时爆破拆除厂房和烟囱，对爆破安全控制提出了更高的要求，施工难点有以下几点：

(1)建(构)筑物的倒塌空间有限，需要精确控制建(构)筑物的倒塌顺序、倒塌方向以及倒塌范围，厂房四周倒塌范围均要求不超过20 m。

(2)正在运行着的300 MV发电机组和变压站紧邻爆破拆除对象，需要严格控制拆除爆破飞散物及拆除爆破振动的对安全生产的影响，避免出现电力事故而造成较大的社会影响及经济损失。

(3)合理的延期时间、安全可靠的起爆网路对爆破安全至关重要，必须确保起爆网路的安全性和可靠性[1,2]。

2总体爆破方案

采用延时爆破技术，一次性起爆，同时定向爆破拆除厂房和烟囱。采取厂房双向折叠、并与烟囱相向倾倒的倒塌方案，即厂房+31.5 m以上部分向东侧定向倾倒，+31.5 m以下部分向西侧定向倾倒，烟囱向厂房的爆后废墟上定向倾倒，如图4所示。

厂房设计阶段型三角切口，对西侧的立柱设置较大炸高，靠近变压站的东侧只损伤性爆破，以有利于东侧变压站的安全控制和防护。采用孔内半秒延期与孔外毫秒延时相结合双闭合复式起爆网路，满足厂房双向折叠倒塌方案多段别延期起爆的需求，同时确保起爆网路的安全性和可靠性。

烟囱向东定向倾倒，倾倒方向允许偏差±5°，爆破切口的位置及形状应充分考虑烟囱本身的结构特点，保证烟囱倒塌时的整体稳定性。采用孔内毫秒延时起爆网路，并早于厂房2 s起爆，以达到在烟囱塌落触地时，厂房的最后一排立柱刚刚起爆，从而利用厂房的最后一排立柱起到防护栏的作用，阻挡爆破飞散物，以保护变压站。

3爆破方案设计

3.1烟囱爆破方案

3.1.1爆破切口

(1)爆破切口位置及形状

为了在烟囱倒塌时，保证烟囱整体的稳定性，将烟囱出灰平台位置定在爆破切口范围之外，故爆破切口开设在标高+3.0 m处。考虑到烟囱标高+3.0 m处南北方向各有一个宽3.2 m、高5 m的矩形烟道，为了保证爆破切口的对称性以及施工的便利，选择矩形切口。

(2)爆破切口圆心角及长度

爆破切口圆心角的大小，直接决定了爆破切口长度，而爆破切口长度决定着倾覆力矩的大小，爆破切口圆心角越大，爆破切口长度越长，倾覆力矩越大[3,4〗。倾覆力矩过大，会加速预留部分的溃屈而发生下坐，过早的下坐将导致烟囱倾倒定向不准甚至爆而不倒的意外事故，通常情况下，爆破切口圆心角在210°～220°之间为宜。通过倾覆力矩的验算，借鉴成功的工程实践经验以及烟囱本身的结构特点，本工程爆破切口圆心角θ=215°。

爆破切口开设在标高+3.0 m处，R外=6.94 m，θ=215°。

爆破切口长度L=(215°/360°)×2×π×R外=26 m。

(3)爆破切口高度

爆破切口高度是爆破切口重要参数之一，切口高度应满足切口闭合时烟囱重心偏移距离大于切口处烟囱外半径，可按下列公式确定[5]

(1)

式中:R为爆破切口部位半径；HC为烟囱重心高度；φ为预留支撑半圆心角。R=6.94 m，HC=50 m，φ=(360°-215°)÷2=72.5°，计算得hmin=1.25 m。

(2)

式中,δ为切口处的烟囱壁厚。其中δ=0.5 m，计算得h≥1.5～2.5 m。

依据以往工程的爆破经验，并综合式(1)和式(2)计算所得结果，取爆破切口高度h=3.0 m。

(4)定向窗

为了确保烟囱平衡、准确地按设计方向倾倒，在爆破切口处应开设定向窗。考虑烟囱的自身结构特点，本工程定向窗可利用烟道加工而成，同时，在爆破切口中心位置开设高3 m×宽3.0 m的导向窗，如图5所示。

3.1.2爆破参数

(1)孔网参数

炮孔直径40 mm，烟囱壁厚δ=0.5 m，深度l=0.75δ=0.38 m，孔距a=δ=0.5 m，排距b=0.9a=0.45 m，共布置7排，每排30孔，共布置210孔。

(2)装药参数设计

炸药选用2#岩石乳化炸药，规格φ 32 mm×200 mm×200 g，单位炸药消耗量q=2 kg/m3，单孔装药量Q=qabδ=2×0.5×0.45×0.5=225 g，实际取单孔装药量200 g，连续装药结构，堵塞长度180 mm。

(3)起爆网路

采用毫秒延时起爆网路，MS-1段塑料导爆管雷管对称布置在靠近导向窗部位的炮孔，MS-2段塑料导爆管雷管对称布置在靠近定向窗部位的炮孔，如图5所示。采用簇联方式连接起爆网路，俗称“一把抓”，每簇导爆管不超过20根，每簇用2发MS-1段导爆管雷管“反向连接”引爆，最后使用四通连接成双闭合复式起爆网路。

3.2厂房爆破方案

3.2.1预拆除

预拆除可以减少拆除爆破时钻孔工作量和火工品的用量，以降低工程成本，提高爆破作业效率，并且对建构筑物进行预拆除可以改变建构筑物的结构受力状态，改善爆破效果[6]。预拆除厂房内汽机、锅炉、电机的承台；厂房的连接梁为牛腿支托，拆除1～2层所有砖墙和部分连接梁，在楼板中间位置开凿1.5 m宽的预拆除缝；拆除所有高度低于12 m的框架和群楼。

3.2.2爆破切口

厂房爆破拆除作业规模较大，为了便于拆除爆破施工组织，将厂房划分为4个爆破区域。爆破切口方向和高度及前后爆高差，是构成爆破对象倾倒方向、倾覆力矩及重心偏移角度的决定性参数[7]。钢筋混凝土框架主要承重立柱的失稳，是整体框架倒塌的关键[8,9]。立柱爆破破坏高度可按下式确定：H=K(B+Hmin)，K为经验系数，K=1.5～2.0；B为立柱截面最大边长，m；Hmin为最小破坏高度，Hmin=(30～50)d，d为立柱竖向钢筋的直径，cm。

3.2.3爆破参数

(1)孔网参数

为减少钻孔作业量，采用分组布孔，分段爆破立柱，沿立柱中心线两侧水平钻孔。立柱底部加强钻孔，每组5孔，其他每3孔为一组，每组间隔3 m，组内各孔间距0.4 m。

(2)装药参数

炸药选用2#岩石乳化炸药，规格φ 32 mm×200 mm×200 g，单孔装药量按体积法计算：Q=qv，q为单位炸药消耗量，q=1 kg/m3；v为体积，m3。厂房共需爆破9种不同截面尺寸的110根立柱，装药参数见表1。

表1　不同截面尺寸立柱的装药参数

(3)起爆网路

采用孔内半秒延时与孔外毫秒延时相结合的双闭合复式起爆网路，孔内分别装入2发HS-2～HS-12段半秒延时塑料导爆管雷管，将厂房共分成11个半秒延时爆破区域，实现逐区起爆，每个半秒延时爆破区域再分别使用MS-2～MS-5段毫秒延时塑料导爆管雷管进行孔外“一把抓”簇联连接，实现逐簇起爆，每簇不超过20根导爆管，每簇再用2发MS-1段塑料导爆管雷管“反向连接”引爆，使用“四通”连接成双闭合复式片区干线回路；整个爆区划分成多个分片，最后分片与分片间又用四通多点复式串接，在闭合环网路中留下多个末级起爆点。

4爆破效果

厂房和烟囱爆后效果与设计完全一致，烟囱整体倾倒过程历时约13 s，建(构)筑物结构解体充分，爆堆高度3～4 m，周边设施均没有受到爆破影响，东侧的变压站和南侧发电机组均正常运行，爆破效果如图6所示。

5技术分析

通过本次拆除爆破实践，得出了以下几点结论：

(1)采用厂房双向折叠，并与烟囱相向倾倒方案，结合延时起爆技术，解决了热电厂爆破作业环境复杂，建筑倒塌空间有限的问题，实现了爆堆最大扩散距离控制在20 m以内的要求。

(2)烟囱向厂房的爆后废墟上定向倾倒，在爆破过程中，没有出现可能因双向挤压而产生的飞溅物对周边建筑物及设施发生影响的情况，甚至，可以利用厂房爆后废墟减缓烟囱爆后的触地震动，降低爆破震动对周边建筑物及设施的影响；利用双向挤压减小厂房和烟囱爆后的破碎块度，降低爆堆高度，便于后期清渣作业。

(3)采用塑料导爆管雷管“孔内半秒延时与孔外毫秒延时”相结合的双闭合复式起爆网路，即满足厂房双向折叠定向倾倒方案多段别延时起爆的需求，又能确保起爆网路的安全性和可靠性。

(4)利用厂房爆后废墟、缓冲沟及减振沟综合降振技术成功地减弱了包括烟囱塌落触地振动在内的爆破拆除振动，通过爆破拆除振动监测表明，主控室及电厂重要设备附近爆破振动幅值控制在安全允许范围之内。

参考文献(References)

[1]余德运，郑德明，赵翔，等.合肥17层高楼爆破网路设计及可靠度分析[J].爆破,2006,23(1):52-55.

[1]YU De-yun，ZHENG De-ming，ZHAO Xiang，et al.Design and reliability analysis of blasting firing circuit for a 17-storeyed high building in Hefei[J].Blasting,2006,23(1):52-55.(in Chinese)

[2]余德运,杨军,赵翔.导爆管雷管反射四通捆串联起爆网路分析与应用[J].爆破,2012,29(3):115-118.

[2]YU De-yun，YANG Jun，ZHAO Xiang.Analysis and application of Nonel detonator and four-path reflecting unit tied serial initiation network[J].Blasting,2012,29(3):115-118.(in Chinese)

[3]谢先启.150 m钢筋砼烟囱爆破拆除技术与分析[J].工程爆破,2008,14(1):54-56.

[3]XIE Xian-qi.Blasting technology and effect analysis in demolition of a reinforced concrete chimney of 150m height[J].Engineering Blasting,2008,14(1):54-56.(in Chinese)

[4]张英才，范晓晓，盖四海，等.240 m高钢筋混凝土烟囱爆破拆除及振动控制技术[J].工程爆破，2014，20(5):18-22.

[4]ZHANG Ying-cai，FAN Xiao-xiao，GAI Si-hai，et al.Blasting demolition of a 240 m high reinforced concrete chimney and the vibration control technology[J].Engineering Blasting,2014，20(5):18-22.(in Chinese)

[5]金骥良.高耸建筑物定向爆破倾倒技术参数的计算公式[C]∥成都:第七届工程爆破学术会议论文集,2001：416-420.

[5]JIN Ji-liang.The computation formulae of the direction blasting collapsing on the towering constructions[C]∥Chengdu:the Seventh Engineering Blasting Academic Conference Symposium，2001,416-420.(in Chinese)

[6]王玉杰,裴来政.建筑物预拆除安全问题可靠性探讨[J].西部探矿工程,2004 (9):128-129.

[6]WANG Yu-jie,PEI Lai-zheng.Discussion on the dependability of safety in buildings pre-demolition[J].West-China Exploration Engineering,2004 (9):128-129.(in Chinese)

[7]檀纯锦.电厂发电机组厂房及高150m烟囱定向爆破拆除[J].工程爆破,2011,17(4):53-57.

[7]TAN Chun-jin.Directional blasting demolition of generator set workshop and 150m high chimney in the power plant[J].Engineering Blasting,2011,17(4):53-57.(in Chinese)

[8]魏晓林.爆破拆除框架跨间下塌倒塌的切口参数[J].工程爆破,2013,19(5):1-4.

[8]WEI Xiao-lin.Cutting parameters of toppling frame building demolished with collapse in beam span by blasting[J].Engineering Blasting,2013,19(5):1-4.(in Chinese)

[9]于亚伦.工程爆破理论与技术[M].北京:冶金工业出版社,2009：324-326.

Explosive Demolition of Workshop and 150 m High Chimney under Complicated Conditions

ZOUZong-shan1,2,YANGJun1,2,ZUOJian-jun2,HECheng-long1

(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology,Beijing 100081，China;2.Beijing BIT Blasting Engineering & Technology Co Ltd，Beijing 100081，China)

Abstract:In order to protect the surroundings and to hasten the construction period and save the project cost,the workshop and chimney need explosive demolition simultaneously.The technology of bidirectional folding of the workshop was put forward to collapse faced to the chimney collapse direction.The initiation system was designed combined with "half-second delay inside blastholes" and "millisecond delay outside blastholes".Additionally,vibration reduction scheme was performed by using of the blasting ruins,buffer ditch and damping ditch,which kept the the demolition blasting work safe and efficient enough.

Key words:workshop; chimney; explosive demolition; initiation system; vibration control

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.019

收稿日期:2016-03-06

作者简介:邹宗山(1984-09)，男，北京理工大学博士，材料与结构冲击力学专业，从事爆炸理论研究和工程爆破实践工作，(E-mail)zzsbit@qq.com

中图分类号:TU746.5

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0097-05