100 m高钢混烟囱小倒塌夹角拆除爆破

李玉景，赵 文，张宝亮，倪吉伦，王付景

(贵州开源爆破工程有限公司，贵阳 551400)

对于高耸建构筑物的拆除工程，相比于人工拆除和机械拆除法而言，爆破法因其具有安全高效等优点，而获得广泛的应用，尤其是烟囱的爆破拆除。尽管烟囱爆破拆除已经是一项比较成熟的工程技术，但是由于每个烟囱的大小尺寸和结构及周边环境都有巨大差异，实际施工时需要控制的风险点较多，因此采取的技术措施和风险防控手段有较大差别。这就要求在设计烟囱爆破拆除的方案时，要综合考虑其自身结构和周边环境，确定合理的倾倒方向、炸高和爆破切口的位置等。

对于烟囱拆除爆破的研究与实践较多。余红兵等[1]基于贵阳轮胎厂的烟囱爆破实践，分析认为自身较重的钢混烟囱切口圆心角可缩小至210°，以降低侧翻后坐风险；张英才等[2]对240 m高钢混烟囱爆破效果分析后认为，烟囱倾倒产生3.9°的小偏差是由于底部中心线一侧支撑筒体长期受风化作用，强度变弱导致支撑不足所致；邢光武等[3]在砖烟囱拆除时使用爆破方式开凿定向窗，降低了劳动强度，缩短了开凿时间；沈朝虎等[4]通过量纲分析和模拟试验预测烟囱飞溅物距离，提出塌落场地为泥浆夹石时应特别注意钢混烟囱引起的触地飞溅问题；王宇等[5]以摄影结合应变测量技术探究了烟囱下坐和断裂过程中的力学特征和破坏过程。根据大量施工经验和相关文献[6-8]，钢混烟囱拆除爆破常见的风险主要有倒塌过程上部筒体断裂、倒塌角度偏移、触地振动及飞溅物、筒体的前冲或后坐、薄壁小填塞引起的冲击波等。

本文针对山东华金电厂100 m高危废烟囱的复杂环境及其自身结构的复杂性，进行了爆破拆除方案设计，介绍了爆破拆除效果，并分析了倒塌方向偏转3°及产生少量飞溅物的原因，可为同类烟囱的爆破拆除工程提供有益借鉴和重要参照。

1 工程概况

1.1 烟囱结构

待拆除烟囱为钢筋混凝土建筑，建于20世纪90年代，高100 m，底部标高0.0 m处外径8.0 m，顶部外径3.32 m，下部壁厚0.35 m，下部1.2 m至横梁底部标高2.50 m逐步加厚至0.80 m，下部0.00～2.50 m无内衬及耐火砖、隔热层，下部(2.5～10 m)隔热层厚0.08 m，内衬0.24 m。烟囱标高3.38 m处设有钢灰斗，钢灰斗由“井”字形横梁支撑，横梁宽40 cm、高70 cm，烟囱标高3.9 m处设有2个烟道口，烟道口宽2.0 m，高2.2 m，底部清灰口宽1.6 m、高1.8 m。烟囱筒体底部内部纵筋、环筋分布较密，挑头处为20@100，内环筋为12@100，外环筋为20@150。

1.2 周边环境

待拆除烟囱周边环境复杂(见图1)。其西侧距厂房18 m，正北60 m为煤仓过道及发电机组、锅炉房，东北侧85 m处为保留厂房，正东侧70 m处为冷却塔，正南方向20 m处为保留厂房及架空管道，西南方向距离G327国道最近距离145 m。厂区内烟囱附近地面均已硬化，部分区域地下有管线设施。

图1 周边环境Fig.1 Surrounding environment

1.3 工程要求及难点

1.3.1 基本要求

爆破拆除不能破坏周围建筑物主体结构，飞溅物不可损伤周边设备、设施，不能伤害周围人员，不可破坏地下管线设施。

1.3.2 工程难点

1)烟囱为薄壁高配筋率锥形筒体，结构具有较大的强度、较强的抗拉性能，不易钻孔，炮孔填塞小，炸药能量利用率低，易造成空气冲击波。

2)根据现场勘查，仅烟囱东偏北侧区域可供倒塌，倒塌范围夹角仅33°，而两侧建筑物至少应保留10 m以上的安全距离，实际可供倒塌的范围夹角仅21°，因此需严格控制倒塌角度的精准性，将偏差控制在设计中心线两侧5°以内。

3)烟囱烟道口、出灰口、灰斗架等底部结构在设计的倾倒中心线两侧不对称，在切口形成后应力会重新分布，受力情况复杂，可能造成倾倒偏差。

2 爆破方案设计

2.1 倒塌方向选择

设计倒塌中心线为东偏北22°，烟囱中心沿倒塌中心线距离东北侧围墙仅121 m，倒塌中心线距烟囱东侧冷却塔最近距离仅27 m(见图2)。

图2 倒塌区域卫星图Fig.2 Satellite view of collapse area

2.2 爆破切口设计

烟囱爆破切口的设计最为关键，其位置决定了烟囱的倾倒方向，其尺寸形状决定了起爆后烟囱是否能按照设计进行倒塌。因此，切口的设计应遵循环境容许原则和结构对称原则。在预处理时应尽可能使定向窗、卸荷槽(导向窗)沿倒塌中心轴线对称，当在倒塌中心线方向无法实现底部结构对称时，应根据烟囱定向拆除工程特点，结合周围环境实际情况，选择能够满足倒塌要求的方向，或搭设脚手架抬高切口高度，避开底部结构，也有工程使用相似材料配比封堵烟道口、检修门洞，从而实现沿设计倒塌中心线对称。

根据该烟囱结构特点，本工程选择使用正梯形切口，为便于施工，切口位置设置于地面标高以上(见图3～图4)0.4 m处，切口高度2.8 m，切口对应的圆心角216°，底部弧长15.07 m，上部弧长11.87 m；同时充分考虑烟囱现有结构对称性，利用底部现有检修门洞(高1.80 m、宽1.60 m)作为一个导向窗(卸荷槽)，同时在倒塌中心线另一侧对称开凿一个导向窗(卸荷槽)；两侧设直角三角形定向窗，直角边尺寸1.6 m×0.92 m，定向窗外侧同水平方向夹角约30°，定向窗距上部烟道口最小高差2.5 m。

图3 爆破切口Fig.3 Blasting cut

图4 切口展开Fig.4 Unfolded of blasting cut

2.3 灰斗架、内衬耐火砖爆破设计

因烟囱底部标高2.50～3.38 m处有灰斗架及其支撑“井”字横梁，在预处理时使用乙炔焊将灰斗切割拆除，对“井”字形横梁，进行装药爆破弱化其结构强度，钻孔布置如图5所示，①～④位置处各钻3排炮孔，每排2个，孔深0.60 m。底部标高2.5 m以下无内衬及隔热层，而切口标高在0.4～3.2 m，因此耐火砖、隔热层可不做处理。

图5 “井”字梁钻孔布置Fig.5 Drilling layout of “#” beam

2.4 预处理

预处理主要为烟囱爬梯、灰斗、定向窗及卸荷槽的处理。烟囱爬梯采用乙炔焊配合吊车切割吊运，灰斗则使用乙炔焊切割后由人工搬运；卸荷槽(见图6)使用破碎锤开凿，并将内部钢筋切割清理。

图6 卸荷槽Fig.6 Unloading groove

定向窗(见图7)的精准与否直接关系烟囱倾倒方向的准确性，因此定向窗的开凿应尽可能保证规整，采用水钻取芯密孔切割方式开凿，取芯直径为90 mm。

图7 定向窗Fig.7 Directional window

2.5 炮孔参数

炮孔同样使用水钻取芯式钻机(可直接切断钢筋)，炮孔直径40 mm，最小抵抗线取该位置烟囱壁厚的一半，炮孔深度取烟囱壁厚的2/3。因烟囱为薄壁结构，钻孔较为密集，孔网参数及单耗取值如表1所示。

表1 爆破参数

2.6 爆破网路

采用数码电子雷管起爆网路。鉴于国内在小断面巷道、小孔网参数延时爆破工程中常出现部分电子雷管拒爆现象，且电子雷管在国内应用于拆除爆破的工程案例很少，同时考虑到该工程使用炸药量较小、炮孔均在地面以上，以及烟囱薄壁结构具有较强的泄能作用、爆破振动造成危害的可能性小，因此采用相同延时起爆，即：炮孔内电子雷管均设置为0 ms延时。

3 爆破安全校核与设计

3.1 爆破飞石防护设计

拆除爆破产生飞石的原因有两个，一是爆破抛掷作用，二是烟囱触地时的飞溅作用。因此，分别按照两类飞石进行防护。

1)爆破飞石防护。不同于岩体松动爆破，烟囱爆破中应彻底粉碎切口内混凝土，因此炸药单耗取值宜便高，而薄壁结构泄能作用强，造成的爆破飞石初始动能大，抛散距离远，尤其是当缺口位置较高时应重点防护。本工程采用3层草垫、3层整块的毛毡布在爆破切口外用铁丝捆扎牢固(见图8)。

图8 爆破切口防护Fig.8 Blasting cut protection

2)触地飞溅防护。由于本钢混烟囱配筋率高，筒体具备一定的抗拉性能，而爆破只对其底部缺口进行作业，顶部虽存在断裂可能，但倒塌过程中烟囱整体不会发生解体，触地瞬间为重量巨大的刚性整体冲击地面，因此应采取措施减缓触地飞溅。

采取在烟囱40 m以上部分的着地区域铺设多道防护土堤方式减缓触地飞溅，最远处土堤(距烟囱轴心110 m)高4.0 m，以阻挡触地瞬间筒体内部气浪夹杂碎石向前抛掷，其余每道土堤高3.5 m、宽4.5～5.0 m，尽可能清除土堤表层杂石，避免使用湿度过大的土，并用推土机压平、夯实。为减少扬尘、减缓土堤内夹石在强冲击下抛散，选择单个尺寸较大的草垫、毛毡布在防护堤表面进行覆盖，草垫、毛毡布各铺3层，层间横竖十字叠压，以提高覆盖物的整体性，增强防护效果(见图9)。

图9 防护土堤Fig.9 The earth embankment protection

3.2 振动校核

大量工程实践监测与理论分析表明：烟囱爆破过程的振动波形主要分为3个阶段，分别是由切口内炸药起爆、烟囱下坐切口闭合撞击及筒体触地冲击，其中振动较大的一般为烟囱的触地冲击振动。

1)爆破振动校核。根据《爆破安全规程》[9]推荐的萨道夫斯基公式进行计算校核：

(1)

式中：v为振动速度，cm/s；K，α为与地形、地质有关的系数，分别取40、1.6；Q为最大单响药量，取31.8 kg；R为齐爆药量的几何分布中心到邻近被保护物的距离，取18.0 m。

经计算，爆破振动校核值v=2.48 cm/s。附近建筑均为工业构筑物，校核振速符合《爆破安全规程》爆破振动安全允许标准值要求。

2)触地振动校核。高大建筑在倒塌触地时，对地面的冲击作用较大，产生的塌落振动一般采用下式计算[10]：

(2)

式中：vp为塌落引起的地面振动速度峰值，cm/s；m为下落结构物的质量，本拆除烟囱为1 200 t；g为重力加速度，9.8 m/s2；H为结构物重心的高度，取35 m；R为观测点至冲击地面中心的距离，取28 m；σ为地面介质破坏强度，取10 MPa；K′、β为与地质地形有关的系数，分别取3.37、-1.6。

计算得vp=4.25 cm/s，根据经验和相关研究，合理设置垫层等缓冲措施可将烟囱触地瞬间的塌落振动峰值降低70%，本工程设置多道堤坝缓冲烟囱触地瞬间的冲击力，缓冲作用对触地振动的折减系数k取50%，可得塌落引起的振动在最近处的待保护建筑校核值为2.13 cm/s，符合标准要求。

4 爆破效果与经验总结

1)起爆后，实际着地中心线向东侧偏转约3°，未损毁周边建构筑物、设施设备，仅距设计倒塌中心线27 m处厂房有数块玻璃破碎。

2)实际着地中心线产生小角度偏差的原因推测为：切口位于烟囱下部，底部结构复杂且不对称，烟囱南侧烟道口位于该侧定向窗上部，最小高度差2.5 m，烟囱在下坐过程中切口闭合后，由于上部烟道口的存在，该侧相比另一侧的支撑强度较弱，从而导致发生微小偏转。由拍摄的视频可以看出(见图10)，爆破初期倾倒方向精准，而后的切口闭合时向有烟道口的一侧微小偏转。

图10 烟囱触地瞬间Fig.10 The moment of chimney touching the ground

3)尽管对缓冲土堤的用土进行了晾晒，对土堤表面进行夯实并加以多层覆盖，但在巨大的冲击作用下仍有飞散物砸坏了近处建筑物的部分玻璃，飞散物主要为未晾晒干的较稀泥巴(见图11)。这点启示我们，在拆除爆破中，当有刚性的大体积结构冲击地面时，应特别关注塌落区域的较稀泥土及饱和泥浆夹石。

图11 泥巴飞散物Fig.11 The flying mud

5 结语

鉴于山东华金电厂100 m高危废烟囱的周边环境和复杂结构，合理设计了爆破倒塌方向和切口、炸高、预处理、安全防控、炮孔参数、起爆网路等技术方案，达到了爆破拆除的预期目的。尽管着地中心线偏转了约3°，而且着地后溅起的少量稀泥巴砸坏了近处建筑物的部分玻璃，但本次爆破拆除总体上是成功的，为业界提供了又一个复杂环境下局部结构不对称的高烟囱爆破拆除的成功案例。