株洲 601厂两座烟囱的爆破拆除

王本凤,胡 军,胡秋辉,刘士兵,周凤仪

(1.湖南神斧民爆集团工程爆破有限公司, 湖南长沙 410013;2.国防科大工程兵学院,湖南长沙 410003)

株洲 601厂两座烟囱的爆破拆除

王本凤1,胡 军1,胡秋辉1,刘士兵1,周凤仪2

(1.湖南神斧民爆集团工程爆破有限公司, 湖南长沙 410013;2.国防科大工程兵学院,湖南长沙 410003)

根据被爆烟囱结构和周围环境情况,结合类似工程成功爆破经验,对爆破切口的形式与参数、爆破参数、安全设计与防护、爆破效果进行了详细的叙述,并总结了本工程的几点收获。

烟囱爆破;定向倒塌;切口设计;安全防护

1 工程概况

1.1 烟囱结构

被爆两座烟囱坐落在株洲 601厂厂区内,其中一座高 65 m,砖砌结构,建于 1950年代末,材料强度较高,烟道为地下式;距地面 2.2 m高位置烟囱外径为 5.32 m,囱壁厚度 0.87 m,内衬厚度 0.24 m;隔热层厚度 0.1 m,充填材料为珍珠岩 ;头部外径为1.88 m,壁厚 0.24 m;烟囱总质量为 831 t,质心高度为 21 m。另一座高 80 m,为钢筋混凝土结构,建于1990年代,混凝土强度为 C25,烟道口为地上式,距地面 3.5 m,高 6 m,宽 3.4 m,下由 0.5 m厚钢筋混凝土墙支撑,并与烟道口边框整体浇筑;距地面 0.5 m高位置烟囱外径为 7.5 m,囱壁厚度 0.3 m,单层配筋,规格密度为Φ16@200;内衬厚度 0.13 m,隔热层厚度 0.1 m,无充填材料 ;烟囱根部北东侧有一高 2 m、宽 1.2 m除灰口;头部外径为 3.8 m,壁厚0.18 m;烟囱总质量为 1199 t,质心高度为 31 m。

1.2 周围环境

65 m烟囱东侧 30 m有氢气等生产管线,南侧 5 m为院墙,17 m为中外合资模具厂房,西面、北面较开阔,北面 40 m位置有埋深 1 m、东西走向的给水管。

80 m烟囱东侧 50 m有氢气等生产管线,85 m为办公楼,南面较开阔,西面 110 m为厂内油库,北面较开阔,50 m位置有埋深 0.6 m、东西走向的电缆。周围环境见图1。

图1 烟囱周围环境

1.3 爆破要求

(1)倒塌方向准确,保证模具厂、生产管线、油库、地下电缆的安全。

(2)严格控制爆破与落地震动及飞石,保证厂区的正常生产及财产的安全。

(3)文明有序施工,工期为 4个日历天。

2 倒塌方案与技术控制要点

(1)根据场地条件,两座烟囱均采用定向倒塌方案,65 m烟囱向北偏西 25°倒塌,80 m烟囱向北偏西 15°倒塌。

(2)65 m烟囱壁厚大,切口形成瞬间堆渣高,为防止堆渣影响切口闭合,采用倒梯形切口。

(3)为降低钢筋混凝土烟道口对爆破切口的影响,爆破切口选择下矩形、上正梯形的类梯形爆破切口。

(4)为有效控制飞石,采用贴身防护与近体防护组成的复合型防护。

(5)挖减震沟,砌减震堤,降低烟囱落地震动,对地下给水管与地下电缆进行保护性防护。

(6)对两个烟囱的内衬和 80 m烟囱烟道口的钢筋混凝土外伸墙进行预处理。

3 爆破切口和爆破参数设计

65 m烟囱爆破切口形式为倒梯形,80 m烟囱爆破切口为类梯形,见图2。爆破切口参数见表1。

图2 爆破切口形式

表1 爆破切口参数

爆破参数设计成果见表2。

表2 爆破参数设计成果

4 炮孔布置、装药结构及起爆网路

(1)烟囱壁外布孔,炮孔相对配置,钻直径为40 mm的水平直孔。

(2)炸药品种为岩石乳化炸药,药卷直径为 32 mm,单层耦合装药结构。

(3)孔内装单发MS2导爆管雷管,65 m烟囱过桥雷管为双发MS2导爆管雷管,80 m烟囱过桥雷管为双发MS5导爆管雷管,过桥导爆管节点用 2发串联瞬发电雷管起爆,两座烟囱敷设成串联电爆网路,用高能起爆器起爆。

5 预拆除、试验炮及定向窗

(1)65 m烟囱的内衬用人工法预拆除,80 m烟囱内衬大部分用人工法预拆除,预留支撑岛用设在内壁面与内衬间的 200 g夹缝药包爆破处理,夹缝药包与主药包同时起爆。

(2)80 m烟囱烟道口外伸钢筋混凝土边框与支撑墙用炮机预处理,残余部分用爆破法预处理。处理的炮孔布置与参数为:沿 0.5 m宽钢筋混凝土壁中间打一排孔,孔深根据残留厚度确定,孔距为0.4 m,单耗为 1000 g/m3。

(3)在 80 m烟囱倒塌中心线另一侧预开设对称除灰口,对除灰口门框筋和预开设对称除灰口的露筋进行切除。

(4)65 m烟囱试验炮,单孔装 80～100 g,砖壁只原位松动,装 150～200 g,砖壁拉通;80 m烟囱试验炮,单孔装 66 g混凝土全部脱筋。根据实验炮效果,正式装药时,65 m烟囱每孔装 200 g,80 m烟囱每孔装 80 g。

(5)65 m烟囱定向窗宽 1.5 m,高 1.35 m,定向窗对应圆心角 64.6°;80 m烟囱定向窗宽、高各0.9 m,除灰口窗与定向窗对应的圆心角为 64.2°。

6 安全设计

6.1 安全计算

(1)爆破震动。爆破震动速度用公式 V=K(Qc1/3/R)α计算,结果见表3。

表3 爆破震动计算结果

(2)塌落震动。烟囱塌落震动速度用公式V=K((M gHz/σ)1/3/R)β计算,结果见表4。

表4 烟囱塌落震动速度计算结果

(3)爆破冲击波安全距离。爆破冲击波安全距离用Rc=KcQC1/2计算,将 65 m单囱药量 QC=12 kg,80 m单囱药量 QC=20 kg,KC=2代入计算,爆破冲击波安全距离分别为 7 m和 9 m,爆心至被保护目标最近的模具厂房为 21 m,爆破冲击波对需保护的所有建筑物是安全的。

(4)爆破飞石飞散距离。爆破飞石飞散距离用Rf=V02/(2g)计算,将飞石最大初速度V0=30 m/s,重力加速度 g=10 m/s2代入计算,Rf=45 m,计算结果表明,必须加强防护,才能保证 21 m远的厂房及 30 m远生产管线的安全。

(5)砖砌烟囱开窗后的稳定性。每度圆心角对应的弧长πD/360=π×5.32/360=0.0464 m;定向窗后对应的圆心角 3÷0.0464=64.6°;开窗后对应的圆心角 64.6°＜70°(70°为烟囱设计规范规定的安全允许角度),所以开窗后砖砌烟囱是稳定安全的。

(6)钢筋混凝土烟囱开窗后的稳定性。每度圆心角对应的弧长πD/360=π×7.5/360=0.0655 m;定向窗 +对称除灰口开设后对应的圆心角 4.2÷0.0655=64.2°;开窗后对应的圆心角 64.2°＜ 70°(70°为烟囱设计规范规定的安全允许角度),所以开窗后钢筋混凝土烟囱是稳定安全的。

6.2 安全防护

(1)爆破飞石防护。紧贴爆破切口采用钢丝网+化纤毯 +棉被 +钢丝网 4层防护;在砖砌烟囱与模具厂间紧贴切口反向囱壁设置高 4 m、长 30 m,由3层工程密目安全网组成的防护屏障。

(2)爆破与落地振动防护。在砖烟囱与模具厂房间开挖宽、深各 2 m的减震沟。65 m烟囱在倒塌落地轴线上设置两道减震防溅堤,一道在距烟囱根部 29 m,另一道在 39 m(距给水管 1 m),堤截面为梯形,下底宽 4 m,上底宽 2 m,高 1.8 m,长度为轴线两侧各 5°,起到减震、防溅及保护地下给水管的作用。80 m烟囱在倒塌落地轴线上设置两道减震防溅堤,一道在距烟囱根部 48 m(距地下电缆 2 m),另一道在 62 m,堤截面为梯形,下底宽 4 m,上底宽 2 m,高 2 m,长度为轴线两侧各 5°,起到减震、防溅及保护地下电缆的作用。

7 爆破效果及收获

7.1 爆破效果

(1)爆破于 2011年 5月 10日上午 11:30进行,65 m烟囱点火后历时 2 s开始失稳,与地面约成 60°夹角时在质心稍上部位断裂,约 8 s全部落地,倒塌方向与设计方向吻合,头部信号灯平台倒塌距离约62 m,头部压顶板与圈梁前冲约 10 m;80 m烟囱点火后历时 3 s开始失稳,4 s时烟道底部开始拉裂,约 10 s全部落地,倒塌方向较设计方向右偏约 1°,倒塌长度约 75 m。

(2)两座烟囱均无后坐,落地无飞溅,20 m远模具厂房玻璃完好无损,烟囱周围建筑、管线均安全无恙。

7.2 几点收获

(1)“四对称”是准确控制倒塌方向的关键。从爆破设计到施工严格做到了“爆破切口中心线两侧切口的几何形状和尺寸对称,爆破切口中心线两侧切口上的孔位、孔深、孔距、单孔药量对称,爆破切口中心线两侧爆除体卸载同步性对称,爆破切口部位余留支撑体中心线两侧强度对称。”

(2)爆破切口形式与参数选择合理。砖砌烟囱壁厚大,切口形成后地面堆渣高,为避免堆渣对切口闭合的影响,爆破切口选倒梯形,切口长度取 0.55倍周长,切口高度取 2倍壁厚,既保证了切口的顺利闭合,又避免了烟囱切口形成瞬间烟囱的后座。钢筋混凝土烟囱选类梯形切口,切口长度取 0.62倍周长,切口高度取 6倍壁厚;切口下部 0.3 m选矩形使切口形成瞬间压碎点提高,避开了囱内堆高的渣物对切口顺利闭合的影响,切口上部 1.5 m选正梯形使切口越高破坏长度越小,减小了距切口上沿 1.2 m的烟道口对切口闭合过程的影响。

(3)防护措施全面有效。4层贴身防护与 3层防护网近体防护使爆破飞石的飞散距离未超过 10 m,减震沟与减震堤使落地震动远小于计算值,有效保护了穿过倒塌轴线的管线。

(4)烟道口对烟囱倒塌过程的影响应引起注意。钢筋混凝土烟囱在切口闭合过程中,未从切口位后支撑最薄弱线的平面上拉断,而是在烟道口下部拉断,说明该处的抗拉抗剪强度远小于设计的拉断线,虽对效果无明显影响,但事先对该因素的影响分析研究的还不够,在以后类似爆破中应引起重视。

[1] 刘殿书,刘宏刚,于亚伦.钢筋混凝土烟囱爆破拆除倒塌方向的控制[A].中国爆破新技术Ⅱ[C].北京:冶金工业出版社,2008.

[2] 朱朝祥,崔允武,高 星,等.两座高 120 m钢筋混凝土烟囱的爆破拆除[J].工程爆破,2008,(2).

[3] 王旭光.爆破手册[M].北京:冶金工业出版社,2010.

[4] 侯殿昆,袁绍国,王宗国.厚壁烟囱爆破注意事项[J].爆破,2004,(2).

[5] GB50051—2002.烟囱设计规范[S].

2011-06-26)

王本凤(1966-),男,高级工程师,总工程师,从事爆破工程技术研究工作。