100m高钢筋混凝土烟囱分段双向折叠爆破拆除方案研究

摘要:本文主要针对100m高的钢筋混凝土烟囱爆破拆除的复杂环境,确定了两段双向控制爆破技术方案。在理论分析与经验的基础上确定了上下时差,并采取了积极有效的防护措施,取得了较好的爆破效果,达到了设计要求,供同类工程参考。

关键词:复杂环境；两段双向；上下时差

1、工程概述

在某火电厂老厂及附属物的拆除工程中，有一座高度为100m的钢筋混凝土烟囱需要爆破，该烟囱位于主厂房西边33.3m处，烟囱南边19m处为一个待拆除输煤栈桥，40m处为厂区一仓库小院（待拆除），80m处为厂区围墙；西边13m处为厂区泵房。周围环境图如1所示。

钢筋配筋：1-4m高处烟囱为双层钢筋：内层竖向钢筋为168φ12，外层竖向钢筋为160φ16，内层环向钢筋为φ12@150，外层环向钢筋：0-2.5m处为φ12@150，2.5-4m处为φ16@100；烟囱4.0m以上为单层钢筋，4-8.1m处，竖向钢筋为160φ16与150φ16两种，环向钢筋为φ16@150。

图1某电厂100m烟囱周围环境示意图

2、烟囱分段双向折叠爆破设计

双向折叠爆破拆除其原理是上下两个爆破缺口方向相反,延时起爆,在空中倾倒过程中完成双向折叠。

根据烟囱的结构，周围环境及倒向，在烟囱根部和中部分别设计一个定向爆破缺口。在烟囱根部正南侧距地面0.5m处设计一个定向爆破缺口，在烟囱中部55米信号平台处正北侧设计一个定向爆破缺口。从而破坏烟囱结构的稳定性，导致整个结构失稳和重心产生位移，在本身自重作用下形成倾覆力矩，迫使烟囱按预定方向倒塌（上部首先向整北倒塌，而后下部向正南方向倒塌）。

2.1爆破缺口参数设计分底部爆破缺破参数与上部爆破缺破参数分别计算。

2.1.1底部缺破参数设计

（1）炮孔深度l：

l=(0.67～0.7)，mm式中：─烟囱壁厚，mm。根部爆破缺口部位的壁厚为=420 mm，则孔深l=281.4～294mm。实取l=290mm。

（2）炮眼布置

为使爆破缺口范围内的烟囱砼壁体充分破碎，上下排炮孔均采用梅花形交错布孔方式。具体的布置形式见图2。

炮孔间距a和排距b可按下式计算：

a=(0.8～0.9)l，mm；b=0.85a，mm将l=290mm代入式得：

爆破缺口部位炮孔的间、排距为a=232～261mm，b=197～222mm；实取a=250mm，b=220mm。

（3）爆破缺口设计

将爆破缺口底部选在0.5m处为佳。

爆破缺口的尺寸按下式计算：

L=2/3D；h=(3-5)。式中：D―爆破缺口部位筒体外径。

据此并结合炮孔布置的间、排距尺寸，可得爆破缺口的尺寸。将=0.42m代入式(5)得爆破缺口的高度为：h=1.26～2.1m，实取h=1.98m。

将D下=9.7m及D上=9.5m代入式得：

L下=20.3m，L上=19.9m，实际取L上=L下=20m，支承体为9.5m。

定向窗的设计：东西定向窗开设1.8×1.98m2。

减荷槽的设计：在倾倒中心线上利用南出灰口开设2.0×2.5m2的减荷槽。

爆破缺口如图2所示

爆破缺口内共布置十排，其中定向窗炮眼200个，减荷槽炮眼20个，爆破眼520个，共计炮眼740个。

为确保定向倒塌，爆破缺口必须对称布置于倾倒中心线两侧。

（4）单孔装药量q的确定:

单孔药量q可根据以下公式计算：

q=kab，g式中：k―单位用药系数。对于钢筋砼烟囱，k=3000g/m。

将a=0.25m，b=0.22m，=0.42m代入得爆破缺口的单孔药量为：q=69.3g；考虑到制作药包的方便，实取单孔装药量q=150/2=75g。（该药量应在定向窗、减荷槽爆破检验后进行调整）

（5）下部总装药量

Q=qn=740个×75g/个=55.5kg（倾倒爆破药量为520×75=39kg）

2.1.2上部缺破参数设计

上部缺口位置的选择，为了施工方便节约施工成本同时考虑到现场的实际情况，上部缺口位置选择在中部55米信号平台处。此处壁厚170mm，烟囱直径5.4m。

（1）炮孔深度l：

l=(0.67～0.7)，mm式中：─烟囱壁厚，mm。

根部爆破缺口部位的壁厚为=170mm，则孔深l=113.9～119mm。实取l=120mm。

（2）炮眼布置

为使爆破缺口范围内的烟囱砼壁体充分破碎，上下排炮孔均采用梅花形交错布孔方式。具体的布置形式见图3。

炮孔间距a和排距b可按下式计算：

a=(0.8～0.9)l，mm；b=0.85a，mm

将l=120mm代入得：爆破缺口部位炮孔的间、排距为a= 96～108mm，b=81.6～91.8mm；根据同类工程施工经验实取a=200mm，b=180mm。

（3）爆破缺口设计

爆破缺口的尺寸按下式计算：

L=2/3D；h=(3-5)式中：D―爆破缺口部位筒体外径。

据此并结合炮孔布置的间、排距尺寸，可得爆破缺口的尺寸。

将=0.17m代入得爆破缺口的高度为：

h=0.54～0.85m，实取h=0.9m。

将D=5.4m代入得：

L=11.304m，实际取L=11m，支承体为5.956m。

定向窗的设计：东西定向窗尺寸为1.0×0.9m2。

减荷槽的设计：在倾倒中心线上开设1.0×0.9m2的减荷槽。

爆破缺口如图3所示

爆破缺口内共布置6排，其中定向窗炮眼72，减荷槽炮眼36个，爆破眼126个，共计炮眼234个。

为确保定向倒塌，爆破缺口必须对称布置于倾倒中心线两侧。

（4）单孔装药量q的确定:

单孔药量q可根据以下公式计算：

q=kab，g式中：k―单位用药系数。对于钢筋砼烟囱，k=3000g/m。

将a=0.20m，b=0.18m，=0.17m代入得爆破缺口的单孔药量为：q=18.36g；实取单孔装药量q=20g。

（5）上部总装药量

Q=qn=234个×20g/个=4.68kg（倾倒爆破药量为126×20=2.52kg）

2.2钢筋预切断方案

（1）在烟囱倾倒爆破装药前将预爆的定向窗及减荷槽内的内外层钢筋全部切断；

（2）在烟囱支承体+1.00m处将倾倒中线反方向两侧2m以内的外层竖向钢筋全部切断，以减少烟囱倾倒过程中钢筋的拉力；内层钢筋不做任何处理。

2.3爆破网路设计

上下爆破缺口均采用非电导爆管毫秒雷管起爆,雷管段数选用5个段别,将上下爆破缺口的塑料导爆管每个缺口平均捆成5束。上、下爆破缺口共用20发1段毫秒电雷管,两两并联后再串联,组成10个击发点,每个缺口5个击发点,上、下爆破缺口的电雷管分别接成两套独立的爆破母线,最后用BS-8型微差起爆仪起爆,该仪器直流电压为450V,延时时间设为3.0s。烟囱定向爆破拆除中的爆破网路设计的关键问题是保证沿倾倒中心线对称可靠起爆。因此，缺口采用非电毫秒微差加强双回路一次起爆方案，延时微差时间选择1、3、5、7、9段毫秒延期非电雷管，总延期时间为310ms。

3、安全技术设计

3.1爆破地震计算

根据《爆破安全规程》，爆破中心到保护物之间的距离按下式计算：

式中：V―被保护物处的质点振动速度，cm/s；

K―与介质性质、爆破方式等有关的系数，K=100～150

K―分散与临空面系数，K，=0.25～1.00；

Q―同段起爆的最大装药量，kg；

R―爆破中心到被保护物之间的距离；

α―与传播途径和地形有关的系数，近距离α=1.5～2.3；

对于烟囱爆破时，根据以上设计装药量，同段起爆的炸药量及总装药量都比厂房及基础爆破时为小，所以爆破震动是微弱的。取K=150，α=1.57，K=0.25，对烟囱周围被保护建筑物进行安全振速校核。

爆破地震振动速度的计算结果见表1-1。

从表1-1的计算结果可知，爆破地震引起的振动速度远小于允许的振动速度，即烟囱爆破时的地震效应是很弱的，因此要保护的建筑物及其仪表是安全的。

3.2烟囱落地的振动安全校验

高耸的烟囱爆破倒塌落地瞬间会触地冲击地面，在地面内产生冲击震动效应，在拆除爆破高耸建、构物时，冲击震动效应比爆破地震效应更显著。因此它对周围建筑物等造成的危害不容忽视，须引起高度重视。

采用中国科学院力学研究所提出的计算触地振速的公式：

式中：I─为冲量：I=mv；N・S。

v─建筑物、构筑物触地时速度，m/s；由能量守恒定律得：

0.5mv2=mg(H1－H2)=mgH,由此式可求出V值；

H1、H2─待爆建筑物原重心高度与触地时的重心高度,m；

H=H1－H2为爆破后重心的下降高度，m；

m―待爆建、构筑物的质量，kg；

R―爆破体重心距保护对象的距离，m；

K1―分散与缓冲系数K=0.3。

烟囱物理参数及烟囱爆破塌落触地时引起周围保护对象的冲击振动速度，按上式编出程序计算所得的结果见表1-2。计算中按爆破缺口同时切除，烟囱按刚体自由落体同时冲击落地计算，此时引起的冲击振动速度最大。实际上烟囱在倒塌触地时，常常在烟囱的中上部要产生折断并分次冲击塌落，同时要产生后坐现象，因此实际的冲击振动速度要比表中的计算值小得多。

烟囱爆破时的触地冲击振动速度计算结果表1-2

4、爆破效果

2008年4月28日上午9时30分烟囱起爆后,从爆破录像中可以看到，上段烟囱先向下一沉,2s后开始缓慢下坐,并向设计方向倾斜,5s后迅速倾倒,3s时下段烟囱爆破缺口起爆,在下段烟囱开始倾倒时,上段烟囱底部还没有脱离下段烟囱,上段烟囱底部随着下段烟囱向设计方向倾倒，随后下段烟囱缓慢下坐、倾倒,上段烟囱重叠在下段烟囱的爆堆之上。两段烟囱均出现了不同程度的下坐,未发生后坐现象,在倾倒中心线方向的坍塌长度约为60m,横向最大坍塌约为15m,顶部坍塌宽度约为12m。周围厂房、住宅等建筑物安然无恙,仪器、设备、高压线等未受到任何影响,达到了设计效果。烟囱上段触地后混凝土彻底粉碎，内部钢筋全部；烟囱中段混凝土破碎，钢筋与混凝土脱离；烟囱下段筒体彻底消失，混凝土壁充分龟裂。

5、结论

通过上述分析和研究归纳出以下几点结论：

(1)在场地受到限制的复杂环境下,采用对称倾倒中心线爆破缺口的分段双向爆破拆除烟囱方案安全可靠,施工方便,成本低,速度快。

(2)上下段烟囱重叠的效果好,倾倒距离短,倒塌范围小,对倾倒方向的建筑物能进行有效的保护。

(3)下段烟囱首先倾倒落地,对上段烟囱的触地能起到缓冲作用。

(4)利用黄土作为100m高烟囱缓冲介质，①缓冲效果好；②对触地的烟囱及爆渣起到了二次破碎作用；③烟囱破碎效果好，使破碎、运输两道工序变为一道工序，施工简单，速度快，效率高；④节省了单独施爆烟囱所需的飞石、防震沟缓冲材料的费用及其时间，施工成本低。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准：爆破安全规程GB6722-2003[S].北京，中国标准出版社。2004.

[2]张英才，余永强，杨小林，员小有，盖四海，黄小广.钢筋混凝土高烟囱控制爆破拆除[J].西部探矿工程,2005.

[3]邢光武，李战军，傅建秋，郑斌旭。同层位无时差双向折叠爆破新技术的应用[J]。爆破。2009.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。