摘 要: 采用双向折叠控制爆破技术,成功拆除100 m钢筋混凝土烟囱,为国内成功实施首例。采用双向折叠控制爆破技术拆除高耸钢筋混凝土烟囱有2个关键技术问题: 1)上部切口位置; 2)上下切口起爆时差;在工程实践中,上部切口位置30 m,上下切口时差2.2 s,爆破后折叠倒塌及破碎效果都很理想。
关键词: 双向折叠爆破; 100 m钢筋混凝土烟囱; 上部切口位置; 上下切口起爆时差; 倒塌及破碎效果
1 工程概况
1.1 工程周边环境
100 m钢筋混凝土烟囱位于原武汉市阳逻化肥厂厂区内,因土地开发需将其拆除。烟囱东侧120
m处为马路,马路外侧为民居;距烟囱南侧18 m为4层民房;西侧14 m为废弃水池,75 m有一架空电线,120 m外是长江;北侧80 m有一池塘,东北方向54 m有一废弃砖烟囱,环境见图1。
1.2 结构特征
该烟囱高100 m,为钢筋混凝土筒式结构,因该烟囱建成后该厂即停产,故该烟囱未使用。烟囱筒身采用c30钢筋混凝土整体滑模浇筑,内衬为红砖砂浆砌筑而成。筒身布单层钢筋网,0~10 m范围内竖向钢筋为28,环向为18,间距均为200 mm。+1.0 m标高处,烟囱外直径7.8 m,混凝土壁厚为40 cm,内衬红砖厚24 cm,隔热层为10 cm,钢筋保护层为10 cm。在烟囱底部正东、正西方向各有一高1.8 m,宽1.0 m的出灰口,在+5.6 m标高处,正南、正北方向各有一高4.8 m,宽3.2 m的烟道口。+ 30 m处外直径6. 57 m,混凝土壁厚为30 cm,内衬红砖厚12 cm,隔热层为5 cm,竖向钢图1 爆区环境示意图(单位:m)筋为22,环向钢筋为18,间距为20 cm。
2 爆破方案的确定
对于高耸建筑物采用定向爆破,施工速度快、成本低,从待拆烟囱的周围环境示意图1可以看出,四周环境条件较好,有多个方向可供倒塌。考虑到为今后苛刻条件下高烟囱折叠爆破积累经验,拟采用“双向折叠倒塌”的总体倒塌方案。折叠倒塌时上部筒体定向倾倒时与正常底部切口定向倒塌的原理基本相同,但对于定向准确性的控制,影响因素较多,控制难度较大,故在选择双向折叠倒塌的方向及上部切口位置时应综合考虑环境因素及烟囱本身结构特征(如烟道位置、筒身强度等)。该烟囱拟采用“东西向双向折叠倒塌”的方案,即上部切口布于+30.00 m处,向正西倒塌;下部切口布于+1.0 m处,向正东倒塌。采用先上后下的起爆顺序。
3 爆破切口设计
3.1 切口形式
工程上下切口均采用正梯形切口。
3.2 切口圆心角θ[1]
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。通常情况下,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。参照类似工程经验,取如下切口圆心角:
1) +30.0 m切口圆心角:θ1=220°
2) +1.0 m切口圆心角:θ2=225°
3.3 切口高度h和展长l
1)切口高度h
据一般工程经验,h=(1/6~1/4)d,其中d为切口处外径。+1.0 m处外直径为7.8 m,而+30.0 m处外直径6.57 m,h值取值如下:
(1) +30.0 m切口高度:h1=1.5 m;
(2) +1.0 m切口高度:h2=3.5 m。
2)切口展长l
(1) +30.0 m切口展长:l1=(220°/360°)×20.64=12.6 m;
(2) +1.0 m切口展长:
l2=(225°/360°)×24.49=15.31 m。
3.4 切口闭合角α
切口闭合角α取值如下[1]:
1) +30.0 m切口闭合角:α1=25°;
2) +1.0 m切口闭合角:α2=30°。
3.5 定向窗[2]
用风镐开凿定向窗,并修凿到设计尺寸,保证两侧定向窗在同一高程。窗内钢筋全部割掉。+30.0m定向窗尺寸为宽1.2 m,高0.56 m的三角形缺口。+1.0 m定向窗尺寸为宽1.5 m,高0.87 m的三角形缺口。
3.6 支撑区的处理
上、下支撑区均经强度校核,符合稳定性要求。下部支撑区出灰口用高标号水泥砂浆砌75 cm砖墙砌筑并抹面,养护期不少于5 d。切口的相关参数均见图3。
4 爆破设计
4.1 上切口位置及切口爆破参数
根据钻爆施工的可行性,经过折叠倾倒过程烟囱的运动学理论校核,选取上切口位置为+30.0m。上部切口的爆破设计参数为:炮眼直径d1=40 mm;炮眼深度l1=0.68×30=20 cm;炮眼间距a1=30 cm;炮眼排距b1= a1;单孔药量q1= k1a1b1δ1,取单耗k1=2 000 g/m3,则q1=54 g。
+30.0 m切口共布炮孔159个,装药时下3排90个孔,单孔装药100 g,上3排69个炮孔,单孔装药60 g。
4.2 +30.0m切口内衬处理
此处内衬为12 cm砖墙,将其预处理,使其化墙为柱,在内衬与筒壁间布设少量外部装药与筒壁炮眼同网同段起爆。
4.3 +1.0m切口爆破参数[3]
炮眼直径d2=40 mm;炮眼深度l2=0.68δ2=28 cm;炮眼间距a2=35 cm;炮眼排距b2=35cm;炮眼排数n2=3.5/0.35+1=11排;单孔药量q2= k2a2b2δ2,取k2=2 000 g/m3,则q2=100g。+1.0 m处共钻274个孔,下5排152个孔,单孔装药150 g,上4排122个孔,单孔装药100 g。
4.4 +1.0 m切口内衬爆破参数
内衬经预处理后,钻孔并与+1.0 m底部爆破缺口筒身同网同段起爆。内衬爆高h3=2.4 m。取l3=16 cm,a3= b3=30 cm,q3=50 g。共布孔9排,实钻炮孔300个。工程均采用2#岩石乳化炸药。
4.5 预处理
1)上、下切口处切断烟囱避雷针。
2)+4.6 m处烟道分割墙爆前拆除。
3)+4.6 m处烟道分割墙横梁钻垂直孔6个,
与+1.0 m处切口内衬一同爆破,单孔药量100 g。
5 起爆网路
5.1 上下切口时差
根据理论分析并参照类似工程经验,取上下切口起爆时差△t=2.2 s。
5.2 网路联接形式
上切口孔内均采用毫秒1段导爆管雷管,每20根捆成一束,每束由2发瞬发电雷管起爆,电雷管串联接入主网路。下切口采用孔内外联合延时起爆的方法,即孔内装毫秒16段导爆管雷管,然后每约20根捆成一束,每束捆2发毫秒16段导爆管雷管,孔外延时16段导爆管雷管约10根捆成一束,束束之间用1段毫秒导爆管雷管互联,每束捆2发毫秒1段导爆管雷管,然后将毫秒1段导爆管雷管捆成1~2束,每束捆2发瞬发电雷管,电雷管串联接入主网路。
用gm-300起爆仪点火起爆。
5.3 下部切口网路的安全防护
因下部切口迟于上部切口较长时间由孔外延迟起爆,则下部切口必须采用有效措施保证其在起爆后不受上部切口起爆后带来的安全威胁。首先,将下部网路尽量贴于筒身并用帆布覆盖,然后在切口上部脚手架上设置多层防坠落平台;在烟囱内部原烟道分隔处脚手架搭上设防坠落平台。
6 爆破效果
6.1 烟囱折叠倒塌过程
上部缺口起爆后,上部70 m站立;2.2 s后,下部缺口爆破,下部30 m向东倾倒,上下2部分形成了复合运动,即下部向东、上部向西的折叠倒塌过程。下部历时6.5 s后先着地,上部70 m继续运动,约1.5 s后全部着地,烟囱整个折叠倒塌过程历时约8 s。倒塌过程见图4。爆破前进行的烟囱折叠运动模拟与实际情况吻合很好。落地瞬间2段筒体相互位置的模拟也与实测结果基本一致。
6.2 倾倒方向控制结果
经爆后测量,下部30 m实际倾倒中心线与设计中心线基本完全重合;上部70 m除与下部重叠30 m外,其余30余m实际倾倒中心线与设计中心线相比,向西北方向偏移约30′;这可能是因为该部分落入水池中,因水池高低不平而略有侧移。
因此,可以认为本次钢筋混凝土烟囱双向折叠定向倾倒爆破过程倾倒方向得到了非常好的控制。
6.3 烟囱折叠效果及爆堆形状
爆破后发现,烟囱完全按设计要求实现了双向折叠爆破,下部30 m完全重叠在一起。实测堆积范围为:从烟囱中心计,向东侧倒塌长度31.2 m,向西倒塌长度38.4 m,向东倒塌部分完全重叠在一起;除东侧最上层21.6 m龟裂外,其余大部分破碎情况良好,混凝土筒体破碎,钢筋大部分与混凝土脱离。爆堆高度:烟囱原中心部位爆堆高2.8 m,东部31.2 m处1.2 m,自烟囱向中心向西侧部分破碎充分,钢筋与混凝土完全脱离,爆堆高度不足0.5 m。烟囱顶部跌入水池。实测爆堆范围和爆堆堆积高度数据表明:1)上下2部分筒体倾倒过程中折叠非常成功;2)在整个烟囱的折叠倾倒过程中,上部切口部位的支撑筒壁没有发生压溃式后坐或塌落,从而确保了烟囱按设计方向倾倒。
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