55 m磚煙囪小角度切口爆破拆除

閆統釗, 張智宇， 黃永輝

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093； 2.昆明理工大學 爆破新技術應用研究所，昆明 650093)

55 m磚煙囪小角度切口爆破拆除

閆統釗1,2, 張智宇1,2， 黃永輝2

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093； 2.昆明理工大學 爆破新技術應用研究所，昆明 650093)

為了成功爆破拆除一座55 m高的磚結構煙囪，根據周圍環境、煙囪高度及其結構特點，選取了合適的爆破傾倒方向和合理的爆破參數，采用了精準的爆破起爆網路。在實際工程中，磚煙囪爆破切口圓心角多數在200°～220°，通過對煙囪傾倒需滿足的條件進行計算，確定其滿足條件的爆破圓心角范圍。設計了小角度爆破切口，其對應圓心角為185°，并且在爆破前進行預處理。起爆后，煙囪按照設計方向順利傾倒，取得了較好的爆破效果。振動監測結果均在安全允許范圍內，驗證了磚煙囪小角度切口爆破拆除的可行性，可為類似工程提供參考。

磚煙囪；爆破拆除；小角度；爆破切口；預處理

1 引言

在城市改建和廠礦企業改造中，經常遇到高聳構筑物的拆除。高聳構筑物一般是指煙囪、水塔、跳傘塔和電視塔等高寬比大而壁薄的構筑物，其結構特點是重心高、支撐面積小和容易失穩〔1〕。對此類構筑物采用自上而下的人工機械法拆除，需要高空作業，功效低且不安全；采用爆破方法拆除，在高聳構筑物底部進行鉆孔爆破，可以使煙囪和水塔等構筑物失穩倒塌，不僅施工速度快、功效高，而且還可以保證施工安全，在工程實踐中應用較多。

2 工程概況

2.1 周圍環境

為配合彌勒縣山心村露天煤礦擴建工程建設，將位于露天煤礦附近的一座磚結構煙囪進行爆破拆除。煙囪東南側55 m是廠房；東北側45 m是磚房；西北側60 m是磚房和鍋爐房；西側70 m是露天煤礦的采場，露天臺階坡度比較陡；東南側的廠房與東北側的磚房、東北側的磚房與西北側的磚房之間有電線，周圍環境如圖1所示。

圖1 周圍環境示意圖Fig.1 Schematic diagram of surroundings

2.2 煙囪結構

待拆除煙囪為磚砌結構。其主要結構參數如下: 高55 m，最底部3 m立在磚窯中，在煙囪出露磚窯部位設置爆破切口，該部位外周長13.4 m，外直徑4.3 m，外壁厚0.75 m，內襯厚0.25 m，煙囪外壁為青磚，內襯為紅磚，內襯、外壁之間有0.05 m空氣間隔。

3 爆破方案設計

3.1 爆破方案的確定

高聳構筑物拆除爆破方案可分為定向倒塌、折疊式倒塌和原地倒塌。根據周圍環境情況和爆破拆除施工的要求及煙囪的結構特點，本工程選擇的爆破方案是南偏西45°定向傾倒。

3.2 爆破切口設計

3.2.1 切口形狀

爆破切口形狀的選擇直接影響高聳構筑物倒塌定向的準確性〔1〕。當前，在控制爆破拆除煙囪、水塔等高聳構筑物時，常用的切口形狀有斜形、反斜形、反人字形、梯形、倒梯形、長方形等〔2〕。本工程根據現場狀況，為了更好控制煙囪的倒塌方向，防止倒塌過程中出現前沖、后坐和偏轉現象，采用倒梯形切口，切口形狀如圖2所示。

圖2 爆破切口Fig.2 The blasting notch

3.2.2 切口高度

爆破切口高度是保證倒塌方向的重要技術參數〔1〕。爆破切口的高度應適當高一些，可防止其在傾倒過程發生角度偏轉，但切口高度過高，不僅會增加工作量，還可能造成傾倒速度過快，形成前沖；切口高度過小，會出現“傾而不倒”，甚至可能造成在傾倒過程中會出現偏移，因此要合理確定〔2〕。根據大量的實踐經驗，磚砌體煙囪的切口高度一般不宜小于爆破部位壁厚δ的1.5倍〔1〕，通常取H=(1.5～3.0)δ=1.125～2.25 m。根據工程經驗，本工程切口高度H取1.4 m。

3.2.3 切口長度

(1)爆破切口長度是影響煙囪倒塌情況的關鍵參數，其直接影響倒塌的距離和方向〔2〕。爆破切口長度過短、過長都會對定向倒塌不利，切口長度過長可能會因為保留筒壁起支撐作用的部分太少，導致爆破后煙囪產生后坐；切口長度過短則煙囪又可能爆而不倒〔1〕。根據實踐經驗，煙囪的爆破切口弧長L可由下式確定:

S/2

(1)

式中：S為煙囪爆破切口部位的外周長，S=13.4 m。

由式(1)可得：6.7 m

(2)對于結構物較高、風化較嚴重、強度較小的磚結構，L可取較小值；對直徑大而壁厚、強度大的磚結構，L取較大值。取值時，以能夠準確、順利傾倒為原則。實際工程中磚煙囪爆破切口圓心角大多數在200°～220°之間，其結果是留作起支撐作用的部分在爆破切口形成瞬間容易被壓垮，由于各個方向下坐不均勻，導致傾倒方向的改變〔3〕。

煙囪傾倒需滿足的條件由下式確定〔4〕:

NR≥NP

(2)

MR≤MP

(3)

式中:NR為煙囪余留截面的抗壓極限支持力；NP為爆破切口以上煙囪的質量；MR為煙囪余留截面的極限抗彎矩；MP為煙囪自重等引起的截面彎矩(傾覆力矩)。

由式(2)得爆破切口圓心角最大值:

θmax≤2π-NP/(δ1R[σ]+δ2R1[σ])

(4)

式中：NR=(2π-θ)δ1R[σ]+(2π-θ)δ2R1[σ]；θ為爆破切口圓心角；R為爆破部位外半徑；δ1為爆破部位外壁厚；δ2為爆破部位內襯厚；R1=(R+r-δ1)/2；r為爆破部位內半徑；[σ]為磚砌體與砂漿之間的極限抗拉強度。

由式(3)得爆破切口圓心角最小值:

NP/(2δR02[σ])≥{R0[2sin θ1-sin[(2π-θ)/2]]} /e+[(2π-θ)/2]-2θ1

(5)

式中：e={4(R3-r3)sin[(2π-θ)/2]}/3(2π-θ)(R2-r2)；θ1=arccos(e/ R0)；δ=R-r；R0= (R+r)/2。代入NP=400 t；R=2.1 m；r=1.1 m；[σ]=1.5 MPa；δ1=0.75 m；δ2=0.25 m。

計算得150°≤θ≤220°。

為了確保煙囪在爆破瞬間重心偏移產生傾覆力矩而失穩，且考慮到本工程煙囪屬磚結構，其抗拉強度比較弱，故選取的圓心角為185°，對應切口長度L為6.9 m(見圖3)。

圖3 爆破切口剖面示意圖Fig.3 Profile diagram of blasting notch

3.2.4 定向窗

為保證爆破后煙囪沿著設定的方向倒塌，在主爆區爆破之前用風鎬在切口兩端各開鑿一個定向窗，以保證切口關于倒塌中心線對稱，并能在一定程度上降低一次起爆藥量，減少由于爆破產生的振動及其他危害〔1〕。本次拆除爆破中，定向窗位于爆破切口的兩端，底角β取45°。

3.3 爆破參數設計

(1) 炮孔直徑D。采用風動鑿巖機鉆孔水平鉆孔，鉆頭直徑為38 mm，炮孔直徑D為40 mm。

(2) 最小抵抗線W。W=δ/2，δ為煙囪的壁厚(不含內襯厚度)，即W=δ/2=0.375 m。

(3) 孔深L。L=(0.65～0.68)δ，δ為煙囪的壁厚(不含內襯厚度)，取L=0.50 m。

(4) 間距a。a=(0.8～0.95)L，取0.40 m。

(5) 排距b。b=0.85a，取0.35 m。

(6) 單孔藥量Q1。Q1=qabδ，取150 g。其中，q為單位炸藥消耗量，參考類似工程，取1.4 kg/m3。

(7) 炮孔總數N=65個。

(8) 總藥量Q總。Q總=NQ1=9 750 g。

爆破切口炮孔布置如圖4所示。

圖4 爆破切口炮孔布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of blastholes layout

3.4 起爆網路設計

采用導爆管雷管簇聯起爆網路，最后用電雷管起爆。一般情況下，煙囪爆破切口尺寸不大，孔數不多，爆破藥量不大，爆破振動比塌落振動小得多，可不必采用分段延時爆破，采用瞬發爆破能使切口準確、快速形成，保證精確、順利實現定向傾倒，故本次爆破設計為瞬發一次起爆(見圖5)。

圖5 起爆網路示意圖Fig.5 Schematic diagram of initiation network

4 安全校核

4.1 爆破振動校核

爆破振動速度按薩道夫斯基公式計算〔5〕：

v=KK′(Q1/3/R)α

(6)

式中:v為被保護建筑物所在地質點的振動速度，cm/s；Q為最大一次爆破炸藥總量，kg；K為與介質性質有關的系數，取200；K′為修正系數，取0.3；α為衰減系數，取α=1.6；將R=45 m、Q=9.75 kg代入式(6) 計算得v=0.46 cm/s，小于規定的建筑物安全允許振速1.5 cm/s〔5〕。

4.2 塌落振動校核

塌落振動速度按下列公式計算〔6〕：

vt=Kt[R/( MgH/δ)1/3]β

(7)

式中:vt為塌落引起的地面振速，cm/s；M為下落構建的質量，由煙囪直徑、高度及密度估算質量為400 t；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為構件重心的高度，約為21 m；δ為地面介質破壞強度，一般取10 MPa；R為觀測點至沖擊地面中心的距離，取45 m；Kt，β為塌落振動速度衰減的系數和指數,Kt=3.7，β=-1.7。

計算得vt=0.94 cm/s，故塌落振動小于規定的建筑物安全允許振速1.5 cm/s〔5〕。

4.3 安全防護措施

在爆破切口部位采用單層鐵絲網和麻袋覆蓋且捆扎牢固；附近建筑物所有門窗用竹排捆扎牢固封堵。

為了避免建筑物觸地沖擊造成飛石和觸地沖擊振動危害，清理了現場原有碎石并做好減振措施〔7〕。在倒塌范圍內設了5排土堤，能夠起到緩沖作用，防止碎石飛濺。切口方向禁止人員停留，在煙囪四周設置半徑200 m的警戒范圍，起爆時所有人員都撤離到安全地帶。

5 振動監測及分析

5.1 測點布置

為了監測振動對周圍建筑物的影響，共設3個振動監測點(見圖1)，其中測點1、測點2分別布置在東南側廠房的中間和北側，兩側點之間相距5 m，監測振動對廠房的影響；測點3布置在東北側磚房的南側，監測振動對磚房的影響。

5.2 監測結果及分析

部分實測振動波形如圖6所示。

圖6 測點1的振動波形圖Fig.6 The vibration waveform of measuring point 1

從圖6可以看出，整個煙囪倒塌過程的振動波形主要分為三段。主要是因為煙囪傾倒過程中有爆破引起的振動、頂部煙囪掉落引起的振動和塌落引起的振動，因而在圖6中呈現三段波形。整個爆破過程持續近8 s，最先測得的是煙囪切口爆破振動波形，持續時間為0～2.0 s；其次是頂部煙囪掉落觸地引起的振動波形，持續時間約為3.0～4.5 s；最后是煙囪倒塌觸地的振動波形，持續時間約為5.0～6.5 s。

振動監測結果如表1所示。

表1 爆破振動監測數據

從表1中可以看出，此次監測到的爆破振動數據均在安全允許范圍內，一方面說明了設計的爆破方案可行；另一方面說明了安全防護措施保護了周圍建筑物的安全。

6 爆破效果及體會

煙囪基本按設計向西南方向倒塌，從現場可以看出，整體的爆破效果良好，具有較好的破碎度，不需要進行二次爆破破碎，對后期的清渣工作比較有利(見圖7)。

圖7 爆破效果Fig.7 Blasting effect

在此次拆除爆破工程中，爆破切口所對應的圓心角只設計為185°，要遠小于一般工程實例的圓心角，起爆后煙囪按照設計的方向順利傾倒，驗證了小角度切口爆破拆除磚結構煙囪的可行性，可為類似的爆破拆除工程提供參考。

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SUN Ming-xu, BI Wei-guo,WANG Chao,et al. Demolition of 30-m high brick chimney by unidirectional folding blasting [J]. Engineering Blasting,2014,20(4):30-33．

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LI Shou-jv,LIU Yu-jing. Calculation on gap length of brick chimney in demolition blasting[J]. Engineering Blasting, 1999, 5(2): 1-4.

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ZHAO Li-kun, CAO Yue , CHU Fu-jiao, et al. Demolition of a 52 meters high brick chimney with cracks by small gap directional blasting[J]. Engineering Blasting, 2012, 18(1): 59-61.

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SUN Yuan-zheng, LONG Yuan, FAN Lei, et al. Demolition of brick-concrete chimney by directional blasting in complex environment[J]. Blasting, 2007, 24(2): 54-57.

Blasting demolition of 55 m brick chimney by small angle blasting notch

YAN Tong-zhao1,2, ZHANG Zhi-yu1,2, HUANG Yong-hui2

(1.School of Land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;2.Institute of New Blasting Technology and Application, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

In order to successfully demolish a 55 m high brick chimney, the appropriate collapsing direction, reasonable blasting parameters, and accurate blasting initiation network were used according to the surrounding environment and the height and structure characteristics of chimney. In practical engineering, blasting notch center angle of brick chimney was mostly between 200°～220°. The conditions satisfied the chimney dumping were calculated, then the range of the blasting center angle satisfying the condition was determined. A small angle blasting notch was designed and its corresponding center angle was 185°. It was pretreated before blasting. After the explosion, the chimney dumped smoothly according to the design direction and a good blasting effect was achieved. Vibration monitoring results were within safety limits. The feasibility of blasting demolition of brick chimney by a small angle blasting notch was verified and it could provide a reference for similar projects.

Brick chimney；Blasting demolition；Small angle；Blasting notch；Pretreatment

1006-7051(2016)06-0038-04

2016-08-31

云南省應用基礎研究資助項目(2013FZ036)

閆統釗(1990-)，男，碩士，從事爆破與安全技術研究。E-mail：1076499749@qq.com

張智宇 (1973-)，男，碩士，副教授，從事爆破與安全技術研究。E-mail：924221851@qq.com

TD235.3

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.008