120m超高塔架式鋼結構煙囪定向爆破拆除

孫 飛， 龍 源， 紀 沖， 譚 靈， 高福銀， 余家楊

(解放軍理工大學 野戰工程學院， 南京 210007)

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120m超高塔架式鋼結構煙囪定向爆破拆除

孫 飛， 龍 源， 紀 沖， 譚 靈， 高福銀， 余家楊

(解放軍理工大學 野戰工程學院， 南京 210007)

摘要：介紹了一座120m高鋼結構煙囪的定向爆破拆除工程。通過對煙囪自身結構特點及周圍環境的分析，合理的選擇爆破切口、爆破參數、延時起爆網路及安全防護等技術措施。為了確保起爆后煙囪沿設計方向順利倒塌，預先對爆破部位鋼板進行機械切割預處理，并針對各爆破部位鋼板形狀設計出相配合尺寸的聚能切割器。爆破拆除的鋼結構煙囪倒塌在設計范圍內，四周建(構)筑物和設施完好無損。該煙囪的爆破拆除在安全和質量上都達到了預期效果，可為類似爆破工程提供經驗。

關鍵詞：鋼結構煙囪； 聚能切割器； 預處理； 爆破拆除； 定向爆破

1引 言

從軋制鋼材作為建筑材料以來，鋼結構即成為一種應用極為廣泛的結構，特別是在鋼鐵工業建設中更為突出。與混凝土結構相比，其具有強度高、抗震性能好、自重輕、施工速度快、地基費用省、占用面積小、工業化程度高等一系列優點，在現代建筑中得到廣泛應用〔1〕。我國在上世紀20年代便開始應用鋼結構，目前，許多大型的重工業廠區和基礎經濟建設諸如煙囪、廠房、大型體育場、電視塔等，均采用鋼結構建設而成。對于使用壽命到期或因區域規劃需拆除的大型或高聳鋼結構構筑物，爆破法已成為最有效、最快捷的拆除方法〔2〕。

待爆鋼結構煙囪(高120m)位于上海市寶鋼股份有限公司三號燒結廠區內。由于近年來，三燒結機日益老化，并難以適應環境經營要求，需將其拆除。因工期緊，安全要求嚴，機械拆除難度大，決定采用爆破拆除，這是迄今國內采用定向控制爆破技術拆除最高的一座鋼結構煙囪。

2工程概況

2.1周圍環境

煙囪東北側距離工業管道80m，距離建(構)筑物(空壓機房、鍋爐房)82m；西北側距離架空煤氣管道19m，距離廠區建(構)筑物59m；西南側為拆除空地；東南側距離電纜隧道124m。周邊環境如圖1所示。重點保護對象為距離爆破目標最近的架空煤氣管道。

圖1　周邊環境示意圖Fig.1　Scheme of surroundings

2.2煙囪結構

煙囪由筒身和塔架組成，重心高度約54m。筒身鋼材料為Q235B，共由19節鋼管通過加強螺栓連接而成，總高度為120m，總重約700t。煙囪筒身外半徑、厚度等尺寸見表1。

表1　鋼結構煙囪筒身尺寸

塔架鋼材料為Q345B，高度為108m，其主構件為4根外半徑400mm、厚度為16mm的鋼管立柱，鋼管立柱之間由鋼連桿加強固定連接。鋼結構煙囪的立體圖、平面圖如圖2所示。

圖2　鋼結構煙囪結構示意圖Fig.2　Sketch of steel chimney

3爆破方案與參數設計

3.1煙囪倒塌方式及切口位置確定

根據煙囪的周邊環境情況，結合其自身的結構特征及各部位尺寸，決定選擇定向控制爆破拆除方案，倒塌方向為南偏東43o(圖2箭頭方向)。煙囪筒身的切口位置布置在距地面4m處。

3.2爆破切口設計

根據煙囪自身結構的情況，并參照傳統鋼筋混凝土煙囪爆破拆除的工程實例，決定采用正梯形的爆破切口形式。切口對應的圓心角選取240o, 切口破壞高度為2m。經計算，理論切口圓心角所對應的弧長為14.65m，保留區的弧長為7.34m。切口處考慮到施工方便，調整后的參數如圖3所示。

圖3　爆破切口展開Fig.3　Unfolded map of blasting cut

3.3炸藥的選擇

考慮到鋼結構的強度大、韌性好等特點，結合國內外幾例鋼結構的爆破拆除工程可知，線型聚能切割器是針對鋼結構爆破拆除首選的基本器材〔1〕。

聚能切割器基本原理：當炸藥爆炸后，爆轟產物沿著聚能罩內表面垂直的方向飛出，聚集在軸線上，匯聚成一束高速、高壓、高能量密度的薄兒片狀射流，對爆破目標進行切割〔3〕。

常用于控制爆破拆除的聚能切割器為直線型聚能切割器，其使用方法通常是根據爆破部位的形狀進行人工彎折或拼接成型來完成爆破任務。為了達到更好的爆破效果，本次使用的聚能切割器分為直線型和弧線型，弧線型聚能切割器是先根據設計計算，列出所需聚能切割器的具體要求(包括炸高、尺寸、弧度、長度等具體參數，詳見表2)，然后再定制加工而成。其優點是施工方便，保證爆破效果。弧線型聚能切割器見圖4。

另外，為了增大聚能切割器的起爆可靠度，用導爆索將相鄰的聚能切割器相互纏繞連接。

表2　爆破部位和藥量分布

注：(1)所需聚能切割器的切割厚度為20mm，線裝藥密度350g/m，共需炸藥16.24kg；(2)煙囪筒身處所需的弧線型聚能切割器尺寸規格：弧長半徑為3.5m、弧長為1.6m，共需14條；(3)塔架的4根鋼管支柱所需的弧線型聚能切割器尺寸規格：弧長半徑為0.4m、弧長為1m，共需16條；(4)塔架的4根鋼管支柱所需的聚能切割器為直線型：長度為1m，共需8條。

圖4　弧線型聚能切割器尺寸Fig.4　Size of the curve-shaped charge cutters

3.4預處理

為減少裝藥量和增加煙囪倒塌的可靠性，需使用氣割槍對鋼結構煙囪筒身和塔架進行預切割。

3.4.1筒身的預處理

(1)用氣割槍在爆破切口處開設2個定位窗、2個輔助窗和1個定向窗。各窗相對位置、具體尺寸見圖3。

(2)為了防止起爆后切口下沿頂住上沿對煙囪倒塌造成不利影響，用氣割槍沿定向窗下沿中部至筒身底部割出一條垂直于地面的縫，如圖3①所示。

(3)考慮到煙囪筒身16mm厚的Q235B型鋼材有很高的抗拉強度，決定在筒身切口保留部分的正后方裝藥，在切口處起爆后爆出一道3m長的縫。為了方便在此處固定裝藥，使用氣割槍在圖3②處割出3個20cm×20cm的方形孔。

(4)為了固定好聚能切割器，保證聚能切割器能發揮最佳效果，使用氣割槍在聚能切割器安裝固定部位燒數個小孔，用來穿鐵絲固定聚能切割器。筒身聚能切割器安裝位置見圖3。

3.4.2塔架的預處理

(1)為確保煙囪倒塌過程中塔架底部支柱不受連桿的牽制等影響，在爆破前使用氣割槍將塔架底部連接支柱的連桿割斷。

(2)對支柱的預處理：使用氣割槍在距地面2m以上處開矩形孔和割縫(圖5)，其中對支柱1、2割縫的縱向長度應大于上下兩條聚能切割器裝藥之間的距離；其中支柱1、2與支柱3、4的預處理及固定聚能切割器的方式分別相同。

(3)在安裝聚能切割器固定部位燒數個小孔(具體位置在圖5中用*表示)，用來穿鐵絲固定聚能切割器。各支柱處聚能切割器固定位置見圖5。

3.5爆破網路設計

由于煙囪位于廠區內，周圍環境復雜，為避免雜散電流、感應電流等對爆破網路的影響，只能使用安全可靠的非電起爆網路。由于鋼結構煙囪的爆破拆除可供借鑒的工程實例有限，本文參照傳統的鋼筋混凝土煙囪的起爆網路布置情況，并結合鋼結構煙囪的筒身和塔架各自的結構特點，最終確定采用分MS2、HS5兩段延時起爆：其中筒身爆破切口處與支柱1、2采用MS2段毫秒延時雷管；筒身保留部分和支柱3、4采用HS5段半秒延時雷管。

圖5　塔架支柱藥條分布Fig.5　Distribution of the shaped charge cutters of the pillars of tower

4爆破安全與防護措施

由于鋼煙囪塔架不是中心對稱建造的，故倒塌過程中可能會與計劃倒塌方向產生幾度的偏移量，而鋼煙囪倒塌方向上為拆除區域，經測量，倒塌方向在煙囪左右兩側28°以內均安全。故可不考慮鋼煙囪的重心對倒塌方向的影響。

4.1爆破振動校核

國內外大量觀測結果表明：反應爆破振動的物理量與炸藥量與爆源距離、巖土性質及場地條件等因素有密切關系，但具體表達式各國有所不同。我國實施的《爆破安全規程》(GB 6722-2014)采用的是薩道夫斯基公式〔4〕：

v=KK′(Q1/3/R)α

(1)

式中：v為允許質點爆破振動速度，cm/s；K′為城市控制爆破的修正系數，K′=0.25～1.00，當距爆源中心近時，取大值，反之取小值，本工程中結合周圍環境及現場工況取K′=0.30；K、α為地質、地層系數，分別取K=150、α=1.5；Q為最大單段藥量，此次爆破最大的單段藥量為MS2段爆區，共計13.72kg；R為距爆源中心的距離，取爆點與架空煤氣管道的距離，R=19m。將有關數據代入上式可得v=2.01cm/s。根據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)可知〔4〕，爆破振動速度在安全范圍內，由此可見爆破振動是安全的。

4.2塌落振動校核

建筑物的塌落振動速度比爆破地震波引起的質點振動速度大些。查閱《爆破安全規程實施手冊》可知〔5〕，塌落振動速度目前尚無統一計算公式，通常采用的是無量綱相似參數分析方法，集中質量(沖擊或塌落)作用于地面造成的塌落振動速度vt如下：

vt=Kt[(MgH/σ)1/3/R1]β

(2)

式中：vt為爆破目標塌落觸地振動速度，cm/s；Kt為衰減系數，一般取3.37；σ為地面介質的破壞強度，MPa，由于倒塌區域之前為廠房建筑區，地面幾乎全部水泥硬化，并且還殘留有很多鋼結構基礎構筑物，故此處取σ=100MPa；β為衰減系數，β =1.66；R1為觀測點至撞擊中心的距離，m；M為爆破目標倒塌部分的質量，M=700t；H為爆破對象重心高度，H=54m。經計算，塌落所引起的各保護目標處振動速度如表3所示。

表3　爆破振動驗算數據

根據上表中計算出的振動速度，參照《爆破安全規程實施手冊》〔5〕，可知振動速度完全滿足設計要求。本次爆破采用分區分段解體，并且筒身、塔架之間存在相互牽連作用，筒身四周被塔架包裹，倒塌時塔架先觸地，對后期落地的筒身起緩沖作用。因此，塌落觸地沖擊的振動影響將更小。

4.3安全防護措施

(1)直接防護：筒身和塔架的直接防護，由于聚能切割器的聚能效應〔6-7〕，能產生一束速度、壓力和能量密度都很高的金屬射流和反方向飛行的杵桿，為了防止這類飛行的金屬體對設備和人員造成危害，使用厚10mm的軟膠皮裹在爆破部位對其進行近體防護，如圖6所示。

圖6　直接防護Fig.6　Direct protection

(2)間接防護：指對架空煤氣管道的防護。在架空煤氣管道側面按照要求和規范搭設鋼管腳手架并外掛雙層竹笆。而工業管道、建(構)筑物和電纜隧道距離爆破目標比較遠，故無需對其進行安全防護。

5爆破效果與結論

5.1爆破效果

起爆后，煙囪筒身和塔架開始一起向預期的倒塌方向傾倒。當傾倒約2°～3°時，HS5段被引爆，約4s后筒身開始下坐，并與塔架一起沿倒塌方向繼續傾倒；約5s后筒身下坐完畢，同時，塔架倒塌方向一側觸地，形成新的鉸支點，隨后與筒身一起傾倒；約12s后，煙囪倒塌完畢。圖7為煙囪的實際爆破效果圖，從圖中可以看出，煙囪倒塌觸地的方向準確，爆破振動、飛濺物、塌落振動均控制在設計范圍內，周圍建構筑物和設備也完好無損。

圖7　爆破效果Fig.7　Blasting effect

5.2結 論

(1)在爆破拆除鋼結構建(構)筑物時，與普通外部裝藥爆破相比，選用線型聚能切割器具有節省炸藥、切割快速、方便和降低成本等優點。

(2)由于組成材料的不同，鋼結構煙囪起爆后的破壞響應時間遠小于傳統的鋼筋混凝土煙囪的破壞響應時間。

(3)該鋼結構煙囪為塔架式煙囪，結構復雜，它的成功爆破是繼2007年一座80m高鋼結構煙囪爆破后的又一次突破，可為類似工程提供經驗。

參考文獻(References)：

〔1〕 馬海鵬. 特大型鋼結構建筑物爆炸切割拆除機理及應用研究[D]. 長沙：中南大學，2013.

MA Hai-peng. Study on demolition principle and application by explosion cutting for extra large steel structure building[D]. Changsha: Central South University, 2013.

〔2〕 汪旭光，于亞倫. 拆除爆破理論與工程實例[M]. 北京：人民交通出版社，2008.

WANG Xu-guang,YU Ya-lun. Demolition blasting theory and engineering examples[M]. Beijing:China Communications Press,2008.

〔3〕 謝興博，賀五一. 拆除控制爆破實用技術[M]. 南昌：江西科學技術出版社，2009.

XIE Xing-bo,HE Wu-yi. Practical technology of demolition control blasting[M]. Nanchang:Jiangxi Science and Technology Press,2009.

〔4〕 爆破安全規程 GB 6722-2014[S]. 北京：中國標準出版社，2014.

Safety regulations for blasting GB 6722-2014[S]. Beijing: China Standards Press, 2014.

〔5〕 汪旭光，于亞倫，劉殿中. 爆破安全規程實施手冊[M]. 北京：人民交通出版社，2010.

WANG Xu-guang,YU Ya-lun,LIU Dian-zhong. Enforceable handbook of safety regulations for blasting[M]. Beijing:China Communications Press,2010.

〔6〕 唐獻述，龍源，王耀華，等. 大型鋼結構廠房拆除控制爆破總體方案設計[J]. 工程爆破，2002，8(4):24-28.

TANG Xian-shu，LONG Yuan，WANG Yao-hua，et al. General plan for demolition of large-scale steel-structural factory house by controlled blasting[J]. Engineering Blasting,2002,8(4):24-28.

〔7〕 王耀華，蔡立艮，周春華, 等. 大型鋼結構物聚能切割爆破預處理分析與應用[J]. 解放軍理工大學學報(自然科學版)，2007，8(2):166-171.

WANG Yao-hua，CAI Li-gen，ZHOU Chun-hua，et al. Analysis and utilization of pretreatment techniques in linear shaped charge blasting of heavy steel structure[J]. Journal of PLA University of Science and Techno-logy,2007,8(2):166-171.

Demolition of a 120m-high tower steel chimney by directional blasting

SUN Fei， LONG Yuan， JI Chong， TAN Ling， GAO Fu-yin， YU Jia-yang

(College of Field Engineering, University of Science and Technology of PLA, Nanjing 210007, China)

ABSTRACT：A directional blasting engineering was introduced to demolish a 120m-high tower steel chimney. Based on the analysis of chimney′s structural characteristics and surrounding environment, blasting cuts, blasting parameters, delayed detonating network and safeguarding were selected rationally. In order to ensure the chimney collapse exactly towards the designed direction, blasting steel parts by mechanical cutting pretreatment were advanced, and the shaped charge cutter matched with the shape of blasting steel parts was designed. The steel chimney collapsed within the scope of design with surrounding buildings(structures) and equipments remaining intact. The desired effect of the blasting was achieved in terms of safety as well as quality, and it could be a reference for similar blasting engineerings.

KEY WORDS：Steel chimney; Shaped charge cutter; Pretreatment; Blasting demolition; Directional blasting

文章編號：1006-7051(2016)02-0065-05

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：孫 飛(1989-)，男，碩士，主要從事爆炸與毀傷作用機理研究及其應用。E-mail：1326662880@qq.com

中圖分類號：TD235; TU746.5

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.014