100 m高钢筋混凝土烟囱定向爆破拆除实践

周应军 罗 鹏 李本伟 胡浩川

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司)

某待拆除烟囱地面以上标高为100 m，钢筋混凝土筒式结构。在+0.5 m标高处烟囱外直径为9.71 m，内直径为8.71 m，壁厚500 mm，隔热层为0 mm，内衬为0 mm；在+5.00 m标高处外径为9.21 m，内径为8.37 m，壁厚420 mm，隔热层为80 mm，内衬为240 mm；在+17.5 m标高处烟囱外直径为7.96 m，内直径为7.48 m，壁厚240 mm，隔热层为50 mm，内衬为120 mm；在+100 m标高处，烟囱外径为6.40 m，壁厚160 mm，隔热层为50 mm，内衬为120 mm；经计算烟囱质量约1 787 t，重心高度为34 m。根据烟囱结构及强度，机械拆除费时费力，拟采用爆破方法拆除。

1 工程环境

该烟囱北面距昌江391 m，距180 m烟囱煤仓间23 m；东面距升压站128 m，距空调房125 m，距100 m烟囱汽机房62 m，距100 m烟囱煤仓间 49 m；南面距在建高铁线227 m，距运行食堂70 m；西南面距废弃液化气站92 m；西面距居民楼235 m，距老年宫191 m，距门球场160 m，距消防楼135 m；西北面距某中学教学楼252 m，距中学体育馆150 m，距检修车间127 m，距180 m烟囱80 m。原发电厂生产区内除升压站在运行外，其余建构筑物全部处于废弃待拆除状态。具体周围环境见图1。

2 爆破方案设计

根据100 m烟囱自身结构及周边环境特点，决定采用定向爆破拆除方案，烟囱向西定向倾倒[1-6]。

2.1 爆破切口设计

2.1.1 爆破切口部位及形状

烟囱在倾倒过程中，宜使其切口逐渐闭合，常见的切口展开图有矩形、三角形、梯形等。对于高度较小的烟囱，切口展开图通常为矩形，对于高烟囱，如果采用矩形切口线，存有爆前因预留支撑部位不对称而坐塌的危险，较理想的切口线是使烟囱在爆破初始阶段倾倒较平稳缓慢，为此，切口线宜为梯形。根据烟囱的布筋情况，设计切口形状为正梯形，烟囱切口部位距地面以上+0.5 m处。

2.1.2 切口弧长确定

为保证烟囱不发生后坐并按预定方向倾倒，余留截面受拉部分бtmax>[бt]，受压部分бpmax<[бp]。爆破切口形成后，烟囱前倾产生的压应力远大于钢筋抗压屈服极限，故仅需对烟囱余留界面的支撑能力进行安全校核即可，即只要余留截面能够提供足够支撑能力，就能保证烟囱向设计方向倾倒。

混凝土的抗压强度[бp]=38.9 MPa，抗拉强度[бt]=2.4 MPa，根据经验,烟囱开口角β取220°,则对应爆破开口弧度为

L=R(β/180)π ,

(1)

式中，L为开口弧度，m；R为烟囱外半径，4.855 m；β为烟囱开口角，220°。

计算得出L=18.6 m。

余留截面抗压能力校核计算公式为

бp=mg/S,

(2)

(3)

式中，m为烟囱质量，1 787 t；g为重力加强度，9.8 m/s2；S为余留截面面积，m2;r为烟囱内半径，

图1 爆区周围环境示意

4.355 m；其他参数符号意义同上。

计算得出S=5.62 m2，бp=3.11 MPa≤[бp]。说明爆破切口形成时，烟囱不会产生后座。

2.1.3 切口高度的确定

对于烟囱爆破切口高度的选取，目前有2种应用较广的方法[7-10]。

(1)通过外半径计算切口高度，根据以往工程经验:

H1=(1/6～1/4)R,

(4)

式中，R为切口处烟囱外半径，4.855 m。

计算得出H1=0.81～1.21 m。

(2)通过壁厚计算切口高度，即

H2=(3.0～5.0)δ,

(5)

式中，δ为切口部位烟囱壁厚，0.5 m。

计算得出H2=1.5～2.5 m。

综上所述，根据实际经验并结合本工程实际情况，切口高度取2.4 m。

2.1.4 定向窗的布置及尺寸

为了确保烟囱能准确按设计方向倒塌，除正确选取爆破缺口的形状和参数外，还应该保证支撑区对称，开凿定向窗是保证支撑区对称的主要技术措施。采用风镐、气腿式凿岩机及水钻开爆破切口的定向窗，根据确定的切口形状，定向窗为三角形，三角形底边长为3.0 m，高1.73 m，定向窗夹角为30°。

根据上述设计理论及计算方法，结合烟囱结构和尺寸，本次爆破切口设计见图2，参数见表1。

图2 爆破切口示意(单位：cm)

开口角β/(°)切口弧长L/m切口高度H/m定向窗边长/m定向窗角度/(°)定向窗高度/m中心导向窗尺寸/m22018．612．403．0301．733．0×6．1(拱形)

2.2 爆破参数设计

炮孔布置在爆破切口范围内，方向朝向烟囱中心，相邻排间炮孔采用矩形布置。

炮孔深度为

L=(0.6-0.85)δ，

(6)

式中，δ为爆破切口处的筒壁厚度，0.5 m。

计算得出LX=0.35 m，LZ=0.40 m，LS=0.32 m。

孔距a=0.40 m，排距b=0.4 m，炸药单耗q=1.875～3.75 kg/m3，单孔装药量Q=150～300 g，共布置7排孔，上部2排炸药单耗取1.875 kg/m3，中间3排炸药单耗取3.75 kg/m3，下部2排炸药单耗取2.5 kg/m3，最终爆破药量由试炮确定。中间3排装双发雷管，其他排装单发雷管。具体爆破参数见表2。

表2 爆破参数设计

2.3 起爆网路设计

为了确保安全准爆，采用非电导爆管雷管微差起爆系统，分2段起爆。爆破切口中间采用MS-1段非电雷管，两侧分别采用MS-3段非电雷管，每个炮孔装1～2发，其中下4排孔形成交叉复式网路，并适当调高单孔药量，每18～20发非电雷管组成一簇，用2发瞬发导爆管雷管连接，交叉复式网路用起爆器起爆。爆破网路见图3。

图3 起爆网路示意

3 安全校核与防护

3.1 切口爆破振动

根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)安全判据的标准[11]，通常采用下式计算爆破引起的地面质点振动速度。

(7)

式中,V为距爆破点距离R处质点振动允许速度,cm/s；R为保护对象距爆破点的距离,m；Q为炸药量，单段最大起爆药量,18.9 kg；K、α为系数和衰减指数,取K=150，α=1.62。

对烟囱周围被保护建构筑物进行安全振速校核，爆破振动速度计算结果见表3。

由表3可知，烟囱爆破周围建构筑物振动速度小于规程允许的振动速度，因此，烟囱爆破振动不会对周边需保护的建构筑物造成太大影响。

3.2 烟囱塌落触地振动

塌落触地振动由下式验算[11-12]：

(8)

式中,V为地表振速，cm/s；m为下落体质量，1 787 t；g为重力加速度，m/s2；H重心高度，m；σ为破坏

表3 烟囱爆破振动安全校核计算结果

强度，一般取10 MPa；R为保护对象距烟囱倒塌点的距离，m；Kt、β为衰减参数，取Kt=3.37，β=1.66。

计算得出在烟囱倾倒触地时不同目标的振动速度，见表4。

表4 烟囱触地振动安全校核计算结果

由表4可知，烟囱触地周围建构筑物振动速度小于规程允许的振动速度，即烟囱触地时的地震效应很弱，因此，烟囱周边需保护的建构筑物是安全的。

3.3 爆破飞石校核及防护措施

无防护条件下个别飞石的最大飞散距离按经验公式[13]计算：

(9)

式中,S′为飞石最远距离,m；V0为飞石初速度，10～40 m/s,取最大值40 m/s；g为重力加速度，m/s2。

计算得出S′=80 m。可以看出，爆破飞石可能会对周围建构筑物造成破坏，需要进行覆盖防护，主要对被爆介质直接进行覆盖，从而达到减小爆破危害效应的目的。覆盖防护的材料可用防晒网、土工格栅、土工布，其作用主要是缓冲个别碎块的抛掷初速度。

4 结 语

烟囱起爆后缓慢倾倒，12 s后全部落地，烟囱筒体在塌落冲量作用下，筒体基本摔扁、破碎，爆破后的飞石飞溅很少，周围机组、厂房未受到任何影响。根据爆破现场观察及影像资料回放，下坐过程中，最先是筒体的根部点接触，然后接触面积逐步增大，直到足以支撑住烟囱，随后烟囱加速倾倒、触地。此次爆破，烟囱按照设计方向倒塌，偏差在5°以内，爆破产生的各种有害效应也在可控范围内，未对周围建构筑物和人员造成伤害，爆破拆除施工取得圆满成功。

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