非對稱定向窗爆破拆除煙囪的施工技術

孫俊鵬，繆玉松，周衍明，陳 新

(大連經濟技術開發區金源爆破工程有限公司, 遼寧 大連市 116600)

0 引 言

隨著國家“上大壓小，節能減排”政策的號召與落實，一批污染大、能耗高的暖氣供熱中心相繼關停轉產[1]。需將其配套的煙囪及廠房設備進行拆除重建，一般廠房設備大多采用機械拆除的方式進行拆除。煙囪由于高度較高，周圍環境復雜，受拆除機械臂長的影響，大多采用控制爆破定向倒塌的方式進行拆除。“定向倒塌”的設計原理主要是在倒塌方向的中心線方向上，開設對稱的大于周長1/2的爆破切口，使煙囪在其重力的作用下，發生失穩和破壞，迫使其按預定方向、范圍倒塌。然而，對于結構對稱、支撐點不對稱的高聳煙囪進行拆除爆破時，難以通過預拆除的手段消除煙道口處的應力集中。此時，可通過非對稱定向窗減弱煙道口的影響。結合85 m高鋼筋混凝土煙囪拆除爆破，采用非對稱定向窗成功消除了煙道口處應力集中的影響，具有一定的指導意義。

1 工程概況

大連金源供熱中心的改造需將供暖煙囪拆除。煙囪高85 m，鋼筋混凝土結構，底部外直徑5.0 m，壁厚56 cm，煙囪內襯耐火磚厚度24 cm，筒壁與耐火磚之間填充耐火材料厚度5 cm。采用雙排配筋，其中橫向箍筋為170根Φ25 Mn，間距50 cm；縱向立筋156根Φ20 Mn，間距10 cm。在底部南側有一高1.8 m、寬1 m的煙道口，整體重量約970 t。

待拆煙囪周圍環境復雜，北側50 m處是廠房，南側4 m處是鍋爐房，西側5 m處是廢棄廠房，30 m處為金源西街，煙囪東北方向100 m處有一收購站。周圍環境見圖1。

圖1 周圍環境示意

2 爆破方案

煙囪拆除常用的方案有定向倒塌、折疊倒塌、原地倒塌[2]。因折疊倒塌和原地倒塌工程施工復雜、工作量大、勞動強度高，一般在煙囪高度不超100 m、有足夠倒塌空間的情況下不采用這兩種方案，該煙囪選用定向倒塌方案。并考慮煙囪倒塌后可能會產生0.1～0.2倍高度的前沖，1～3倍外徑的側向拋散，經現場測量勘查，在煙囪東偏北50°有100 m長的空地，可作為倒塌方向。

2.1 爆破切口長度

爆破切口的長度直接決定著爆破切口的角度[3]。切口過小，會使支撐體保留面積太大，煙囪產生后座不能順利倒塌；切口過大，會使支撐受力點減少，切口產生后，傾倒方向難易控制。因此，切口長度對控制煙囪倒塌方向有著直接的影響。根據工程經驗，切口長度一般為周長的1/2～3/4，同時考慮煙道口的影響，本次爆破缺口圓心角取220°。

爆破切口高度是保證煙囪能否按預定方向倒塌的重要參數之一。工程實際中，常以3～5倍的壁厚為基準進行計算，同時也要考慮煙囪自身的性質[4]。由于煙道口高度為1.8 m，考慮煙道口四周可能產生應力集中，故取小值，切口高度取1.5 m。

2.2 定向窗

在煙囪拆除爆破中，爆破定向窗的設計對傾倒方向的控制具有至關重要的作用[5],煙囪定向窗1處有一煙道口，煙道口為磚砌-砂漿澆灌而成，煙道口的存在，改變了煙囪周圍應力的均勻分布，使得煙囪在煙道口處的抗壓、抗拉強度得到一定程度的增強，如果按照常規布置對稱定向窗，則在煙道口處會產生應力集中，致使定向窗兩側受力不均，由兩側同時受壓轉化為一側受壓、一側受拉，形成強大的扭轉力矩，使倒塌中心軸由原來的AB偏向至ab(如圖2)，極有可能發生意外。支撐體橫截面形狀決定其抵抗強度[6]，近似的用下式進行計算：

(1)

式中：KR—支撐體截面抗壓強度，MPa；

S—支撐體截面面積，；

h—支撐體高度，m；

a—混凝土抗壓強度，Pa；

b—鋼筋抗壓強度，Pa；

u—支撐體截面周長，m。

計算得出支撐體1所承受的抗壓強度為14.4 MPa；支撐體2所承受的抗壓強度為9.75 MPa。對支撐體進行簡化計算，支撐體1以支柱的形式承受支撐體2面積上所承受的壓力。為保證預處理作業后保留有足夠的支撐面積，并盡可能降低煙囪自重在煙道口處導致受力集中而影響倒塌方向，確保煙囪按設計方向倒塌。嘗試使用大角度定向窗，設計定向窗1處定向角度為30°，通過等效受力計算確定定向窗2角度為35°。

2.3 爆破參數設計

爆破參數的選擇決定了爆破效果和質量，合理爆破參數的選擇，不僅要考慮爆破體自身的影響，還要綜合爆破參數間的影響及施工的方便，綜合考慮各方面因素的影響，設計爆破參數如圖3所示。

3 安全校核及防護

3.1 安全校核

(1) 支撐強度校核。構筑物斷裂的條件是支撐面所受的壓應力超過支撐材料所能承受的最大抗壓強度。定向窗和導向窗切除后，切口所留的支撐面積S=3.5，煙囪在支撐面上的壓應力可近似用下式計算：

σr=p/s

(2)

式中：p—煙囪的重力，N。

計算得支撐面上的壓應力為2.86 MPa，小于支撐面上的抗壓強度9.75 MPa,可滿足煙囪的支撐條件。

圖2 切口截面布置

圖3 爆破設計示意

(2) 扭曲強度校核。扭曲強度主要是指靜風風壓作用于煙囪面上，對支撐面所產生的剪應力，煙囪的表面積可由下式求得：

(3)

結合(2)式求得作用于支撐面上的拉應力為0.097 MPa，小于混凝土的抗拉強度1.2 MPa。滿足在6級風力作用下的扭曲強度。

(3) 觸地振動校核。煙囪爆破拆除倒塌振動速度常用下式計算[7]：

V=K[(MgH/σ)1/3/R]β

(4)

式中：V—煙囪倒塌觸地所引起的地面振動速度，cm/s；

M—煙囪倒塌部分的質量，t；

g—重力加速度，9.8 m/s2；

H—煙囪的質心高度，m；

σ—倒塌地面介質的破壞強度，取10 MPa；

R—倒塌中心距離振動點的距離，m；

K、β—煙囪倒塌振動的衰減系數和指數，K=3.37～4.09，取3.5,β=1.66～1.8，取1.7。

按R=45 m進行計算，求得煙囪觸地振動為1.05 cm/s。滿足房屋對振動的要求。

3.2 安全防護

本次爆破中主要考慮爆破飛散物、沖擊波、振動所產生的危害，同時還應對煙囪倒地后產生的飛石和碎塊采取必要的防護措施[8]。

(1) 對被爆體內所有炮眼進行覆蓋，先用草柵覆蓋3層，用鐵絲夯實后，在外層加蓋一層鋼絲網，最外層再用草柵覆蓋，以阻擋飛散物和爆破飛石的危害。

(2) 將鄰近建筑物附近的門窗打開，以減少爆破沖擊波的影響。

(3) 為減低觸地振動和減小碎石的飛濺速度，在煙囪倒塌方向設置緩沖帶。煙囪垂直倒塌在緩沖帶上，沒有引起碎石的飛濺。

(4) 由于待拆除煙囪地處居民區，須對周圍居民提前清場，爆破前，請有關部門協助警戒。

(5) 爆破前在緩沖帶上灑水降塵，減小煙塵和空氣微粒的危害。

4 爆破效果與分析

(1) 起爆前，對風向和風速進行測試，風向和風速均在計算的允許范圍內，保證了煙囪在傾倒過程中兩側受力的均衡性。

(2) 起爆后約11 s，煙囪按照設計的預定方向倒塌，落入緩沖帶。煙囪高度25 m以上摔成扁平狀，鋼筋和混凝土分離，以下部位保持圓筒狀。

(3) 由于爆破前在緩沖帶上進行了灑水降塵處理，爆破后沒有飛散物，產生煙塵較小。

(4) 對爆破振動進行了監測，所測得的最大振速值為0.67 cm/s，小于理論計算值，說明緩沖帶起到了較好的降振作用。

參考文獻：

[1]夏衛國，曾 政.海口華能電廠150 m高鋼筋混凝土煙囪控制爆破拆除[J].爆破,2011,28(1):71￣73.

[2]金驥良,顧毅成,史雅語.拆除爆破設計與施工[M].北京：中國鐵道出版社,2004.

[3]王 晨,高文樂,方昌華,等.100 m高鋼筋混凝土煙囪的雙向折疊爆破拆除[J].工程爆破,2010,16(3): 68￣71.

[4]夏衛國,史長猛,武雙章,等.諫壁電廠三座100 m高鋼筋混凝土煙囪爆破拆除[J].爆破器材, 2011,40(2):36￣38.

[5]馮叔俞,呂 毅.城市控制爆破[M].北京：中國鐵道出版社.1987.

[6]史家堉,程貴海,鄭長青.建筑物爆破拆除理論與實踐[M].中國建筑工業出版社.2010.

[7]周家漢.爆破拆除塌落振動速度計算公式的討論[J].工程爆破,2009,15(1):1￣4.

[8]路 亮,龍 源,謝全民,等.高層樓房爆破塌落振動對周圍目標影響的測試與分析[J].爆破器材, 2010,39(2):1￣3.