摘 要: 在需保护建筑物很近,倒塌方向受限的复杂环境且烟道口部分位于切口范围内的不利条件下,通过对爆破参数、安全防护等进行周密设计与施工,成功对烟囱实施定向拆除爆破,飞石与震动得到了良好控制,拆除与防护效果均令人满意。为今后在苛刻条件下进行控制拆除爆破积累了经验。
关键词: 烟囱; 切口; 控制拆除爆破; 安全防护
1 工程环境及烟囱结构
中国电子集团第28研究所所区内有一座砖混烟囱,因规划设计要求需要拆除。该烟囱高35 m。东距待拆厂房5. 95 m,南距待拆除建筑30 m,北距需保留建筑7. 7 m,西边距梅花山庄高档住宅小区围墙仅1. 5 m,围墙外3. 5 m处有需重点保护的梅花山庄高档住宅楼;周围环境详见四邻环境平面示意图(图1)。待拆除的烟囱为砖混结构,高35 m,底部外直径3. 4 m,外壁厚约0. 5 m,有一层砖砌内衬宽度为24 cm,砖体内部置有层距约0. 5 m的环形钢筋, 10m以上钢筋层间距为25 cm,筒身无裂痕,顶部外直径2. 15 m,有少许缺口;烟囱底部西侧有一个出灰的烟道口,高2. 2 m、宽1. 2 m。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。
2 爆破方案
烟囱周围环境复杂,只有正南略偏东一个方向没有建筑物阻挡可以作为定向倾倒方向,但其倾倒长度也仅约40 m,且倒塌范围最窄处只有约4 m宽。初步确定2种方案,一种是在烟囱4—6 m之间取高切口以缩短倒塌距离,减少对四邻建筑物的威胁;一种是从烟囱底部爆破,经济且便于施工,但必须做好对周围建筑物的防护。综合考虑后决定采用后一种方案。也因倒向范围内建筑物太近,此次爆破的关键是保证准确的定向和做好防飞石、防震。为了严格控制倾倒方向,确保无后坐和前冲,须保证支承体的有效长度,避免支承点位置受爆破作用不确定因素的影响。为此,人工开凿高质量的定向窗,用经纬仪测量烟囱高度,在烟囱壁上准确定位倾倒中心线。
3 爆破参数设计
3. 1 爆破切口设计
由文献[2],烟囱的定向拆除爆破是利用起爆瞬间形成的爆破切口,使烟囱的承载断面发生变化而定向破坏和失稳倒塌。当烟囱所受重力矩大于保留部分截面抗矩后,将开始绕截面中性轴zz′轴转动,在转到爆破切口的上下两部分结合时,暂时可将砖烟囱上下两部分看作一个整体,上部结构将以过支点的水平轴线转动,烟囱重心o′移到过支点的垂线以外时,便由自身重力作用产生倾倒。为严格控制烟囱的倒塌方向并防止后坐,砖烟囱爆破设计采用正梯形缺口。这样施工方便,定向准确,并可减少钻孔数量。为了减小爆体落地振动效应,爆破切口位置不宜取太高,结合烟道口的位置,切口下沿距地面取标高+0. 6 m。切口长度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,过小则可能出现倾而不倒的情况。参考文献[3]并根据该烟囱的结构和实际受力情况,选择切口对应的圆心角α为210—220°,取216°(参见图2),计算切口的长度为:切口下沿长度:l1p= (α/360°)πd =6.4 m(1)
考虑施工方便,取烟囱切口下沿长度为6. 5 m,取烟囱的切口上沿长度为4. 9 m。切口高度h根据以往经验按下列公式确定:h≥(1/6—1/4)d (2)式中,h为切口高度,m;d为烟囱切口处的直径,m。因此,取切口高度hmin= (1/6—1/4)d = (0.57—0.85)m由另一经验公式
h = (1.0—2.0)δ= (0.5—1)m(3)
最终为方便施工取h=1 m。切口上沿恰与烟道口拱面下沿同高。
3. 2 预处理与定向窗
因烟道口位于烟囱底部西侧,一部分在设计切口之内,故在切口爆破前按照烟囱原来的堆砌方式把烟道封口,在爆破切口两侧开设直角三角形定向窗,定向窗下底边长0. 8m,高1m,底边与切口下沿处于同一高程。定向窗由人工严格按设计要求凿成,两缺口严格对称于倾倒中心线。在切口范围内的内衬用风镐拆除。
3. 3 切口强度计算
首先确定经过预处理后的烟囱稳定性情况。在预拆除后切口处压应力σ1为
σ1=p /[π(r2-r2) -a0] =0.067mpa(4)式中,p为烟囱重量,经计算得p≈260 ;ta0=0. 682m2;r=1. 7 m;r=1. 2 m;而红砖的极限抗压强度为[σ1]=(1. 2—2. 5)mpa,可知σ1<[σ1],所以可知经过预处理的烟囱远没有达到砖体破坏时的极限强度,故满足强度要求。爆破切口形成后烟囱的倾倒条件是:mp≥mσ,即p(rcosθ+e)≥2[σ]•δ•r2•(θ-sinθ)式中,mp为重力矩,p为烟囱自重,取p=2 600 kn;mσ为支撑截面弯曲受拉产生的抗矩;壁厚δ=0. 5m;取红砖的极限抗弯强度[σ]=0. 9mpa;θ=72°;e在初始时刻很小可以忽略不计。平均半径r = (r +r) /2=1.45 m(6)故可算得mp=prcosθ=1 164.99 kn•mmσ=2[σ]•δ•r2•(θ-sinθ) =578.23 kn•m可见mp≥mσ,满足倾倒的条件。
3. 4 药孔参数
1)最小抵抗线w:取切口处烟囱壁厚的一半,即w=δ/2(δ为壁厚),取25 cm。
2)药孔间距a:a=(1.2—1.5)w或a=(0.9—0.95)l,取35 cm。
3)药孔排距b:b=(0.85—0.9)a,取30 cm。
4)药孔孔深l:l=(0.67—0.7)δ,取35 cm。
5)单孔药量q1:q1=qabδ=73. 5 g,取q1=75 g式中,q1为单个装药量, g;q为单位体积耗药量,g/m3,取q=1 400 kg/m3;δ为筒壁壁厚,m;a、b为药孔的孔距及排距,m。由排距0. 3 m、切口高1 m,结合施工便利计算得共布4排孔,每排布孔14个,总布孔为52个,总装药量为4. 2 kg。布孔如图3所示。
3. 5 起爆网路设计
炸药选用乳化炸药。为了减少外界杂散电流、感应电流、射频电流等可能引起的早爆或误爆事故,采用非电导爆管起爆网路。为确保切口爆渣瞬间抛出,每个孔内设置2发导爆管瞬发雷管。孔内雷管的导爆管与导爆管之间用四通连接件相连,整个网路的末端用电雷管进行引爆,电雷管在爆破警戒范围内人员撤离后,爆破起爆30 min前连接;起爆电源采用军用起爆器起爆。
4 安全设计与校核
4. 1 爆破震动校核[4]
烟囱西侧5 m处是梅花山庄住宅房,东距待拆厂房5. 95m,北距需保留建筑7. 7m,因此要事先对烟囱拆除进行爆破震动安全校核。由萨道夫斯基公式v =kk′3q /rα(7)式中,q为最大一段起爆药量,取q=4. 2 kg;k为与爆破地质地形条件有关的系数,k′为相关修正系数,α是衰减系数,此处参考类似地质条件下的爆破数据,取k=90,k′=0.2,α=1.5;r是爆源距保护物的
距离。将不同距离的r值代入所得质点振速,均小于设计的3.5—4.5 cm/s的振动速度峰值,对保护物不构成威胁。距离/m 5 5. 95 7. 7 10振速/(cm•s-1) 3. 29 2. 51 1. 72 1. 17
4. 2 烟囱塌落震动校核
根据对以往同类工程的实测数据,也能证明烟囱筒体的塌落振动对周围建筑物的影响可以进行有效控制的。如南京下关电厂80 m高钢筋混凝土烟囱距落地点15 m处实测振速为1. 26 cm/s,峰值加速度为0. 008g,郑州中原电厂80 m高钢筋混凝烟囱距落地点10 m处实测振速为1. 62 cm/s,峰值加速度为0. 011g。兰州西固热电厂100 m高钢筋混凝土烟囱高位切口爆破时,用美国产mini-seisⅱ型数字式微型爆破地震仪距爆点15 m和落地撞击点10 m处测量的爆破及落地震动的实测震速与频率见表1。此次爆破的烟囱在高度上远小于上述烟囱,预计需保护的楼房由落地振动引起的质点速度值不会超过4 cm/s,再辅以防护措施完全可以确保本爆破落地振动不会对周围建筑设施产生任何不良影响。另按照中科院工程力学所提供的塌落震动速度公式计算v′=0.08×(i1/3/r′)1.67(8)式中,i为触地冲量, i=m′(2gh′)1/2; m′为最大塌落构件的质量,取本次爆破中烟囱顶部(含信号灯台)的质量约为50 000 kg;h′为塌落构件的重心落差,取h′=30 m;r′为目标点与构件触地中心点的距离,取r′=10 m。求得烟囱倒塌触地在住宅房产生的震动速度为v′=3. 85 cm/s≤4. 5 cm/s,故不会对住宅房产生不良影响。
4. 3 爆破飞石的预防
根据lundborg的统计规律,结合工程实践经验,药孔爆破飞石距离可由式(9)计算rfmax=kt•q•d (9)式中,kt为与爆破方式、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,取q=1 400 kg/m3;d为药孔直径,mm,本次爆破d=38 mm。将有关数据代入,计算得rfmax≤55 m。爆破时用两层竹笆和一层草袋进行防护,可有效防止飞石
的危害效应,个别飞石不超过20 m。
4. 4 安全防护措施
为严防个别碎石飞出,采用两层竹笆、棉被等严密覆盖外墙炮孔位置,同时在烟囱西侧沿倒塌方向的梅花山庄小区围墙扎脚手架悬挂竹(荆)笆、草垫等,形成遮挡屏障,其高度大于撞击点以45°向外飞散至遮挡屏障处的高度,在预定的撞击点处两侧,对需要保护的玻璃等易碎目标竖立竹笆等措施,防止烟囱倒塌过程中解体砖石和落地后反弹砖石的飞散。在烟囱倾倒方向上的水泥地面上铺垫一定厚度的土袋、煤灰渣袋等缓冲材料作为缓冲垫层。在预定撞击点处的地面位置,再用松土沙袋、煤灰渣袋等铺垫垒筑一道50 cm厚的缓冲墙。最后在倒塌范围
的40m处设置一道堵绝墙。此外设置警戒,为了确保安全,确定安全警戒圈半径为室内50 m,室外100m,并在此范围的各道口派专人看守,严防有人误入警戒圈。
5 爆破效果与体会
起爆后,烟囱站立约2. 5 s开始倾倒,倾倒方向较为准确,筒体在倒塌过程中逐渐解体,爆堆长约33m,塌散在缓冲垫层上,烟囱着地时的反弹飞石受到有效控制,其落地飞散距离没有超过爆破飞石的距离。周围的保护目标完好。爆破基本取得令人满意的效果。总结此次爆破体会:
a.对周围环境复杂、条件苛刻的高耸结构拆除爆破,必须做到精确定位倒塌方向。使用经纬仪测量并开凿高质量定向窗(定位槽)是十分必要的手段。
b.因此在设计定位精准的基础上,必须做好预处理以保证烟囱余留支撑断面大小和强度相同并关于设计中心线严格对称,烟道口位于切口范围内的高耸筒形结构物爆破,最好将烟道口完全处于爆破切口内,若其位于支撑体一侧时,应用砖、砂浆等砌好使之与原筒体形成一个整体,新砌部分与原有部分的强度差别必须予以考虑,并尽量保证其支撑强度与另一侧相等或接近。
c.若要保护对象距离较近,可设置两层至三层遮挡屏障,此次爆破孔口做了铺盖并设置两层竹笆,仍有一处飞石打穿竹笆飞出围墙,但速度、动能已大为降低,对警戒圈内保护建筑不构成威胁。另外注意加强填塞质量,尽量使最小抵抗线方向避开重点保护目标,指向开阔区。
d.对砖混结构取炸药单耗不宜过大,本次设计可以再保守一点,一般不超过1 200 kg/m3即可达到爆破效果。
|
