摘 要:采用梯形爆破切口的定向爆破成功地拆除了一座80m高的钢筋混凝土烟囱。按照烟囱的结构和实际受力状态,根据同类工程的经验,设计了爆破切口的参数,并验证了烟囱倾倒的可靠性。同时,介绍了切口的钻孔爆破参数以及防飞石和飞溅物的措施。此外,对爆破震动和触地震动的安全性进行了校核。
关键词:烟囱;定向爆破;倾倒可靠性校核;安全措施
1 工程概况
1•1 周围环境
因城市建设需要,须将位于南京劝业市场有限公司(原铁合金厂)厂区内80m高的烟囱拆除。该
烟囱东侧120m范围内已预先拆除部分厂房供烟囱倒塌;南距厂区内待拆厂房9•0m,距居民生活区80m,居民生活区内多为上世纪六十年代修建的单层砖瓦房;北距待拆厂房的围墙17•7m;西边距厂区围墙11•5m,围墙外3•5m处有需重点保护的省总工会干部学校办公楼和邮局托运仓库,西侧距南京市区主干道之一的和燕路仅90m,车辆、人员多,交通不能受任何中断影响。周围环境详见图1。
1•2 烟囱结构
待拆烟囱为钢筋混凝土结构,高80m,底部外直径6•95m,顶部外直径3•15m,底部壁厚0•75m(其
中钢筋混凝土壁厚0•36m;混凝土屑夹层0•16m;耐火砖0•23m);烟囱底部西侧有一个出灰口,高1•8m、宽1•0m;烟囱东侧距地面4•54m高处为烟道,其高2•82m,内宽1•5m,外宽2•92m,在标高+11m处有一测温孔。混凝土强度为300#。钢筋混凝土烟囱内部标高+68m以下为耐火砖内衬,标高+68m以上为辉绿岩铸砖。
图1 周围环境示意图
烟囱混凝土结构配筋为单层,底部配筋(轴筋)为单层φ22mm螺纹钢,配筋间隔0•15m;水泥保护层厚0•05m;烟囱标高+10m以下箍筋为φ16mm螺纹钢,其间距0•125m。出灰口和烟道口处的配筋均有加强。烟囱顶部有一信号灯台;沿烟囱筒体自下而上有一金属爬梯;避雷针系统位于烟囱顶部的信号灯台上。烟囱钢筋混凝土总体积为750m3,烟囱全部质量约为2500t。
2 爆破方案
2•1 倒塌方向
根据烟囱的高度、结构尺寸、平面位置及其分布、周围环境和业主对爆破施工的安全等要求,经分析研究,确定烟囱向东倾倒(见图1)。
2•2 爆破参数确定
2•2•1 爆破切口形式
为了能够满足烟囱倒塌过程中切口完全闭合的设计要求,保证定向准确,并考虑到施工的方便和尽量减少药孔的数量,确定爆破切口的形式为梯形。爆破切口下缘距地面1m。
2•2•2 爆破切口长度
切口长度lp的大小决定切口形成以后烟囱能否实现偏心失稳。如果切口过大,可能导致余留部分没有足够的支撑力而使烟囱倒塌方向失去控制,甚至出现反向倒塌,反之可能出现倾而不倒的情况。根据该烟囱的结构和实际受力情况,一般情况下选择切口对应的圆心角α为230°~235°,根据以往类似工程的经验取230°。切口的下沿长度为:l1p=(α/360°)πd=13•94m,其中d为烟囱底部直径,d=6•95m,取切口下沿长度l1p为14m。考虑施工的方便,取切口上沿长度l2p为12m。
2•2•3 爆破切口高度
对钢筋混凝土烟囱而言,应考虑:①切口形成后,切口内裸露的竖向钢筋必须失稳;②烟囱在倾倒至较大角度时切口的上下沿才闭合相撞,防止相撞时使倾倒方向发生偏离;③倾倒至爆破切口闭合时,重心位置偏移到切口标高处筒壁范围以外。据此,切口高度hp按以下经验公式〔1〕确定:hp≥(1/6~1/4)d=1•16~1•74m从倾倒可靠性考虑,取切口最大高度hp=1•8m。
2•2•4 药孔参数〔2〕
(1)最小抵抗线w=δ/2;
(2)药孔间距a=1•2~1•5w或a=(0•9~0•95)l;
(3)药孔排距b=(0•85~0•9)a;
(4)孔深l=(0•67~0•7)δ;
(5)单孔药量q=qabδ
上列各式中:δ为筒壁厚度,δ=0•36m;q为单位体积耗药量,对于δ=30~50cm厚的钢筋混凝
土,可取1200~700g/m3。倾倒方向正面的药量取倾倒方向两侧药量(即按照上式计算的药量)的115~120%,则烟囱切口钻孔爆破参数的计算值为:抵抗线w=18cm;孔距a=30cm;排距b=27cm;孔深l=25cm;单孔药量q=60g(正面孔)或q=50g(侧面孔)。炸药选用乳化炸药。切口范围内布置7排共247个孔,药量14•82kg,加上预处理用药,总药量不大于25kg。
3 定向爆破倾倒可靠性校核
3•1 定向爆破倾倒可靠性校核原理
如图2、3所示,烟囱爆破的初始阶段受到三个力的作用:重力mg;支反力-y0=mg;支反弯矩m0
=mgxe。偏心矩xe由下式〔3〕计算:xe=4(r3-r3)sin(α/2)3α(r2-r2)(1)式中:r、r分别为筒体在爆破处的内、外半径,m;α为保留筒壁对应的圆心角,α=α2-α1;m为筒体总质量,m=2500t;g为重力加速度,m/s2。对于含筋较多的钢筋混凝土筒壁,因抗拉压强度较高,在初期阶段其保留的筒壁通常不会被迅速压跨而导致筒体下沉,后坐现象不明显。从最不理想的情况出发,此类材料的破坏失稳条件为:m0>mb(2)式中mb为保留筒体材料的极限抗弯强度。按照钢筋混凝土有关理论和有关力学理论推导得:
(3)即mb由中性轴左侧受拉区产生的极限抗弯强度mbt、中性轴右侧受压区产生的极限抗弯强度mbr及爆破切口内钢筋失稳前产生的极限抗弯强度mbp三部分构成,其中:
mbt=n1ag1σth′(4)
图2 初期阶段受力图
图3 保留筒壁断面中性轴z-z′位置
h′=2∑
n1
i=1
[(r-δ)sinθi- xe]/n1(5)
θi= [i×(π/2-α1-β′1)/n1+α1+β′1] (6)
mbr= (σr•sr+2n2ag2σb)(xe- rsinα1)/2
(7)其中,sr= xe[(r2- x2e)1/2-(r2- x2e)1/2+
β′1r2- r2(β′1+β′2) (8)
β′1=π/2-cos-1(xe/r)-α1(9)
β′2=cos-1(xe/r)-cos-1(xe/r) (10)
mbp=5×10-5eπ3d2max×∑
m1
j=1
[(r-δ)cosβj+ xe]
(11)
其中,βj= j×(π/2+α1)/m1(12)
以上各式中,h′为保留断面内受拉区配筋的拉力中心至弯矩中心的距离;n1、n2分别为保留断面内受拉区和受压区配筋总数目之半;ag1、ag2分别为保留断面内受拉区和受压区每根钢筋截面积;σt、σb分别为配筋的极限抗拉强度和抗压强度;σr为混凝土极限抗压强度,可近似取σ0(σ0为水泥标号);δ0为配筋外水泥保护层厚度;θi为受拉区第i根钢筋到圆心的连线与y轴的夹角;e为配筋的弹性模量;dmax为配筋的最大直径;m1为爆破切口内配筋总数目之半;βi为爆破切口内第i根钢筋到圆心的连线与x轴的夹角,其它符号含义同前。
3•2 烟囱定向爆破倾倒可靠性校核
筒体质量m=2500000kg;r=3•475m; r=2•725m;α=α2-α1=130°=2•27rad;m0=mgxe=
9•57×107nm;n1=18;n2=14;ag1=ag2=2•3×10-4m2;σt=380mpa;σr=24mpa;σb=240mpa;e
=2•1×105mpa;δ0=0•05m;m1=35。将上述已知数据及公式(1)~(12)输入计算机
软件mathcad 2001 professionl(mathsoft apps),运行计算得:mb= 8•668×107nm,m0= 9•57×107nm,满足m0>mb。
由以上校核计算得知,烟囱的解体破坏保证系数ζ=m0/mb均大于1,说明爆破切口的设计是合
理的。由于该式是按最不理想的条件考虑的,因此,校核计算结果说明烟囱爆破的定向倾倒可靠性能够保证。
4 预处理
根据上述爆破参数的确定以及对定向倾倒可靠性的分析研究,我们严格按爆破切口的有关技术参数进行预处理。爆破前,在对称于倾倒轴线的切口两侧人工开设定位槽,定位槽之间开设定向槽,定位槽和定向槽的高度与切口边缘高度相等,它们的宽度分别为1•2m和2•2m(取原烟道口宽)。另外,对切口部分烟囱内衬进行处理,其方法是:若耐火砖的堆砌强度足够,则在烟囱内部钻孔,切口形式一般为梯形,切口长度等于内衬周长的1/2~2/3,切口高度不小于内衬厚度的2倍(2~3排药孔);对混凝土屑夹层,爆破高度与内衬相同。外壁和内衬的装药同时起爆。若耐火砖的堆砌强度不够大,则在爆破前采用人工方法将之进行预先拆除,拆除的范围与需爆破范围相同。爆破前将烟囱西侧的出灰口用24cm厚砖墙封堵,提高预留截面的支撑强度。
5 爆破安全
钢筋混凝土烟囱爆破拆除时应考虑的主要危害效应是爆破震动及落地震动、爆破飞石以及筒体触地时的飞溅物。根据国内外大量工程实测资料及我们的工程实践经验分析,只要控制得当,这些危害效应就不会对一定范围内人员、建筑和设施造成任何不良影响。
5•1 爆破震动及最大一段(次)起爆药量的确定此次烟囱爆破拆除中,需重点保护的目标是烟
囱西面围墙外的楼房和南侧的居民房屋。根据此两处楼房的结构特性,按照《爆破安全规程》(gb6722-2003)的安全标准,取安全振速(质点垂直振速)vc=5•0cm/s作为控制标准是合理的。同时,利用该规程给出的经验公式〔4〕计算允许的最大一段(次)起爆药量qmax。由式v=kk′(q1/3/r)α变形后即得不同距离r处允许的最大一段(次)起爆药量:qmax=(vc/kk′)3/αr3(13)式中:vc是被保护目标的安全振速,vc=5•0cm/s;k′为微差控制爆破修正系数,通常取0•25;r为爆点中心至被保护目标的距离,r=15m;k、α是与爆破地形、地质条件等有关的系数和地震波衰减指数,可根据经验或通过试验确定,根据本次爆点周围的实际地质条件,参考以往工程实测数据,选取k=180,α=1•5。经计算,最大一段(次)允许装药量为qmax=41•7kg。
本次爆破实际最大一段装药量仅8kg,总装药量为14•8kg,因此爆破震动对周围建筑设施不会产生任何影响。
5•2 筒体落地震动
根据以往多次高烟囱定向爆破拆除的实测资料,筒体落地震动一般比爆破震动要大。对于筒体
落地震动效应,目前尚无适应各种情况的为大家所公认的准确公式计算,通常采用以往类似工程经验确定。对于刚性烟囱对刚性地面这种最不理想的情况,可用中科院力学所的公式计算振速:
v=0•08(i1/3/r)1•67(14)
式中:v是落地振速,cm/s;i为筒体落地冲量,i=m(2gh)1/2=90×106n•s; m为筒体质量, m=2500000kg;h为重心高度,h=31•6m。经计算,在需保护建筑物处的振速为v1=2•83cm/s,没有超过安全振速5•0cm/s,故建筑物是安全的。
5•3 爆破飞石
根据lundborg的统计规律,结合笔者的工程实践经验,药孔爆破飞石距离可由下式计算:
rfmax=kt•q•d (15)式中:kt是与爆破方式、填塞长度、地质和地形条件有关的系数,kt=1•0~1•5;q为炸药单耗,kg/m3;d为药孔直径,本次爆破d=38mm。计算得rfmax≤70m。爆破时用两层竹笆和一层草袋对爆破部位进行防护,可大大减小个别飞石的距离。
5•4 筒体触地时的飞溅物
对于烟囱筒体触地时的飞溅物的安全距离,目前尚无精确的计算公式。根据我们以往同类工程的实践经验,对于钢筋混凝土地面,若爆前在预定筒体触地位置用土袋或煤灰渣袋等铺垫,垒筑数道一定宽度和高度的缓冲墙,可有效减小飞溅物距离。本次爆破中,在垂直于倾倒方向上每10m铺设一道宽2•5m、高2•0m的黄土缓冲墙,铺设缓冲墙的区域呈扇形。根据上述估算以及所采取的安全措施,警戒距离确定为200m,完全能确保安全。
6 爆破效果
起爆后,钢筋混凝土烟囱失稳1~2s,然后整体缓慢向预定方向倒塌,全部落在了缓冲墙上。烟囱头部结构解体比较充分,上部46m筒体摔扁,爆堆长72•2m、宽8•6m、高6•7m。爆破时烟囱基本无后坐,底部出灰口部位的钢筋全部拉断,极少量碎碴滚落到厂区南北侧道路上(经分析可能是烟囱落地后溅起少量碎碴掉落到路上的),飞石对周围建筑物和人员没有造成任何危害,和燕路交通秩序井然,爆破取得圆满成功。
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