100m高钢筋混凝土烟囱控制爆破(投稿)

100m高钢筋混凝土烟囱定向爆破拆除
于明亮，林大能，喻智，何松
（湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭 411201）
摘要：介绍了应用定向倒塌爆破技术拆除1座100m高烟囱的实例。

按照烟囱的实际结构和受力情况，重点分析了高耸烟囱拆除爆破中的缺口形状、缺口参数、卸荷槽、爆破参数、定向窗开设等关键技术。

采取了有效的安全防护措施，基于安全考虑，笔者还对烟囱的稳定性和爆破危害效应进行了计算研究。

该项目的相关设计经验能为类似工程的设计与施工提供参考。

关键词：烟囱；定向爆破；矩形缺口
中图分类号：TD235 文献标识码：A
1 工程概况
待拆废弃烟囱位于湘潭电化集团晨峰物流建设场地，烟囱为钢筋混凝土筒式结构，烟囱总高度为100m，烟囱筒身采用200#砼整体滑模浇筑，内衬为75#红砖和25#石灰水泥混合砂浆砌筑，隔热层为50mm厚的空气隔热层。

竖向主要钢筋Ф20，Ф18，Ф16；环向钢筋为Ф18，Ф16，Ф14，Ф12。

钢筋保护层为30mm，间距均为200mm。

实测爆破缺口部位烟囱周长25.3m，混凝土壁厚为40cm，内衬红砖厚24cm。

烟囱周围环境简单，倒塌范围内，除正东方向有民居及地下线缆需要保护外，其它建（构）筑物已经拆除，场地较开阔，拟倒塌的东南方向300m范围内没有保护对象。

2 爆破技术设计
2.1 爆破方案
定向爆破拆除高耸建（构）筑物具有施工速度快、成本低的特点。

待拆烟囱四周环境条件较好，有多个方向可供倒塌。

考虑到为今后苛刻条件下高烟囱爆破积累经验，同时顾及地下线缆的分布情况，采用“向东南方向单向定向倒塌”方案。

2.2 缺口设计
目前国内在控爆拆除烟囱、水塔时常用的缺口形式有长方形、梯形、倒梯形、斜形、反斜形和反人字形等6种，其中梯形和长方形应用较多，效果较好[1]。

王斌[2]通过对比分析数值模拟结果和现场爆破工程实践，认为在常用的正梯形、倒梯形、矩形爆破切口形状中，以正梯形受力效果最好。

魏德[3]认为切口的形状应该根据现场情况综合考虑，根据工程实践经验得出结论：对于长方形或倒梯形切口，烟囱倒塌时前冲的距离较大；对于梯形切口和组合形切口，烟囱倒塌时后坐的距离较大。

根据待拆烟囱所处地理位置，预倒塌方向环境条件好，在东南方向有一出灰口，正东方向有一烟道口，综合考虑倒塌方向、既有烟道形状和施工情况，选取长方形爆破缺口。

缺口圆心角直接决定缺口的展开长度，而缺口长度决定了倾覆力矩的大小。

缺口偏长，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，可以通过重力引起的截面弯矩（M P）与预留支撑截面极限抗弯力矩（M R）的关系来确定爆破缺口的长度，其中M P应等于或稍大于M R。

参照类似工程经验，设计缺口圆心角为228°，缺口长度为16m。

考虑到在爆破过程中，爆破切口处竖向钢筋有较大的支撑力，对烟囱的顺利倾倒不利。

为防止炸而不倒的情况，切口高度应满足使钢筋稳定性破坏的条件[4]:
[]()μ
λ4
/
d
H≥（1）
式中：H为爆破切口高度，mm；d为钢筋直径，mm；[]λ为钢结构设计规范所规定的长细比，一般取[]λ=150；μ为轴心压杆计算
长度系数，刚度固定时μ=0.5；代入公式计算结果为H≥1.5m。

综合考虑计算结果及相关工程经验，为保证烟囱的顺利倒塌，取缺口高度H=2.7m。

图1 爆破切口水平截面图
Fig.1 Horizontal section of blasting cut
2.3 预处理
根据安全性原则和方向准确性原则，刘强[5]总结出开设定向窗、开设掏槽窗、内衬预处理、部分内部钢筋预处理等预处理方法。

此拆除爆破方案中，预处理方法如下：（1）钢筋混凝土高耸建（构）筑物，由于筒壁较薄，倒塌时后坐现象严重，开设定向窗既能保证准确的倒塌方向，又能验证药量是否合适以及降低一次起爆的药量。

一般窗口高度取(0.8-1)H，宽度一般取 1.5m 左右[1]。

此方案基于既有出灰口和烟道口，设置2个定向窗，选取高度为2.7m，宽度为1m，并利用风镐和人工手段确保定向窗处于同一高度。

（2）为减少支撑区内部钢筋对烟囱产生不利的支撑力和拉力，在反方向倾倒中心线的两侧各2m开槽并割断外层钢筋。

在对称于倒塌中心线的左右两侧外壁提前割伤钢筋，形成卸荷槽。

（3）切断烟囱钢制爬梯和避雷针，拆除烟囱的烟道分割墙和横梁，确保爆破切口内部无妨碍物，减少外设装置对烟囱整体性的影响，尽量保证烟囱在倒塌方向的质量对称和结构对称。

（4）为拆除爆破切口部位处内衬，在爆破切口部位内衬处除导向窗外另开设4个长1m，宽为1.5m左右的拱形洞，从拱形洞向烟囱内部空气隔热层设置PVC管装炸药，利用炮泥充分封闭。

2.4 烟囱稳定性分析
高耸建（构）筑物预处理后到爆破前的稳定性分析，主要考虑两个问题：一是无风载时，定向窗、卸荷槽开设后剩余的支撑体截面是否有足以支撑筒体的承压能力；二是在任意风载作用下，是否会由于风载作用而产生的对切口截面的弯矩大于截面极限抗弯能力而发生提前倾覆。

（1）对于无风载时的计算
预处理后剩余壁体的支撑面积
)
360
1
)(
(2
2
1︒
∑
-
-
=i
r
R
S
α
π（2）
式中：R为爆破缺口的平均外半径，m；r为爆破缺口的平均内半径，为确保烟囱安全取砖墙内半径，为3.31m；∑αi为预切的定向窗、卸荷槽圆弧所对的圆心角的和，为确保烟囱安全稳定取为定向窗、卸荷槽、内衬拱形洞长度总和对应圆心角进行计算。

由荷载引起的压应力
1
S
P
σ=
（3）
式中：P为重力，由烟囱高度及相关资料查询得自重约为2.0×106kg。

经计算得：由载荷引起的压应力为2.24Mpa，而混凝土的抗压强度为σc=51Mpa，比较可知预处理后高耸物不会由于自身荷载作用使混凝土材料压碎、失稳。

（2）对于有风载时的计算
风力施加于筒壁上的反弯矩[6]
2
2
2
7.0
H
R
v
g
v
M f
F
⋅
=（4）式中：v0为空气容重，取1.25kg·m-3；g为重力加速度，取9.8m·s-2；f v为风速，经查询湘潭地区最大风速约为20m·s-1；R为平均外半径，m；H为高度，m。

自身重力形成的重力矩
R
P
M
g
⋅
=（5）式中：P为重力，kg；R为底部外半径，m；
通过理论计算得M F=7.14×105 kg·m，M g=8.0×107 kg·m，有
F
g
M
M>
有风载时弯矩值仍远小于重力弯矩，故施工期间烟囱筒体能够保持稳定状态。

2.5 爆破参数设计
最小抵抗线W=0.5δ；炮眼深度L P=2/3δ；炮孔间距a=1.5W；炮孔排距b=a；装药排数n=H/b+1；单孔装药量Q0用体积公式计算,单耗在试爆窗口的基础上确定为2kg/m3。

将烟囱的数据代入计算得爆破参数，经调整，爆破参数如表1，炮孔布置如图2。

表1 烟囱爆破参数表
Table 1 Blasting parameters of chimney 参数W(m) L P(m) a(m) b(m) n(排) Q0(kg) 数值0.2 0.28 0.3 0.3 10 0.072
定向窗
定
向
窗导
向
窗
图2 炮孔布置展开图
Fig.2 Blasting hole layout diagram
2.6 起爆网路设计
本次拆除爆破采用1、3、5、7段的毫秒延期雷管，每孔1发，按照关于中心线对称向两侧起爆的顺序设置；为保证传爆效果，约40根导爆管采用2发1段毫秒延期雷管过桥，过桥处额外添加约10g炸药；本方案总共使用20发1段毫秒延期雷管过桥，过桥雷管使用8发电雷管引爆，其中每4发电雷管串联成一组，两组并联，充分保证可靠起爆。

3安全防护
爆破安全设计中，由于小孔内部装药爆破结构物时单孔药量小、炮孔多、装药分散的特点，爆破振动、爆破产生的冲击波和爆破噪声基本不会对周围的设施产生影响[7]。

安全防护的重点在于烟囱触地产生的触地振动、爆破飞石和爆破飞溅物。

3.1 塌落振动效应
钢筋混凝土烟囱在重力作用下，从距地面一定高度处塌落冲击地面，在触点地面产生振动，烟囱塌落产生四向扩散的振动波，并形成冲击振动效应，相对于爆破地震效应，拆除爆破高耸建（构）筑物时由于塌落产生的冲击振动效应效果更为显著。

因此须高度重视冲击振动效应对周围建筑物的危害。

采用中国科学院力学研究所提出的触地振速计算公式[7]
67
.
1
3
1
08
.
⎪
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
=
R
I
V
c
（6）
式中：I为冲量：I=Mv，N·S；v为理论上建（构）筑物塌落触地时的速度，m·s-1，由能量守恒定律可得v=(2gH)1/2；H为爆破前后重心的下降高度，由烟囱资料得爆破前烟囱重心高度约为40m；M为待爆建(构)筑物的质量，kg；R为爆破体重心距保护对象的距离，m。

经计算，烟囱整体倒塌时，不同点到爆源中心距离与相对应的地表质点振动速度
如图3所示：
0255075100125150175200225250275300325 0
1
2
3
4
5
6
7
8
震
动
速
度
(
c
m
/
s
)
距爆源距离(m)
图3 距爆源距离与相对应的振动速度图
虽然烟囱质量大，重心高，触地动能大，但烟囱上部筒体大部分落于废弃的建筑垃
圾上，建筑垃圾可有效减弱振动强度，触地点远离居民区，触地振动基本不会对周围设施产生影响。

3.2 爆破飞石
现有工程背景下，爆破安全警戒范围的划定及防护等级的确定主要依据爆破飞石的飞散距离。

目前国内外尚无拆除爆破飞石飞散距离的成熟计算公式，通过计算分析几十例拆除爆破工程的飞石数据，大连理工大学的李守臣得到无覆盖条件下爆破飞石飞散距离（L f）与单位用药用量（K）之间的关系
53
.0
70K
L
f
（7）式中，L f为无覆盖条件下拆除爆破飞石的飞散距离，m；K为拆除爆破工程中单位用药量，kg·m-3。

本次爆破实际单位用药量为2.0kg；计算得L f=101m。

计算结果表明工程技术人员必须采取措施控制爆破飞石。

为保护爆体东侧民居，本次拆除爆破中，技术人员对烟囱进行近体防护，利用湿麻袋充分包裹爆破缺口，套上铁丝网，固定湿麻袋，在外侧覆盖竹笆等防护材料。

3.2 触地引起的飞石
钢筋混凝土烟囱倒塌时落地动能较大，筒体落地后一方面易于解体，另一方面容易溅起飞石。

为减少飞溅物对周围环境的影响，工作人员充分清理了倒塌方向上的地面，清除了易于飞溅的小型渣体等。

4爆破效果
在该烟囱实施爆破拆除过程中，烟囱按照预定的东南方向倾倒，拆除爆破触地振动没有对周围设施产生影响，经业主全面检查，拆除爆破飞溅物和飞石均控制在允许范围内，说明本次爆破设计合理，拆除爆破获得圆满成功。

参考文献(References)：
[1] 邵鹏，东兆星.控制爆破技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004. 6：69-70.
[2] 王斌.高耸建筑物爆破拆除中失稳断裂因素的究[D].硕士论文.武汉：武汉理工大学，2003 .
[3] 魏德，李玉岐.切口形状对烟囱拆除爆破倒塌过程的影响分析[J]. 爆破，2008，25(4)：92-95.
[4] 傅菊根，姜建农，张宇本.高耸建筑物爆破拆除切口高度理论计算[J].工程爆破，2006, 12(2)：56-58.
[5] 刘强，高振儒.烟囱定向爆破的预处理方法[J].爆破，2001，18(3)：47-49.
[6] 王希之，谢兴博，谭雪刚，等.210m高烟囱爆破拆除技术[J].工程爆破，2011，17(2)：53-55.
[7] 施富强，柴俭.狭长区域内120m钢筋混凝土烟囱控制爆破拆除[J].工程爆破，2004，10(2)：28-29.。