复杂环境下108 m高造粒塔定向控制拆除爆破

薛克军,胡坤伦，杨 辉，夏治园，韩体飞，李 毅，宋凡平

(1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽雷鸣科化股份有限公司，安徽 淮北 235042)

为适应新的生产工艺的要求，各个传统的化工企业也开始升级产品线。但是，往往在升级的过程中遗留下来的老旧且高耸的各种反应器、工业炉难以处理，在拆除这类高耸建筑物时，定向控制爆破以其安全、快捷的特点发挥了巨大的作用。但此类建筑物周围往往有大量厂房和其他有用的生产设施，使得待拆除建筑物周围的拆除爆破环境十分复杂，这对定向控制拆除爆破的技术细节有了更加苛刻的要求。因此，在实际拆除之前，结合相关的数值模拟软件进行模拟，力求爆破参数更加合理，将爆破危害程度降到最低[1]。

1 工程概况及技术难点

1.1 造粒塔概况

造粒塔为圆筒形框架结构和长方体(楼梯、电梯间)结构相结合的异形结构(见图1)，总高108 m，筒身采用标号300的混凝土浇筑而成，外径19 m，内径18 m，壁厚0.5 m。筒体西侧凸出一块壁厚0.3 m，长10 m，宽8.495 m的剪力墙结构楼梯电梯间。其中电梯间为2.25 m×2.25 m的正方体剪力墙结构，壁厚分别为0.3 m和0.2 m，楼梯为钢混结构。

图1 造粒塔

1.2 周边环境

造粒塔周围环境复杂(见图2)，东北侧140 m和北侧210 m处分别为车间1和车间2；东侧163 m处为车间3，200 m处为一氢气罐放置地，若泄露十分危险；东南侧有一气体管道，从东南侧贯穿整个东北侧，里面含有危险气体，距造粒塔最近处仅有17 m；南侧24 m处有一10 kV高压线路；西侧90 m处为车间4。爆区环境对倒塌方向精度要求极高。

图2 造粒塔周围环境

1.3 工程技术难点

1)造粒塔高而且重，高径比为5.7，下落势能大，倾倒触地的冲量大。

2)周边建(构)筑物及设备设施等保护目标众多、且距离近，对爆破振动、爆破飞石等有害效应控制要求高。

3)待拆造粒塔处于厂区，施工过程不得影响厂区的正常生产。

2 爆破技术设计

2.1 方案设计及预处理

2.1.1 爆破方案总体设计

依据“开窗口、断钢筋、余留支撑板块”以及“多打孔、少装药、适度破坏”的原则，根据该造粒塔的结构特点和周围环境条件，确定采用定向倒塌拆除爆破。倒塌方向北偏西6°，采用孔内、孔外延时起爆技术，降低爆破振动对周围环境的影响。为了减缓造粒塔倒塌触地振动，设置多道缓冲土堤坝。

2.1.2 预处理

将造粒塔倾倒方向正前方的建(构)筑物全部拆除，电梯井与塔体间腋角分离，切除连接槽钢，人工风镐分离连接混凝土并切除钢筋。用机械臂开凿造粒塔爆破切口两侧的定向窗和倾倒方向的定向槽，然后用风镐修整到设计尺寸。考虑到0～9.575 m之间有出料斗，确定在倒塌方向的筒壁开凿高7.5 m、宽2 m的减荷槽，用机械臂进入对出料斗进行机械拆除。

2.2 爆破切口设计

根据造粒塔的结构特点，设计的切口形状为梯形。梯形底部用风镐开2个小角度定向窗，鉴于实际施工可行性[2]，定向角度设计为30°，根据确定的切口形状，定向窗为三角形，三角形底边长为2 m。

2.2.1 切口长度

根据筒形结构抗压不抗弯的结构特点，长度取该处周长的3/5，切口长度按下式确定[3]：

(1)

式中：L为爆破切口弧长，m；D为造粒塔切口处外径，D=19 m。计算得到L=35.8 m。

2.2.2 切口高度

根据以往工程经验，切口高度按下式计算[4]：

(2)

且切口高度应满足切口理论计算公式[5]：

(3)

式中：h为爆破切口高度，m；Hc为构筑物重心高度，Hc=54.3 m；R为爆破切口截面外半径，m；θ为爆破切口支撑截面半圆心角，θ=30°。

计算得到切口高度3.16～4.75 m。但因切口处有一门洞，高度约为6 m左右，以此高度为基准，依据现场施工需求和实际工程经验，一般切口高度取理论计算的1.5倍以上，且较大的切口有利于爆后切口内混凝土脱离钢筋，不至于阻碍倾倒铰支的顺利形成，最终切口高度定为7 m，满足理论公式[6]。

2.2.3 重心偏移距离校核

造粒塔在重力矩作用下偏转，当切口上、下沿闭合时，重心偏移距离计算如下[7]：

S=Hctgθ

(4)

式中：S为重心偏移距离，m。

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得到重心偏移距离为31.4 m。计算说明造粒塔在倾倒闭合时，其重心高出底部半径。爆破切口如图3所示。

图3 爆破切口

2.3 爆破参数设计

2.3.1 炮孔参数设计

根据炮孔参数设计原则，设计确定如下：由于壁厚δ=0.5 m，根据实际情况最小抵抗线W=0.25 m；炮孔深度L=(3/5～2/3)δ，因此L=0.3～0.33 m，根据实际情况取L=0.33 m；炮孔间距a=(1.0～1.8)W，因此a=0.25～0.45 m，根据实际情况取a=0.4 m；炮孔排距b=(0.87～1.0)a，因此b=0.38～0.4 m，根据实际情况取b=0.38 m。

2.3.2 装药量设计

钻孔孔径为40 mm，单孔药量由以下公式计算[8]：

Q=qaδL

(5)

式中：Q为单孔装药量，kg；q为单位体积炸药消耗量，kg/m3。

根据公式计算，造粒塔爆破孔网参数如表1所示。

表1 造粒塔筒壁孔网参数

2.3.3 总装药量计算

炮孔布置在爆破切口范围内，方向朝向造粒塔中心，相邻排间炮孔采用梅花形布孔[9], 爆破切口布设13排炮孔，共553个炮孔，总装药量为110.6 kg。

2.4 起爆网路设计

为控制齐发最大装药量，降低爆破振动带来的影响，采用孔内高段别，孔外延时起爆技术。由倾倒中心线开始，将造粒塔爆破切口分为4个爆破区域。其中1区、2区、3区、4区(楼电梯间)分别采用孔外MS1、MS3、MS5、MS7簇并联，孔内采用双发MS10雷管。切口布孔和爆区如图4所示。

图4 切口布孔和爆区

3 爆破安全校核与防护措施

3.1 爆破振动计算

为避免爆炸能量释放过于集中，在炮孔设计上采用多钻孔、少装药和延时起爆技术，使爆炸能量均衡释放、爆炸荷载均匀分布，减少单段最大药量[10]。

根据爆破对象的结构特点和需要保护目标的情况，分析计算、校核最大一段齐爆药量。质点振动速度采用萨道夫斯基爆破振动速度预测计算公式[11]：

(6)

式中：Q为单段最大药量，kg；R为保护目标到爆点之间的距离，m；v为允许质点振动速度，cm/s；k为与爆破地质有关的系数，取100；k′为爆破振动衰减系数，取0.3；α为地震波衰减指数，取α=1.6。

造粒塔拆除爆破时单段最大药量不超过38.9 kg，最大处爆破振动为管道处的2.27 cm/s，小于《爆破安全规程》(GB 6722-2014)中规定的3 cm/s的爆破安全振动速度。计算结果表明，爆破振动效应不会对周围建筑和设施产生影响。

3.2 塌落振动计算

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[12]:

(7)

式中：vt为塌落引起的振动速度，cm/s；m为下落构件的质量，t；g为重力加速度，9.8 m/s2；H为构件高度，m；R为观测点至冲击地面中心的距离，m；σ为塌落地面介质破坏强度，一般取10 MPa；β为塌落振动速度衰减指数，取-1.8；kt为塌落振动速度衰减系数，取3.37。

根据造粒塔实际尺寸估算出其质量约为8 000 t，由现场环境可知冲击地面中心距离最近厂房4的距离大约在90 m左右。且在造粒塔倒塌方向上，每隔10 m距离开挖沟槽，设置减振土墙，塌落振动将明显减小，塌落振动速度公式中衰减系数kt仅为原状地面的1/4～1/3，则此时塌落振动仅为1.26 cm/s，远小于国家标准，周围建筑安全。

3.3 爆破飞石距离计算

在无任何防护措施条件下，拆除爆破飞石可采用如下经验公式进行估算[13]：

Rmax=70k0.58

(8)

式中：Rmax为个别飞石最大距离，m；k为炸药单耗，kg/m3。

计算得到个别飞石最大距离为110.5 m。实际工程中钻孔部位，通过采用2层土工格栅、5层密目安全网对筒体实施覆盖包裹，同时采用2层6针防晒网对爆破切口进行悬挂防护。以往的工程实践表明，通过以上措施，可以将爆破飞石的飞散距离大部分控制在15 m以内，对周围保护目标不会造成危害。

4 数值模拟

4.1 模型建立

造粒塔采用整体式建模法，即把钢筋混凝土材料视为单一均匀的材料，用ANSYS/LS-DYNA软件按照1∶1的比例进行建模(见图5)。造粒塔整体使用SOLID164实体单元，*MAT_BILINEAR_ISOTROPIC 材料模型，地面材料设置为刚体。造粒塔采用单元失效模拟炸药爆炸后形成的切口，随后在重力作用下造粒塔开始失去稳定性并向一边倾倒。造粒塔倾倒过程中各种接触碰撞拥有相当的复杂性，所以此次模拟以AUTO_SINGLE_SURFACE为接触方式[14]。

图5 造粒塔模型

4.2 模拟结果与分析

4.2.1 模拟倒塌过程

爆破切口在t=0.1 s时形成，由于造粒塔自身重力较大，在重力倾覆力矩的作用下开始倒塌，在10.2 s时，造粒塔完全倒塌，由于造粒塔材料强度高，结构整体性较好，倒塌后并没有出现较大的解体现象，因此爆堆长度与造粒塔本身高度接近，倒塌方向预留空间足够。在整个过程中，可以观察到造粒塔底部支撑的应力状态，有很强的压、拉现象，但是并没有出现明显的后坐现象。模拟倒塌过程如图6所示。

图6 模拟倒塌过程

4.2.2 造粒塔顶部速度及位移

通过分析造粒塔顶部关键节点的位移，可以进一步判断出造粒塔在倒塌过程中是否出现偏移和后坐[15-17]。节点的位移和速度如图7、图8所示。

由图7可以看出，该节点在z(竖直方向)方向和y(倒塌方向)方向的位移长度均在108 m左右，说明其倒塌效果充分；同时在x方向位移几乎为0，可以看出倒塌时几乎没有出现偏差角度。

由图8可知，在爆破切口形成时，顶点的速度逐渐增大，最大达到47.4 m/s，而后在触地瞬间速度快速减为0左右。倒塌期间，并没有出现明显的速度突然变化，说明造粒塔底部支撑足够，没有出现下坐现象。由以上模拟结果表明该造粒塔倒塌的方案是可行的，倒塌效果良好。

图7 节点x、y、z方向位移

图8 节点z方向速度

4.3 与实际倒塌效果对比

通过倒塌实际形态图和数值模拟形态的对比(见图9)，我们发现倒塌后造粒塔整体结构较为完整，且在近似时刻造粒塔空中倒塌姿态和实际倒塌姿态几乎一致，进一步说明了模拟对工程实践的指导意义。

图9 倒塌实际形态和数值模拟形态对比

5 结语

1)依据理论计算和现场实际情况，造粒塔采用了7 m的切口高度来保证倒塌效果；同时切口部分由于存在出料口，在爆破之前，也进行了大量预处理工作，保证了爆破时切口的形成。

2)模拟结果显示，造粒塔顶部关键节点的位移在z(竖直方向)方向和y(倒塌方向)方向的位移长度均在108 m左右，说明其倒塌效果充分；在x方向位移几乎为0，可以看出倒塌时几乎没有出现偏差角度；同时该节点速度最大达到47.4 m/s，倒塌期间，并没有出现明显的速度突跃，说明造粒塔底部支撑足够；由于造粒塔材料强度高，结构整体性较好，倒塌后未出现较大的解体现象，爆堆长度与造粒塔本身高度基本一致。

3)造粒塔实际倒塌形态和模拟形态几乎一致，证明该爆破方案设计合理；从实际倒塌结果来看，也证明了模拟对于工程实践具有指导作用。本次模拟采用的材料模型和接触方式可以很好的模拟出倒塌效果，但相关参数仍需继续优化。