于明亮，林大能，喻 智，何 松

(湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南湘潭市 411201)

100 m高鋼筋混凝土煙囪定向爆破拆除

于明亮，林大能，喻 智，何 松

(湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南湘潭市 411201)

介紹了應(yīng)用定向倒塌爆破技術(shù)拆除1座100 m高鋼筋混凝土煙囪的實例。按照煙囪的實際結(jié)構(gòu)和受力情況，重點分析了高聳煙囪拆除爆破的缺口形狀、缺口參數(shù)、卸荷槽、爆破參數(shù)、定向窗開設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)。采取了有效的安全防護(hù)措施，基于安全考慮，對煙囪的穩(wěn)定性和爆破危害效應(yīng)進(jìn)行了計算研究。

煙囪；定向爆破；矩形缺口；爆破參數(shù)

1 工程概況

待拆廢棄煙囪位于湘潭電化集團(tuán)晨峰物流建設(shè)場地，煙囪為鋼筋混凝土筒式結(jié)構(gòu)，煙囪總高度為100 m，煙囪筒身采用200＃砼整體滑模澆筑，內(nèi)襯為75＃紅磚和25＃石灰水泥混合砂漿砌筑，筒壁內(nèi)有50 mm厚的空氣隔熱層。豎向主鋼筋為Ф20 mm、Ф18 mm、Ф16 mm；環(huán)向鋼筋為Ф18 mm、Ф16 mm、Ф14 mm、Ф12 mm。鋼筋保護(hù)層為30 mm，間距均為200 mm。實測爆破缺口部位煙囪周長25.3 m，混凝土壁厚為40 cm，內(nèi)襯紅磚厚24 cm。煙囪周圍環(huán)境簡單，倒塌范圍內(nèi)，除正東方向有民居及地下線纜需要保護(hù)外，其它建(構(gòu))筑物已經(jīng)拆除，場地較開闊，擬倒塌的東南方向300 m范圍內(nèi)沒有保護(hù)對象。

2 爆破技術(shù)設(shè)計

2.1 爆破方案

待拆煙囪四周環(huán)境條件較好，有多個方向可供倒塌?？紤]到為今后苛刻條件下高煙囪爆破積累經(jīng)驗，同時顧及地下線纜的分布情況，采用“向東南方向單向定向倒塌”方案。

2.2 缺口設(shè)計

目前國內(nèi)在控爆拆除煙囪、水塔時常用的缺口形式有長方形、梯形、倒梯形、斜形、反斜形和反人字形等6種，其中梯形和長方形應(yīng)用較多，效果較好[1]。王斌[2]通過對比分析數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場爆破工程實踐，認(rèn)為在常用的正梯形、倒梯形、矩形爆破切口形狀中，以正梯形受力效果最好。魏德[3]認(rèn)為切口的形狀應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場情況綜合考慮，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗得出結(jié)論：對于長方形或倒梯形切口，煙囪倒塌時前沖的距離較大；對于梯形切口和組合形切口，煙囪倒塌時后坐的距離較大。

根據(jù)待拆煙囪所處地理位置，預(yù)倒塌方向環(huán)境條件好，在東南方向有一出灰口，正東方向有一煙道口，綜合考慮倒塌方向、既有煙道形狀和施工情況，選取長方形爆破缺口。

缺口圓心角直接決定缺口的展開長度，而缺口長度決定了傾覆力矩的大小。缺口偏長，傾覆力矩偏大，支鉸易于破壞，不利于煙囪的平穩(wěn)倒塌。通常情況下，可以通過重力引起的截面彎矩(MP)與預(yù)留支撐截面極限抗彎力矩(MR)的關(guān)系來確定爆破缺口的長度，其中MP應(yīng)等于或稍大于MR。參照類似工程經(jīng)驗，設(shè)計缺口圓心角為228°，缺口長度為16 m，如圖1所示。

考慮到在爆破過程中，爆破切口處豎向鋼筋有較大的支撐力，對煙囪的順利傾倒不利。為防止炸而不倒的情況，切口高度應(yīng)滿足使鋼筋穩(wěn)定性破壞的條件[4]：

式中，H為爆破切口高度，mm；d為鋼筋直徑，mm；[λ]為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的長細(xì)比，一般取[λ]＝150；μ為軸心壓桿計算長度系數(shù)，剛度固定時μ＝0.5；計算結(jié)果為H≥1.5 m。綜合考慮計算結(jié)果及相關(guān)工程經(jīng)驗，為保證煙囪的順利倒塌，取缺口高度H＝2.7 m。

2.3 預(yù)處理

根據(jù)安全性原則和方向準(zhǔn)確性原則，劉強(qiáng)[5]總結(jié)出開設(shè)定向窗、開設(shè)掏槽窗、內(nèi)襯預(yù)處理、部分內(nèi)部鋼筋預(yù)處理等預(yù)處理方法。此拆除爆破方案中，預(yù)處理方法如下。

圖1 爆破切口水平截面

(1)鋼筋混凝土高聳建(構(gòu))筑物，由于筒壁較薄，倒塌時后坐現(xiàn)象嚴(yán)重，開設(shè)定向窗既能保證準(zhǔn)確的倒塌方向，又能驗證藥量是否合適以及降低一次起爆的藥量。一般窗口高度取(0.8～1)H，寬度一般取1.5 m左右[1]?；诩扔谐龌铱诤蜔煹揽冢O(shè)置2個定向窗，選取高度為2.7 m，寬度為1 m，并利用風(fēng)鎬和人工手段確保定向窗處于同一高度。

(2)為減少支撐區(qū)內(nèi)部鋼筋對煙囪產(chǎn)生不利的支撐力和拉力，在反方向傾倒中心線的兩側(cè)各2 m開槽并割斷外層鋼筋。在對稱于倒塌中心線的左右兩側(cè)外壁提前割傷鋼筋，形成卸荷槽。

(3)切斷煙囪鋼制爬梯和避雷針，拆除煙囪的煙道分割墻和橫梁，確保爆破切口內(nèi)部無妨礙物，減少外設(shè)裝置對煙囪整體性的影響，盡量保證煙囪在倒塌方向的質(zhì)量對稱和結(jié)構(gòu)對稱。

(4)為拆除爆破切口部位處內(nèi)襯，在爆破切口部位內(nèi)襯處除導(dǎo)向窗外另開設(shè)4個長1 m，寬為1.5 m左右的拱形洞，從拱形洞向煙囪內(nèi)部空氣隔熱層設(shè)置PVC管裝炸藥，利用炮泥充分封閉。

2.4 煙囪穩(wěn)定性分析

高聳建(構(gòu))筑物預(yù)處理后到爆破前的穩(wěn)定性分析主要考慮兩個問題：一是無風(fēng)載時，定向窗、卸荷槽開設(shè)后剩余的支撐體截面是否有足以支撐筒體的承壓能力；二是在任意風(fēng)載作用下，風(fēng)載作用對切口截面產(chǎn)生的彎矩是否會大于截面極限抗彎能力進(jìn)而導(dǎo)致煙囪提前傾覆。

2.4.1 無風(fēng)載情況的計算

預(yù)處理后剩余壁體的支撐面積

式中，R為爆破缺口的平均外半徑，m；r為爆破缺口的平均內(nèi)半徑，為確保煙囪安全取磚墻內(nèi)半徑，為3.31 m；∑αi為預(yù)切的定向窗、卸荷槽圓弧所對的圓心角的和，為確保煙囪安全穩(wěn)定取為定向窗、卸荷槽、內(nèi)襯拱形洞長度總和對應(yīng)圓心角進(jìn)行計算。

由荷載引起的壓應(yīng)力

式中，P為重力，由煙囪高度及相關(guān)資料查詢得自重約為2.0×106kg。

經(jīng)計算得：由載荷引起的壓應(yīng)力為2.24 MPa，而混凝土的抗壓強(qiáng)度為σc＝51 MPa，比較可知預(yù)處理后高聳物不會由于自身荷載作用使混凝土材料壓碎、失穩(wěn)。

2.4.2 有風(fēng)載情況的計算

風(fēng)力施加于筒壁上的反彎矩[6]

式中，v0為空氣容重，取1.25 kg·m-3；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；vf為風(fēng)速，經(jīng)查詢湘潭地區(qū)最大風(fēng)速約為為平均外半徑，m；H為高度，m。

自身重力形成的重力矩

式中，P為重力，kg；R為底部外半徑，m。

計算得：MF＝7.14×105kg·m，Mg＝8.0×107kg·m，Mg＞MF?？梢姡酗L(fēng)載時彎矩值仍遠(yuǎn)小于重力彎矩，故施工期間煙囪筒體能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.5 爆破參數(shù)設(shè)計

最小抵抗線W＝0.5δ；炮眼深度LP＝2/3δ；炮孔間距a＝1.5W；炮孔排距b＝a；裝藥排數(shù)n＝H/b＋1；單孔裝藥量Q0用體積公式計算，單耗在試爆窗口的基礎(chǔ)上確定為2 kg/m3。設(shè)計的爆破參數(shù)見表1，炮孔布置如圖2所示。

表1 煙囪爆破參數(shù)

2.6 起爆網(wǎng)路設(shè)計

本次拆除爆破采用1、3、5、7段的毫秒延期雷管，每孔1發(fā)，按照關(guān)于中心線對稱向兩側(cè)起爆的順序設(shè)置；為保證傳爆效果，約40根導(dǎo)爆管采用2發(fā)1段毫秒延期雷管過橋，過橋處額外添加約10 g炸藥；本方案總共使用20發(fā)1段毫秒延期雷管過橋，

過橋雷管使用8發(fā)電雷管引爆，其中每4發(fā)電雷管串聯(lián)成一組，兩組并聯(lián)，充分保證可靠起爆。

圖2 炮孔布置展開圖

3 安全防護(hù)

爆破安全設(shè)計中，由于小孔內(nèi)部裝藥爆破結(jié)構(gòu)物時單孔藥量小、炮孔多、裝藥分散的特點，爆破振動、爆破產(chǎn)生的沖擊波和爆破噪聲基本不會對周圍的設(shè)施產(chǎn)生影響[7]。安全防護(hù)的重點在于煙囪觸地產(chǎn)生的觸地振動、爆破飛石和爆破飛濺物。

3.1 塌落振動效應(yīng)

爆破地震效應(yīng)，拆除爆破高聳建(構(gòu))筑物時由于塌落產(chǎn)生的沖擊振動效應(yīng)效果更為顯著。因此須高度重視沖擊振動效應(yīng)對周圍建筑物的危害。采用中國科學(xué)院力學(xué)研究所提出的觸地振速計算公式[7]：

式中，I為沖量：I＝Mv，N·S；v為理論上建(構(gòu))筑物塌落觸地時的速度，m·s-1，由能量守恒定律可得v＝(2gH)1/2；H為爆破前后重心的下降高度，由煙囪資料得爆破前煙囪重心高度約為40 m；M為待爆建(構(gòu))筑物的質(zhì)量，kg；R為爆破體重心距保護(hù)對象的距離，m。

經(jīng)計算，煙囪整體倒塌時，不同點到爆源中心距離與相對應(yīng)的地表質(zhì)點振動速度如圖3所示。

雖然煙囪質(zhì)量大，重心高，觸地動能大，但煙囪上部筒體大部分落于廢棄的建筑垃圾上，建筑垃圾可有效減弱振動強(qiáng)度，觸地點遠(yuǎn)離居民區(qū)，觸地振動基本不會對周圍設(shè)施產(chǎn)生影響。

3.2 飛石防護(hù)

現(xiàn)有工程背景下，爆破安全警戒范圍的劃定及防護(hù)等級的確定主要依據(jù)爆破飛石的飛散距離。目前國內(nèi)外尚無拆除爆破飛石飛散距離的成熟計算公式，通過計算分析幾十例拆除爆破工程的飛石數(shù)據(jù)，大連理工大學(xué)的李守臣得到無覆蓋條件下爆破飛石飛散距離(Lf)與單位用藥用量(K)之間的關(guān)系

式中，Lf為無覆蓋條件下拆除爆破飛石的飛散距離，m；K為拆除爆破工程中單位用藥量，kg·m-3。本次爆破實際單位用藥量為2.0 kg。

計算得Lf＝101 m。計算結(jié)果表明，必須采取措施控制爆破飛石。為保護(hù)爆體東側(cè)民居，本次拆除爆破中，對煙囪進(jìn)行近體防護(hù)，利用濕麻袋充分包裹爆破缺口，套上鐵絲網(wǎng)，固定濕麻袋，在外側(cè)覆蓋竹笆等防護(hù)材料。此外，鋼筋混凝土煙囪倒塌時落地動能較大，筒體落地后一方面易于解體，另一方面容易濺起飛石。為減少飛濺物對周圍環(huán)境的影響，工作人員充分清理了倒塌方向上的地面，清除了易于飛濺的小型渣體等。

圖3 振速隨爆源距變化曲線圖

4 爆破效果

在實施該煙囪爆破拆除的過程中，煙囪按照預(yù)定的東南方向傾倒，拆除爆破觸地振動沒有對周圍設(shè)施產(chǎn)生影響，經(jīng)業(yè)主全面檢查，拆除爆破飛濺物和飛石均控制在允許范圍內(nèi)，說明本次爆破設(shè)計合理，拆除爆破獲得圓滿成功。

[1] 邵 鵬，東兆星.控制爆破技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004：69-70.

[2] 王 斌.高聳建筑物爆破拆除中失穩(wěn)斷裂因素的研究.[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2003.

[3] 魏 德，李玉岐.切口形狀對煙囪拆除爆破倒塌過程的影響分析[J].爆破，2008，25(4)：92-95.

[4] 傅菊根，姜建農(nóng)，張宇本.高聳建筑物爆破拆除切口高度理論計算[J].工程爆破，2006，12(2)：56-58.

[5] 劉 強(qiáng)，高振儒.煙囪定向爆破的預(yù)處理方法[J].爆破，2001，18(3)：47-49.

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表8 超挖情況統(tǒng)計表

3 結(jié) 語

本文通過對影響爆破效果的主要因素進(jìn)行層次分析，得出一套評價選擇方案時的決策方法，其優(yōu)點主要有以下3點：

(1)分析方法具有系統(tǒng)性。層次分析法把研究對象作為一個系統(tǒng)，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進(jìn)行決策，成為繼機(jī)理分析、統(tǒng)計分析之后發(fā)展起來的系統(tǒng)分析的重要工具。不割斷各個因素對結(jié)果的影響，且每一層的權(quán)重設(shè)置最后都會直接或間接影響到結(jié)果，而且在每個層次中的每個因素對結(jié)果的影響程度都是量化的，非常清晰、明確。

(2)決策方法簡潔實用。這種方法既不單純追求高深數(shù)學(xué)，又不片面地注重行為、邏輯、推理，而是把定性方法與定量方法有機(jī)地結(jié)合起來，使復(fù)雜的系統(tǒng)分解，能將人們的思維過程數(shù)學(xué)化、系統(tǒng)化，便于人們接受，且能把多目標(biāo)、多準(zhǔn)則又難以全部量化處理的決策問題化為多層次單目標(biāo)問題，通過兩兩比較確定同一層次元素相對上一層次元素的數(shù)量關(guān)系后，最后進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，計算相對簡便，所得到結(jié)果簡單明確，容易為決策者了解和掌握。

(3)所需定量數(shù)據(jù)信息較少。層次分析法主要是從評價者對評價問題的本質(zhì)、要素的理解出發(fā)，比一般的定量方法更講求定性分析和判斷，不需要大量精確的調(diào)查計算，從而減少操作的復(fù)雜程度。

但這種方法在隧道爆破實踐應(yīng)用中有以下兩方面的缺點。

(1)因素影響程度的判別主觀性較強(qiáng)。由于在對不同因素影響程度輕重的比較和判別上會存在一定的主觀偏差，對不同因素的側(cè)重不同，得到的結(jié)果往往會有很大的差別，不同的爆破工程實際中的這些因素影響程度也會有所不同，而不是千篇一律的。因此，這種方法雖然進(jìn)行了一定的量化比較，但主觀性、經(jīng)驗性較強(qiáng)，且對最終結(jié)果產(chǎn)生主要影響。

(2)影響因素的全面性有所欠缺。該方法在考慮影響隧道爆破效果的因素時缺乏全面性，容易忽略其他對爆破效果有著重要影響的因素，導(dǎo)致最后分析得出的結(jié)果不具備科學(xué)性。但這種缺點可以避免，該方法可以根據(jù)不同的工程實際進(jìn)行因素拓展，采取同樣的定性與定量比較之間的轉(zhuǎn)換，最終得出的結(jié)果仍可作為評價方案的參考標(biāo)準(zhǔn)，前提是，在進(jìn)行層次分析前針對具體的工程進(jìn)行全面的分析，并篩選出對爆破效果有重要影響的因素。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙 靜.數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)實驗[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2] 許名標(biāo)，彭德紅，陳寶心.層次分析法在爆破方案優(yōu)化選擇中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2004(4).

(收稿日期：2016-09-27)

作者簡介：鄧杰文(1995-)，男，主要從事彈藥工程與爆炸方面的研究，Email：1585017644＠qq.com。

2016-08-23)

于明亮(1994-)，男，甘肅武威人，碩士研究生，主要從事爆破爆破理論及技術(shù)方面的研究，Email：1064602920＠qq.com。