一座40 m砖混结构烟囱的爆破拆除

2021-10-22陈命文潘东瑞李慧新陈恩果

现代矿业 2021年9期

陈命文陈凯潘东瑞李慧新陈恩果

（新疆安能爆破工程有限公司）

1 工程概况

1.1 工程结构

某油建公司一座燃气供暖烟囱因高能耗、重污染而急需拆除，新建新式供暖设施。待拆除烟囱为砖混结构，高40 m，烟囱底部+0.8 m处筒壁外半径为3.2 m，砖混筒壁厚70 cm，无耐火砖内衬；烟囱正南侧+0.5 m处有烟道1个，高2.8 m，宽1.2 m，断面为矩形，烟囱正北侧有一出灰口，高80 cm，宽50 cm。

1.2 工程环境

（1）东面距锅炉房办公室（西面墙无玻璃）5.8 m，地下1 m处为自用采暖管线（ϕ500 mm）和自用供水管线（ϕ35 mm）管沟，上面仅有30 cm盖板覆盖。

（2）南面距风机房6.2 m，距锅炉房12 m。

（3）西面距离大泵房5.2 m，在泵房外墙7 m处有外露自用采暖管线通过。

（4）北面正北处16 m为废料场，并有砖砌围墙（可拆除），围墙外侧50 cm处为自用采暖管线管沟，管沟外侧20 m处为空地，并建有铁栅栏围栏（可拆除），此栅栏外侧为厂区自建柏油路面，道路北侧为大片空地，在道路北侧偏西方向有居民楼一栋，北偏东方向有办公楼一栋（图1）。

1.3 工程特点

（1）烟囱周围的倒塌空间狭小，只有一个正北方倒塌方向可供选择。

（2）施工时间较少，工期紧迫。

1.4 工程要求

（1）施工要求。烟囱倒塌方向必须准确，不得产生后座。要做到文明施工，减少对环境污染。

（2）安全要求。确保爆破施工过程自身安全及相邻环境的安全；控制爆破振动、烟囱落地振动及爆破飞石；烟囱落地飞溅物不得损坏周围保护对象；确保爆破时周边人员和建筑物安全。

（3）工期要求。按施工合同要求必须按时保质保量的完成爆破拆除工作。

2 施工方案选择

目前对高耸烟囱的爆破拆除，通常分为单向倒塌、折叠倒塌和原地坍塌。究竟采用何种爆破倒塌方案，主要取决于烟囱的自身结构和周围环境条件，当周围环境条件较好时，常采用单向倒塌方案；当周围环境复杂时，常常采用折叠爆破。对于折叠爆破，折叠次数越多风险越大；对于原地坍塌方案，其技术难度较高，稍有失误，会有向任意方向倒塌的可能，因此在这里不予考虑。该烟囱高为40 m，其北侧方向在拆除北围墙和废料堆后，有40 m的空间可供烟囱倒塌，因此本工程采用定向倒塌方案［1-8］。

在复杂环境条件下，倒塌方向无法实现结构对称时，应根据烟囱定向拆除工程特点，结合周围环境实际情况，选择能够满足环境许可的倒塌要求方向。

综上所述，结合本工程现状及与业主单位沟通后，决定对40 m高砖混结构烟囱实施一次单向爆破倒塌方案，即在烟囱+0.8 m高处开爆破切口，使烟囱爆破时向正北方向倒塌；对烟囱倒塌范围内的北围墙和垃圾堆机械拆除后，北面有40 m的空间可供烟囱倒塌；烟道缺口在爆破前采用砖混进行封堵，封堵厚度与原烟囱壁厚相同，封堵材料与原烟囱所用材料相同。

3 爆破切口设计［9-11］

爆破切口大小、高低及位置是烟囱能否按设计倒塌的重要保证，因此必须认真测量，先定位后施工。

3.1 切口位置

爆破切口位置的选择要满足以下3个条件。

（1）爆破切口位置、烟囱筒壁厚度、结构受力条件、材料强度等沿切口轴线对称，防止预处理后烟囱偏心失稳。

（2）切口位置预留部分，应有一定的抗压强度，保证定向倒塌方向准确，防止后座。

（3）尽量降低切口位置高度，方便施工作业，避免高空作业，保证施工安全。

根据本工程特点，在烟囱正北侧方向+0.8 m处开爆破切口。

3.2 预拆除

烟道需提前采用机械拆除；为保证烟囱严格按设计方向进行倾倒，事先必须开定向窗、中间窗。

3.3 切口形式

切口形式多种多样，根据经验一般常采用“正梯形”、“倒梯形”“矩形加三角形”等。本次爆破采用“矩形加三角形”组合切口，爆破切口断面详见图2。

3.4 切口尺寸

（1）切口高度H。切口高度是烟囱爆破的重要参数，根据经验公式，其切口高度一般为其开口部位壁厚δ的1.5～3.0倍，即

实践证明爆破切口高度取值大一点可有效防止烟囱在倾倒过程中出现偏转，该处爆破切口高度取H＝1.4 m。

（2）切口圆心角。切口对应的圆心角是保证烟囱定向倒塌的重要依据，根据经验，一般认为当180°≤α≤240°时，烟囱均能倒塌。考虑本次工程施工特点，切口取圆心角α=206°。

式中，d为切口处的烟囱外壁直径，mm。（3）切口弧长L。计算得L=11.5 m。

（4）定向窗参数选择。定向窗角度大小对烟囱倒塌有一定的影响，在目前的爆破中取值大小不一，但均能获得成功。根据经验，角度不宜太小，本次取45°，底边长0.75 m，高0.75 m。

（5）中间窗参数选择。中间窗为矩形，长1.4 m，宽2 m。

4 爆破参数选择

（1）爆破参数的确定。δ为烟囱壁厚δ=70 cm。

抵抗线W=(0.65~0.68)δ=45.5~47.6 cm，取46 cm。

炮孔深度L'=(0.67~0.68)δ，取47 cm。

炮孔间距a=(0.54~0.63)δ，取40 cm。

炮孔排距b=(0.87~1)a，取35 cm。

（2）单孔装药量采用下式计算。式中，q为单位体积用药量系数（即炸药单耗，取1 000~1 100 g/m3）

计算得q=98~108 g，实取q=100 g。

（3）经测算总孔数为100个，总起爆药量为10 kg，分5段起爆，最大单响药量为2 kg。烟囱布孔示意如图3所示。

5 爆破网路

起爆网路是爆破成败的关键，起爆网路设计必须保证每个药包按设计起爆顺序和起爆时间全部准爆。孔内装同厂同批次ms-10非电塑料导爆管雷管，中间窗两侧爆区对称的两排炮孔簇联在一起，孔外ms-3非电塑料导爆管雷管延期组成导爆管网络连接，分5段延时起爆，最大单响药量为2 kg；网路连接见图4。切口爆破面积较大，药量较多，采用分段微差起爆，从倒塌中心向两侧定向窗方向推进，微差间隔50 ms。

6 爆破安全技术校核

6.1 振动效应

（1）爆破振动。采用毫秒导爆管雷管孔外微差延时起爆等技术，来严格控制一次齐爆的最大药量。

一次齐爆的最大药量根据环境的具体要求采用萨氏公式确定

式中，Qmax为一次齐爆的最大药量，kg；v为被保护目标的安全振动速度，cm/s；工业和商业建筑振速取4.5~5.0 cm/s（本工程为浅孔爆破，爆破振动频率应大于50 Hz）；本工程取4.5 cm/s；K为与装药形式有关的系数，控制爆破取K=200；K'为爆破拆除折算系数，在0.25～1.0取值，此处取0.25；α为与地质有关的爆破震动衰减系数，取α=1.8；R为距爆炸几何中心的距离，要求5.2 m范围内无重要防震保护设备设施。

计算得出Qmax=2.5 kg。

本次爆破一次齐爆最大药量为2 kg（<2.5 kg），因此，爆破震动不会对建构筑物造成损害。

（2）烟囱倒塌触地振动［12］。高大建筑在倒塌触地时，对地面的冲击较大，其计算目前尚无科学统一的计算理念和方法，本次爆破借用中人集团的经验公式计算。

式中，vt为塌落引起的地面振动速度，cm/s；M为下落结构物的质量，落地质量为468 t（待拆除烟囱共260 m3，密度取1.8 t/m³）；g为重力加速度，9.8 m/s2；H为结构物中心所在位置高度，取17 m；R为观测点至冲击地面中心的距离，m；Kt、β为根据数座高烟囱爆破拆除实测数据整理分析得出的衰减系数，Kt取值范围为3.37～4.09，β取值范围为1.66～1.88；σ为地面介质破坏强度，对于C30混凝土，取30 MPa。

建筑物落地振动与其结构解体尺寸和下落高度有关，为了减少对地面的撞击作用，控制建筑物落地尺寸十分重要。根据中人集团拆除数座120 m高烟囱实测数据的分析，认为式中的衰减系数取Kt=3.37，β=1.66较为合适，代入式（5）计算得结果见表1。

表1 中振动速度在周围建筑物的允许振动范围内（一般工业和商业建筑安全振动速度速取4.5~5.0 cm/s），本工程烟囱倒塌后的重心位置距建构筑物的距离均在20 m以上，依据类似工程施工经验，在烟囱倒塌方向地面设置缓冲带等措施，可使振动减少70%以上，由此塌落物的振动完全在可以控制的安全范围内。

烟囱触地后会产生强烈的震动及落地飞溅物，在烟囱倒塌方向铺设缓冲带是减低烟囱触地振动，减少烟囱触地砸起飞溅物的重要举措。本次爆破设计在倒塌范围内需保护的管沟上方铺垫缓冲堤，缓冲堤用沙袋垒垫（2.5 m宽×1.5 m高）。

6.2 爆破个别飞散物校核及措施［13］

控制爆破个别飞石最大飞散距离，按《爆破计算手册》中的经验公式计算:

式中，s为无覆盖条件下拆除爆破飞石飞散距离，m；k为拆除爆破的单位炸药消耗量，取1.1 kg/m3。

根据上式计算得s=63.6 m，此计算值是在无任何防护情况下的最大飞石距离，在实际爆破中，由于采用建筑用网、棉被、铁丝网等进行近体防护，能够有效控制飞石逸出。

烟囱爆破一般采用较大的炸药单耗，易产生飞石，故多采用严格的防护加以控制。本次爆破防护的重点是切口的爆破部位，在布置有炮孔的烟囱外壁覆盖2层建筑用尼龙网，外层再覆盖一层棉被，然后用铁丝网扎紧，通过多次工程实践，采用上述方法进行防护后，可防止爆破飞石对周围建筑物造成危害。此外，在烟囱爆破切口和泵房、办公室之间搭设钢丝网加草苫（棉毡）进行近体防护，可增强防护效果。