薄壁型钢混结构烟囱控制爆破拆除.pdf

第37卷第2期 2020年6月 Vo l . 37 No . 2 Jun . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.02.013 薄壁型钢混结构烟囱控制爆破拆除* 谢就“2,王铭2,张西甘2,仪海旷濒红蹇，江东聲2 （1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，马鞍山243000； 2.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司，马鞍山243000； 3.金属矿山安全与健康国家重点实验室,马鞍山243000） 摘要为消除石溪野水泥厂废弃薄壁钢混结构烟囱的安全隐患，在分析烟囱周边环境及拆除技术难点的 基础上，采用与高压线平行的定向倒塌方案进行控制爆破拆除。设计爆破切口高度2.25 m,切口角度225, 三角形定向窗高度1 m,筒壁和烟道处炸药单耗分别取3. 8 k g/m3和2. 3 k g/n ；倒塌方向上设置两道高度 1 m的土挡墙以减弱塌落振动，采用铁丝网和多层密目网防护措施以控制爆破飞石。通过精细的爆破设计 和组织施工，成功实现了烟囱的定向爆破拆除，爆破振动和飞石控制在安全允许范围内。 关键词薄壁钢混烟囱；拆除爆破；倒塌方案；危害控制；爆破效果 中图分类号TU746.5 文献标识码A 文章编号1001 -487X（2020）02 - 0075 - 05 Co ntro lled Blasting Demo litio n o f Thin-walled Steel-co ncrete Structure Chimney XI E Liang-bo12, WANG Ming , ZHANG Xi-liang2, YI Hai-bao13, GU Hong-jian JI ANG Dong-ping （1. Sin o st eel Ma a n sha n In st it ut e o f Min in g Resea r c h Co . ,Lt d. , Ma n sha n 243000, Chin a ； 2. Ma a n sha n In st it ut e o f Min in g Resea r c h Bl a st in g En gin eer in g Co . , Lt d. , Ma n sha n 243000, Chin a ； 3. St a t e Key La bo r a t o r y o f Sa fet y a n d Hea l t h fo r Met a l Min es,Ma n sha n 243000,Chin a） Abstract In o r der t o el imin a t e t he sa fet y ha z a r d o f t he a ba n do n ed t hin -wa l l ed st eel -c o n c r et e c himn ey in Shix iye Cemen t Pl a n t, t he c o n t r o l l ed bl a st in g demo l it io n wa s c a r r ied o ut by c o n sider in g t he dir ec t io n a l c o l l a p se sc heme whic h p a r a l l el t o t he high-vo l t a ge l in e ba sed o n a n a l yz in g t he sur r o un din g en vir o n men t o f t he c himn ey a n d t he diffic ul t ies in demo l it io n . The height o f bl a st in g c ut wa s 2. 25 m,t he a n gl e o f t he c ut wa s 225 ,a n d t he height o f t he t r ia n gul a r o r i en t ed win do w wa s 1 m. The p o wder fa c t o r a t t he wa l l a n d t he fl ue wer e 3. 8 k g/m3 a n d 2. 3 k g/m3 r esp ec t ivel y. Two so il r et a in in g wa l l s wit h a height o 1 m wer e set in t he c o l l a p se dir ec t io n t o r educ e t he c o l l a p se vibr a t io n . Ba r bed wir e a n d mul t i-l a yer mesh wer e used t o c o n t r o l t he bl a st in g fl yin g r o c k . Thr o ugh t he fin e bl a st in g design a n d c o n st r uc t io n o r ga n iz a t io n, t he dir ec t io n a l bl a st in g demo l it io n o f t he c himn ey wa s suc c essful l y r ea l iz ed, a n d t he bl a st in g vibr a t io n a n d fl yin g r o c k wer e c o n t r o l l ed wit hin t he sa fe a l l o wa bl e r a n ge. Key Wo rds t hin -wa l l ed st eel -c o n c r et e st r uc t ur e c himn ey ； demo l it io n bl a st in g ； c o l l a p se sc heme ； ha z a r d c o n t r o l； bl a st in g effec t 收稿日期2020-01 -14 作者简介谢亮波（1980-）,男，高级工程师、硕士，主要从事矿山控 制爆破及拆除爆破技术研究，（E-ma il） x iel in gbo 2000 si- n a . c o mo 基金项目国家重点研发计划资助项目（项目编号2017YFC0602 902）；安徽省重点研究和开发计划资助项目（项目编号 201904a 07020038） 随着我国城市化进程的不断推进，大批待拆除 高耸建（构）筑物的周边环境日益复杂，使得安全爆 破拆除的难度逐渐增大，也对控制爆破提出了更高 的技术要求。为实现复杂环境下的安全爆破拆除, 诸多爆破科研工作者开展了大量相关研究工 76爆破2020年6月 作⑴句谢先启院士提出了大型拆除爆破工程项目 全寿命周期管理模式,以及SCPE项目管理方法,并 在3. 5 k m武汉沌阳高架桥爆破拆除工程中得到应 用;费鸿禄利用Ma t l a b数值软件分析了冷却塔塔体 触地解体过程，提出冷却塔爆破整体延期时间不宜 过大的建议，降低冷却塔爆破对周围建筑的危害;季 杉采用单柱和单跨桥梁模型研究了爆破振动和塌落 振动传播规律，指出塌落振动主频与结构前几阶频 率接近,爆破工程时需优先考虑塌落振动;武哲采用 人工剪破碎和机械剪切等方法结合力学原理对剪力 墙、电梯井等进行了预拆除，通过结合楼房的建筑材 料、结构和受力状态选择爆破参数,实现了 90 m高 楼房的折叠控制爆破;张建华利用ANSYA/LS-DY- NA软件研究了小缺口爆破技术对冷却塔拆除的影 响，提出小缺口爆破技术能够促进冷却塔的倾倒速 度,提高冷却塔触地破碎程度和降低爆破振动;蒙云 琪采用数值模拟软件建立分离式耦合模型,优化确 定了铁四院前大楼爆破拆除方案。已有研究成果从 数值模拟、振动控制等角度进行了多方面研究，然而 在结构设计资料不详的薄壁烟囱拆除方面鲜有 报道。 以长江沿岸某薄壁型钢筋混凝土烟囱为例，在 综合考虑烟囱周边环境及拆除难点的基础上，制定 安全可靠的倒塌方案，从合理选择爆破切口高度、优 化爆破孔网参数、加强安全防护等角度进行爆破危 害控制，以实现烟囱的定向控制爆破拆除,消除烟囱 的安全隐患,为类似拆除爆破提供一定借鉴。 1概述 11烟囱概况烟囱概况 石溪野水泥厂区内的待拆烟囱位于长江沿岸 300 m范围内，运行30多年后废弃,表层混凝土风 化严重，岩块片落现象突出。按照国家长江绿色发 展和生态保护规划,消除烟囱的安全隐患，须对其爆 破拆除。该烟囱高度62 m,内衬耐火砖的钢筋混凝 土结构;呈下部直径大、上部直径小的圆筒形;下部 外径4.5 111,内径3.5 m；壁厚50 c m,其中耐火砖厚 度24 c m,钢筋混凝土厚度21 c m。在烟囱正南侧有 一烟道，宽 X 高 1.1 m X 1.5 mo 1.2周围环境周围环境 该烟囱周边环境复杂，东侧有一从市发电厂引 出的南北走向高压线路，与烟囱的最近距离为 85 m；东北侧和东南侧共计有3座高压线塔,距离分 别为180 m、255 m和270 mo烟囱东侧、西侧、北侧 分别为西山路、沿江大道和六汾河路,最近距离分别 为53 m、173 m和310 mo东北侧距某炉料加工厂 最近235 m。烟囱周边环境示意图见图1,现场照片 见图2。 图1烟囱周边环境示意图单位m Fig. 1 Chimn ey sur r o un din g en vir o n men t un it m 图2烟囱照片 Fig. 2 Chimn ey sc en e p ho t o 2拆除爆破方案 2.1爆破拆除难点爆破拆除难点 1 烟囱建设年代久远，结构设计图纸缺失，钢 筋分布不清,增大爆破参数选取难度。 2 通常烟道处钢筋分布较为密集，烟道未预 拆除，可能对倒塌方向存在一定影响。 3 该烟囱为典型的薄壁结构,对孔网参数、炸 药单耗以及爆破飞石控制带来挑战。 4 内衬耐火砖年久风化，爆破切口处进行预 处理，存在整体剥离塌落的安全风险。 5 周边环境复杂，爆破危害控制难度大。 2.2倒塌方案及预处理倒塌方案及预处理 1倒塌方案 该烟囱的正东侧85 m处为需保护的高压线路, 而南侧场地比较开阔；同时考虑到烟道位于正南侧, 由于工期紧，没有进行预拆除，为此，设计采用向正 第37卷第2期谢亮波，王 铭,张西良，等 薄壁型钢混结构烟囱控制爆破拆除77 南侧定向倒塌方案，倒塌方向与高压线走向一致。 2预处理 定向窗的对称性是决定烟囱按照设计方向倒塌 的关键。为保证倒塌方向的可靠性,在爆破切口两 侧对称各设置一个三角形定向窗，高度1 m,底边 1.5 m；经现场测量定位后，采用人工方式开凿。 为避免内衬耐火砖整体剥离塌落，在爆破切口 位置间隔处理掉部分耐火砖,剩余部分作为上部耐 火砖的安全支撑。 2.3爆破设计参数爆破设计参数 1爆破切口 爆破切口是影响烟囱失稳倾倒的关键因素。切 口高度h与烟囱的材质和筒壁厚度3有关，同时应 保证爆破切口闭合后烟囱的重心偏离烟囱的支撑 点。通常切口高度h需满足⑺9〕 心3 58 同样高度下,壁厚时，取小值;壁薄时，取大值。根据 类似工程实际经验,这里设计采用梯形爆破切口；考 虑到烟道未进行预处理,且为薄壁结构,切口高度应 适当增大，设计切口高度取2. 25 m。为便于现场钻 孔作业，切口下沿离地高度75 c m。 预留具有一定承载能力的支撑柱不进行爆破, 承受上部重力荷载，可以保证烟囱倾倒方向的可靠 性。通常，爆破切口范围是筒壁的周长的1/2 2/3,对应的圆心角为180 -240；这里综合考虑选 取切口角度225。。爆破切口示意图见图3。 0 A 8.85 Fig. 3 Figur e o f bl a st in g c ut（un itm） 图3爆破切口不意图单位 2 炸药单耗 单位炸药消耗量是拆除爆破设计中的一个重要 参数。选择的炸药单耗不合适,不仅影响爆破效果, 还会导致爆破事故。单耗选取的太大,爆破过粉碎, 爆破飞石过远，防护效果不好时易于发生飞石伤害 事故;反之，单耗选取的太小,容易发生炸而不倒现 象，增加二次处理安全风险。 3 爆破参数 炮孔布置应力求炮孔规则整齐布置，使炸药均 匀分布于爆破体中，以保证爆破后破碎块度均匀。 采用直径“ 40 mm钻孔，正方形布孔方式;鉴于烟 囱结构设计图纸缺失,布筋情况不清,在定向窗开凿 前，根据初步估计筒壁厚度，设计的筒壁和烟道处孔 距分别为25 c m和30 c m,孔深分别为15 c m和 70 c m,设计爆破切口处共计布置168个炮孔。 在定向窗完成后，实际筒壁厚度较预估值薄,原 设计孔距参数偏大。因此，对孔网参数进行了适当 调整，分别在筒壁原孔位对角线中心和烟道处进行 了补孔工作;实际共计布孔289个。经现场补孔调 整后，实际筒壁炸药单耗为3. 8 k g/mj烟道处 2.3 k g/m3；由此计算,筒壁和烟道处的单孔装药量 分别为40 g和200 g,共计使用炸药量16. 32 k g。烟 道处采取分两段装药方式，每段100 g,以均衡炸药 能量分布。 4起爆网路 烟囱拆除爆破的炮孔数量多,且对起爆可靠性 要求严格。为此，设计采用非电复式起爆网路;沿烟 道口中心线为对称轴，两边孔内分别采用2段和4 段导爆管雷管，孔内同段控制在20发内为一簇，簇 连连接;孔外复式连接至起爆点。 3拆除爆破危害控制 3.1塌落振动控制塌落振动控制 1塌落振动计算 根据中国地震烈度表GB/T 177422008可 知，该烟囱所在地区的地震烈度为6度，对应的地面 峰值速度为5 9 c m/s。根据电力设施抗震设计 规范GB 502602013和架空输电线路杆塔结 构设计技术规定DLT 5154-2012，输电线路杆 塔和基础抗震设防烈度应采用当地的基本地震烈 度。说明高压线塔基的抗震设防烈度为6度。为确 保爆破作业期间高压线塔基的安全，这里选取的安 全允许振动速度为2 c m/s。 爆破振动和塌落振动效应是周边设施安全的一 78爆破2020年6月 个重要影响因素少切。烟囱爆破拆除主要以塌落 振动为主，爆破振动强度较小,只要塌落振动速度控 制在周边保护设施的安全允许范围内即可满足要 求。根据中国科学院力学研究所周家汉教授的研究 成果，烟囱爆破塌落振动速度可以按照以下经验公 式进行计算「⑷ 匕人人[Mg/i/o “] 式中匕为塌落引起的地面振动速度,c m/s；M 为下落构件的质量,t ;g为重力加速度,9. 8 m/s2；/i 为构件的高度,62 m；7为观测点至冲击地面中心的 距离，m；“为塌落地面介质破坏强度，一般取 10 MPa；K八0为塌落振动速度衰减系数和指数，分 别取3. 37和-1.8。 根据烟囱建筑设计图纸，烟囱质量M约为 340 t ,烟囱高度人为62 m,东北侧高压线塔基至冲 击地面中心的距离为200 m。 计算可知,烟囱塌落在最近高压线塔基附近引 起的地面振动速度为0. 11 c m/s,远小于高压线塔 基的安全允许振动速度2.0 c m/s。 2塌落振动控制措施 为减轻烟囱塌落振动影响范围,在倒塌方向上 分别在距离烟囱20 m和40 m处各设置一个高度为 1.0 m的土挡墙，作为塌落冲击时的缓冲垫层。 3.2爆破飞石控制爆破飞石控制 1 爆破飞石距离计算 由于拆除爆破的炮孔深度浅,堵塞长度小;破碎 钢筋混凝土结构的炸药单耗大，如果采取的防护遮 挡措施不到位，可能造成临近建筑物、设施的损坏和 人员的伤害。无覆盖条件下，拆除爆破飞石可采用 如下经验公式进行估算I”〕 粘70严* 式中R为个别飞石最大距离,m；b为炸药单 耗,k g/m3。 计算可得,无覆盖条件下,爆破飞石最大距离为 151. 8 mo 2 飞石安全防护及安全警戒范围 为有效控制爆破飞石危害，减小飞石飞散距离， 对爆破切口位置采用铁丝网和多层密目网进行近体 防护。同时，为防止烟囱塌落后飞溅石块伤人事故 的发生,爆破拆除前,将倒塌方向前侧地面上的碎石 等清理干净。 根据本次爆破烟囱的周边环境,为避免爆破飞 石伤害事故的发生,保证爆破作业安全，烟囱南侧、 北侧、东侧的爆破警戒范围分别为500 m、310 m和 350 m,西侧至江边。在爆区周围的主要道路口共计 设置八个警戒点，安排专人进行爆破警戒,确保人 员、车辆等疏散到安全地点。 4现场爆破效果 通过精心的设计、施工，烟囱起爆10 s后，完全 按照预定的方向实现了塌落触地，塔体完整性较好, 未对周边高压线等造成任何损害;现场振动监测结 果表明，在最近高压线塔基处的峰值振动速度为 0.21 c m/s ,稍大于理论预测值，但仍在其安全允许振 动速度范围内;爆破飞石控制在40 m范围内，取得了 较好的爆破危害控制效果。现场爆破效果见图4。 图4现场爆破效果 Fig. 4 On -sit e bl a st in g effec t 本次爆破作业成功实施,较好的保证了周边建 构筑物的安全。中央电视台在壮丽70年奋斗 新时代一共和国发展成就巡礼安徽一“为有 源头活水来，共抓长江大保护”栏目，对该烟囱拆除 爆破进行了全程现场直播报道。 5结语 1 烟囱结构设计图纸是爆破孔网参数设计的 关键;对于建设年代久远、技术资料缺失的钢混烟 囱,应根据开凿定向窗掌握的筒壁参数对设计方案 进行适当调整，保证倒塌方案的可靠性。 2 烟囱拆除后，现场塌落振动和爆破飞石皆 控制在安全范围内,说明了爆破设计参数、切口方案 的合理性，设置缓冲减振挡墙和近体覆盖防护对爆 破危害控制是十分有效的，对类似薄壁烟囱爆破拆 除具有一定指导借鉴作用。 3 该爆破工程的圆满实施，既消除了烟囱的 安全隐患，又加快了水泥厂拆除整治进度,有力推进 了安徽长江生态景观带建设步伐，为周边居民的生 活环境和沿江生态提升创造了有利条件。 参考文献参考文献References [1]谢先启，贾永胜,姚颖康，等.大型拆除爆破工程SCPE 第37卷第2期谢亮波，王 铭,张西良，等 薄壁型钢混结构烟囱控制爆破拆除79 项目管理方法研究与实践[J].爆破,2015 ,323 118- 122. 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