120 m 高鋼內筒鋼混煙囪爆破拆除技術?

李 飛 孫 飛 顧 云 劉 迪 劉勤杰 劉 新

核工業南京建設集團有限公司(江蘇南京，211102)

引言

作為一種快速拆除樓房、煙囪、冷卻塔等高聳建(構)筑物行之有效的手段，爆破為我國城鎮化建設做出了突出的貢獻。 對于煙囪而言，目前常見的爆破結構主要為磚結構、鋼筋混凝土(鋼混)結構與鋼結構等。 雖然煙囪爆破已積累了豐富的成功經驗，但對于鋼內筒鋼混煙囪而言，由于其自身綜合了鋼混煙囪與鋼結構煙囪兩者的結構特征，它的爆破拆除與已往的煙囪爆破工程有所不同。 對其爆破拆除時，需結合現場實際工況，全面分析其結構力學特征，在此基礎上對預處理及爆破參數進行精細化設計，這對現有爆破技術提出了挑戰。

1 工程概況

1.1 項目概況

該鋼內筒鋼混煙囪控制爆破拆除工程位于江蘇省南通市海安市。因原場地用途調整，需對電廠內建(構)筑物進行整體拆除。場地內建有一座高度120 m的鋼內筒鋼混煙囪。其中，鋼混筒身高度120 m，鋼內筒高度123 m。 為確保拆除施工的安全，經綜合對比，決定采取控制爆破方法對該煙囪進行拆除。 煙囪的具體情況見圖1。

圖1 現場圖Fig.1 Site map

1.2 工程環境

爆破環境(圖2)如下:東側距離建材公司最近處約58 m，距離某飼料公司最近處約81 m；南側距離場地內待拆鍋爐房最近處約60 m，距離場地內待拆配電房最近處約126 m；西側距離立新河最近約117 m；北側距離廢棄電塔最近約106 m；倒塌方向距離通揚運河(已斷航)最近約140 m。

圖2 工程環境圖(單位:m)Fig.2 Engineering environment map(unit:m)

2 結構特征及總體爆破方案

2.1 結構特征

2.1.1 鋼混煙囪結構特征

待拆煙囪鋼混筒體由筒壁構成，無隔熱層和內襯，總質量約2 000 t。 筒壁底部外徑10.55 m，內徑為9.75 m；頂部外徑為4.10 m，內徑為3.70 m。 筒體按一定斜率自底部至頂部漸變，筒壁混凝土標號為C30。 筒壁配筋分為環向配筋和豎向配筋。 煙囪底部外側環向配筋為?16 mm，間距200 mm；內側環向配筋為?14 mm，間距200 mm；底部外側豎向配筋為?16 mm；內側豎向配筋為?14 mm；保護層30 mm。

煙囪底部共開設3 個孔洞；其中，1 個根部人孔，2 個煙道孔。 2 個煙道孔夾角180°，沿根部人孔兩側對稱，見圖3。 根部人孔底部標高+0.00 m，寬1.50 m、高2.40 m，該處壁厚 0.40 m。 2 個煙道口底部標高均為+4.30 m，寬2.20 m，高4.70 m，壁厚0.40 m。

圖3 底部人孔及煙道孔相對位置Fig.3 Relative position of manhole and flue hole at bottom

煙囪筒壁內側標高+1.65 ～+2.90 m 處設置有牛腿，牛腿高1.25 m，牛腿上部砌筑0.90 m 高磚砌體，見圖4。

圖4 牛腿現場圖Fig.4 Field map of corbel

2.1.2 鋼內筒結構特征

鋼內筒采用鈦鋼復合板，Q235B 鋼板(基材)厚度為 10 mm(40 m 以上)和 12 mm(40 m 以下)，內筒內徑為3.2 m，外筒設有厚度不小于80 mm 的防腐保溫層，外護板為厚度不小于0.4 mm 的彩鋼板。內筒全高設置環向加勁肋，間距為4.8 m，加勁角鋼采用 L75 ×75 ×6，總質量約105 t。 煙囪筒壁內側與鋼內筒之間分別在120、75、25 m 高度處設置平臺，平臺處均設置止晃裝置。

其中，25 m 平臺作為檢測和維修平臺，同時也是直爬梯的起點，采用三角槽鋼作為支撐，在內筒周邊形成1 m 寬的平臺，上鋪鋼格柵。

煙囪內部25 m 以下為環煙囪壁的鋼爬梯，25 m以上到75 m 平臺為直爬梯。 環形爬梯采用04J401鋼梯圖集內T4B07C-30，鋼梯角度為45°，每上升3 m 設置一個平臺，沿內筒壁環形上升，到達25 m 處為止。 直爬梯寬700 mm，外設護籠，每5 m 設置休息平臺。

圖5 為25 m 平臺的平面圖。

圖5 25m 平臺平面布置圖Fig.5 Layout plan of 25 m platform

圖6 為鋼內筒的底部現場圖。

圖6 鋼內筒底部現場圖Fig.6 Site drawing of the bottom of steel inner cylinder

2.2 總體爆破方案

煙囪整體結構強度較高，綜合分析經濟技術指標后，確定采用定向倒塌爆破方案；定向倒塌后，再采用機械方法破碎解體[1-3]。 根據四周環境情況，結合煙囪自身結構特征，為確保周邊建筑物的安全和煙囪充分解體，采用向北偏西29°方向定向倒塌的方式，即沿煙囪中心至根部人孔延長線方向倒塌，如圖2 所示。

3 爆破切口參數選取

根據煙囪特定位置、結構特點、爆破環境和工程要求，確保定向準確、施工方便和減少藥孔數量，采用底部低位切口。 切口高度為標高±0.00 m 以上0.50 m；此外，筒壁外徑R=5.21 m。 切口采用正梯形[4-6]。 切口形式及位置見圖7，傾斜角約為26°。

圖7 爆破切口示意圖(單位:m)Fig.7 Schematic diagram of blasting cut (unit:m)

3.1 爆破切口圓心角α

根據煙囪自身的結構特點和實際受力情況，結合經驗公式

切口對應的圓心角α為220°。 則切口長度為:Lp=(α/360)2πR=(220/360)×2 × 3.14 × 5.21 =20.0 m。 根據經驗，切口上沿長度取14.5 m。

3.2 爆破切口高度Hp 的選取及校核

對鋼混煙囪而言，切口形成后，切口內裸露的豎向鋼筋必須失穩。 同時，還應使煙囪在傾倒至較大角度時，切口的上、下沿才閉合相撞，防止相撞時傾倒方向發生偏離[5-8]。 筒體傾倒至爆破切口閉合時，重心位置應偏移到切口標高處筒壁范圍以外。 根據以往經驗，則

式中:Hp為切口高度，m；D為切口處的直徑，m。

按照式(2)計算，煙囪的最大切口高度為Hp=1.76 ～2.64 m；根據實際情況及計算結果綜合考慮，切口總高度取2.50 m。

3.3 切口閉合時煙囪重心偏移距離的校核

爆破切口閉合時，煙囪的重心必須偏移至煙囪筒體以外才能保證其可靠傾倒。

爆破切口的閉合角β為

式中:Hp為爆破切口高度；R、r分別為煙囪底部的外徑、內徑；α1=220°。 將煙囪的參數代入式(3)，得β=19.8°。

閉合后，煙囪的重心偏移距離x為

式中:ZC為煙囪相對爆破切口位置的重心高度，取48 m。 將煙囪的參數代入式(4)，得x=16.08 m；煙囪重心偏移至筒壁以外的量為x-R=10.80 m。

通過計算可以看出，煙囪的重心完全能夠移至筒壁以外。 因此，爆破切口高度的設計是合理的。

4 預處理關鍵技術

為減小一次齊爆藥量，降低爆破規模，提高爆破安全性，使煙囪沿預定方向順利坍塌并形成良好的破碎效果，在保證結構安全的前提下，進行預處理。

4.1 鋼混筒體預處理

1)輔助導向窗開設位置及尺寸。 爆破前應在切口范圍內預先切除一部分，以提高煙囪傾倒的可靠性。 根據待爆破拆除煙囪的結構特征，在切口中心線位置，以根部人孔為基礎開設輔助導向窗，輔助導向窗底部標高+0.00 m、高3.00 m、寬3.00 m。使用氧割將輔助導向窗洞口內的鋼筋隔斷，見圖8。

圖8 鋼混煙囪筒體預處理展開圖(單位:m)Fig.8 Pretreatment development of reinforced concrete chimney (unit:m)

2)定向窗開設位置及尺寸。 煙囪切口爆破前，在對稱于傾倒軸線的切口兩側開設定向窗，定向窗寬1.50 m。 為保證定向窗開設方向準確及邊沿整齊，爆破前先標定切口位置，后使用水鉆鉆割定向窗，見圖8。

3)爬梯和避雷針在缺口內的部分全部割斷。

4.2 鋼內筒預處理

1)為避免爆破時鋼內筒底部附屬的旋轉內梯影響煙囪順利倒塌，在爆破前，須將首層檢查維修平臺以下鋼內筒的所有附屬構件切割解體，并清運出煙囪。

2)為避免爆破過程中鋼內筒對鋼混筒體產生反向支撐等不利現象，確保鋼內筒能隨著鋼混結構筒體沿預定方向一同順利倒塌，在鋼內筒根部以上0.5 m 處開設圓心角270°、高1.2 m 的正梯形切口。切口下沿弧長7.5 m，定位角45°，切口內沿切口中心線對稱預留3 條0.3 m 寬的部分作支撐，切口中心線與煙囪切口中心線一致，具體尺寸見圖9。

圖9 鋼內筒根部預處理尺寸圖(單位:m)Fig.9 Pretreatment dimension drawing of the root of steel inner cylinder

3)爆破前，為避免鋼內筒底部預處理切口部位因自重發生屈服下坐等不利現象，在首層檢查維修平臺處增加鋼混筒體與鋼內筒的整體性約束。 具體施工工序如下:

在首層平臺上部鋼內筒0. 5 m 處，將規格20 cm×20 cm×1 cm 的鋼板焊接至筒體外側同一標高的圓周上，共焊接4 塊，每塊間隔54°，待焊接牢固后，在鋼板上焊接用于系掛鋼絲繩的連接環；

使用水鉆在鋼混筒體內側相應位置鉆設通孔，鉆設水平位置較鋼內筒焊接位置高1.5 m；

使用6 股?10 mm 的鋼絲繩，一端系掛于鋼內筒外側焊接的連接環上，另一端套上套筒，穿過煙囪筒壁上的鉆孔，采用實心鐵柱固定于筒壁外側；

使用張緊設備對4 條6 股鋼絲繩進行張緊力調試，確保4 條鋼絲繩受力均勻。 詳見圖10。

5 爆破參數設計

5.1 筒體爆破切口參數確定

圖10 鋼混煙囪與鋼內筒整體性約束示意圖(單位:m)Fig.10 Schematic diagram of integral constraint between reinforced concrete chimney and steel inner cylinder(unit:m)

最小抵抗線W取切口處煙囪壁厚δ的一半，即W=δ/2；藥孔間距a =1.5～1.8W，取0.35m；藥孔排距b=(0.85～1.00)a，取0.35 m；藥孔孔深L =(0.67 ～0.70)δ，取0.28 m(磚砌體及牛腿處適當取大)；單孔藥量Q1=qabδ，g；q為單位體積耗藥量(單耗)，kg/m3，鋼筋混凝土一般取1.5 ～2.0 kg/m3。筒體爆炸部位平面展開見圖11。

圖11 筒體爆破部位平面展開圖(單位:m)Fig.11 Expanded plan of the blasting position of cylinder (unit:m)

5.2 鋼內筒爆破切口參數確定

在鋼內筒預處理窗口之間預留3 段0.3 cm 寬的部分的中間位置，各放置一列?32 mm 的乳化炸藥，與鋼混筒體切口裝藥同時起爆，確保爆破時放置炸藥部分發生屈服，使鋼內筒能夠隨著鋼混筒體沿著預定方向順利倒塌，裝藥位置見圖12。

圖12 鋼內筒爆破部位平面展開圖(單位:m)Fig.12 Expanded plan of the blasting position of steel inner cylinder (unit:m)

該筒體爆破切口的裝藥參數見表1。 鋼內筒爆破切口共使用90 cm 長的?32 mm 乳化炸藥，按10 g/cm 計算，共需乳化炸藥0.9 kg。 筒體及鋼內筒裝藥量共計39.2 kg，雷管數量400 發。

5.3 起爆網路設計

考慮到廠區內雜散電流及射頻電干擾等原因，為確保起爆的安全可靠，采用導爆管毫秒延期雷管、導爆管及四通連接件組成的復合加強型起爆網路。另由于爆破總藥量小，且裝藥分散，結合待爆破煙囪自身的結構特征，所有裝藥均采用3 段毫秒延期雷管，不分段一次齊爆。

表1 爆破參數Tab.1 Blasting parameters

6 爆破效果

起爆5 s 后，煙囪開始邊下坐、邊朝預定方向緩慢傾倒；第6 s 后，下坐完成，此時，煙囪筒體重心已偏離出煙囪底部，繼續朝預定方向加速傾倒；12 s后，倒塌完畢。

爆破后，經現場踏勘，煙囪筒體充分解體，鋼內筒底部完全斷開，倒塌方向準確無誤，周圍建(構)筑物完好無損，達到了預期的效果。

7 結論

1)針對本次爆破拆除的煙囪自身結構的特殊性，通過在鋼內筒底部沿倒塌方向開設預處理切口、在檢修平臺處將鋼混筒身與鋼內筒使用鋼絲繩連接等手段，避免了鋼內筒在實施爆破前筒壁屈服失效而發生危險，同時也增強了爆破過程中鋼混筒體與鋼內筒倒塌趨勢的一致性。 實踐證明，爆破過程中，鋼內筒未對煙囪整體倒塌趨勢產生不利影響，倒塌方向與設計倒塌方向的偏差在3°以內。 對類似工程在一定程度上具有指導意義。

2)本次爆破拆除煙囪為鋼內筒鋼混煙囪，與常規鋼混煙囪相比，爆破難度高。 由于鋼內筒的支撐作用，爆破后煙囪整體下坐發生時間較傳統鋼混煙囪延遲約3 s。 根據以往經驗，混凝土為脆性材料，煙囪爆破失穩后，通常會發生下坐現象。 下坐完成之前這段時間是煙囪發生炸而不倒或偏離預定倒塌方向的關鍵時刻，鋼內筒鋼混煙囪自起爆至下坐完成時間較長，安全隱患概率較大，故對鋼內筒鋼混煙囪的爆破參數須結合自身結構特征進行精心設計。