复杂环境废弃烟囱爆破拆除及安全控制措施研究*

2020-06-23余红兵赵明生

爆破 2020年2期

余红兵，赵明生

(1.保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002；2.保利民爆哈密有限公司，哈密 839000)

受安全性和工期要求，城镇地区烟囱多采用爆破作为主要的施工方法。爆破拆除高大钢筋混凝土具有以下特点：①烟囱高度高、体积大；②拆除工期紧；③四邻环境复杂，安全环保要求高。褚怀保，徐鹏飞等以高速摄影监测、数值模拟为基础，理论再现了钢筋混凝土烟囱爆破拆除倒塌过程中的受力过程[1]；王宇、姚颖康等结合视频监控技术、应变监测技术和数值模拟技术[2]，对钢筋混凝土烟囱爆破拆除失稳下坐和空中断裂机制进行了综合性分析；徐鹏飞，苏筱嘉，司君婷，赵文等分别对复杂环境下的烟囱拆除爆破参数进行了优化，加强了安全防护措施[3-6]，均有效的控制了烟囱倒塌时的振动和飞石飞散距离。以贵州轮胎厂废弃烟囱爆破拆除工程为研究背景，通过对爆破设计方案参数优化及采取多重控制措施，研究烟囱倒塌过程对周围建(构)筑物的影响，安全、精细爆破拆除为今后复杂环境下的高耸烟囱爆破提供参考。

1 工程概况

为建设数博大道，拟对对贵阳市云岩区三马片区轮胎厂区废弃烟囱实施爆破拆除。烟囱整体结构为钢筋混凝土结构。烟囱高80 m，外壁为钢筋混凝土结构，厚35 cm，内衬耐火砖，壁厚30 cm，烟囱混凝土体积314.78 m3，耐火砖内衬205.3 m3，外部结构完整。烟囱所在区域已经形成封闭围挡。东北侧175 m为百花大道，中间区域建筑物已经拆迁完；西侧距烟囱44 m处是其他中标单位地块；西南侧距离待拆除建筑物200 m，建筑物已经废弃；东南侧35 m处是厂区围墙，紧邻金坡路，东侧沿金坡路地下有城市燃气管道最近距离35 m，道路东侧是城区居民房，为金关村金宅小区，距离最近处为55 m。烟囱四邻环境如图1所示。

2 爆破拆除设计

根据业主工期、安全、技术要求和现场环境，采用爆破进行拆除施工。结合烟囱高度、结构尺寸、四邻环境和平面位置，确定采用定向倾倒控制爆破技术对该烟囱予以拆除。根据现场环境，烟囱倒塌方向为西偏南25°，并且采用水钻切边开窗、出灰口破碎预处理的方式处理切口，最后爆破时采用混凝土和内衬同时爆破的方式使烟囱定向倒塌。见图2。

2.1 切口参数

根据倒塌方位确定烟囱倒塌中心线，为了满足烟囱倒塌过程中切口闭合的设计要求，保证定向准确，采用正梯形爆破切口。烟囱切口中心截面+0.8 m处的筒体周长为20.09 m，切口圆心角为220°，底部外壁展长20.09×220/360=12.27 m，实取12.3 m；内壁展长5×3.14×220/360=9.59 m，实取9.6 m。切口高度(H)是烟囱拆除爆破设计的重要参数，据一般工程经验，H=(1.5-3.0)δ，其中δ为切口处烟囱的壁厚，本工程中烟囱底部内外壁总厚约为0.67 m，考虑到倒塌场地有限，尽量缩小烟囱的触地范围，实取H=3.0 m。根据烟囱的结构特点和倒塌方向控制，切口两侧预开三角形定向窗，+0.8 m处定向窗底长1.5 m，高3 m，见图3所示。烟囱底部距离地面+0.8 m高设计为施工操作平台，烟囱外壁爆破切口从底部平台起+0.8～+3.8 m，内壁爆破切口从底部平台起+0.8～+3.8 m。

2.2 孔网参数

根据本工程的特点和现场设备情况，采用40 mm的冲击钻进行垂直钻孔，炮孔采用梅花形布孔。根据《爆破设计手册》及现场工程实际，内外壁孔网参数如表1所示，炮孔布置示意图如图4所示。

表1 烟囱拆除工程爆破参数Table 1 Blasting parameters of chimney demolition project

3 安全防护措施

3.1 爆破振动控制

3.1.1 振动防护措施

在烟囱与被保护建(构)筑物之间且离爆源一定距离外开挖减震沟可以有效地减小爆破振动。根据周边勘察情况，本次烟囱爆破主要保护东侧35 m围墙外城市燃气管道，45 m处为居民楼。为减少爆破振动和烟囱倒塌触底振动对城市燃气管道产生影响，在烟囱东侧距离围墙1 m出开挖减震沟，减震沟底2 m，顶宽3 m，深3 m，开挖长度约100 m。

为进一步减少烟囱倒塌过程中触地产生的触地振动，根据物理学动量和冲量原理，在物体与地面之间搭设缓冲物，使物体触地时间增长，速度减小，动量减小，使得接触地面瞬间冲量减小。因此，根据动量和冲量原理在倒塌正方向布设3道缓冲堤，当烟囱倒塌后会为缓冲堤的横向扩张提供补偿空间，使烟囱倒塌触地整个缓冲时间变长，降低的触地的瞬间速度，烟囱动量减小，转化成触地冲量减小，很好的降低了烟囱触地振动。

缓冲堤沿倒塌中心线从塔基边缘算起距离40 m、60 m处各布设一条。每道长30 m、宽3 m，高度依次为2 m、2.5 m。每道缓冲堤外围用双层沙包墙堆砌，缓冲堤中间为空(间距1 m)，缓冲堤平面见图5。

3.1.2 振动校核

需要对爆破振动和触地振动进行验算，保证周围受控建(构)筑物在爆破拆除过程中振动处于安全阈值之内[7,8]。

(1)爆破振动

根据公式

烟囱距需保护距离为35 m左右，取R=45 m；根据经验取K=100，α=1.5；Q次最大起爆药量，根据装药设计，Q取24.8 kg。现场采用双层防护和减震带防护K1取为0.5。

即V=0.5×100×[24.751/3/35]1.5≈1.8 cm/s

按照GB6722—2014《爆破安全规程》取周边设施最大允许振动速度取为2 cm/s，可见爆破时产生的振动能够满足安全要求。

(2)触地振动

由中科院力学所公式

式中：Vt为振动峰值速度,cm/s；倒塌方向采用三排减震堤，Kt取0.5；β为衰减系数，取1.5；σ为塌落地面介质承载极限强度，取10 MPa；R为质心至计算点的距离,m。该烟囱总质量M约1280 t，重心h为30 m，得到不同距离的塌落振动速度计算值如表2所示。

表2 塌落振动速度计算值Table 2 Calculation value of collapse vibration speed

塌落触地点距离管道45 m，距离民房60 m，经测算均小于安全允许阈值，因此塌落体的触地振动不会对周边受控对象造成危害。

3.2 爆破飞石及冲击波控制

为减小爆破飞石，对烟囱爆破切口布孔部位采用胶皮网双层防护。对布孔部位采用双层胶皮网包裹捆扎，如图6所示。在烟囱东侧厂区内距离围墙不低于10 m、东南侧处搭建9 m高钢管排架，长度100 m，在倒塌正前方紧邻需保护厂房搭设长40 m，高9 m钢管排架，搭设总长度合计140 m。排架外挂双层草垫，防止爆破飞石、触底飞石以对被保护建构筑物造成损伤。

由中科院力学所公式

式中：Vf为个别飞石的初速度，m/s；Qd为设计中单孔装药量，取0.1 kg；W为最小抵抗线，取0.3 m；g为重力加速度，取9.8 m/s2；Smax为个别飞石最大飞散距离，m；f1为介质系数，被爆介质为混凝土结构系数取9.5；f2为防护系数，一层防护取2，两层防护取1，三层防护取0.5；θ为飞石抛射角，设计中取5°。爆破设计中在布孔部位采用胶网双层防护，同时在东侧和西南侧搭设钢管排架，在钢管排架上面覆盖双层草垫，防护系数取f2=0.05。

根据上述公式计算可得:最大飞石距离为Smax≈19.2 m，满足安全要求。

3.3 安全警戒

按照技术设计进行上述各项减震、防飞石措施。起爆网路经现场爆破技术人员检查无误后方可起爆。起爆前，明确划定安全和警戒位置，以烟囱触地点为中心周围100 m范围为警戒范围，100～200 m范围内的居民全部疏散撤离，200 m以外的居民在爆破时不允许站在楼顶、阳台等无遮挡处，共设立十一个警戒点。爆破警戒区域如图7所示。

4 试爆及爆破参数优化

选取烟囱左侧离定向窗1 m位置处7个外墙炮孔(呈2、3、2排列，共三排)，4个内衬炮孔(呈2、2排列，共两排，与外墙炮孔位置对应)进行试爆，内墙炮孔装药50 g，外墙炮孔装药80 g，爆破后，外墙混凝土表层未完全脱笼，内墙脱落，说明药量明显偏小，经过人工锤击后发现混凝土部分未破碎厚度达5 cm，现场检查原因为钢筋笼距离外壁表面近，在爆破时炸药能力大部分向烟囱内部释放，未能使钢筋混凝土完全脱笼。为保证爆破效果，随之在烟囱试爆位置右侧1 m处进行二次试爆，外墙和内墙装药量分别为100 g和80 g，此次试爆爆破效果良好，混凝土全部脱笼，内衬装药位置全部塌落。爆破效果如图8所示。

5 爆破效果分析

如图9所示，起爆后2 s，烟囱按照设计方向倾倒，4 s后烟囱整体偏移2°后发生下坐，倒塌方向后侧支撑部分触地，切口闭合，随后速度加快倾斜，11 s后烟囱倒塌至缓冲堤上，整个爆破倾倒过程持续约11 s。从烟囱爆破录像中分析得到，烟囱在倾倒一定程度后发生下坐现象，主要是预留支撑体及切口下方筒体强度不够，不能继续支撑切口上部筒体重量，同时，烟囱定向窗切口角度过大，使得烟囱在倾倒过程中定向窗不能在前期闭合，烟囱整体下坐。

爆破后烟囱切口至以上30 m筒体部分破碎，30 m以上筒体全部摔成扁平状或碎块，烟囱在倒塌中心线上的最大塌散距离为78 m，横向最大塌散宽度为10 m，爆堆集中。在缓冲堤和减震沟的共同作用下，经监测结果倒塌触地振动在距离50 m处测得数据为0.45 cm/s，对周边房屋和管道没有造成任何不利影响。同时，经过爆后勘察，爆破飞石和触地飞石没有对倒塌侧方和后方的居民房屋造成破坏，通过录像分析，最大飞石距离为20 m。