烟囱爆破设计

包头铝业120m烟囱、30m料仓、20000m2厂房拆除爆破设计施工方案（袁绍国1杨年华2）（1.内蒙古科技大学，包头市科大爆破公司；2.铁科院北京市铁锋爆破工程公司）一、工程概况包铝集团在技术改造中，需要将电解一分厂的一车间和二车间及其所属的一个钢筋砼烟囱和两个钢筋砼料仓拆除，由于烟囱和料仓高大且为钢筋混凝土结构，厂房跨度也很大，无法采用人工或机械拆除，决定采用控制爆破技术进行拆除。120m烟囱属于A级爆破，料仓、厂房拆除爆破属于B级项目。1工程结构⑴烟囱：烟囱建于1958年，为钢筋砼结构，高H=120.0m，底部外直径D=11.6m，上口外直径7.5m，壁厚由下部80cm（实际86cm）向上逐渐变为18cm。双层布筋。在1983年又对烟囱进行了一次加固，加固高度50m，加固层厚度12cm，单层布筋。下部在正东和正西各有四个烟道口，上烟道口宽2.74m，高6.7m，下烟道口宽2.74m，高6.35m，烟囱东侧上两个烟道口已用钢筋砼封死。详细结构见图1。⑵料仓：料仓有两座，结构尺寸相同，为薄壁钢筋砼结构，高H=30.0m，直径D=8.6m，壁厚16cm。双层布筋，钢筋为Φ12，20cm×20cm网格。上部5m部分为砖结构，砖墙体部分壁厚24cm。其中南料仓与北料仓略有区别，在筒壁外侧下部9m进行了2次加固，加固层分别厚为18cm和16cm，使得总壁厚达到了50cm。详细结构见图2。⑶厂房：厂房有两座，排架结构，两座厂房均长393m，宽22.5m，檐高11.75m，总高15m，67榀屋架，（其中4榀钢屋架）。外墙为37砖墙，排架柱为钢筋砼立柱，外墙有砖柱，外侧包裹有钢筋砼。详细结构见图3。2周围环境待拆除的两座厂房东西向平行排列，两厂房相距28m，烟囱位于两厂房之间，距离厂房西边缘约210m，两料仓在厂房之间南北排列，距厂房均为1.5m之距，距厂房东边缘约139m。西侧距厂房边缘24m处有南北向架空天然气管道，该天然气管道在南侧东西向布设，距厂房20m。北厂房的东侧距厂房边缘8.5m处有一座110KV变压器，东侧5.5m外另有一待拆除厂房，南侧有一抬包转运站与厂房在结构上相联接。两厂房外侧有厂区马路环绕，其余厂房等建筑物都在20m以外。爆破环境较好（见图4）。3工程注意事项烟囱高度特大，必须严格控制倒塌方向。除考虑爆破引起的飞石外，还应注意烟囱撞击地面产生的飞石。除考虑爆破振动影响外，还应考虑触地震动影响。天然气管道和110KV变压器邻近，应确保其安全。料仓底部直径大，应防止坐而不倒；倒塌后应防止塌而不碎，爆堆过高难以处理。钻孔数量多，起爆网络复杂，必须加强起爆可靠度。电解车间磁场强度大，应注意外来电流的干扰。二、爆破方案根据烟囱、料仓和厂房的结构及周围环境，有三种拆除方案可供选择：1原地坍塌爆破方案对于厂房可采用此方案，在厂房底部，把全部牛腿支柱和砖墙炸开一个足够高度的爆破缺口，从而借助于其本身的自重的作用和重心下移过程中产生的重力加速度，向地面碰撞，导致厂房自行解体，原地破坏。此方案的特点是所需的场地较小，但技术难度比较大，钻爆工作量较大。此方案朝马路方向的侧向扩散要稍大一些。2定向倾倒爆破方案该方案是在筒身倾倒一侧的底部，将其支撑筒壁炸开一个一定高度和长度大于该部位筒壁周长1/2的爆破缺口，从而破坏其结构的稳定性，在本身自重作用下形成倾覆力矩，迫使烟囱、料仓按预定方向倾倒。该方案的优点是破坏彻底，工程量小，是拆除高耸建筑物的优选方案，但要求在倒塌方向上有必须具备一个一定宽度和一定长度的狭长场地。厂房也适用该方案，并具有工程量小、破坏彻底的优点。3人工机械拆除方案人工架设脚手架到塔顶，采用机械办法将筒身切割成块从上到下逐渐拆除。此方案虽然没有了爆破的风险，但高空作业风险大、工期长，工效慢，人工劳动强度大，在控制爆破技术高度发展的今天并不是一个优选的方案。因烟囱高度非常大，料仓又为厚壁圆筒，厂房牛腿立柱截面大，为保证坍塌彻底，防止爆而不倒和解体不彻底，并考虑到周围的环境，避免飞石可能破坏天然气管道，决定采用定向倾倒爆破方案：①120m烟囱向西定向倾倒。②两料仓向东定向倾倒。③北厂房向南、南厂房向北定向倾倒。另外，为防止北厂房倒塌时东山墙侧向扩散影响与之相邻的110KV变电设施，北厂房东部4榀向西定向倾倒。各建筑物倒塌方向如图4箭头所示方向。爆破顺序为先进行烟囱和料仓的拆除爆破，处理爆堆至不影响厂房倒塌后再进行厂房的拆除爆破。爆前用风镐把抬包转运站与墙体的连接部位打开2m。三、爆破设计（一）烟囱部分1爆破切口参数设计原则：切口大小、高低、位置是烟囱能否按设计方向顺利倒塌的重要因素，应做到：切口大小应满足爆后筒身在重力作用下顺利按设计方向倒塌；切口拆除量小，能创造良好的防护条件，筒身落地后破碎效果好，筒身堆积高度低。切口尺寸的选择：切口形式：采用两端带尖角的“类长方形”切口（如图5所示）。爆破切口的长度一般小于2/3圆周长，如果切口过长，会减小定向爆破方向的准确性；切口长度过小，又会导致倾倒力矩小于结构抗弯力矩，从而出现爆而不倒的现象。根据高大钢筋砼烟囱的经验，决定爆破切口长度对应圆心角取210°（见图5a烟囱横断面图）。切口部位周长：L=5.8×2π=36.44m。切口长：l=(210/360)L=21.26m；l’=17.26m（上、下边长）。切口高：h=3.5δ=3.5×80cm=280cm。为了保证定向倾倒的准确性，在爆破切口两端预先用风镐配合岩芯钻切出定向口，缺口两端尖角落在砼施工缝上，定向窗锐夹角取25°，水平长100cm，定向窗与中间爆破缺口的过度长度取100cm。烟囱内部的十字红砖墙提前用机械或爆破法清除掉，要求爆破缺口范围内的十字红砖墙全部拆除。倾倒中心线采用图6所示切线法利用经纬仪定位到烟囱壁上。2孔网参数及单孔装药量孔深l=0.67δ=0.67×86cm=58cm，（实取60cm，最下一排孔取65cm）孔距a=0.85l=0.85×58cm≈45cm，排距b=0.85a=0.85×45cm≈40cm，单孔装药量q=kabδ=2000×0.45×0.40×0.86=309g，实取300g（试炮时按k=1200考虑,根据试爆效果确定准确药量）。3起爆网路为使烟囱能够按照爆破拆除设计方案安全、准确地倒塌在预定范围内，选择可靠性高、安全性好的起爆网路是十分必要的。由于爆区位于电解厂内，磁场强度大，周围电力设施、设备较多，为避免在施工过程中由于外来电流的作用导致误爆、早爆事故，决定采用非电起爆系统对烟囱进行爆破拆除。根据目前爆破工程中常用的非电起爆网路，考虑到雷管数量多，为增大起爆网路的可靠性，决定采用导爆管簇联接力复式闭合网路（见图7）。筒壁每个炮孔内装入2发3段毫秒延期导爆管雷管，绑结雷管用1段，炮孔没装药部分全部堵塞炮泥，炮泥湿度一手捏成团为佳。考虑到附近就是变电站，不能使用电雷管，起爆也采用激发笔起爆形式，保证安全准爆。爆破最大单响起爆药量控制在60kg以内。（二）料仓部分1爆破切口参数切口形式：采用“长方形”切口（如图8所示）。切口长：北料仓：取周长的2/3，l=2/3L=2/3×4.3×2π=18.00m。南料仓：取周长的2/3，l=2/3L=2/3×（4.3+0.34）×2π=19.44m。切口高：北料仓：h=5.0δ=5.0×16cm=80cm。北料仓：h=3.0δ=3.0×50cm=150cm。为了保证定向倾倒的准确性，在爆破切口两端预先用爆破（试验药量）配合风镐切出定向口。2孔网参数及单孔装药量北料仓：孔深l=0.70δ=0.70×16cm=11cm，孔距a=12cm，排距b=12cm，单孔装药量q=21g南料仓：孔深l=0.68δ=0.68×50cm=34cm，孔距a=0.9l=0.9×34cm=30cm，排距b=0.85a=0.85×30cm=25cm，单孔装药量q=kabδ=2000×0.3×0.25×0.5=75g3起爆网路根据目前爆破工程中常用的非电起爆网路，考虑到雷管数量多，为增大起爆网路的可靠性，决定采用导爆管簇联接力复式闭合网路（见图7）。筒壁每个炮孔内装入1发3段毫秒延期导爆管雷管，绑结雷管用1段，炮孔没装药部分全部堵塞炮泥，炮泥湿度一手捏成团为佳。考虑到附近就是变电站，不能使用电雷管，起爆也采用激发笔起爆形式，保证安全准爆。爆破最大单响起爆药量控制在31.0kg以内。（三）厂房部分1布孔范围倒塌方向前墙从窗台水平以上布6排孔，炸高1.5m，牛腿柱自底部50cm之上布7个孔。后墙自底部50cm以上布2排孔，后墙牛腿柱布孔同前墙，两侧山墙布置成三角形孔（布孔范围见图9（a））。对于北厂房东山墙部分，布孔范围见图9（b）图所示，在24m范围内的南墙、北墙布置相同排数的炮孔，炸高等同窗户的高度，山墙底部布两排孔，山墙牛腿柱的炸高为2m。布孔范围的外墙柱提前用破碎锤破碎，钢筋切断。2孔网参数及单孔装药量⑴100cm×70cm钢筋砼牛腿柱：孔间距a=43cm孔深l=65cm单孔装药量q=kaBH=450×0.43×0.7×1.0=135g，将该药量等分成两个药包装入孔内，堵塞长度保留40cm（装药结构见图10）。⑵37cm厚外砖墙：孔间距a=35cm孔排距b=30cm孔深l=22cm单孔装药量q=30g⑶墙角眼：孔排距b=30cm孔深l=18cm单孔装药量q=36g⑷牛腿柱角眼（见图10）：孔排距b=30cm孔深l=24cm单孔装药量q=30g⑸24cm厚外砖墙：孔间距a=25cm孔排距b=25cm孔深l=15cm单孔装药量q=15g3起爆网路采用导爆管雷管直线接力式捆联起爆网路。墙内每孔装入1发半秒延期导爆管雷管，连接管用2段毫秒延期导爆管雷管。雷管段别分布图及爆破网路示意图见图11。距变压器20m以外处的最大单响起爆药量控制在10kg以内，距变压器20m以内处的最大单响起爆药量控制在3kg以内。四、安全检验与防护1爆破震动爆破引起的质点震动速度可按下式计算：Vb=K’K(Q1/3/R)α式中：Vb为质点震动速度，cm/s；Q是最大一段药量，Q=60kg；R是爆源至测点距离，R=50m。查表取K=150，α=1.5，K’（拆除爆破折减系数）=0.25，爆破时，50m距离处的质点震动速度为。vb=0.25×150×(601/3/50)1.5=0.82cm/s与变压器最近处的装药引起8.5m变压器处的质点震动速度为。vb=0.25×150×(31/3/8.5)1.5=1.29cm/s均小于厂房、天然气支柱和变压器的允许质点震动速度，另外，爆破前在爆区和变压器之间开挖一条深度为2m的深沟，可减低50%的质点震动强度，可见爆破引起的震动对周围建筑物及设备设施没有任何影响。2触地震动由于烟囱质量较大（重3300吨），倒塌时触地引起的地表振动是不能忽视的。触地振动的大小与建筑物质量、重心高度和土体刚度有关，中国科学院工程力学所实测的公式如下：Vf=0.08(I1/3/R)1.67，cm/s式中：Vf?触地引起的地表振动速度，cm/sI?触地冲量，N?S，I=m(2gH)1/2m?建筑物质量，kgH?重心高度，m烟囱自重2888吨，经逐层加权平均计算，重心高度为48.9m，代入上式计算得出最近厂房和天然气管道支柱（R=56.5m）处的触地质点振动速度为2.6cm/s，小于框架及厂房的允许质点震动速度，东侧变压器（R=191.5m）处的触地质点震动速度为0.33cm/s，小于开关跳闸的震动速度（1.5cm/s），所以触地震动也不会对周围建筑物及变压器、天然气产生任何影响。实际爆破时，倒塌范围地面上垒有土袋墙，（见图13、14），相当于软着陆，所以触地震动会进一步降低。3烟囱缺口形成后保留部位强度校核120m烟囱爆破缺口形成后瞬间，保留部位能否保持稳定，需要校核。已知筒身砼总体积为1155.1m3，钢筋砼容重2.5t/m3，计算筒身总重2888吨，切口处支撑面积（壁厚按80cm，外半径按5.886m）68673cm2，则支撑截面所受压力为4.2MPa，缺口形成后假设最危险部位应力增大1倍，