55 m砖烟囱小角度切口爆破拆除

闫统钊, 张智宇， 黄永辉

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093； 2.昆明理工大学 爆破新技术应用研究所，昆明 650093)

55 m砖烟囱小角度切口爆破拆除

闫统钊1,2, 张智宇1,2， 黄永辉2

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093； 2.昆明理工大学 爆破新技术应用研究所，昆明 650093)

为了成功爆破拆除一座55 m高的砖结构烟囱，根据周围环境、烟囱高度及其结构特点，选取了合适的爆破倾倒方向和合理的爆破参数，采用了精准的爆破起爆网路。在实际工程中，砖烟囱爆破切口圆心角多数在200°～220°，通过对烟囱倾倒需满足的条件进行计算，确定其满足条件的爆破圆心角范围。设计了小角度爆破切口，其对应圆心角为185°，并且在爆破前进行预处理。起爆后，烟囱按照设计方向顺利倾倒，取得了较好的爆破效果。振动监测结果均在安全允许范围内，验证了砖烟囱小角度切口爆破拆除的可行性，可为类似工程提供参考。

砖烟囱；爆破拆除；小角度；爆破切口；预处理

1 引言

在城市改建和厂矿企业改造中，经常遇到高耸构筑物的拆除。高耸构筑物一般是指烟囱、水塔、跳伞塔和电视塔等高宽比大而壁薄的构筑物，其结构特点是重心高、支撑面积小和容易失稳〔1〕。对此类构筑物采用自上而下的人工机械法拆除，需要高空作业，功效低且不安全；采用爆破方法拆除，在高耸构筑物底部进行钻孔爆破，可以使烟囱和水塔等构筑物失稳倒塌，不仅施工速度快、功效高，而且还可以保证施工安全，在工程实践中应用较多。

2 工程概况

2.1 周围环境

为配合弥勒县山心村露天煤矿扩建工程建设，将位于露天煤矿附近的一座砖结构烟囱进行爆破拆除。烟囱东南侧55 m是厂房；东北侧45 m是砖房；西北侧60 m是砖房和锅炉房；西侧70 m是露天煤矿的采场，露天台阶坡度比较陡；东南侧的厂房与东北侧的砖房、东北侧的砖房与西北侧的砖房之间有电线，周围环境如图1所示。

图1 周围环境示意图Fig.1 Schematic diagram of surroundings

2.2 烟囱结构

待拆除烟囱为砖砌结构。其主要结构参数如下: 高55 m，最底部3 m立在砖窑中，在烟囱出露砖窑部位设置爆破切口，该部位外周长13.4 m，外直径4.3 m，外壁厚0.75 m，内衬厚0.25 m，烟囱外壁为青砖，内衬为红砖，内衬、外壁之间有0.05 m空气间隔。

3 爆破方案设计

3.1 爆破方案的确定

高耸构筑物拆除爆破方案可分为定向倒塌、折叠式倒塌和原地倒塌。根据周围环境情况和爆破拆除施工的要求及烟囱的结构特点，本工程选择的爆破方案是南偏西45°定向倾倒。

3.2 爆破切口设计

3.2.1 切口形状

爆破切口形状的选择直接影响高耸构筑物倒塌定向的准确性〔1〕。当前，在控制爆破拆除烟囱、水塔等高耸构筑物时，常用的切口形状有斜形、反斜形、反人字形、梯形、倒梯形、长方形等〔2〕。本工程根据现场状况，为了更好控制烟囱的倒塌方向，防止倒塌过程中出现前冲、后坐和偏转现象，采用倒梯形切口，切口形状如图2所示。

图2 爆破切口Fig.2 The blasting notch

3.2.2 切口高度

爆破切口高度是保证倒塌方向的重要技术参数〔1〕。爆破切口的高度应适当高一些，可防止其在倾倒过程发生角度偏转，但切口高度过高，不仅会增加工作量，还可能造成倾倒速度过快，形成前冲；切口高度过小，会出现“倾而不倒”，甚至可能造成在倾倒过程中会出现偏移，因此要合理确定〔2〕。根据大量的实践经验，砖砌体烟囱的切口高度一般不宜小于爆破部位壁厚δ的1.5倍〔1〕，通常取H=(1.5～3.0)δ=1.125～2.25 m。根据工程经验，本工程切口高度H取1.4 m。

3.2.3 切口长度

(1)爆破切口长度是影响烟囱倒塌情况的关键参数，其直接影响倒塌的距离和方向〔2〕。爆破切口长度过短、过长都会对定向倒塌不利，切口长度过长可能会因为保留筒壁起支撑作用的部分太少，导致爆破后烟囱产生后坐；切口长度过短则烟囱又可能爆而不倒〔1〕。根据实践经验，烟囱的爆破切口弧长L可由下式确定:

S/2

(1)

式中：S为烟囱爆破切口部位的外周长，S=13.4 m。

由式(1)可得：6.7 m

(2)对于结构物较高、风化较严重、强度较小的砖结构，L可取较小值；对直径大而壁厚、强度大的砖结构，L取较大值。取值时，以能够准确、顺利倾倒为原则。实际工程中砖烟囱爆破切口圆心角大多数在200°～220°之间，其结果是留作起支撑作用的部分在爆破切口形成瞬间容易被压垮，由于各个方向下坐不均匀，导致倾倒方向的改变〔3〕。

烟囱倾倒需满足的条件由下式确定〔4〕:

NR≥NP

(2)

MR≤MP

(3)

式中:NR为烟囱余留截面的抗压极限支持力；NP为爆破切口以上烟囱的质量；MR为烟囱余留截面的极限抗弯矩；MP为烟囱自重等引起的截面弯矩(倾覆力矩)。

由式(2)得爆破切口圆心角最大值:

θmax≤2π-NP/(δ1R[σ]+δ2R1[σ])

(4)

式中：NR=(2π-θ)δ1R[σ]+(2π-θ)δ2R1[σ]；θ为爆破切口圆心角；R为爆破部位外半径；δ1为爆破部位外壁厚；δ2为爆破部位内衬厚；R1=(R+r-δ1)/2；r为爆破部位内半径；[σ]为砖砌体与砂浆之间的极限抗拉强度。

由式(3)得爆破切口圆心角最小值:

NP/(2δR02[σ])≥{R0[2sin θ1-sin[(2π-θ)/2]]} /e+[(2π-θ)/2]-2θ1

(5)

式中：e={4(R3-r3)sin[(2π-θ)/2]}/3(2π-θ)(R2-r2)；θ1=arccos(e/ R0)；δ=R-r；R0= (R+r)/2。代入NP=400 t；R=2.1 m；r=1.1 m；[σ]=1.5 MPa；δ1=0.75 m；δ2=0.25 m。

计算得150°≤θ≤220°。

为了确保烟囱在爆破瞬间重心偏移产生倾覆力矩而失稳，且考虑到本工程烟囱属砖结构，其抗拉强度比较弱，故选取的圆心角为185°，对应切口长度L为6.9 m(见图3)。

图3 爆破切口剖面示意图Fig.3 Profile diagram of blasting notch

3.2.4 定向窗

为保证爆破后烟囱沿着设定的方向倒塌，在主爆区爆破之前用风镐在切口两端各开凿一个定向窗，以保证切口关于倒塌中心线对称，并能在一定程度上降低一次起爆药量，减少由于爆破产生的振动及其他危害〔1〕。本次拆除爆破中，定向窗位于爆破切口的两端，底角β取45°。

3.3 爆破参数设计

(1) 炮孔直径D。采用风动凿岩机钻孔水平钻孔，钻头直径为38 mm，炮孔直径D为40 mm。

(2) 最小抵抗线W。W=δ/2，δ为烟囱的壁厚(不含内衬厚度)，即W=δ/2=0.375 m。

(3) 孔深L。L=(0.65～0.68)δ，δ为烟囱的壁厚(不含内衬厚度)，取L=0.50 m。

(4) 间距a。a=(0.8～0.95)L，取0.40 m。

(5) 排距b。b=0.85a，取0.35 m。

(6) 单孔药量Q1。Q1=qabδ，取150 g。其中，q为单位炸药消耗量，参考类似工程，取1.4 kg/m3。

(7) 炮孔总数N=65个。

(8) 总药量Q总。Q总=NQ1=9 750 g。

爆破切口炮孔布置如图4所示。

图4 爆破切口炮孔布置示意图Fig.4 Schematic diagram of blastholes layout

3.4 起爆网路设计

采用导爆管雷管簇联起爆网路，最后用电雷管起爆。一般情况下，烟囱爆破切口尺寸不大，孔数不多，爆破药量不大，爆破振动比塌落振动小得多，可不必采用分段延时爆破，采用瞬发爆破能使切口准确、快速形成，保证精确、顺利实现定向倾倒，故本次爆破设计为瞬发一次起爆(见图5)。

图5 起爆网路示意图Fig.5 Schematic diagram of initiation network

4 安全校核

4.1 爆破振动校核

爆破振动速度按萨道夫斯基公式计算〔5〕：

v=KK′(Q1/3/R)α

(6)

式中:v为被保护建筑物所在地质点的振动速度，cm/s；Q为最大一次爆破炸药总量，kg；K为与介质性质有关的系数，取200；K′为修正系数，取0.3；α为衰减系数，取α=1.6；将R=45 m、Q=9.75 kg代入式(6) 计算得v=0.46 cm/s，小于规定的建筑物安全允许振速1.5 cm/s〔5〕。

4.2 塌落振动校核

塌落振动速度按下列公式计算〔6〕：

vt=Kt[R/( MgH/δ)1/3]β

(7)

式中:vt为塌落引起的地面振速，cm/s；M为下落构建的质量，由烟囱直径、高度及密度估算质量为400 t；g为重力加速度，9.8 m/s2；H为构件重心的高度，约为21 m；δ为地面介质破坏强度，一般取10 MPa；R为观测点至冲击地面中心的距离，取45 m；Kt，β为塌落振动速度衰减的系数和指数,Kt=3.7，β=-1.7。

计算得vt=0.94 cm/s，故塌落振动小于规定的建筑物安全允许振速1.5 cm/s〔5〕。

4.3 安全防护措施

在爆破切口部位采用单层铁丝网和麻袋覆盖且捆扎牢固；附近建筑物所有门窗用竹排捆扎牢固封堵。

为了避免建筑物触地冲击造成飞石和触地冲击振动危害，清理了现场原有碎石并做好减振措施〔7〕。在倒塌范围内设了5排土堤，能够起到缓冲作用，防止碎石飞溅。切口方向禁止人员停留，在烟囱四周设置半径200 m的警戒范围，起爆时所有人员都撤离到安全地带。

5 振动监测及分析

5.1 测点布置

为了监测振动对周围建筑物的影响，共设3个振动监测点(见图1)，其中测点1、测点2分别布置在东南侧厂房的中间和北侧，两侧点之间相距5 m，监测振动对厂房的影响；测点3布置在东北侧砖房的南侧，监测振动对砖房的影响。

5.2 监测结果及分析

部分实测振动波形如图6所示。

图6 测点1的振动波形图Fig.6 The vibration waveform of measuring point 1

从图6可以看出，整个烟囱倒塌过程的振动波形主要分为三段。主要是因为烟囱倾倒过程中有爆破引起的振动、顶部烟囱掉落引起的振动和塌落引起的振动，因而在图6中呈现三段波形。整个爆破过程持续近8 s，最先测得的是烟囱切口爆破振动波形，持续时间为0～2.0 s；其次是顶部烟囱掉落触地引起的振动波形，持续时间约为3.0～4.5 s；最后是烟囱倒塌触地的振动波形，持续时间约为5.0～6.5 s。

振动监测结果如表1所示。

表1 爆破振动监测数据

从表1中可以看出，此次监测到的爆破振动数据均在安全允许范围内，一方面说明了设计的爆破方案可行；另一方面说明了安全防护措施保护了周围建筑物的安全。

6 爆破效果及体会

烟囱基本按设计向西南方向倒塌，从现场可以看出，整体的爆破效果良好，具有较好的破碎度，不需要进行二次爆破破碎，对后期的清渣工作比较有利(见图7)。

图7 爆破效果Fig.7 Blasting effect

在此次拆除爆破工程中，爆破切口所对应的圆心角只设计为185°，要远小于一般工程实例的圆心角，起爆后烟囱按照设计的方向顺利倾倒，验证了小角度切口爆破拆除砖结构烟囱的可行性，可为类似的爆破拆除工程提供参考。

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SUN Ming-xu, BI Wei-guo,WANG Chao,et al. Demolition of 30-m high brick chimney by unidirectional folding blasting [J]. Engineering Blasting,2014,20(4):30-33．

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LI Shou-jv,LIU Yu-jing. Calculation on gap length of brick chimney in demolition blasting[J]. Engineering Blasting, 1999, 5(2): 1-4.

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State Administration of Work Safety. Safety Regulations for Blasting: GB 6722-2014[S]. Beijing:China Stan-dards Press, 2014.

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ZHAO Li-kun, CAO Yue , CHU Fu-jiao, et al. Demolition of a 52 meters high brick chimney with cracks by small gap directional blasting[J]. Engineering Blasting, 2012, 18(1): 59-61.

〔7〕 孙远征,龙源,范磊,等.在复杂环境中的砖混烟囱定向爆破拆除[J].爆破, 2007, 24(2): 54-57.

SUN Yuan-zheng, LONG Yuan, FAN Lei, et al. Demolition of brick-concrete chimney by directional blasting in complex environment[J]. Blasting, 2007, 24(2): 54-57.

Blasting demolition of 55 m brick chimney by small angle blasting notch

YAN Tong-zhao1,2, ZHANG Zhi-yu1,2, HUANG Yong-hui2

(1.School of Land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;2.Institute of New Blasting Technology and Application, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

In order to successfully demolish a 55 m high brick chimney, the appropriate collapsing direction, reasonable blasting parameters, and accurate blasting initiation network were used according to the surrounding environment and the height and structure characteristics of chimney. In practical engineering, blasting notch center angle of brick chimney was mostly between 200°～220°. The conditions satisfied the chimney dumping were calculated, then the range of the blasting center angle satisfying the condition was determined. A small angle blasting notch was designed and its corresponding center angle was 185°. It was pretreated before blasting. After the explosion, the chimney dumped smoothly according to the design direction and a good blasting effect was achieved. Vibration monitoring results were within safety limits. The feasibility of blasting demolition of brick chimney by a small angle blasting notch was verified and it could provide a reference for similar projects.

Brick chimney；Blasting demolition；Small angle；Blasting notch；Pretreatment

1006-7051(2016)06-0038-04

2016-08-31

云南省应用基础研究资助项目(2013FZ036)

闫统钊(1990-)，男，硕士，从事爆破与安全技术研究。E-mail：1076499749@qq.com

张智宇 (1973-)，男，硕士，副教授，从事爆破与安全技术研究。E-mail：924221851@qq.com

TD235.3

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.008