复杂环境下钢筋混凝土双烟囱爆破拆除技术
摘 要: 贵州铝厂有2座85 m高的钢筋混凝土烟囱需要爆破拆除,可供烟囱倒塌的场地极其有限,而且紧邻的生产车间不能停产,生产工人不能撤离,因此对爆破拆除技术要求很高,既要确保烟囱倒塌方向不能有偏差,还要有效控制爆破飞石和振动危害。采用一座烟囱双向折叠、另一座烟囱提高爆破切口的施工技术,并采取一定的减震措施, 2座烟囱倒塌方向垂直交叉。经工程实施,爆破效果很好,其施工技术和减震措施可供同类工程借鉴。
引 言
贵州铝厂氧化铝分厂有2座85 m高的钢筋混凝土烟囱需要爆破拆除。经现场勘测,爆破点周围的环境极其复杂,其东面为厂区道路,南面10. 7 m为电除尘室,西面65 m处有南北走向的架空管道,北面50 m处有东西走向的架空管道, 2座烟囱相距12 m。1#烟囱到西北角的最远距离为86 m; 2#烟囱到西南角的最远距离为83 m,到西北角的最远距离为79 m,详见图1。由于氧化铝分厂是连续化生产,在烟囱爆破的施工准备和实施阶段其毗邻的各厂房的生产不能停,工人不能撤离,因此在确保2座烟囱按设计方向倒塌的同时,还必须完全杜绝爆破飞石、振动、粉尘危害。
1 结构特点
2座烟囱的结构完全一样,均为钢筋混凝土结构,高85m,底部外周长21. 5m,烟囱筒身底部外径6. 84m,壁厚0. 35m,空气隔热层0. 05m,内衬0. 12m;顶部外径3. 12 m。东面各有一高2. 0 m、宽1. 1m的出灰口。待爆烟囱实物图如图2。
2 目前国内钢筋混凝土烟囱拆除爆破的主要倒塌方式
根据拟爆破烟囱的周围环境情况,国内目前对钢筋混凝土烟囱拆除爆破主要采用2种倒塌方式:一种是单向倒塌,一种是双向折叠倒塌[1-3],其中单向倒塌又分在底部取爆破切口的单向倒塌和抬高爆破切口的单向倒塌。由于绝大部分钢筋混凝土烟囱在一个或多个方向上具备倒塌条件,因此以底部取爆破切口的单向倒塌为主,如2001年7月贵阳电厂100 m钢筋混凝土烟囱爆破拆除工程和2006年9月贵州毕节头步电厂100 m钢筋混凝土烟囱爆破拆除工程。只有少数烟囱在倒塌场地有限时才采用抬高爆破切口的单向爆破倒塌技术,切口抬高的位置主要依据倒塌方向上烟囱离需要保护物的距离,如2007年7月贵州清镇电厂120 m烟囱爆破拆除工程。双向折叠爆破技术在国内是从2003年才开始采用的,主要是由于爆破区域周围环境复杂,倒塌场地长度不够,需采用折叠倒塌才能满足工程要求,目前在国内工程实例中有双向两折叠爆破和双向三折叠爆破,朝2个方向倒塌的中心线是对称的,如2003年12月浙江镇海电厂150 m烟囱和2004年1月湖北新洲阳逻化肥厂100 m烟囱采用的是双向两折叠爆破技术, 2006年7月青岛开发区热电公司153 m烟囱采用的是双向三折叠爆破技术。双向折叠爆破技术难度大,风险大,其中最主要的技术参数是上下爆破切口起爆时差、上爆破切口圆心角的大小及爆破切口高度。目前,国内上、下爆破切口的起爆时差选1. 4—7. 0 s,上爆破切口圆心角选210°—220°,爆破切口高度选1. 5—2. 5 m,由于取值不等,爆破效果也不尽相同。
3 工程总体技术方案
3. 1 1#钢筋混凝土烟囱
1)爆破技术方案
根据现场勘测,从1#烟囱底部到西北角可供着地的场地长86 m、宽30 m,其它方向都不具备倒塌条件,因此1#烟囱选择向西北定向倒塌的爆破技术方案。同时为了确保烟囱倒塌触地后其爆碴不危及到架空管道的安全,采用抬高爆破切口的施工技术,爆破切口选在+10. 5m处,即+10. 5m以上部分采用定向爆破拆除, 0. 00—+10. 5 m部分待上部爆破后采用机械拆除。
2)爆破切口形式[4]
采用梯形爆破切口,两侧开定向窗,定向窗底长1. 5 m,高3 m。
3)切口圆心角切口圆心角直接决定切口展开长度,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,铰支易于破坏,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距(MR)为主要依据来确定的,本工程依据类比法取爆破缺口圆心角为220°。
4)切口展长
该烟囱爆破切口中心截面处的筒体周长为20. 1m,切口圆心角为220°,底部展长13. 4 m,顶部取10. 4 m。根据烟囱的结构特点和倒塌方向控制,切口两侧预开三角形定向窗,单个定向窗底长1. 5 m、高3 m。
5)切口高度
切口高度H是烟囱拆除爆破设计的重要参数,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1#烟囱切口处外径D=6. 403 m,缺口高度取H= (1/6—1/4) 6. 403 =1. 067—1. 6 m,考虑到倒塌场地有限,尽量缩小烟囱的触地范围,实取H=3. 0 m。
6)倒塌方向上允许的最大偏移度1#烟囱爆破后倒塌部分的最大长度为74. 5 m,根据现场勘测, 1#烟囱倒塌中心线顶部74. 5 m处的左、右11 m圆弧范围都为空地,能够满足1#烟囱的倒塌条件,因此, 1#烟囱定向允许的最大偏移度为8. 3°。
7)切口位置+10. 5—+13. 5 m。
8)爆破参数
孔深L=0.67B=20. 1 cm,取20 cm;孔距a=1.2L=24 cm;排距b=0.8a=19. 2 m,实取20 cm。切口范围内的内衬采用糊炮方法与支撑筒壁同时起爆[5]。
3. 2 2#钢筋混凝土烟囱
1)爆破技术方案
根据周围环境和现场实测情况,选择双向两折叠定向倒塌爆破方案,其中+21. 00 m以上部分向西南方向倒塌, 0. 00—+21. 00 m部分向东北方向倒塌。开2个爆破切口,第一个爆破切口在+21. 00m处,切口高度2. 4 m,第二个切口在+0. 50 m处,切口高度3. 0 m。
2)爆破切口形式采用梯形爆破缺口,两侧开定向窗,其中第一个爆破切口的定向窗底长1. 5 m,高2. 4 m,第二个爆破切口的定向窗底长1. 5 m,高3. 0 m。
3)切口圆心角第一个爆破切口圆心角为216°,第二个爆破切口圆心角为220°。
4)倒塌方向上允许的最大偏移度2#烟囱上段爆破后倒塌部分的最大长度为64m,根据现场的踏勘, 2#烟囱倒塌中心线顶部64 m处的左、右10 m圆弧范围均为空地,能够满足2#烟囱的倒塌条件,因此, 2#烟囱定向允许的最大偏移度为8. 9°。
5)第一个爆破切口爆破参数( +21. 00—+23. 40 m)孔深L=0.67B=16. 75 cm,取18 cm;孔距a=1.2L=21. 6 cm,实取22 cm;排距b=0.8a=17. 6m,实取18 cm。
6)第二个爆破切口爆破参数(+0. 50—+3. 50m)
孔深L=0.67B=23. 45 cm,取24 cm;孔距a=1.2L=28. 8 cm,取30 cm;排距b=0.8a=24 cm。2个爆破切口的内衬采用糊炮方法与支撑筒壁同时起爆。
1#烟囱爆破切口圆心角和2#烟囱的第一个爆破切口圆心角的取值较大,同时切口高度的取值也较大,主要是考虑这2个切口都是在烟囱的中段部位,切口爆破后必须在很短时间内形成定向倒塌趋势,避免出现因支撑部位受力不均匀而使倒塌方向发生偏移。
经过8次试爆,确定烟囱单耗q=4 600 g/m3,1#烟囱单孔装药量为66. 5 g; 2#烟囱第一个爆破切口单孔装药量为66. 5 g,第二个爆破切口单孔装药量为100 g。
采用风稿、凿子等工具形成定向窗,并确保2个定向窗在形式上的完全对称。2座烟囱共用乳化炸药124. 6 kg,用非电雷管5 260发(每孔装2发雷管)。
4 爆破网路
考虑到1#、2#烟囱相隔较近,如果1#烟囱先于2#烟囱起爆,有可能产生的爆破飞石会对2#烟囱上段爆破缺口的起爆网路产生影响,导致2#烟囱上段定向不准,或是上切口未爆而下切口爆了,这样2#烟囱整个向东北方向倒塌,将对东北方向的总控制室造成致命破坏,因此, 2#烟囱的第一个爆破切口的形成是至关重要的,必须确保上切口先于下切口起爆。为保证网路的安全、可靠,总体上2#烟囱先于1#烟囱起爆。
主网路采用交叉复式爆破网路, 1#烟囱孔内装1段非电雷管。2#烟囱第一个爆破切口其孔内装1段非电雷管,第二个爆破切口其孔内装17段非电雷管(延时1 200 ms),即下切口滞后上切口1. 2 s起爆,而且第二个切口的主网路由第一个切口的主网路接入,该区间主网路用1段非电雷管连接; 1#烟囱的主网路由2#烟囱的第二个切口的主网路接入,该区间主网路用5组共20发17段非电雷管连接,确保起爆顺序为:MFD—100起爆器击发电雷管→2#烟囱第一个爆破切口→2#烟囱第二个爆破切口→1#烟囱。
5 触地振动效应
尽管进行了安全验算,为了确保周围建筑物的安全,在设计触地区域用沙袋垒砌条形减震体的同时,为防止烟囱帽出现前冲现象,在烟囱帽预计触地位置用沙袋铺成缓坡状。同时在2#烟囱下部倒塌方向上也铺设减震沙袋,并在冷却塔的外墙附近堆砌长30 m、高2 m的沙袋防护墙,在条形沙袋减震体间的地面上铺上棕垫和胶皮网,以减少产生二次飞石的几率。
6 爆破粉尘防治措施
烟囱爆破拆除时的粉尘主要来源于4个方面:一是烟囱在使用过程中在壁上残留有粉尘;二是爆破时产生的粉尘;三是烟囱触地时介质相互碰撞、挤压、断裂产生的粉尘;四是触地区域原有粉尘在空气冲击波作用下产生的扬尘。在本工程中采取的防尘措施如下: 1)爆破前对烟囱底部(包括内部和外壁)喷水吸尘; 2)对预计触地区域洒水吸尘; 3)爆破后(大约在爆破后30 s内)用3台消防水车喷水吸尘,其中东面道路上配置1台,西面道路上配置2台。
7 爆破效果
2008年3月26日上午10点准时起爆, 2#烟囱的第一个切口首先起爆,顶部向西南方向倾斜;然后第二个切口起爆,底部向东北方向倾斜,折叠效果明显(见图3);在2#烟囱倒塌快完成时, 1#烟囱起爆,整个向西北方向倾斜然后倒塌, 2座烟囱的定向效果很明显。在1#烟囱触地后, 3台消防水车按各自的路线到达指定位置喷水除尘,爆后3 min爆破粉尘完全消除。爆破后现场检查, 1#烟囱底部未爆破部分完全坐塌,东南面的烟囱基础隆起,不用进行机械处理,顶部向北偏移倒塌中心线0. 7 m。2#烟囱折叠长度17. 5m,顶部向西偏移倒塌中心线1 m。
减震效果明显,氧化铝分厂各生产部门的机械和电器设备运转正常,生产厂房和架空管道未受破坏,生产人员安全,完全达到了预期的爆破效果。
北京理工大学杨军博士对2#烟囱折叠倒塌爆破进行了模拟研究,其模拟效果与现场的爆破效果相当吻合。
8 体 会
1)对于钢筋混凝土烟囱采用双向折叠倒塌爆破技术,要确保各部分倒塌方向的准确性,对上下切口圆心角的大小、切口高度以及起爆时差的选取尤为重要,应根据烟囱本身的结构、周围环境,并结合同类工程的成功实例作为选取依据。
2)采用沙袋垒砌间隔条形减震体能起到很好的减震效果。
3)对抬高爆破切口的烟囱爆破工程,要注意上部分倒塌时对下部分的破坏效应,加强防范措施。
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