摘 要:通过对多座120m高钢筋混凝土烟囱定向爆破拆除的实践经验总结和理论分析,逐一探讨了实现高耸烟囱准确定向爆破的各项技术要领,包括爆破切口设计参数和烟囱结构对称性处理、定向窗口合理参数和开凿技巧、多种预处理设计,以及触地飞溅防护和减震措施等。针对高大烟囱爆破拆除中最难控制的定向准确性和触地飞溅防护问题,提出了科学的设计思路,分析论证了多项设计参数的合理值范围,并推荐了某些设计参数和最佳取值。
关键词:钢筋混凝土烟囱;爆破拆除;预处理;安全措施
1 引 言
近年来随着我国电力建设的快速发展,电厂改造建设工程较多,至今利用定向控制爆破技术拆除的10座120m以上高度的钢筋混凝土烟囱,基本上是电厂烟囱,其中的不少经验和教训值得总结和研究。作者主持或参加了几座120m高钢筋混凝土烟囱的定向爆破拆除工作,想通过烟囱爆破的实践经验总结和理论分析,探讨实现高耸烟囱准确定向爆破的各项技术要领。实际上高耸烟囱爆破设计主要包括三部分内容:定向窗和爆破切口参数设计;预处理设计;触地飞溅防护和减震措施。从多座百米以上高烟囱拆除爆破的效果来看,最难控制的是定向的准确性和触地飞溅防护问题,以往120m烟囱拆除爆破或多或少地存在一些这方面的问题。其实很多技术要领是在多次实践后才慢慢领悟到的,相信随着理论与实践的不断深入,高大烟囱拆除爆破技术会不断完善。下面分8个方面讨论如何控制定向准确性和触地飞溅防护问题。
2 烟囱爆破的对称性处理
按理烟囱是圆筒形,结构对称性较好,但往往在爆破切口部位有出灰口、烟道和灰斗等构造,而且经常受倒塌场地的限制,倾倒方向只能取偏离构造对称线的方向。若在爆破切口位置遇到出灰口、烟道或灰斗等构造,它们并不对称于倾倒方向线分布,则爆破定向的准确性受到很大的挑战。就算倾倒方向线两侧的构造完全对称,烟囱筒壁的配筋和强度也不见得完全对称,这同样会影响爆破定向的准确性。为此,想方设法人为调整爆破切口部位的对称性就非常重要,这是实现准确定向爆破的基础。人为调整烟囱爆破切口部位的对称性通常有两个原则:一是对称挖缺减弱,二是对称填补增强。例如广西合山电厂120m烟囱,其爆破倾倒方向线前后部都有不对称的出灰口。为调整其对称性,在前部利用对称挖缺减弱原则,对称于出灰口位置另一侧作试爆窗口,使倾倒方向线两侧有对称的缺口。而对后部出灰口需利用对称填补增强原则,采用相同强度的钢筋混凝土将出灰口填实,并在另一侧对称位置将相同数量的主筋割断,见图1。这种人为调整对称性能的做法,能更好地确保烟囱倾倒定向准确。
图1 人为调整烟囱对称性结构示意图
3 爆破切口角度和高度选择
3•1 切口角度
根据常规经验,爆破切口角度一般为200°~240°,切口角越大,爆后倾覆力矩越大,但后部支撑体抗折断能力越小,其结果是烟囱倾转启动速度快,后部下坐也可能快速发生。有的烟囱在倾倒转动刚开始就发生了严重的下坐,过早的下坐可能导致烟囱倾倒偏斜或其它难预料的意外事故。为防止烟囱下坐太早,爆破切口角宜小不宜大,这样会尽可能增大后部支撑体面积,提高后部支撑强度。但若爆破切口角过小,倾覆力矩太小,减弱了烟囱定向倒塌的可靠性。理论上爆破切口角大于190°就可以产生足够大的倾覆力矩,但考虑一定的安全系数,爆破切口角应大于200°。实际上选择爆破切口角大小时,既要考虑过大切口角容易发生提早下坐,又要考虑过小切口角会使倾转启动太慢。多个高烟囱的爆破实践证明,爆破切口角在210°左右最合适。
3•2 切口高度
关于爆破切口高度,原则上只要能满足烟囱倾倒,即爆破切口闭合时烟囱重心已偏移出支点以外即可。理论计算表明〔1〕:hmin=r2(1+cosθ)/hc式中:hmin为爆破切口高度最小值,m;r为烟囱切口底直径,m;hc为烟囱重心高度,m;θ为爆破切口圆心角之半,(°)。按此公式计算得到120m烟囱的爆破切口高度为1•0~1•5m,实际上还应考虑爆破后烟囱下坐的可能和适当的安全系数,故爆破切口高度宜加大到1•5~2•5m。但爆破切口的高度过大,会导致烟囱切口闭合时触地冲击速度太快,不利于倾倒方向的稳定。此外,爆破切口高度越大,后部半壁支撑体越细高,细高比较大的支撑体更容易发生断裂而导致下坐,因此切口高度并非越大越好。经验证明,切口高度h=2m很合适。
4 定向窗开凿要点
定向窗的设计参数和开凿质量对烟囱定向倾倒过程起到决定性作用,定向窗口夹角直接影响到后部支撑部位的应力分布状态以及切口闭合的进程,因而对烟囱倒塌的平稳性和后坐问题都有很大影响。对于高大烟囱来说,因其质量大,切口角尖端应力集中将直接导致尖端发生剪切或压碎破坏。理论研究表明:定向窗夹角越大,尖端应力集中影响范围越大,剪切破坏区域也越大,而且最大剪应力越高,因而越容易发生后坐。几座烟囱爆破的实践证明,定向窗夹角以20°~25°为宜,实际上定向窗夹角大于15°就足以保证烟囱倾倒,但考虑开凿小锐角定向窗施工难度大,针对目前采用风镐加人工凿除办法,还是以20°~25°夹角较方便。如今后有更好的开凿方法,可将定向窗夹角减小到15°~20°。现在大多数定向窗的切口角形式为“∠”形,即底边为水平线,从后部应力分布形态上考虑,定向窗的切口角呈“<”形可能更合理,这样后部折断线就在定向窗切口角的角平分线上,后坐破坏更容易避免,而且“<”形定向窗夹角在施工上并没有增加困难,建议在今后的实践中加以试用。定向窗的长度受烟囱的结构、爆破切口圆心角和凿除施工手段等多方面因素影响,一般情况下定向窗的开凿长度为1•5~2•0m较合适。设计定向窗长度需要综合考虑爆破切口部位已有出灰口、试爆窗口以及后侧割断钢筋口等,在如此多切口存在的条件下,必须对开设定向窗切口的长度进行安全性校核。定向窗的开凿方法很重要,若开凿方法不当,定向窗周边可能参差不齐,直接影响爆破倾倒方向的控制度。定向窗开凿要求是:切边准确、平直、整齐,如图2。为此我们提出了定向窗开凿的六个步骤:
①在烟囱外壁准确测量放线,并用红油漆划出定向窗切口形状;②在定向窗切口顶角处钻孔,确保定向窗顶角位置的准确性;③在定向窗开凿周边线内侧按5~8cm的间距密集钻孔,以方便后续的风镐凿除;④沿定向窗周边开凿线剥离表层混凝土,使钢筋裸露,并沿边线将钢筋割断;⑤用风镐凿除定向窗范围内的混凝土;⑥修整定向窗口周边和顶角,达到切口边缘整齐、平直的效果。
图2 切边准确、平直、整齐的定向窗内外照片
5 试爆窗的意义
试爆窗对于高大烟囱的爆破拆除有重要意义,主要表现在以下几方面:①通过试爆窗可以验证爆破装药量是否合适、飞石防护是否有效、爆破网路是否可靠,必要时可对爆破参数作修正和优化,确保主爆破一次成功;②通过试爆可以实现对称挖缺减弱,人为调整爆破切口部位的对称性,如图1所示;③试爆后可以减少最终爆破的炮孔数,并增加了主爆破的临空面,使得最后主爆破的爆破震动和爆破冲击波显著减弱,控制爆破就更可靠、更安全。
6 灰斗和烟道的预处理
从已爆破的多座120m烟囱的结构来看,灰斗基本位于5m高度的平台上,烟道口位于7~12m高
度,且开口较大,烟道口周边钢筋加密,强度很高、整体性好。一般情况下爆破切口位于底部0•5~3•0m高度范围,因此上部灰斗和烟道口基本不会对下部爆破切口产生影响,也不会对定向控制产生影响,原则上可以不对灰斗和烟道做任何处理。但是当烟囱触地摔扁时,烟囱内部会产生很大的压缩冲击波,将夹杂碎石块从烟道口或灰斗口冲出,如果烟道口方向或后侧灰斗口方向有保护物,必然造成损坏。因此,是否对烟道口和灰斗进行预处理,应根据周边环境条件而定。若烟道口在两侧方向,且附近30m范围内有保护物,为防止压缩冲击波从烟道口冲出,需要将烟道口封堵,同时将灰斗口切除,让冲击波从灰斗口泄出,从而达到保护周边环境的目的。总之,应视被保护物的方向决定是否封堵烟道口和灰斗口。
7 后部受拉区钢筋预切割处理
对爆破切口后侧是否需要预切割钢筋,有不同的看法,有人担心后部预切钢筋会使烟囱更容易发生后坐,不利于定向控制;也有人认为,后部预切钢筋能减小抗倾倒反力,有利于烟囱倒塌。对此,通过烟囱后部布置应变传感器进行观测发现,爆破时后部几乎不承受太大压力,爆破初始稍有压力增加,很快就变成拉应力,直至钢筋拉断。另外从理论分析来看,爆破切口形成瞬间,后部支撑体必须承受烟囱的全部重力和附加偏心弯矩,导致后部支撑体的应力重分布,出现受压和受拉两个不同区域(见图3),拉压分界轴称为中性轴,即图1中的mm’轴。试验和计算表明,中性轴的初始位置靠近后侧,然后快速向倾倒方向移动,中性轴越向前移,支座zz’转轴所受的压力越大,最终zz’轴会发生压剪破坏而出现下坐。根据图1和3中的
图3 支撑体的受压和受拉区
bmz折断面垂直方向内力平衡条件分析,后侧受拉区拉力越大,受压区的压力就越大。垂直方向内力平衡方程为:
p=pz-pb
式中:p为烟囱重力,kn;pz为烟囱折断面mz和m’z’支撑段所受的总压力,kn;pb为烟囱折断面mbm’段所有受拉钢筋的总拉力,kn。由于烟囱重力p是一定的,显然pb越大,pz将增大。所以如果将后侧mbm’段的受拉钢筋割断,pb大幅度降低,支撑段的总压力pz也会降低,这样有利于预防支座压剪破坏而发生下坐。理论上两个支座端对称受力,它们同时发生压剪破坏不会影响倒塌方向,但由于材料强度的不均匀性,往往某一支座先破坏,因此出现倒塌方向偏离。实践证明,在多座120m烟囱定向爆破拆除中,爆破切口后侧预切割钢筋的处理是成功的、有意义的。后侧受拉区的钢筋部分割断后不仅没有发生后坐,而且降低了支座反力,加快了初始折断倾倒的进程,使得支座破坏下坐程度减轻、滞后,保证了烟囱倾倒的定向性。有一座质量较大的120m烟囱,当时没有割断后侧受拉区的钢筋,加上定向窗夹角偏大,爆破后初始折断倾斜尚未完成,后侧钢筋还没来得及被拉断,便很快发生了下坐,由于烟囱下坐动态不平衡,最终倾倒方向发生较大偏差。以上理论和实践证明,后部受拉区钢筋预切割处理是必要的、有益的。通常的处理方法是:①将后部倾倒中心线两侧各1•0~1•5m范围内筒壁外侧的钢筋割断;②割筋范围扩大到2~3m,但间隔割断;③以上两种方法相结合。具体如何做割筋处理,需要根据具体条件,进行安全校核后才能确定。
8 触地飞溅防护
计算和观测表明:120m高烟囱爆破定向倾倒时,烟囱头部触地速度约为v=60~65m/s,角速度
约为30°/s。而高大烟囱的总质量大约在2000t~4000t范围内,烟囱头部单位长度的质量为m=10~15t/m3。我们知道冲击动能为mv2/2,如此高速度、大质量的冲击能相当于地表投放了5~10kg/m的炸药爆炸,同时伴有烟囱筒体甩扁产生的空气压缩冲击波,因此高大烟囱触地飞溅和震动安全问题不可忽视。以往曾发生过120m烟囱倒地后顶部砸入地表以下2~3m、侧向飞溅距离达200多米的灾害事故。烟囱触地飞溅物来源于两个方面:一是浅层地表的碎石或软泥土,在烟囱筒体高速冲击地面作用下飞溅,观测发现地表碎石或软泥土的最远飞溅距离可达240m;二是烟囱触地甩碎的同时,筒体压扁和拍地产生的空气压缩冲击波将碎石冲击,其飞溅
距离也可达到200m以上。防止烟囱触地飞溅的有效措施就是铺缓冲垫层,使得烟囱软着陆。缓冲垫层的最好材料是中粗砂或煤灰等散体材料,它们对冲击能有良好的吸收作用,而且不具有飞溅破坏力。缓冲垫层的铺垫范围:长度从倾倒方向上距烟囱80m起到烟囱高度加10m止;宽度范围以设计倾倒中心线为准±8°,如图4所示。也可视具体条件而定。
图4 缓冲垫层铺垫范围
缓冲垫层的铺设方法:每隔3~8m堆一道砂包缓冲埂,烟囱顶部落点处砂包缓冲埂垒高1•5~2•0m,间距3m,随着向烟囱根部靠近,砂包埂高度可适当减小,间距逐渐加大。对于特别坚硬的混凝土地面或含碎石较多的表土区,还应在砂包埂之间再铺一定厚度的砂土、煤灰或稻草等缓冲材料,这样才能使囱体塌落着地时不是直接与地面接触,而是先经过砂包埂缓冲,再由平铺材料二次缓冲,因而可以大大减小泥土和碎块的侧向飞溅距离。
9 触地震动问题
由于高大烟囱倒塌时冲击能巨大,引起的地面震动一般比爆破震动大很多,图5所示的是典型的烟囱爆破震动和触地震动的波形。获得该震动波形
图5 典型的爆破震动和触地震动波形
的测点位置距120m高的烟囱中心123m (=842+902),偏倾倒中心线左侧约43°。爆破前在
倒塌轴线方向距烟囱中心80~130m范围内铺设了缓冲砂包埂(见图4)。图5(a)中第1个波峰为爆破震动引起的,第2个波峰是触地震动引起的。尽管烟囱倒塌在缓冲砂包埂上,显然触地震动仍比爆破震动大,但有缓冲垫层的作用使触地震动比预想的小很多。在上述测震点位置上测得触地震动的质点峰值振速为0•17cm/s,爆破震动的质点峰值振速为0•07cm/s。实际上该测点距触地震源直线距离84m,而距烟囱切口的爆源123m。按照震动衰减规律反推,其触地震源的冲击能仅是单响爆破震源能量的2~3倍;根据计算,两节烟囱触地震源的能量都比爆破震源能量大7~10倍,这充分说明了缓冲垫层产生了显著的减震作用。由此可知,对于高大烟囱,在倾倒方向上距其根部80m以外铺设缓冲垫层是完全必要的,它既能防止触地飞溅,又能显著降低触地震动。此外,根据对所测的烟囱典型爆破和倒塌震动波分析,还能得到以下两点认识:
(1)从图5(b)的波形可知,爆破震动持续时间达1s,而且有两个振动峰值,两者相差250ms。分析认为第1个振动峰值为爆炸引起的震动,它持续时间短(约100ms);第2个震动峰值是由爆破切口炸毁后支撑部位应力重分布导致局部脆性破坏,以及爆破飞石撞击地面和支撑部位等综合因素造成的,它的震动持续时间较长(约700ms),震动峰值也比爆炸引起的震动峰值小。
(2)从图5(c)的波形可准确地测出烟囱触地时间为:爆破后间隔12•04s第1段烟囱触地,又过0•2s第2段烟囱触地,第1段烟囱触地震动峰值稍大,整个烟囱触地震动持续时间达1s。实际上120m高烟囱从空中折断成两截,落地后测得两截烟囱拉开距离约6m,因此烟囱空中折断对降低触地震动是有利的。
10 结 语
通过对多座120m高烟囱爆破拆除的实践和探索,总结出以下几条设计要领:
(1)烟囱倾倒方向线尽可能与爆破切口部位结构对称线重合,否则必须人为调整结构对称线方向。人为调整对称性有两个原则:一是对称挖缺减弱;二是对称填补增强。
(2)烟囱爆破切口角不宜过大,210°左右最合适。关于烟囱爆破切口高度除了满足爆破切口闭合时烟囱重心已偏移出着地支点以外,还应考虑爆破后烟囱后坐以及适当的安全系数,因此爆破切口高度宜加大到2m左右。
(3)定向窗夹角不宜过大,一般在20°~25°较好,定向窗的切口角形式“<”形比“∠”形更合理,定向窗口边缘和顶角必须整齐、平直。
(4)试爆窗的意义不可忽视,主要有三方面的作用:①验证和优化爆破参数,确保主爆破一次成功;
②人为调整爆破切口部位对称性的重要手段;③减少最终爆破的炮孔数,并增加了主爆破的临空面。(5)上部灰斗和烟道口一般不会对下部爆破切口产生影响,原则上可以不对灰斗和烟道做任何处理。是否封堵烟道口和灰斗口应视被保护物所在的
(6)理论和实践证明,后部受拉区钢筋预切割处理是必要的、有益的。具体应该在什么部位、切割几根钢筋,需要根据具体条件进行安全校核后确定。
(7)为防止触地飞溅和降低触地震动,必须在重要位置铺设缓冲垫层。缓冲垫层的最好材料是中粗砂或煤灰等散体材料。缓冲垫层的铺设方法是间隔堆放横向砂包埂,在特别坚硬的混凝地表或含碎石较多的表土着落区,还应在砂包埂之间再铺一定厚度的砂土、煤灰或稻草等缓冲料。
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