王 凯，张智宇，黄永辉

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大学爆破新技术应用研究所，云南 昆明 650093；3.昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500)

伴随着社会经济的高速发展，在城市扩建和企业升级改造中不可避免会遇到高耸建筑物的拆除，如烟囱、水塔等。这种高耸建筑物的结构特点是高度远大于直径，当这些建筑物位于人口集中的城市或企业厂区内，采用机械方法拆除，容易存在安全隐患。采用爆破方法拆除，在建筑物底部进行钻孔爆破，可以使建筑物失稳倒塌，不仅效率高且可以保证施工安全，在工程实践中得到了大量应用。

1 工程概况

为防止瑞丽市粤丽轮机砖厂内的45 m废弃倾斜砖烟囱因长期风化导致垮塌事故发生，瑞丽市安监局决定对这座废弃烟囱进行爆破拆除，以消除安全隐患。拟拆除的砖烟囱位于云南省德宏州瑞丽市粤丽轮机砖厂厂区内，烟囱为砖混结构，下部为已废弃砖窑，自砖窑以上标高45 m，底部周长11.6 m，壁厚63 cm，通过观察和测量得出烟囱顶部约10 m部分向西北方向倾斜0.5°(图1)。待拆除烟囱东侧41 m为厂区内职工住房，东偏北方向43 m处有一厂棚，东北方70 m为碎料场，西南方40 m有变压器，南侧20 m为池塘，烟囱周围环境详见图2。

图1 烟囱倾斜情况

图2 待拆烟囱周围环境示意图

2 爆破方案

根据现场踏勘了解的烟囱高度、结构尺寸资料及周围环境情况和业主方对爆破施工的安全要求等，确定采用定向控制爆破技术予以拆除烟囱，即在底部通过相应的爆破技术形成一个切口，使烟囱失稳倾斜，当切口闭合时，烟囱重心投影偏出支撑面，从而完成在重力作用下的定向加速倾倒。力求通过精心设计和采取有效的防护措施将爆破振动、塌落振动、爆破飞散物等爆破有害效应控制在合理范围内。

2.1 倒塌方向及爆破切口确定

本次爆破拆除烟囱采用单切口定向倒塌方式。根据业主要求必须保留底部砖窑及周围建筑物的完好，故只能往砖窑原有坍塌缺口及东边厂区住房和厂棚之间进行倒塌，最终烟囱顶部落地位置左右偏差不能超0.5 m，倒塌方向如图2所示。参考类似工程选定本次爆破方案的切口形式为梯形爆破切口[1-2]。

烟囱切口圆心角直接决定切口展开长度，而切口长度决定了倾覆力矩的大小，切口偏长，倾覆力矩偏大，爆破切口形成瞬间形成铰支的保留壁面易在烟囱上部重量作用下破坏而产生后座，不利于烟囱的平稳倒塌，甚至可能导致烟囱倾倒发生偏斜。参考类似工程取爆破切口圆心角为200°[3-4]，如图3所示。同时因烟囱本身存在倾斜，且风化严重，所以需要开设定位窗来保证倾倒方向，如图4所示。

图3 烟囱余留截面及爆破切口

图4 定位窗

2.2 爆破切口的几何参数

因设计倒塌方向与烟囱顶部倾斜方向夹角约为120°，且周围环境较复杂，故不能忽略烟囱因倾斜而引起的倒向偏差，必须采取有效措施对烟囱的倾斜偏差加以控制,纠偏角公式见式(1)[5-8]。

α=arcsin(Mesinθ/M1)

(1)

式中：α为纠偏角；Me为烟囱倾斜产生的偏心矩，N·m；M1为爆破切口产生的力矩；θ为倾斜方向与设计倒塌方向夹角。

代入数值求得纠偏角为14°，即设计切口方向应向东南方向偏转14°。

烟囱高度为45 m，考虑到倾倒方向有建筑物，且业主要求烟囱倒塌不能对厂棚和住房造成破坏，倒塌距离必须控制在43 m以内，所以设计切口底部高出钻孔作业平台(即砖窑顶部)1.0 m。爆破切口高度H应使烟囱倾倒至爆破切口闭合时，重心位置偏移到切口标高处筒壁范围以外，且应防止切口的上下沿闭合相撞时使倾倒方向发生偏离,采用如下经验公式确定：H=(1.5～3)δ=(1.5～3)×0.65=(1.0～2.0)m。

实际爆破切口高度取1.2 m，爆破切口定位窗的开口角度取39°。

烟囱切口底部的筒体周长为11.6 m，在爆破切口形成瞬间至烟囱倾倒到地面的这个过程中,烟囱容易产生后座,从而影响倾倒方向。为了使烟囱倾倒时有较大的加速度,以缩短倾倒空中停留时间,设计采用了较大的爆破切口长度，切口圆心角为200°，爆破切口的底端开口长度L=(200°/360°)πD≈6.4 m。

实际爆破切口底端的开口长度取6.4 m，上端开口长度取3.5 m。

2.3 爆破参数确定

炮孔直径d：采用风动凿岩机钻孔，炮孔直径取40 mm。

最小抵抗线W：取切口处烟囱壁厚的一半，即W=δ/2=0.32 m。

孔深L：L=(0.65～0.7)δ，取L=0.45 m。

孔间距a：a=(0.8～0.95)L，取a=0.4 m。

孔排距b：b=0.4 m。

药量：单孔药量Q1=qabδ，式中q为单位炸药耗药量，g/cm3，据类似工程经验[9-11]，取1.0 kg/m3，计算得到Q1=102.6 g，取100 g，为了确保爆破效果，最下一排炮孔药量增至150 g。炮孔总数N=40个。总药量Q总=N·Q1=4 500 g。

爆破切口的炮孔参数设计值见表1。

表1 烟囱炮孔参数设计值

2.4 起爆网路设计

本次爆破起爆网路采用导爆管雷管簇联网路，所有炮孔一次起爆，孔内雷管均为MS1导爆管雷管，孔外接力也均采用MS1导爆管雷管，用电雷管起爆激发塑料导爆管雷管。起爆网路如图5所示。

图5 起爆网路示意图

3 振动校核与安全措施

3.1 振动校核

根据苏联萨道夫斯基经验公式(式(2))校核爆破振动[12-13]。

V=K′K(Q1/3/R)α

(2)

式中：R为爆源中心到被保护建筑物距离，m；Q为最大单响药量，4.5 kg；K′为爆破拆除修正系数，取K′=0.2；K、α分别为与爆破点地形、地质条件有关的系数和衰减指数，分别取150、1.5。

计算距离烟囱爆破切口不同距离处的爆破振动速度，见表2。

表2 爆破振动速度

烟囱倒塌冲击地面产生的落地振动速度可根据量纲分析方法确定，见式(3)[13]。

Vt=Kt[(M·g·H/σ)1/3/R]β

(3)

式中：Vt为塌落振动速度，cm/s；Kt为衰减系数，Kt取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取1.66；R为测点至撞击中心的距离，m；M为下落烟囱的质量，t；H为烟囱重心高度，m。

待爆破烟囱M=450 t、H=17 m，根据式(3)计算距落地重心不同距离上的振动速度Vt见表3。

表3 塌落振动速度

需保护的厂棚或其他建筑设施均距离预计的烟囱塌落重心25 m以外，塌落振动速度v≤1.4 cm/s，距烟囱30 m以外的爆破振动速度v≤0.38 cm/s，按照GB6722—2014《爆破安全规程》规定，周边需保护建筑最大允许振动速度为1.5～2.0 cm/s，因此塌落振动和爆破振动均不会对附近建筑产生不良影响。

3.2 安全防护措施

预防爆破空气冲击波和爆破噪音的措施：①保证填塞长度，提高填塞质量；②在爆炸气体易于逸散的部位和方向上实施覆盖或遮挡；③对暴露在外的雷管，用松散的土壤进行掩埋。

预防爆破飞散物的措施：①加强填塞质量，严格控制单耗药量；②在爆破部位悬挂2层铁丝网作为防护材料。

烟囱落地撞击地面时会产生比爆破地震波大得多的振动危害效应，并溅起大量飞散物。为防止或避免出现烟囱爆破落地飞散物飞溅伤人伤物的事故，采取了以下技术措施确保安全：①为了控制烟囱倒塌距离，设计开口位置为砖窑顶部以上1 m；②爆前在烟囱倒塌方向铺垫一层沙土，并用编织袋装沙土垒筑数道一定宽度和高度的缓冲堤，为防止烟囱顶部倒塌后前冲破坏厂棚，在预计顶部倒塌处往外一点用废弃轮胎垒筑一道更高的防护缓冲堤；③爆破的安全半径以及人员参观点、起爆站和警戒人员所处的位置，均设在300 m安全距离以外。

4 爆破效果与分析

起爆后烟囱缓慢倾倒，飞散物飞溅距离均在设计安全范围内。烟囱倾倒方向与设计倒向完全吻合，对近在咫尺的住房及厂棚没有造成任何影响，如图6所示。

此次爆破拆除倾斜砖烟囱的成功得益于采取的如下一些措施：①为了控制烟囱倒塌距离，将切口开在砖窑顶部上方1 m位置以上；②为了纠正倾斜烟囱倒塌方向，计算出施工开口角度与设计倒塌方向夹角(即纠偏角)为14°，从而确保烟囱实际倒塌方向不受自身上部10 m倾斜影响，与设计倒塌方向一致。

图6 爆后效果图