復雜環境下火電廠大面積廠房的爆破拆除?

吳 慶 夏云鵬 張耀良 張文斌

①江蘇科技大學土木工程與建筑學院(江蘇鎮江，212000)

②江蘇長江爆破工程有限公司(江蘇鎮江，212000)

引言

隨著社會經濟的快速發展，為了響應國家節能減排的號召，越來越多的重污染企業需被拆除。其中，因面積廣、空間大、排架結構、周邊環境復雜等特點，企業主廠房在爆破拆除時容易出現解體方向分散、倒塌不徹底或者傷及周邊保護目標等現象。

國內學者針對廠房爆破拆除進行了大量實踐研究[1-3]。丁凱等[4]采用了幾種減振技術對主廠房爆破效果進行了分析。陳密元等[5]對主廠房大板梁的支撐立柱在不同高度處布置爆破區，并逐次延期起爆，成功爆破拆除了主廠房。鄒宗山等[6]在倒塌空間有限的情況下對廠房采用雙向折疊的爆破方式。張曉龍等[7]通過設計合理的倒塌方案和爆破參數，對城市中復雜環境下的大面積廠房進行了爆破拆除。

以江蘇省鎮江市諫壁電廠主廠房爆破拆除為工程實例，研究復雜環境下大面積廠房爆破拆除的方法和防護措施，以期為今后類似的工程提供參考。

1 工程概況

1.1 環境特點

待爆廠房位于江蘇省鎮江市諫壁電廠廠區內。西側70 m處為待拆除的兩座210 m高煙囪、195 m處為313＃庫房和物資超市、205 m處為液氨站；東側40 m處為升壓區的開關室、42 m處為內有精密儀器的網控樓、52 m處為升壓區(區域內有大量的絕緣瓷瓶)；南側30 m處是廠區的生產辦公樓；北側33 m處為正在運行使用的七期廠區。待爆廠房周邊環境見圖1。

待爆廠房周邊地上、地下管網錯綜復雜，集中在待爆廠房四周，共有供熱、回水、除鹽、循環、消防、架空、通訊電纜、路燈供電、電纜隧道等9種不同類型的管線及重要設備。其中，通訊電纜距離廠房最近，為22 m。

1.2 樓房結構

圖2為待爆廠房的結構圖。廠房屬于鋼筋混凝土框架-排架組合結構。建筑最高點達到60.0 m。廠房的南北長353.0 m、東西寬48.6 m，總建筑面積為17 155.8 m2。

圖2 待爆廠房結構(單位:m)Fig.2 Structure of the factory buildings to be blasted(Unit:m)

廠房平面內，立柱排號自西向東劃分為C軸、B軸、A軸。總共有108根承重柱:截面尺寸為1 800 mm×700 mm的有96根；1 000 mm×500 mm的有8根，為B軸與A軸之間的山墻柱；700 mm×700 mm的有4根。立柱鋼筋最大直徑為25 mm。

待爆廠房有3個人行樓梯，分別在B軸與C軸之間的南、北、中3個部位。

廠房自西向東分為汽機房(東半部)與除氧煤倉間(西半部)。汽機房為排架結構，高度為35.0 m，內有兩座大型行吊，屋面為鋼混結構；除氧煤倉間為框架結構，高度為60.0 m。

2 施工難點分析

1)安全要求嚴。待爆廠房周邊毗鄰重要設備及管線，北側距離正在運行的七期廠區僅有33 m，東側距離四、五期網控室42 m，西側距離液氨站205 m，南側距離生產辦公樓30 m。廠房南北縱向跨度長，爆破影響范圍廣，若爆破危害控制不當，將造成華東電力網整體斷電事故。

2)技術要求高。廠房的東半部分汽機房為空間大、跨度長的排架結構，前、后排立柱間的跨度較長，兩排立柱間的聯系只有屋頂樓板和南、北兩側橫梁，若措施不合理，易造成后排立柱爆后傾而不倒。

3)工作量較大。由于廠房高寬比較小，爆破切口高，切口范圍內二樓部分墻體無法采用機械拆除，只能利用人工處理多道大面積磚墻。并且，由于廠房面積大，立柱數量多，鉆孔數量大。

3 方案設計

3.1 倒塌方式

廠房西側有70 m長的空地可供倒塌，倒塌距離和倒塌場地寬度均能滿足定向爆破場地要求[8]，故待爆廠房選擇向正西方向定向倒塌，見圖1。

3.2 爆破切口

待爆廠房東西寬度為48.6 m，高寬比為1.23，重心偏低。如采用單一切口(梯形或者三角形切口)形式，為保證重心偏移至外墻，其切口開設高度較高，工作量增大，施工成本增加。為保證廠房失穩倒塌，降低工程量，根據以往工程實踐，采用雙梯形組成的爆破切口，切口最大高度為15.0 m，切口最終傾角為21°。如圖3所示。

圖3 爆破切口(單位:m)Fig.3 Blasting incision(Unit:m)

3.3 預處理

1)樓梯處理。3座樓梯正好位于倒塌方向一側，如處理不利索，在倒塌過程中將會形成新的支撐。為確保廠房倒塌的可靠性，利用加長臂挖機對所有樓梯進行全部拆除，搭設腳手架至二樓，便于上樓施工，爆前對腳手架進行拆除。

2)隔墻處理。切口范圍內的隔墻影響主廠房倒塌解體，尤其是與倒塌方向一致的隔墻。因此，采用機械對切口范圍內所有墻體全部予以拆除，形成獨立的框架結構。廠房二樓部分隔墻機械無法拆除，且墻體面積較大，人工全部拆除危險性較大。因此，將二樓的隔墻處理成50 cm×24 cm的墻柱，對預留下的墻柱進行鉆孔裝藥。

3)管線預處理。廠房內有多道鑄鐵或鋼制的上下水管、消防水管以及煤倉管道，必須切斷切口范圍內的所有管線，否則將形成新的支撐，影響廠房的倒塌。煤倉管道內有大量煤粉，需提前對管道內煤粉進行灌水清洗，全程灑水作業，晚上派人巡視。

4)裙樓處理。為防止廠房南側裙樓對主廠房南側山墻倒塌造成影響，提前對其拆除。

3.4 爆破參數設計

1)精確計算爆破參數。本次爆破的參數是根據廠房的結構和現場條件，結合計算公式[9]和以往的實踐經驗而確定的，具體的參數如表1所示。

表1 爆破參數Tab.1 Blasting parameters

2)爆前試炮調整參數。在正式裝藥前，要選取不影響整體結構的立柱進行爆前試炮，其目的是摸清其砼強度、內部配筋，判別裝藥是否合理、防護是否有效，根據試炮效果調整參數。

3.5 爆破順序及起爆網路

3.5.1 爆破順序

采用分區域、逐跨、逐段延時起爆。由于廠房南北長度達到353.0 m，為嚴格降低最大單段起爆藥量，并使廠房分段著地，降低塌落振動，將廠房以伸縮縫為基準分為4個區域，由南向北依次為I、II、III、IV區域。各區域間延期間隔為0.5 s。單區域內C軸與B軸延期間隔為0.5 s；而由于A軸與B軸之間的汽機房為排架結構，前、后立柱之間牽拉力不足，為保證A軸立柱向預定方向傾倒，其延期時間不宜過長，因此A軸與B軸之間的延期間隔為0.11 s。各區域雷管段別劃分如表2和圖4所示。

表2 爆破段別劃分及延期時間Tab.2 Blasting section divisions and delay times

圖4 爆破分段Fig.4 Blasting sections

3.5.2 起爆網路

采用雙向復式閉合起爆網路。因廠房南北長度較長，如此大規模的起爆網路可靠性是保證廠房爆破成功的關鍵要素，起爆網路見圖5。

3.6 爆破安全計算

3.6.1 爆破振動校核[10]

式中:v為爆破允許質點振速，cm/s；Q為單段最大起爆藥量，kg；R為保護對象至爆破點的距離，m；k、α分別為與爆區地形、地質條件有關的系數和衰減指數；k′為修正系數，k′＝0.25。

對于最近的辦公樓(30 m)，通過計算得出炸藥爆炸產生的爆破振速為1.89 cm/s。根據GB 6722—2014《爆破安全規程》，爆破振速不會對爆區建(構)筑物及設施造成影響。

食鹽，很多初學者對食鹽作為面包配方中的基本原料很是不解。食鹽可以增加面包的風味；可以強化面筋，保持面團彈力，加強面團的保氣能力；控制面團發酵速度，讓面團在發酵過程中能均勻膨脹。食鹽還可以中和糖的甜味，在含糖量高的面包配方中，可以適當增加食鹽的用量。但是過量的食鹽不僅能讓面包很咸，也會抑制酵母的生長繁殖，因此食鹽在面包中的添加量通常為1%～2%（以面粉計）。

3.6.2 觸地振動校核[11]

式中:vt為塌落引起的地面振速，cm/s；R為觀測點至沖擊地面中心的距離，m；m為下落構件的質量，t；H為構件的高度，m；σ、g、kt、β分別為地面介質的破壞強度、重力加速度、觸地振速衰減系數、觸地振速衰減指數，按經驗取σ＝10 MPa，g＝9.8 m/s2，kt＝3.37~4.09，β＝1.80~1.66，在采取減振溝、逐區域、逐跨延時起爆等措施，衰減系數kt僅為原狀地面的1/4~1/3。

經計算，觸地振速為2.38 cm/s，在允許范圍內，塌落振速不會對爆區建(構)筑物及設施造成影響。

3.6.3 飛石距離校核[12]

式中:Rmax為最大飛石距離，m；Kt為與爆破方式、填塞長度、地質和地形條件有關的系數，結構物爆破一般取Kt＝1.0~1.5；q為炸藥單耗，kg/m3；D為藥孔直徑，mm。

經計算，Rmax為153 m，該廠房必須采取有效的防飛石措施將飛石控制在安全范圍內。

3.7 防護措施

3.7.1 防飛石措施

1)爆破立柱覆蓋防護。參照過往工程經驗，在原來防護的基礎上[13-14]，在需要裝藥的立柱和預處理后余留下的隔墻柱外側，用4層高強度安全網和1層塑料骨骼網[15]的組合覆蓋防護，形成第一級防護，防止爆破時飛石的溢散。

3)升壓區的遮擋防護。為防止廠房向西側倒塌時內部逗留氣體破壞東側門窗，造成碎片傷及廠房東側升壓站，在廠房與升壓站之間搭設遮擋排架，懸掛密目網，形成第三級防護。

4)對重要目標的主動防護(第四級防護)。

管道防護:待爆廠房北側七期允許廠房外側有許多面對爆區的管道，因此，采用鋼制腳手板搭設防護架，防止其受到損壞。

門窗防護:待爆廠房東側網控樓及北側廠房內有精密儀器，并且爆破時有留守人員在內，爆前對門窗使用木板進行封閉。

生產辦公樓防護:由于生產辦公樓位于廠房南側30 m處，為防止樓內辦公設備受到損壞，在辦公樓面向爆區的一側拉設一道安全網，形成遮擋。

3.7.2 降振措施

1)開挖減振溝[11]。在待爆廠房四周開挖一條寬2.5 m、深2.0 m的減振溝，防止爆破振動和塌落振動對周邊的影響。

2)振動監測。在廠房周邊多個保護物附近設置測振傳感器，全程監測收集振動數據。

3.7.3 超壓監測

爆前，在待爆廠房與七期廠房之間設置空壓傳感器，對廠房爆破產生的沖擊氣浪進行實時監測。

3.8 嚴密組織施工

本次廠房爆破過程中，裝藥量大、雷管段別多。為避免裝藥人員出錯，裝藥前要根據設計將每柱、每孔的裝藥情況繪制成總體裝藥圖。同時，制出單個立柱裝藥參數圖，貼在每根立柱上，便于施工人員明白地按圖施工。裝藥前，對所有施工人員進行技術交底，進行分藥、裝藥、填塞、連接網絡的明確分工，并講清各環節的技術要點。

4 爆破效果

4.1 爆破效果

2021年4月23日9時58分，待爆廠房3 s內完成起爆，在預先設計的范圍內自南向北依次傾倒，解體比較徹底。爆破效果如圖6所示。

圖6 爆破效果Fig.6 Blasting outcome

經爆后現場測量:廠房密集坍塌長度398 m，密集坍塌寬度71 m，爆堆最高15 m。但是，由于汽機房內行吊形成斜撐的原因(因行吊體積過大且離地較高，爆前難以拆除)，有3根立柱未徹底放倒。爆后，挖機對未傾倒立柱進行了拆除。

4.2 防護效果

四級防飛石措施有效阻擋了爆破產生的飛石，周邊保護目標安然無恙。

減振措施降振效果明顯。從圖7~圖8爆后各點檢測結果看出，各點測得的最大爆破振速為0.864 cm/s，沖擊氣浪超壓峰值為1.5 kPa，小于GB6722—2014《爆破安全規程》[8]建筑物無破壞標準規定的2.0 kPa，爆后廠房設備正常運行，未受到任何影響。

圖7 爆破振速變化曲線Fig.7 Variation curves of blasting vibration velocity

圖8 多點爆破的噪音信號疊加Fig.8 Noise signal superposition of multipoint blasting

5 結論

1)在復雜環境下對大跨度、高空間的排架結構廠房進行拆除爆破，采用多種防護措施，有效阻擋了個別飛石、著地飛濺以及壓縮氣體夾帶產物對周邊升壓站、網控樓、運行廠房、辦公樓等建(構)筑物及設施的損壞，防護方法有效。

2)如果施工條件允許，爆前需對行吊進行拆除，將行吊的軌道切割成數段。若不能拆除，將行吊移至兩個立柱之間，這樣，行吊一端下落后就不易形成整體支撐。

3)排架廠房兩側山墻外翻需格外注意。從爆后爆堆可以看到，南、北兩側山墻均向外移動了一定距離。建議類似工程中山墻需采取鋼絲繩牽引、加大爆高等必要措施。

4)爆前對周邊重要保護目標的取證以及爆中測振、測壓尤為關鍵，一是避免了爆后糾紛，二是為后續工程提供參考。