180 m高钢筋混凝土烟囱的拆除爆破

时间：2024-09-03

郑桂初，王友新，段丽环，汪惠真，杨云天，林峰，谢裕柱

(广东中人集团建设有限公司，广州 510515)

1 工程概况

待拆烟囱为钢筋混凝土圆筒型结构，高180 m，重达6 952.8 t左右。烟囱筒身标高0.0～30.0 m为300#混凝土，标高30.0～180 m为250#混凝土。10.68～30 m内衬为耐火砖，30～180 m内衬为陶粒砼。烟道高6.32 m，宽3.44 m，烟道口下沿标高10.18 m，上沿标高16.5 m。底部有2个尺寸为2.5 m×2.1 m的检修门，南北侧各1个。积灰平台顶板标高位于+10.18 m，底部4根60 cm×60 cm正方形承重立柱。积灰平台中心有3.17 m×3.17 m的铁质漏斗。烟囱筒身0～30 m外侧主筋为Φ20，内侧Φ18；30～180 m外侧主筋为Φ16，内侧Φ12；其余部分为Φ12和Φ14，拉筋Φ6，环向钢筋为Φ10～Φ14。

待拆烟囱位于黄埔电厂厂区内，烟囱东面220 m处是在建设施，180 m处是在建厂房，东南85 m处是电厂东路；东北278 m处是电厂输电高压线塔，170 m处是污水泵房；南侧13 m处是LNG机组循环水管及输煤栈桥，180 m处是煤罐；西南侧203 m处是建翔码头办公楼，西侧158 m处是使用中的210 m高烟囱，105 m处是使用中的电除尘设备；西北侧120 m处是使用中的机组锅炉房，92 m处为黄埔电厂尿素站，273 m处是高压线塔；北侧84 m处是瑞明待拆机组锅炉房且距离高压线256 m(见图1)。爆破环境极为复杂，周边保护目标多，爆破难度相当之大。

图1 烟囱周边环境Fig1 Surrounding environment of chimney

2 拆除爆破方案

待拆烟囱为钢筋混凝土结构，上窄下宽，爆破时倾倒难度大，因此设计时应考虑防止烟囱坐而不到的情况。同时爆破前采取必要的防护措施，避免周围的设施受到破坏。由于此次爆破钻孔数量较多，起爆网路复杂，需采用可靠的非电毫秒延时起爆技术进行爆破。

根据现场的施工环境、施工条件及同期交叉施工情况，在分析国内外有关爆破资料的基础上，结合本工程的特点，总结已有复杂环境条件下成功爆破烟囱的实践经验，进行了爆破方案、爆破参数的设计。

2.1 倒塌方向

经现场勘查，仅在烟囱北偏东10°方向有倒塌空间，烟囱倒塌后(按照倒塌长度180 m计算)烟囱端部距离北侧电缆沟为30 m。东北方向170 m处有电厂需保留继续使用的污水泵房，278 m有电厂输电高压线，根据以往经验，必须合理控制爆破后的倒塌长度，以确保拟保留建筑物及设施的安全。若选用高位切口进行施工能满足倒塌空间要求，但是对距离其较近的LNG机组循环水管有较大的安全隐患，因此只能从烟囱底部施工，降低烟囱起爆瞬间对周围地面的振动冲击。综合现场的实际情况，选择北偏东10°作为倒塌方向是可取的。

2.2 定位窗和定向窗

烟囱切口爆破前，在对称于倾倒轴线的切口两侧开设定位窗，定位窗倒塌方向正中间开设1个定向窗，两侧再开2个辅助窗。通常采用镐头机或结合烟囱试爆的方法进行开设，由于烟囱的混凝土强度较大，机械开设难度大，所以先对烟囱承重结构进行破坏，进而采用损害较小的水钻切割机开设。

2.3 预处理

烟囱井字梁处筒壁圈梁的处理：圈梁处有牛腿，宽60 cm，高60 cm，强度较高，爆破时需在爆破切口范围内进行弱化处理，沿倒塌中心、切口两边缘处钻孔，进行弱松动爆破，破坏圈梁的整体结构。

2.4 爆破切口

1)切口的形状和位置。根据经验[1-3]，采用正梯形爆破切口，既能满足烟囱倒塌方向的准确性，又能减少药孔数量。烟囱的爆破切口下沿距地面0.5 m，切口上沿距地面高度6.5 m，烟囱切口如图2所示。

图2 烟囱爆破切口Fig.2 Chimney blasting notch

2)切口角度和长度。切口的长度一般取断面圆周(πd)的1/2 ～2/3。考虑到切口处剩余部分对烟囱的支撑作用，切口的角度不宜过大，长度也不宜过长，否则烟囱可能出现偏心不稳定的情况，根据烟囱的结构和实际应力情况，本次设计切口的圆心角为225°。因为烟囱切口下沿选取距地面0.5 m处，烟囱外直径为24.2 m，周长76 ，所以切口下沿长度Lp=24.2×π×225/360=47.49 m。

3)切口高度。切口高度HP按下列公式[4-5]确定：

HP≥(1/6～1/4)D

(1)

式中：HP为切口高度，m；D为烟囱切口处的直径，m。

彩色合成变换是将G通道换为全色波段进行RGB合成，得到彩色合成融合结果。彩色合成能有效提高影像的光谱信息，突出反映地物在彩色影像上的差异，便于目视解译。QuickBird 4、3、2假彩色合成影像与融合结果见图1。在假彩色合成影像中，近红外植被高反射率部分被赋予深色，在影像上突出了植被的信息，影像内部不同地物的区分对比明显。当全色波段被融合进去后，影像的清晰度明显提高。

烟囱的最大切口高度HP=4.07～6.10 m，为确保烟囱顺利倒塌并防止倾倒方向发生偏离，取烟囱爆破切口高度为6.0 m。

3 爆破设计

3.1 孔网参数

根据经验[6-7]，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)，孔深L=(0.67～0.7)δ，孔距a=(1.5～1.8)W或a=(0.9～0.95)L，排距b=(0.85～0.9)a，单孔药量Q1：

Q1=qabδ

(2)

式中：Q1为单孔装药量，g；q为单位体积耗药量，g/m3，δ=60 cm厚的钢筋混凝土，取2.0～2.5 kg/m3；δ为筒壁壁厚，m；a、b为孔距及排距，m。

最终确定药孔孔距a=45 cm，排距b=40 cm，孔深L=42 cm，炸药单耗取2.5 kg/m3。

3.2 起爆网路

为加强整个起爆网路的安全性和稳定性，减小早爆或误爆事故，此次爆破采用非电簇联法复式导爆管孔内延时雷管构成的起爆网路。烟囱每个炮孔内设置1发MS5、MS7、MS9导爆管雷管，用2发接力MS3雷管引爆，所有雷管每12发构成一簇(见图3)。

图3 起爆网路Fig.3 Detonation network

4 爆破安全与防护

在烟囱爆破过程中主要的危害有爆破地震波、落地振动、爆破飞石等，对爆破过程中可能出现的有害效应进行综合分析，并采取针对性的防护措施，从而确保控制爆破施工过程中临近建(构)筑物的安全。

4.1 爆破振动

根据量纲分析方法，集中质量(冲击或塌落)作用于地面造成的塌落振动速度可用下式[6]确定：

(3)

式中：vt为塌落振动速度，cm/s；Kt为衰减系数，Kt=3.37；σ为地面介质的破坏强度，MPa，一般取σ=10 MPa；β为衰减指数，β=1.66；R为观测点至撞击中心的距离，m；m为下落构件的质量，t；h为构件重心高度，70.2 m。

将有关参数代入式(3)，计算对应距离的保护目标处产生的塌落振动值如表1所示。

表1 塌落振动计算值

Table 1 Calculated value of collapse vibration

序号保护目标名称距离/m抗振阈值/(cm·s-1)计算振动值/(cm·s-1)判据1330 MW中心控制室1200.50.46安全2210 m烟囱1582.50.29安全3LNG机组循环水管137.06.32安全4220 kV高压线塔2732.50.12安全5污水泵房1702.50.25安全6输煤栈桥157.03.14安全7220 kV电缆沟307.02.31安全8气站1252.50.43安全9黄埔电厂尿素站922.50.72安全

4.2 爆破飞石

根据Lundborg的统计规律，结合工程实践经验，爆破飞石距离可由下式计算：

Rfmax=KTKD

(4)

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，结构物爆破一般取KT=1.2～1.5(钢筋混凝土取大值，砖结构取小值)；K为炸药单耗，kg/m3；D为炮孔直径，mm，本次爆破D=40 mm。

按照最不理想的情况考虑，KT取1.5，将K=2.6 kg/m3，D=40 mm代入式(5)，计算得飞石最大飞散距离156 m。

4.3 安全防护措施

多打孔，少装药，采用非电簇联法复式导爆管孔内延时雷管构成的起爆网路技术降低爆破振动。

在烟囱倒塌方向，每隔30 m使用煤灰、干土、沙袋等堆积5道以上防溅墙，墙高3 m以上，保证烟囱下落的碎片基本不会飞散。

为减少爆破振动，在爆破物体四周开挖减振沟，沟深2.5～3 m，宽2～3 m。根据现场爆破对象的平面布局，开挖减振沟的长度约150 m。

5 爆破振动监测

本次监测采用三向速度传感器、爆破振动记录仪和计算机组成的爆破振动速度监测系统，测点编号为1#～5#，在烟囱爆破时，对附近建(构)筑物进行爆破振动监测。同时监测每个测点水平切向、水平径向和垂直方向的爆破质点峰值振动速度和主振频率(见表2)。

表2 监测数据

根据相关烟囱拆除工程补充材料，电厂运行设备包括多种输配电构架及安全控制的电气设备，耐振性能各异，不能采用一个标准。爆破时主要防止爆破振动引起的跳闸事故，尤其是继保室的控制元件，各重点保护目标的抗震阈值如表1所示。按最不利情况考虑，选取爆破振动安全标准时应趋于严格，因此该项目爆破振动安全标准质点峰值振动速度应≤0.5 cm/s。由表2监测的数据分析可知，各测点振动速度最大值均在重点保护目标抗震阈值范围内。对于周边民居建筑物的影响也满足《爆破安全规程》GB 6722-2014规定[8]的一般建筑物爆破振动安全允许标准1.5 cm/s的要求(按最不利情况选取下限值)。