高耸烟囱定向爆破动态平衡的原理与应用

张建平， 费鸿禄， 张北龙， 易 克

(1. 内蒙古宏大爆破工程有限责任公司，内蒙古 包头 014010；2. 辽宁工程技术大学 爆破技术研究院，辽宁 阜新123000；3. 广东中人企业(集团)有限公司，广州 510515；4. 河南现代爆破技术公司，郑州450008)

高耸烟囱定向爆破动态平衡的原理与应用

张建平1， 费鸿禄2， 张北龙3， 易 克4

(1. 内蒙古宏大爆破工程有限责任公司，内蒙古 包头 014010；2. 辽宁工程技术大学 爆破技术研究院，辽宁 阜新123000；3. 广东中人企业(集团)有限公司，广州 510515；4. 河南现代爆破技术公司，郑州450008)

为了控制复杂环境下，受风及外壁钢结构爬梯载荷影响的高耸烟囱定向爆破方向，基于动态平衡设计原理，采取了偏口补偿平衡纠偏方法和合理的切口参数设计来调整烟囱倾倒瞬间的倾覆力矩方向，使不对称载荷的烟囱在倾倒过程中处于相对的动态平衡状态，确保了不对称载荷下的高耸烟囱定向倾倒的准确性，其设计方法和参数可供同类工程参考。

烟囱爆破；动态平衡；方向控制；风载荷；偏口平衡法

1 引言

衡量高耸建(构)筑物定向爆破成功的重要标志之一是按照设计方向准确倾倒〔1-5〕，也只有在这个前提下，才能确保周围设施的安全，才能使爆破的风险设防得到保证。实践证明，在楼房、冷却塔和烟囱等高耸建(构)筑物定向爆破拆除中，烟囱的倾倒方向最容易发生偏斜，其原因是烟囱属于细长杆件，高径比大，在定向倾倒过程中的动态平衡很容易被其他影响因素破坏，导致烟囱倾倒方向的偏斜。本文以烟囱定向爆破实例，对不对称载荷下的烟囱定向爆破的倾倒方向控制进行了初步的分析和探讨。

2 工程概况

拆除的钢筋混凝土烟囱位于包头市第三热电厂老厂院内，周围环境复杂，东侧15.0 m处是二层楼房，45.0 m处是厂区外居民区，至工业路135.0 m，东南方向95.0 m是厂内铁路货站和居民平房；正南方向有较开阔的狭长空地180.0 m，在远处是铸铁车间；西侧距主厂房40.0 m，距引风机房6.0 m；北侧距离东西向输煤栈桥30.0 m，东北角34.0 m是与栈桥相连的五层厂房。在烟囱的正南方向75.0 m处有东西方向埋深1.8 m的供热管道。

烟囱高度150.0 m，底部最大外直径14.78 m，壁厚500.0 mm；上部最大外直径3.78 m，壁厚200.0 mm，总质量4 900 t。钢筋混凝土筒壁为双层配筋，50.0 m范围内的外侧竖筋Ф22@380，内侧竖筋Ф18@170。烟囱西侧有自下而上的钢结构爬梯。在烟囱+50、+100、+139 m处设有环形工作平台(见图1)。

图1 烟囱周围环境示意图Fig.1 Schematic diagram of surroundings of chimney

3 定向爆破方案设计

3.1 动态平衡设计原理

动态平衡原理是指定向爆破切口形成瞬间，烟囱倾倒过程中的载荷和受力对称于设计倾倒方向，即设计倾倒中心线平分的烟囱两侧处于动静载荷和受力对称相等。动态平衡设计原理就是通过合理的爆破设计参数，实现烟囱定向倾倒过程的动态平衡。要达到这个目的，一是爆破前烟囱结构的静力对称平衡，主要有烟囱自重、附件重量、烟囱自身倾斜产生的偏心载荷；二是倾倒过程的动力平衡，主要包括定向切口支撑力的爆破解除、支撑区的承载力和钢筋的抗拉应力、切口闭合的冲击压应力、烟囱后坐的剪切应力及风载等的对称平衡。由于烟囱倾倒方向两侧的对称平衡是方向控制的关键，工程中首先选择烟囱结构的几何对称方向为设计倾倒方向，这就保证了烟囱静力的基本对称平衡。如果周围环境条件不允许，可通过爆破前拆除烟囱的不对称附件、分割爬梯、弱面补强、爆破切口变型等措施，来实现烟囱倾倒过程的动态平衡。但是，由于烟囱本身建筑材料和施工的差异性、自身的垂直度，轴向和环向的重量分布的均匀程度及附件载荷等结构因素、风载荷作用、烟囱倾倒瞬间的支撑点的支撑力不足、筒壁强度和后坐受力不均匀、切口内支撑爆破破碎不均匀、切口闭合和触地受力不对称性等影响因素，绝对的动态平衡是不存在的，那么，通过合理的设计满足相对的动态平衡就足以能控制烟囱的倾倒方向在一定的允许偏斜范围内，达到爆破拆除安全的目的。

3.2 技术难度和爆破方案

根据烟囱采取定向爆破拆除方案的周围场地的情况，烟囱西、北及东侧都有建筑物和居民区限制，只有南侧狭长的场地可以利用。以西侧与相距6.0 m的引风机房在烟囱的倾倒方向长度67.2 m限制距离计算，允许烟囱向西的安全偏斜扇形角范围为0～5.1°；东侧按照东南方向的居民平房距离限制，计算的烟囱的安全偏斜扇形角允许0～20.6°。由于东侧和东南方向都有抗震强度很低的砖结构居民平房，而高耸烟囱倾倒触地振动强度较大，烟囱的倾倒方向尽可能远离居民区。综合考虑以上因素和烟囱自身结构的对称情况，设计烟囱向正南方向定向倾倒。烟囱自身的南北烟道口对称于设计方向，但是根据以往高耸烟囱定向爆破的经验，在设计倾倒方向右侧的烟囱外壁有一列自下而上的钢结构爬梯，以及北方地区较大的风载荷都会对其倾倒方向产生明显的影响。因此，设计中根据烟囱的风载荷和侧面爬梯附件载荷的综合影响产生的偏斜角，采取了偏口平衡补偿纠偏方法修正了实际定向切口的对应方向，目的是使烟囱倾倒过程更接近动态对称平衡，以保证烟囱的设计倾倒方向。

3.2.1 风载荷影响

风载荷是指烟囱倾倒过程中所承受的有一定方向性的风的弯曲作用，其大小与烟囱受风作用面积的大小和风速有关，而影响烟囱倾倒方向的风载荷还与风向有关。当风向与烟囱设计倾倒方向一致或完全相反，只是增大或减小了烟囱的倾覆力矩，而对倾倒方向没有影响，只有当风载作用方向与烟囱设计倾倒方向成一定角度时才会影响到烟囱的倾倒方向。把风载荷引起的烟囱偏斜近似简化为等直径圆筒截面的悬臂梁的挠度力学问题，由于烟囱截面从下向上逐渐减小，而风载荷从下向上逐渐增大，可把风载看作是一个沿烟囱高度方向均布载荷，但是，作用于烟囱半圆弧形面积上的风压大小沿环向分布不均匀，半圆弧顶的风压最大并沿环向对称衰减为零，其大小与风向和弧形面切线方向夹角有关。为了简化计算，可把半圆弧上环向弧形分布的风压近似看作为两个对称三角形分布载荷(见图2)，最大分布风压为Wp。则烟囱倾倒瞬间，由风载荷引起的烟囱顶端最大偏移值δw和对应的最大偏角θw分别为

(1)

按爆破时6级风考虑，作用在烟囱高度方向的平均风速取12.0 m/s，根据式(1)计算的风载引起的烟囱顶部的最大偏移值δw=3.89 m，对应的偏斜角为1.49°。此计算值应该是风载影响的最小值，因为爆破定向切口形成瞬间，烟囱的切口部位即由固定端逐渐变为铰支点了。

3.2.2 附件载荷影响

对称于烟囱倾倒方向的三层环形工作台附件载荷只会增加烟囱的倾覆力矩，不会影响烟囱的倾倒方向。实践中观察到烟囱常见的附件之一爬梯对烟囱倾倒方向有明显的影响，原因是其自重和轴向拉力明显的限制了，烟囱倾倒过程中在爬梯一侧的轴向解体，倾倒后的爬梯轴向金属构件个别被拉断。该烟囱在倾倒方向右侧与倾倒方向90°有一爬梯，在烟囱倾倒过程中的力学作用相当于爬梯轴向的锚固力和自重两部分线载荷的共同作用，由于烟囱直径自下而上减小，而爬梯轴向拉力和重力上下相同，给烟囱的附加力相当于自上而下的侧向拉力的弯曲作用，可按照等效力学原理简化为烟囱顶端最大的三角形分布载荷的悬臂梁力学模型(见图2)。由爬梯引起的烟囱顶端偏移值δa和对应的偏角θa分别为

(2)

式中：qa为爬梯附件的线载荷，N/m。

爬梯位置与烟囱设计倾倒方向垂直，爬梯总质量2 250 kg。根据同类烟囱定向爆破的实际观测，爆破后钢结构爬梯的多根Ф14钢筋被拉断，I级钢筋的动载极限抗拉强度[σT]=33.6 MPa，按2根钢筋拉断条件估算其产生的侧向线载荷10 340 N/m，按倒三角形最大分布的线载荷qa为 20 974.0 N/m。按公式(2)计算的爬梯引起烟囱顶部最大偏移量为2.53 m，对应的偏斜角为0.97°。

图2 风和爬梯对烟囱的等效力学模型Fig.2 Equivalent mechanical model of wind and ladder to the chimney

4 定向爆破技术参数

4.1 爆破切口参数

4.1.1 切口位置和形状

考虑到烟囱底部及南、北对称烟道的结构特点，原则上适当降低爆破缺口位置，以及考虑到烟囱根部在设计倒塌方向中间有一烟道口(1.6 m×3.2 m)作为烟囱切口中间导向窗，切口下边缘距地面以上1.0 m处。为了保证切口闭合的压缩破坏过程的动态对称平衡，切口形状采取了三角形和梯形组合形状。按照切口的闭合角不易超过30°的原则，三角形切口顶角确定为30°，切口的底边长度1.8 m，高度1.0 m，梯形与三角形交点水平角45°。较小的切口顶角可使切口缓慢闭合，承压面积增大，使压缩区迅速前移，支撑强度均匀。而支撑区的受压区的压应力相应减小，破碎区减小，支撑力均匀对称，减小切口闭合冲击力，保证了切口拉伸和压缩破坏过程的对称性。为了使施工后的切口强度均匀，严格按照设计尺寸人工风镐施工，并割断三角形切口内的所有钢筋。定向切口如图3所示。

图3 偏口补偿平衡法和切口尺寸示意图Fig.3 Diagram of partial equilibrium method and notch size

4.1.2 切口高度及长度

(1)切口高度。烟囱爆破切口的最大高度按下式计算：

h=5δ

(3)

式中：δ为爆破切口位置的烟囱筒壁的厚度。

设计爆破切口下边缘(1.0 m)处的筒壁厚度0.50 m，直径14.49 m。

根据公式(3)计算的筒壁定向切口的最大高度为2.5 m。高切口可使烟囱在切口形成瞬间获得较大的倾倒速度和倾覆力矩，但是，高切口闭合时间较长，倾覆力矩和支撑区拉压应力很容易失去对称平衡，不利于烟囱倾倒方向的控制。综合以上因素，实际切口高度确定为2.4 m。

(2)切口长度。为了避免切口形成瞬间，支撑区的支撑力不足而产生烟囱后坐或支撑力不均匀，破坏烟囱倾倒瞬间的动态平衡状态出现烟囱偏斜，按照尽可能增大支撑区的原则，确定定向爆破切口对应的开口角为212.0°，相应的切口长度为26.8 m。

4.1.3 偏口补偿平衡纠偏方法

偏口补偿平衡方法是根据烟囱不对称载荷情况，通过偏切口设计改变烟囱倾倒瞬间的倾覆力矩方向，来补偿烟囱设计倾倒方向载荷偏小一侧的不对称，以获得烟囱倾倒过程中的相对动态平衡，保证烟囱准确定向倾倒的纠偏方法。

根据以上计算的风和爬梯附件不对称载荷综合影响的偏角为2.46°，采取了偏口补偿平衡纠偏方法。实际确定的纠偏角为南偏东3°，外壁弧长逆时针旋转0.38 m，实际切口方向对称于设计的纠偏方向。具体做法是在风和爬梯载荷作用力的一侧增大切口长度，另一侧缩小切口长度的不对称偏口，以补偿烟囱倾倒瞬间风和爬梯载荷影响的不平衡。由于纠偏角的原因，烟囱倾倒方向烟道口与设计方向出现不对称，按纠偏角计算的烟道口向倾倒方向左侧试爆拓宽了0.5 m，以保持切口支撑部分对称(见图3)。

4.1.4 切口爆破参数

孔深L=380 mm，孔距a= 350 mm，排距b=300 mm。按照设计切口高度和孔网参数布置了8排孔。

单孔装药量按公式Q=qabδ计算，炸药单耗根据爆破切口部位混凝土强度及经验取q=2.8 kg/m3，计算的每孔装药量150 g。实际装药量调整为底部两排孔250 g，最上两排孔150 g，中间孔200 g。实际炮孔数416个，炸药85.0 kg。

切口内的钻孔要对称于设计倾倒方向均匀布置，钻孔位置和尺寸精确，每孔装药量精确，并对称于倾倒方向。人工预先开设切口两侧导向窗。在有效的防护措施下，采取了爆破切口内的支撑筒壁加强装药，使切口内支撑瞬间完全破碎，保证爆破瞬间形成的切口对称设计纠偏方向。

4.2 支撑区抗拉钢筋的屈服破坏和支撑力对称

4.2.1 抗拉区钢筋拉应力

由于烟囱长径比大，定向切口形成瞬间的烟囱倾覆力矩使抗拉钢筋的实际拉应力比其动载极限抗拉强度大了几百倍(见表1)，钢筋会被迅速拉断。如果烟囱倾倒过程中，烟囱背侧钢筋拉断过程中持续时间过长会使烟囱倾覆力矩减小而出现拉应力不对称。为了减小烟囱定向切口闭合后的支撑区抗拉钢筋剩余强度，使钢筋抗拉力和支撑力处于对称平衡状态，提高烟囱绕切口的转动惯量保持其设计的倾倒方向〔6〕，爆破前把烟囱定向切口水平的背侧对称于设计纠偏方向，每侧1.5 m弧长内的轴向钢筋切断。

4.2.2 足够的支撑力

烟囱的支持区面积一般较小，足够的支撑力是烟囱倾倒动态平衡的必要条件。假设拉压区面积相等，烟囱倾倒弯曲中性轴位于支撑区面积平分线，切口以上烟囱重量全部作用在支撑区上，支撑力的计算结果如表1所示。计算结果表明实际承载力足够，但是随着烟囱倾斜角的增大，中性轴逐渐前移，受压区缩小而拉伸区增大，当受拉区面积减至0.29 m2时，对应倾倒方向两侧各2.3°的弧长段的混凝土达到了极限抗压强度被压碎，烟囱开始下坐。实际上，烟囱在切口闭合时，随着烟囱的承压区向切口位置前移，中性轴前移，原来的支撑区逐渐成为全拉伸区，烟囱倾倒对支撑区产生的剪切破坏作用增强。

表1 支撑区抗拉钢筋的拉应力和支撑力

注：假设支撑区弯曲中心轴位于弧长平分线。Ⅱ级钢筋动载极限抗拉强度40.8 MPa；C30砼动载极限抗压强度36.0 MPa。

4.3 定向切口爆破的对称性

为了使爆破定向切口内的支撑力全部瞬间对称解除，采取了齐发爆破，孔内MS2延时导爆管雷管，孔外双套电雷管起爆网路。如果环境安全条件不允许，采取多段延时起爆时，要尽可能减少起爆段数，起爆顺序和同段起爆孔数要严格对称于设计倾倒方向。

5 爆破效果和体会

爆破后烟囱按照设计的正南方向准确倒塌，解体充分，爆破和烟囱触地的地震波振动强度以及碎块飞溅距离都控制在安全范围内。实践证明，采取偏口补偿平衡纠偏方法来平衡不对称载荷的偏心弯曲作用是有效的。也说明爬梯等附加载荷对烟囱倾倒方向的影响是明显的，必要时可提前自上而下分割爬梯，以减弱其锚固力和轴向拉力。

6 结论

(1)影响烟囱倒塌的动态平衡因素很多，而且十分复杂，绝对的动态平衡是不存在的。

(2)在高耸烟囱爆破倾倒工程实践中，风和附件等偏心载荷对高耸烟囱的倾倒方向有明显的影响，应该引起人们在定向爆破设计中的足够重视。

(3)根据风和爬梯引起的烟囱综合偏斜角，采取了偏口补偿平衡纠偏方法和合理的切口设计参数来调整烟囱倾倒瞬间的倾覆力矩的方向，使不对称载荷的烟囱在倾倒过程处于相对的动态平衡状态，保证了烟囱定向倾倒的准确性。

(4)初步分析了复杂环境下，风、爬梯附件载荷对高耸烟囱定向爆破倾倒方向的影响，还有待进一步深入探讨其影响规律。

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Principle and application of dynamic equilibrium in directional blasting of high chimney

ZHANG Jian-ping1， FEI Hong-lu2， ZHANG Bei-long3， YI Ke4

(1. Inner Mongolia Hongda Blasting Engineering Co.,Ltd., Baotou 014010, Inner Mongolia, China；2. College of Engineering Blasting, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning，China；3. Guangdong Zhongren Enterprise (Group) Co., Ltd., Guangzhou 510515,China；4. Henan Province Modern Blasting Technology Co.,Ltd.,Zhengzhou 450008,China)

In order to control the direction of high chimney directional blasting effected by wind and wall steel ladder load in complex environment, based on the dynamic equilibrium principle, partial equilibrium method and reasonable design of notch parameters were adopted. The direction of overturning moment of the chimney toppling was adjusted. The chimney was with asymmetric in a state of relative dynamic equilibrium in the dumping process. The accuracy of the high chimney directional falling under asymmetric loads was ensured. The design method and parameters could be a reference for similar projects.

Chimney blasting; Dynamic equilibrium; Direction control; Wind load; Partial equilibrium method

1006-7051(2016)06-0023-05

2016-03-13

张建平(1960-)，男，博士，高级工程师，从事拆除和土岩爆破工程技术设计和研究。E-mail:zhangjianping60@hotmail.com

TD235.3

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.005