大孔径爆破拆除复杂结构石灰窑应用实践

司士营

(浙江安盛爆破工程有限公司，绍兴 312000)

为响应国家“去除过剩产能，保护生态环境”的号召，蚌埠市高新区天河科技园近年来相继对辖区内的多座高污染石灰窑、砖窑和碎石场实施关停、爆破拆除。其中，增和新型石灰窑厂的两个窑体中间有角钢楼梯连接，窑体和基础内外构造复杂。在建(构)筑物的爆破拆除工程中，常规均按照“多打孔，少装药”的经典理念而采用小孔径浅孔爆破[1]，在国内已经开展了少量孔径小于φ35的小孔径爆破拆除技术研究，甚至在国外出现了φ22、φ28、φ32孔径的钻机用于拆除爆破[2]。大孔径在拆除爆破工程中的应用，以往在城市高架桥爆破拆除[3]、铁路线侧岩墙爆破拆除[4]、大型混凝土基础爆破拆除[5,6]、水下围堰爆破拆除[7]、桥梁或桥墩爆破拆除[8,9]、高层楼房的爆破拆除中出现过[10]，在类似于石灰窑等高耸类构筑物的爆破拆除工程中鲜有尝试。此处根据现场钻孔难、工期紧的工程实际情况，采用大孔径钻孔成功对两连体石灰窑实施爆破拆除，为蚌埠市大汉文化产业园的规划建设扫除了障碍。

1 工程概况

1.1 石灰窑结构

1.1.1 总体结构

石灰窑由石灰窑窑体、基础和附属钢结构组成，总高度36.5 m，两窑体顶部之间有钢框架连接，中间有用于人员上下的角钢楼梯连接，每个窑体基础北侧都有宽3 m、深10 m、高3 m的进料通道深入筒体下部的基座内，两窑体基础边缘最近距离3.2 m(图1)。

图 1 石灰窑整体实拍图Fig. 1 Picture of the lime kiln

1.1.2 石灰窑窑体结构

窑体外表面为12 mm厚钢板围成的金属外壁，高32 m，直径11.5 m，内壁为耐火砖，金属外壁和耐火砖内壁之间填充的材料为黄土。整个石灰窑窑体空腔底部直径3 m，中部直径为7 m、上部直径为3 m，空腔形状类似于一个树立的橄榄球，底部出口连接出料通道内的铁炉，底部壁厚4.25 m。

1.1.3 石灰窑基础结构

基础为钢筋混凝土和砂浆砌石复合结构，高4.5 m、东西长12.2 m、南北宽12 m。靠近临空表面为钢筋混凝土基础，配筋为φ25钢筋，基础内部为孔隙率较大的砂浆砌石结构(图2)。

图 2 石灰窑基础横断面结构图(单位：cm)Fig. 2 Cross section of the limestone kiln foundation structure(unit:cm)

1.2 周边环境

爆破环境良好。东侧30 m为简易房、北侧30 m为简易房(待拆除)，四周为开阔地带，500 m范围内没有需要保护的目标，石灰窑四周无地下管线需要保护。爆破环境见图3。

图 3 石灰窑周边环境示意图(单位：m)Fig. 3 Schematic diagram of surrounding environment of the limestone kiln(unit:m)

2 施工难点

(1)由于工期紧，窑体较高，风险大，无法预先人工拆除角钢楼梯和顶部框架钢结构，从而使两连体石灰窑变成两个孤立的石灰窑窑体分别拆除[11]。

(2)无法采用特种爆破方式对金属外壳实施聚能切割爆破(根据联系结果，需要10 d才能到货，工期不允许)；且金属钢板抗拉强度大，即使对筒体爆炸出缺口，也难以保证窑体顺利倒塌。

(3)窑体基础结构复杂,钻孔易卡钻，装药易卡药,施工困难，效率低，效果无法保证。

(4)石灰窑基础方量达650余m3，高度仅4.5 m，爆破抛渣极困难，使石灰窑的倒塌存在不确定性。

(5)石灰窑图纸缺失，无法判断石灰窑各部位的准确结构和尺寸。

3 爆破施工方案

综合爆破体的复杂状况，确定采用机械预拆除和爆破拆除相结合的方案，对石灰窑一对两连体窑筒同时实施爆破，一次性拆除。

3.1 倒塌方向的选择

如果两个窑体是孤立的对象，则可以利用出料口的挑空，向垂直于出料口方向倒塌，但如今两个窑体是有钢结构相互牵制的两连体，因此倒塌方向只能选择垂直于两个窑体排列的南北向。鉴于石灰窑北侧场地开阔，无被保护对象，且两窑体出料口相对设置，分别朝向东北和西北。因此，定向倒塌方向确定为北向。

3.2 钻孔机具的选择

目前，在拆除爆破工程施工中，炮孔直径大多采用38～44 mm，我们称之为小孔径[12]，钻孔机械为手持式风动凿岩机，主要基于其钻孔设备简单，可以降低单段起爆药量，从而降低爆破振动，炸药能在起爆体内更加均匀分布，增加破碎效果等优点。同时该方法也有诸多弊端：钻孔数量多，人工劳动大，施工效率低，起爆器材用量大，网路复杂不易检查等[13]。一般认为孔径大于70 mm即称为大孔径，大孔径爆破由于药量太过集中，爆破飞石和振动不易控制，在拆除爆破应用较少。但大孔径爆破也有其独特的优势：钻孔数量少，液压钻机施工效率高，装药速度快，雷管用量小，节约成本，药包类似于集团装药可最大限度置于结构中央[3]。考虑到该石灰窑爆破部位基础仅靠近临空面为钢筋混凝土结构，内部砌石孔隙率大,采用手风钻易卡钻,极易耽误工期。而大孔径潜孔钻遇到结构不完整的部位可以采用胶泥护壁等措施钻进。因此本工程选用φ90潜孔钻机钻孔，保证了钻孔质量取得了良好爆破的效果。

3.3 施工总体部署

第一步将基础北部(设计倒塌方向)3 m宽度采用液压破碎锤先行破碎拆除(靠基础顶部的斜角破碎头很难够到，可以保留，既可以减少工作量，又可以保证结构稳定)，以利于爆渣抛出，确保石灰窑顺利倒塌；第二步将位于石灰窑正下方的中间5 m宽度基础采用爆破方式拆除，剩余的南部3 m宽度基础作为预留支撑，使石灰窑失稳倒塌(图4)。

图 4 石灰窑拆除部位横断面及实拍图(单位：cm)Fig. 4 Cross section and actual photo of the demolition part of the limestone kiln(unit:cm)

4 爆破技术设计

4.1 爆破切口设计

4.1.1 爆破切口位置

根据现场施工条件、结合石灰窑结构特点，为便于施工，确保爆破顺利实施，爆破切口位置选择在复合基础(见图4)。

4.1.2 爆破切口形式

为了能够满足窑体的倒塌要求，防止前冲，保证定向准确，以及施工的方便和减少药孔数量，采用正梯形复合切口[14]。

4.1.3 切口长度

切口长度的大小决定切口形成后窑体能否实现偏心失稳，如果切口过大可能导致余留部分没有足够的支撑力而使窑体倒塌方向失去控制，甚至出现后座和反向倒塌，反之可能出现倾而不倒的情况。烟囱水塔等筒形高耸构筑物爆破范围一般为筒壁周长的1/2～2/3,相对应的圆心角一般为180°～240°[12]。以此为参考，该窑体复合基础设计切口自北向南深度为8 m，石灰窑窑体为直径11.5 m的圆形，周长36 m，保留部分对应窑筒的圆心角为139°，切口对应窑体弧形长度为22.1 m，对应的窑筒的圆心角为221°，属于180°～240°的范围，符合石灰窑的倒塌需求。因该石灰窑基础较窑体略大，且有钢筋混凝土浇筑，因此根据以往经验，该切口圆心角取值足以保证保留部分支撑窑体，不会发生后座现象(见图5)。

图 5 石灰窑基础切口对应窑体弧度图(单位：cm)Fig. 5 Radian diagram of the limestone kiln foundation cut corresponding to kiln body(unit:cm)

4.1.4 切口高度

切口高度设计应确保爆破拆除时炸药爆炸瞬间爆渣要能抛出爆破体，且切口形成后在切口上下沿闭合时窑体重心已偏离出窑体承重面，以防止倾而不倒或者因切口闭合碰撞导致窑体倾倒方向发生偏离。切口高度Hp根据以往经验按下列公式确定

Hp≥(1/6～1/4)D

(1)

式中:Hp为切口高度，m；D为切口位置窑体外径，m。

按上式计算，切口高度Hp=1.92～2.88 m，为保证倒塌的可靠性和机械施工的便利性，实际切口高度取石灰窑基础的高度，即Hp=4.5 m，更能够保证窑体重心移出窑体之外，形成足够大的倾覆力矩，有利于倾倒。

4.2 机械预拆除

钻孔作业前先行将图4所示机械拆除部分用液压破碎锤破碎拆除，并用挖掘机将碎渣清理干净，为爆渣提供抛掷空间，进一步探明石灰窑基础内部结构。

4.3 爆破参数设计

(1)炮孔直径φ：90 mm

(2)最小抵抗线W：取1.2 m

(3)炮孔间距a：a=(1.0～1.2)W，取1.2 m

(4)炮孔排距b：b=(0.85～0.9)a，取1 m

(5)孔位孔向：钻孔方向主要选择在石灰窑倒塌方向侧面，即东西向穿孔，水平孔(图6)。考虑到石灰窑基础属于不均质基础，内部孔隙率大，还有孤立的小碎石分布其间，钻凿出的孔壁不光滑，装药难度大，易卡药，为保证能足量装进设计的药量，实际施工中在侧面按设计钻孔的同时，也在倒塌正面(即北侧)钻凿部分辅助炮孔，辅助炮孔孔深根据现场实际确定，1～4 m不等，药量根据现场实际情况，依据技术经验确定，控制在1～5 kg。

图 6 石灰窑炮孔位置示意图Fig. 6 Schematic diagram of blast hole position

考虑到出料口为石灰窑内部提供了临空面，且两窑体之间空间狭窄(仅3.2 m)，不利于潜孔钻机作业和移机。因此，钻孔方向依据出料口方向设置，东面水平孔垂直于作业面；西面水平孔斜交于作业面，炮孔倾斜度以平行于出料口走向为准(图7)。

图 7 石灰窑炮孔位置截面图(单位：cm)Fig. 7 Cross section of blast hole position(unit:cm)

(6)炮孔深度L：孔深取钻孔处基础厚度减去1/3W。经计算

东面：第一排L=5.6 m(最北侧)

第二排L=4.6 m

第三排L=3.6 m

第四排L=2.6 m

西面：第一排L=6.3 m

第二排L=4.3 m

第三排L=2.3 m

(7)填塞长度及材料 填塞长度LT：取LT=0.5 m，填塞材料采用可手握成型的胶泥堵塞，并捣填密实。

(8)单孔药量Q1：Q1=qabL1

式中，Q1为单个孔装药量，kg；q为单位体积耗药量，g/m3，考虑到该石灰窑的实际情况，结构不均质，形状不规则，且基础内砂浆砌石有较多孔隙，会产生爆炸泄能的不利影响。外部是钢筋混凝土结构有较强的支撑功能。要保证爆渣能完全抛出，确保切口完全形成，要适当加大药量，并加强防护，根据经验单耗取q=2.0 kg/m3；a、b为药孔的孔距及排距，m；L1为每个炮孔处的基础壁厚，各排不一。

具体药量计算如下：

东面：第一排Q1=14.4 kg

第二排Q1=12.0 kg

在房屋建筑施工的过程中，如果地基打的不牢靠，会对施工人员和未来的用户的生命财产安全造成极大的威胁。所以在施工的过程中就应该更加重视地基处理技术，从根本上保护地基的稳定性，只有这样才能切实保证施工人员以及使用者的生命财产安全。

第三排Q1=9.6 kg

第四排Q1=7.2 kg

第五排Q1=9.4 kg

西面：第一排Q1=15.1 kg

第二排Q1=10.3 kg

第三排Q1=5.5 kg

(9)炮孔个数：东面上下每排三孔，共五排，第五排两孔，共14孔；西面上下每排三孔，共三排，共9孔。两个石灰窑体共(14+9)×2=46孔。

(10)炸药选用：选用32 mm乳化炸药，每三支并排用胶布缠绕成束，用竹片捆绑成直列装药，线装药密度约为2.8～3.0 kg/m。

(11)炸药量：经计算每个石灰窑基础设计用药241.1 kg，两窑体共计需482.2 kg。经完工之后统计，现场实际装药量为576 kg，多装的炸药集中在石灰窑北侧正面及钢筋密集部位的辅助炮孔。

(12)雷管个数：300发。

4.4 起爆网路设计

采用非电塑料导爆管起爆系统起爆，做到安全、可靠、准爆。网路形式采用多闭合回路的导爆管网路以增加网路的起爆可靠性。

每孔设置2发雷管，主爆孔孔内雷管采用MS-10段毫秒延期雷管，孔外采用MS-5段接力雷管，依次由北向南逐排起爆(见图8)。北侧正面辅助炮孔采用每孔双发MS-1、MS-3段雷管，最早引爆。

图 8 石灰窑起爆网路示意图Fig. 8 Schematic diagram of detonation network

4.5 爆破安全设计

高耸类构筑物拆除爆破时需特别控制的爆破危害效应主要包括爆破振动、塌落振动和爆破飞石[15]。由于本次爆破环境较好，大孔径爆破，单耗较高，有害效应主要应考虑爆破飞石。

(1)爆破振动校核

根据萨道夫斯基公式计算爆破振动速度

(2)

式中：V为质点最大振动速度，cm/s；Q为一次齐爆的最大药量，kg；R为最大一段齐爆药量的几何分布中心到邻近被保护物的距离，m；K、α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。此工程取K=160，α=1.6。

根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)，一般民用建筑物的安全振动速度为2～2.5 cm/s。

按照200 m距离计算，在此距离上其振动速度为0.91 cm/s。因此，爆破地震波危害可不予考虑。

(2)爆破飞石

大孔径、高单耗拆除爆破极易产生飞石，控制飞石防护措施为安全设计的第一要务。为将爆破飞石飞散距离控制在一定距离内，应对爆破部位进行重点覆盖防护。覆盖物采用双层竹笆片，铁丝环绕捆扎牢固，倒塌方向正面增加悬挂专用炮被，可有效控制爆破飞石的飞散距离，个别飞石不超过100 m。

5 爆破效果分析

本工程自5月3日中午签订合同并开始实施，于5月5日下午成功实施拆除并完工，前后仅用了2.5 d的时间，效率显著。起爆后两连体石灰窑按预定方向同时顺利倒塌(图9)，塌落后充分解体，爆堆集中。未产生前冲和后座现象，200 m处的起爆点无明显震感，爆破飞散物最远未超过100 m，达到了预期的爆破效果。

图 9 石灰窑倒塌过程图Fig. 9 Collapse process diagram of the lime kiln

6 结语

大孔径爆破拆除在工期要求紧、小直径炮孔不易钻凿或者不具备手风钻设备条件时，是一种极佳的备选方案，待拆除高耸类构筑物有大体积混凝土(砌石)基础时优势明显。但由于单孔药包相对比较集中，须严密堵塞、加强防护，防止爆破飞石。

对于烟囱水塔等空心薄壁类高耸构筑物，由于堵塞长度短，采用大孔径爆破拆除易产生爆破飞石。在环境较好时，仍需要双层防护或在附近再搭设防护排架拦截防护，并加大警戒距离；在闹市区或环境复杂时不建议采用。