摘 要:100m钢筋砼烟囱和80m砖烟囱位于南北向的一直线上,相距42m。由于周围环境条件的限制,朝南方向是唯一可供两个烟囱倒塌的方向。因此,砖烟囱必须先爆破,以便为钢筋砼烟囱的倒塌提供必要的场地。文中论述了爆破切口的设计、爆破参数的确定、预处理以及减震和防护措施等;同时提出了一些有益的经验,可供类似工程参考。
关键词:烟囱;拆除爆破;定向倒塌;爆破切口
1 工程概况
1•1 周围环境
在贵阳发电厂烟气治理技改工程中,有两座呈南北向排列的烟囱须拆除。其中,1号烟囱离北面新厂房45m,西面离待拆旧厂房14m,南侧距2号烟囱42m,东面离煤场85m;2号烟囱西面离待拆旧厂房13•07m,其正南方向为空地,东面与待拆浴室相距16m。周围环境详见图1。图1 周围环境示意图
1•2 烟囱的结构特点
1号烟囱为钢筋砼结构,高100m,±0•00m处外径9•2m、内径8•36m、壁厚0•42m,顶部外径5•6m,重心高41•5m,质量2439•166t,烟囱底部南北方向上有宽1•8m、高2•0m的出灰口各一个。+5•0m处有厚22cm的现浇积灰平台,其下部的钢筋砼井字梁与烟囱浇灌成一整体。南北方向有宽4m、高7m的烟道口各一个。在积灰平台中部有上口边长为3m、高2m的正方形钢结构出灰漏斗一个。平台内有高8m、厚0•24m的东西向砖砌隔墙(每隔一定高度镶有槽钢)。+ 5•0m以上有厚0•24m的内衬。1号烟囱东面外侧有钢结构爬梯延伸至烟囱顶部,并且有一避雷线。2号烟囱为砖结构,高80m,±0•00m处外径11•06m、内径9•06m、壁厚1•0m,顶部外径5•74m,重心高33•2m,质量3923•8t,烟囱底部东西方向有宽1•5m、高1•7m的出灰口各一个。+5•0m处有22cm厚的钢筋砼井字梁结构的积灰平台,南北方向有宽3•5m、高7•5m的烟道口各一个。积灰平台上有高14m的砖砌隔墙,平台中部有上口边长为3•5m、高4•5m的正方形现浇钢筋砼出灰漏斗一个。+5•0m以上有0•24m厚的内衬。2号烟囱同样有
爬梯和避雷线。
2 爆破方案
2•1 烟囱倒向
对于1号烟囱,由于其底部南北方向各有一个宽1•8m、高2•0m的出灰口,如果能选择东、西方向作为倒塌方向,可以把这两个出灰口扩展成为定向窗,更有利于控制倒塌方向。然而,烟囱西面的待拆厂房必须在两座烟囱爆破并清完碴后才能拆除,东侧85m处为煤场,倒塌场地不够;而1号烟囱北面45m处为已经启用的新主厂房,其内有正在运行的9号机组。显然,东、西、北三个方向都不具备倒塌条件。1号烟囱的南面,除了2号烟囱外没有任何其他建筑物,而且场地的最窄处为40•13m,只要晚于2号烟囱起爆,其倒塌场地的长、宽是能满足设计要求的,因此1号烟囱只能选择正南方向倒塌。
对于2号烟囱,其西面有待拆的旧厂房,东面的浴室和锅炉检修间尚未拆完,北侧为1号烟囱,南侧有长115m、宽68m的空旷区域,况且其东、西面底部各有一高1•5m、宽1•9m的出灰口,正好将它们扩展成定向窗。显然,理想的倒塌方向也是正南方。
2•2 爆破拆除顺序
2号烟囱先起爆,待它的倾倒趋势形成后,再起爆1号烟囱。两个烟囱的爆破各有独立的网路,用单独的起爆器人为控制2号烟囱起爆时间。
3 爆破切口设计
3•1 切口形式
常用的切口形式为梯形或四边形,但对钢筋砼烟囱而言,由于钢筋的间距、绑扎方式、碳化程度等因素的影响,易使烟囱倾倒过程中预留弧形壁体受力不均匀,压缩破坏过程产生不对称,因此其切口形式以三角形与梯形组合切口为宜,如图2(a)所示。采用这种形式的切口,有利于预留壁体压缩破坏过程的对称性,从而更有利于烟囱定向倾倒。2号烟囱的爆破切口选为正梯形,如图2(b)所示,因为砖烟囱的抗剪能力差,起爆后瞬间倾倒速度快,只要保证预留弧段满足设计要求,采用何种切口对烟囱的定向倾倒影响不大,而梯形切口的布孔与钻孔简单,长期被我公司采用,效果很好。
图2 爆破切口的展开图
3•2 切口圆心角
切口圆心角直接决定切口的展开长度,而切口长度决定了倾覆力矩的大小。切口偏长,倾覆力矩偏大,支铰易于破坏,不利于烟囱的平稳倒塌。爆破切口的长度是以烟囱的重力引起的截面弯矩(mp)应等于或稍大于预留支撑截面极限抗弯力矩(mr)为主要依据来确定的,但以此确定的切口圆心角往往偏大。本工程参照1995年12月至1996年元月两座120m钢筋砼烟囱爆破拆除时切口圆心角的取值方法,通过类比,1号钢筋砼烟囱的爆破切口圆心角选定为220°。对于砖烟囱,切口圆心角(θ)一般为180°<θ≤240°,不过,若取值偏大,后坐现象明显,倒塌方向不准确。根据我公司近几年来爆破拆除砖烟囱的经验,圆心角取为218°~220°时,烟囱倒向较准确,倾倒过程较平稳。考虑到2号砖烟囱壁厚大、稳定性好的特点,2号烟囱的切口圆心角也取为220°。
3•3 切口高度和展长
(1)切口高度。切口高度(h)是烟囱拆除爆破设计中的重要参数,据一般工程经验,h = (1/6~1/4)d,其中d为切口处烟囱的外径。本工程中,对于1号烟囱,其外径为d1=9•2m,切口高度取h1=(1/4)d=2•3m,实际取h1=3•0m;对于2号烟囱,其外径为d2=11•06m,切口高度取h2=(1/5)d =1•84m,实际取h2=2•1m。根据图纸,并通过现场实际查看得知,1号烟囱在+0•5m断面处正好是基础钢筋和筒体钢筋绑扎连接处。就烟囱爆破的切口位置而言,在满足切口高度的前提下,应尽量利于施工;另外,若从该标高开始布孔,便于底排孔的防护和钻凿,因此两座烟囱都从+0•5m处开始布孔。
(2)切口展长。经实测,1号和2号烟囱切口中心截面处的筒体周长分别为28•4m和33•44m,而切口圆心角皆为220°,故1号和2号烟囱切口展长分别为l1=28•4×220°/360°≈17•4m,l2=33•44×220°/360°≈20•4m。
4 爆破设计
4•1 爆破参数
通过与国内多项同类工程相类比,并经试爆,1号烟囱的孔深取为l1=0•25m,孔距a1=排距b1
=0•25m,炸药单耗经试爆确定为q1=2800g/m3,单孔药量q1=δ1a1b1q1=73•5g(δ1为1号烟囱壁厚),实取75g,实际起爆孔596个(开定向窗炮孔除外);2号烟囱的孔深取为l2=0•70m,孔距a2=0•40m,排距b2=0•30m,炸药单耗经试爆确定为q2=2100g/m3,单孔药量q2=δ2a2b2q2=252g(δ2为2号烟囱壁厚),实取250g,实际起爆孔232个(开定向窗炮孔除外)。
4•2 爆破网路和爆破器材消耗
为了保证准爆,每个药包装两发非电导爆管雷管。孔内、孔外全部用1段雷管,孔外主网路为交叉复式网路。两座烟囱的爆破共消耗炸药121•5kg、雷管2015发,其中主体爆破消耗炸药102•7kg、孔内雷管1656发、孔外连接管154发;试爆、开定向窗和预处理消耗炸药18•8kg、雷管205发。
5 预处理
5•1 钢筋砼烟囱
(1)用槽钢和混凝土砂浆封堵北侧出灰口,用水泥砖和混凝土砂浆封堵+0•5m处北侧烟道口;
(2)用密集孔、小药量爆破+0•5m处倒向一侧的井字梁,使混凝土脱笼,但不割钢筋,同时以爆破方式把现浇板切割分离,把该标高处的钢结构出灰漏斗割掉;
(3)把烟囱外的爬梯和避雷线分割成3段;
(4)用密集孔、小药量爆破方式开两侧定向窗,以风枪、手锤、凿子修正到设计尺寸,并把窗内钢筋割掉;
(5)钢筋很密的南侧中间出灰口用爆破方式向两侧各扩宽30cm,向上扩至2•1m,并把炸露的钢筋全部割掉;
(6)在+1•00m处将切口范围内筒壁外侧的钢筋剔露出来并割掉;
(7)在切口范围内试开两个缺口,以确定炸药单耗。
5•2 砖烟囱
(1)以爆破方式将积灰平台下的现浇钢筋砼出灰口和倒塌部位的井字架现浇板处理掉;
(2)用爆破方式把底部东、西侧出灰口扩成长2•5m、高2•1m的三角形定向窗,并在南侧倒塌中心线位置开一长1•15m、高2•1m的定向窗,同时确定炸药单耗;
(3)+0•5m处北侧烟道口用水泥砖砌堵;
(4)外壁上的爬梯和避雷线分割成3段。
6 减振和防护措施
由于新主厂房中有很多电器对震动较敏感,所以要严格控制爆破震动,业主要求新主厂房处的最大质点垂直振速控制在2cm/s以下。用爆破振动速度公式v = kb(q1/3/r)α和建筑物塌落振动速度公式vp=k′b{[(m×(2gh)1/2]1/3}α验算了主厂房处的振速,对于1号烟囱的爆破,v =0•513cm/s,vp= 0•172cm/s;对于2号烟囱的爆破,v =0•140cm/s,vp= 0•476cm/s。验算表明,无论是爆破震动还是烟囱倒塌触地震动,都不会影响主厂房的安全。为了避免飞石的危害,在切口位置采用三层胶帘网覆盖进行防护。此外,为了尽可能避免震动效应的影响,还考虑了如下必要的技术措施:
(1)在烟囱北侧距新主厂房5m处开挖长40m、宽2m、深2•5m的减震沟;
(2)在烟囱倒塌方向上铺设沙袋,从2号烟囱正南方10m处开始,铺设面积为20m×20m的3个沙袋堆积体,堆间距皆为10m。1号和2号烟囱之间铺设面积为22m×20m的1个沙袋堆积体,与两烟囱都相距10m。沙袋堆积体的高度为1m。
7 爆破效果
2001年7月18日上午10点准时起爆,总体爆破效果很好,两个烟囱均按预定的方向倾倒,没有发生碎块溅出很远距离和烟囱帽前冲的现象,也没有对周围建筑物和厂内设备造成任何损害。长江科学院爆破与振动研究所对新主厂房内的机座进行了监测,测得的最大合成振动速度为0•163m/s,大大低于允许振速。然而,通过爆破时和爆破后的观测,发现有如下现象:
(1)砖烟囱在起爆后,倒塌速度很快,后坐明显,而且在筒体倾倒约25°时,在烟囱的约3/5高度处出现了横向错动,这从图3中可以清楚地看到;
(2)钢筋砼烟囱的实际倒向比设计倒向偏了2°,保留部分的钢筋被拉细,直至断裂,但各钢筋的断裂点不在同一高程上;
(3)钢筋砼烟囱10m高度以上部分的筒体全部摔成扁平状。
8 总结与体会
(1)1号钢筋砼烟囱的爆破,取220°的切口圆心角是合适的,从爆破情景来看,起爆后3~4s,烟囱就朝预定方向产生了倾倒趋势。爆后经观测,保留部分的钢筋首先被拉伸变细,直至最后断裂,但各钢筋断裂点的高程从+0•2m至+1•3m不等。由此
图3 爆破时2号烟囱出现横向断裂
可见,由于钢筋的绑扎方式、间隔以及基座钢筋与烟囱主体钢筋的绑扎连接点不在同一高程上,同时由于筒体材质不均匀,造成保留部分各点的受力情况不一致,因而烟囱倒向发生了微小偏斜。据此,对于钢筋砼烟囱,在爆破前应把保留部分倾倒轴线两侧1/4预留弧长范围内筒壁外侧的钢筋剥离出来,并切断,以减小烟囱倾倒过程中的牵拉力,尽量使保留部分各点受力均匀,确保烟囱倒向不发生偏斜。
(2)80m高的砖烟囱的爆破,出现了较明显的后坐,其原因是烟囱质量大,起爆后瞬间其倾倒加速度大,使保留部分所受的轴向压力和截面上的抗剪力变化较大,造成起爆后瞬间烟囱的稳定性差。由此看来,对于砖烟囱的爆破,取220°的切口圆心角是偏大了,应再取得小一点。
(3)用沙袋堆积体缓冲烟囱倾倒时的触地震动是有效的,并能控制碎块的飞溅和烟囱帽的前冲。
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