復(fù)雜環(huán)境下210 m煙囪定向爆破拆除

程 楠

(中鐵二十三局集團有限公司，成都 610072)

上世紀八十年代以來，我國就開始采用爆破方法拆除百米以上高聳鋼筋混凝土煙囪。爆破拆除高聳鋼筋混凝土煙囪具有以下難點：①煙囪高度高、體積大；②拆除工期緊；③四鄰環(huán)境復(fù)雜，安全要求高[1]。徐鵬飛等人采用兩段單向控制爆破拆除180 m高鋼筋混凝土煙囪[2]，兩次爆破均取得了良好的爆破效果，達到了安全、精細爆破拆除的目的；李本偉等人在復(fù)雜環(huán)境中采用控制爆破技術(shù)爆破拆除180 m鋼筋混凝土煙囪[3]，針對煙囪尺寸大、鋼筋密、混凝土強度高的結(jié)構(gòu)特點，預(yù)先開鑿大尺寸導(dǎo)向窗減少了爆破面積，并且通過鋪設(shè)防護土堤有效地控制了爆破次生災(zāi)害的產(chǎn)生；朱寬等人以某特大鋼筋混凝土煙囪定向爆破工程為研究對象，采用高速攝影、應(yīng)力應(yīng)變測量兩種測量手段，對煙囪爆破倒塌過程進行實驗研究，獲取傾倒過程中的各種運動參量[4]。以國華徐州發(fā)電有限公司210 m煙囪爆破拆除工程為研究背景，根據(jù)理論計算與工程經(jīng)驗選取了合理的爆破切口形狀、尺寸及開鑿工藝、爆破參數(shù)、起爆網(wǎng)路以及多重控制措施，研究煙囪爆破拆除的傾倒過程以及爆破拆除對周邊建(構(gòu))筑物的影響。

1 工程環(huán)境

國華徐州發(fā)電有限公司響應(yīng)國家“上大壓小、節(jié)能減排”政策號召關(guān)停7、8號機組。機組210 m煙囪因結(jié)構(gòu)高大且堅固，需進行爆破拆除。待拆除煙囪位于國華徐州發(fā)電有限公司廠區(qū)內(nèi)，西北側(cè)距化水集控室辦公區(qū)135 m，距燃料物資部辦公樓及廠房63 m，距西北側(cè)圍墻(傾倒方向)222 m；西側(cè)距生活消防水管道及電纜30 m，西南側(cè)距民房190 m；東南側(cè)加熱站88 m，距綜合樓146 m；東側(cè)供熱管道(埋深0.5 m)19 m；東南側(cè)廠區(qū)鐵路線277 m，距京滬鐵路線382 m。煙囪周邊環(huán)境如圖1、2所示。

圖 2 待拆除煙囪環(huán)境圖(單位：m)Fig. 2 Environmental of chimney to be demolished(unit:m)

2 煙囪結(jié)構(gòu)

待拆除4#煙囪為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土采用C30，高210.00 m，+6.85 m處外半徑8.41 m，壁厚750 mm，隔熱層厚80 mm，內(nèi)襯厚200 mm；底部布置有兩個檢修口，檢修口高2.50 m，寬1.80 m；+5.00 m處布置有兩個煙道口，煙道口寬4.30 m、高7.25 m。井字梁和積灰平臺位于+20.00 m處以下。筒身混凝土體積2519.5 m3，隔熱層484.45 m3，內(nèi)襯873.90 m3。+6.85 m處豎向筋布置：雙層布筋，外側(cè)布設(shè)83φ25豎向筋，內(nèi)側(cè)布設(shè)218φ20豎向筋；環(huán)向筋布置：環(huán)向筋采用螺旋式箍筋布置方式，外側(cè)鋼筋布置規(guī)格為φ22@140，內(nèi)側(cè)鋼筋布置規(guī)格為φ18@160。

3 爆破拆除設(shè)計

結(jié)合煙囪高度、結(jié)構(gòu)尺寸、周邊環(huán)境，在待拆除煙囪+6.85 m處布置爆破切口，傾倒方向為南北兩個出灰口對稱中心為準，即西偏北2°方向，采用孔內(nèi)延時起爆技術(shù)，并用繩鋸進行定向窗的預(yù)處理[5-10]。

3.1 爆破切口設(shè)計

爆破切口形狀設(shè)計為正梯形。根據(jù)余留部分力學(xué)分析并結(jié)合類似煙囪爆破拆除經(jīng)驗，切口圓心角取216°，切口布置在+6.85 m處，該處煙囪外徑D=8.41 m，壁厚δ=750 mm，煙囪切口弧長L=πD(216/360)=π×16.82×216/360=31.12 m。切口高度H=(1/6～1/4)D=2.8～4.2 m，實際取H=4.5 m。定向窗為直角三角形，角度為30°，底邊長為0.49 m，高0.28 m。切口平面布置如圖3所示。

圖 3 切口平面布置示意圖(單位：m)Fig. 3 Diagram of cut layout(unit:m)

3.2 爆破參數(shù)設(shè)計

(1)孔網(wǎng)參數(shù)

切口炮孔深度L=(0.6～0.85)δ，其中δ為爆破切口處的筒壁厚度，δ=0.75 m，炮孔深度L1=0.57 m，孔距a1=0.45 m，排距b1=0.45 m，炸藥單耗q1=2.30 kg/m3，單孔裝藥量Q1=350 g。為保證內(nèi)襯不影響煙囪倒塌過程，在煙囪內(nèi)部平臺+6.85 m處對內(nèi)襯進行鉆孔，炮孔深度L2=0.17 m，孔距a2=0.35 m，排距b2=0.45 m，炸藥單耗q2=1.45 kg/m3，單孔裝藥量Q2=50 g。爆破總藥量為188.25 kg。

(2)炮孔布置

炮孔布置在爆破切口范圍內(nèi)，方向朝向煙囪中心，煙囪外壁相鄰排間炮孔采用矩形布置，采用云梯車進行鉆孔作業(yè)，煙囪外壁爆破切口布設(shè)11排炮孔，共495孔；內(nèi)襯炮孔采用梅花形布置，在內(nèi)部平臺搭設(shè)腳手架進行鉆孔作業(yè)，共布設(shè)6排炮孔，共300孔。具體爆破參數(shù)如表1所示，實際炮孔布置如圖4所示。

表 1 爆破參數(shù)設(shè)計Table 1 Blasting parameter design

圖 4 炮孔布置圖Fig. 4 Blasthole layout

3.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計

為了確保安全準爆，采用非電導(dǎo)爆管微差起爆網(wǎng)路，分兩段起爆。煙囪內(nèi)襯和煙囪外壁爆破切口中間采用MS1段非電雷管，兩側(cè)分別采用MS3段非電雷管，中間先起爆，兩側(cè)滯后[11]。每個炮孔裝1～2發(fā)非電雷管，其中下四排孔形成交叉復(fù)式網(wǎng)路并適當調(diào)高單孔藥量，每18～20發(fā)非電雷管組成一簇，用2發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管連接。形成交叉復(fù)式網(wǎng)路。見圖5。

圖 5 起爆網(wǎng)路示意圖Fig. 5 Schematic diagram of detonation network

4 安全防護措施

4.1 振動控制措施

根據(jù)待拆除煙囪周邊勘測情況，本次爆破拆除工程主要保護對象為西南的民房以及西側(cè)的生活消防水管道、電纜，其中生活消防水管道、電纜處于煙囪倒塌中心線上，民房距離預(yù)估煙囪頭部觸地位置較近。為減少爆破振動和煙囪倒塌觸地振動對周邊建(構(gòu))筑物的影響[12]，采用了以下措施：

(1)沿生活消防水管道、電纜的走向鋪設(shè)兩層鋼板，并在鋼板上方采用黃土、磚渣鋪設(shè)一條上寬2 m、下寬5 m、高3 m的減震堤。

(2)在倒塌方向的正前方，217 m處采用黃土、磚渣鋪設(shè)一條長20 m、上寬3 m、下寬6 m、高4 m的減震堤，并在減震堤靠近煙囪一側(cè)開挖一條2 m深的溝槽。

(3)為減小煙囪觸地造成地面碎石的飛濺，減震堤堆筑的材料里面不能有碎塊，用2層防曬網(wǎng)整體覆蓋減震堤。

4.2 其他安全防護措施

(1)采用云梯車進行鉆孔、裝藥、防護施工，避免登高作業(yè)，保證施工人員的安全。

(2)加強對裝藥部位的覆蓋，對裝藥部位從里層到外層采用2層土工格柵，10層密目安全網(wǎng)，2層黑色防曬網(wǎng)進行懸掛式覆蓋防護，以防爆破飛石的飛出[13,14]。

(3)對周邊需保護的建(構(gòu))筑物采用2層黑色防曬網(wǎng)進行懸掛式覆蓋防護，防止爆破飛散物對窗戶、玻璃造成損壞。

5 振動監(jiān)測

5.1 振動監(jiān)測儀器與結(jié)果

本次測試采用了由成都泰測科技有限公司生產(chǎn)的Blast-UM爆破測振儀對煙囪西南側(cè)的民房建筑及東北側(cè)的京滬鐵路線進行了質(zhì)點振動速度監(jiān)測，以確保其安全性。表2為煙囪爆破振動監(jiān)測結(jié)果，圖6為典型振動速度波形圖。

圖 6 典型振動速度波形圖Fig. 6 Typical vibration velocity waveform

表 2 煙囪爆破振動監(jiān)測結(jié)果Table 2 Chimney blasting vibration monitoring results

5.2 監(jiān)測結(jié)果分析

(1)根據(jù)本次振動監(jiān)測的數(shù)據(jù)，煙囪爆破拆除工程中塌落觸地振動遠大于炸藥爆炸產(chǎn)生的爆破振動。

(2)從表2可以看出最大振動速度在居民樓1#測點，振速為0.2716 cm/s，主頻為11.1 Hz，遠遠小于磚混結(jié)構(gòu)民房的安全振動速度2 cm/s。因此，鄰近居民樓是安全的。

(3)一般廠房和民房的自振頻率在1～3 Hz，而本次爆破引起振動頻率在10.5～20.1 Hz之間，超過民房的自振頻率，不會引起共振導(dǎo)致民房破壞。

6 爆破效果及分析

2020年11月19日下午3點54分，210 m煙囪爆破拆除。起爆后煙囪按照預(yù)定的方向緩慢傾斜，傾斜過程約7 s，從12 s開始加速傾倒落地，12 s時煙囪筒體在約1/2處開始斷裂，18 s后全部落地，定向傾倒方向無誤，無后座現(xiàn)象。整體爆堆長度為227 m，煙囪筒體落地被分為3段，底部0～50 m筒體被壓扁，混凝土破壞較少，50～100 m筒體被壓扁壓碎，100～227 m筒體混凝土基本完全粉碎。周邊建(構(gòu))筑物、地下水管道、地下線纜安然無恙，爆破總體效果良好。見圖7。

圖 7 煙囪爆后效果圖Fig. 7 Effect diagram of chimney after explosion

通過本次210 m煙囪的定向爆破拆除，有如下體會：

(1)在選擇5～30 m高位切口時，傳統(tǒng)鉆孔作業(yè)需搭設(shè)腳手架平臺進行鉆孔作業(yè)，該方法成本高、耗時長，對腳手架搭設(shè)要求高，并且平臺還需在爆破前拆除，對后續(xù)裝藥、聯(lián)網(wǎng)作業(yè)影響大，安全性不高。而本次工程通過運用云梯車載人進行鉆孔作業(yè)，與傳統(tǒng)方法相比較，云梯車移動方便、靈活，節(jié)省搭設(shè)與拆除時間，不會影響聯(lián)網(wǎng)工作，安全系數(shù)較高。

(2)與傳統(tǒng)定向窗預(yù)處理方法相比，用繩鋸切割法處理定向窗，夾角與形狀更精確，后排結(jié)構(gòu)保護更充分，工期更短，在降低成本的同時減少了對煙囪的損傷。

(3)在高聳建(構(gòu))筑物爆破拆除工程中，有必要采用減振與防飛濺措施，可以有效控制高聳建(構(gòu))筑物觸地帶來的振動，飛石等危害。

(4)2層土工格柵，10層密目安全網(wǎng)，2層黑色防曬網(wǎng)的近體防護能夠有效的控制爆破飛石。