李强,林大能,罗鹏程

(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院, 湖南 湘潭市 411201)

0 引言

随着时代的发展,建(构)筑物的平均高度不断增加,高达几十米甚至百米及以上的建(构)筑物屡见不鲜,为了配合城市规划和企业发展需求,需要对某些高耸构筑物进行拆除。定向控制爆破作为一种较高效、安全的拆除方式,在高耸构筑物拆除领域被广泛应用。高耸构筑物精准定向是关键,处理不当,可能造成倒向不准、甚至向相反方向倒塌。美国俄亥俄州的一座高达83.82 m的烟囱进行定向爆破拆除,原计划倒塌方向为东北方向,引爆后烟囱却偏离预定计划,倒向南方,压垮部分临近建筑,并砸坏了输电线等。贵州省某监狱瓷厂废旧炉窑改造时,对旧烟囱进行定向爆破拆除,按照设计方案,烟囱定向倾倒的场地足够,爆破后烟囱按预定方向倾倒,但主体爆渣堆积范围扩大到所铺设的缓冲沙袋处,烟囱顶部钢筋砼压顶冲开沙袋和围墙到达进厂大道对面人行道上,围墙被冲开宽约10 m[1]。某研究院内水塔,筒体为砖混结构,预定爆破倾倒方向为正北,考虑到出入门门框的支撑作用,缺口中心线比原定的方向向东偏转5.7°。起爆后,水塔失稳约2 s开始倒塌,爆堆顶部向西偏移了8 m,约15.5°,实际倒塌方向相对中心线偏移了21.2°[2]。以上案例表明尽管定向爆破技术应用、发展了很多年,相关技术逐渐完善,但在实际设计时,因对构筑物整体结构不够了解,力学参数认识不足及设计方案不够完善等,爆破实际效果与设计时预计效果有偏差,会发生后座、前冲等现象,甚至与设计倾倒方向完全相反,造成需保护的建构筑物损坏以及人员伤亡等。由此可见,定向爆破作为比人工拆除和机器拆除更高效的方法,需要更严谨地对待每一次设计,进行准确的分析及设计并合理施工,避免严重后座及倒塌方向偏离过大,保护生命财产安全。本文拟对影响精准定向爆破的主要因素进行分析。

1 影响高耸构筑物精准定向爆破的因素

精准定向控制爆破的内涵就是考虑到构筑物的整体结构,在不损害周围需要保护的有用建筑及财产和人员安全的前提下,设计出合理的爆破方案,并最终可使构筑物沿着设计方案在预定倾倒方向允许的误差范围内倒塌。其中最重要的就是要倒向准确,偏差角度控制在允许范围内,控制后座及前冲。本文以烟囱为例,对影响其精准定向爆破的主要因素进行分析。

1.1 缺口尺寸及参数

烟囱属于长细比较大的高耸构筑物,采用定向倾倒爆破,主要是应用失稳原理,即应用炸药在烟囱倾倒方向一侧的底部炸开一个具有一定高度、长度的缺口,在自身重力作用下,形成倾覆力矩,导致烟囱整体失稳,重心外移,使烟囱朝预定方向倒塌[3]。烟囱爆破缺口截面设计如图1所示。

图1 爆破缺口截面设计

爆破缺口是保证定向倒塌的一个重要参数。爆破缺口的长度对控制烟囱的倒塌距离和方向均有直接影响。爆破缺口过长,剩余起支撑作用的筒壁相对变短,此时若剩余筒壁承受不了上部筒体的重量,在倾倒之前支撑部分会被压垮,发生后座现象,严重时可能影响爆破倒塌方向;爆破缺口长度过短,剩余起支撑作用的筒体则会相对变长,使得爆破后烟囱的结构不易遭到破坏,倒塌时可能出现前冲现象,从而加大倒塌的长度,同时爆破缺口过短烟囱结构不易失稳,产生的重力倾覆力矩较小,存在爆而不倒的隐患。

在设计爆破缺口尺寸及参数时要考虑周全,充分考虑结构的整体性和对称性,考虑不同缺口形状对后座、前冲的影响。烟囱拆除爆破中,有不同类型的爆破缺口可供选择,常用的爆破缺口形状有矩形、类梯形、反人字形、斜型和反斜型等。很多学者就不同缺口形状的特点进行了讨论,如弗鸿禄等就缺口形状对烟囱爆破后座的影响进行了研究[4]。缺口高度越小,烟囱在倾倒过程中缺口闭合越早,往往会使烟囱在倾倒过程中出现偏转;爆破缺口高度过大,虽然可以防止烟囱在倾倒过程中发生偏转,但会增加钻孔工作量、增大起爆药量和药量增大带来的有害效应。

1.2 支撑部支撑能力的保证

在烟囱定向爆破中,在爆破缺口形成后遗留部分称为支撑部。在缺口形成的一瞬间,支撑部要撑得住,不被上部荷载压垮。为保证精准定向爆破,要确保形成的支撑部与预先设计一致,倾倒中心线对称,才能使烟囱倒塌方向按照预先的设计进行,才不会发生严重后座,并引发倒向偏离。在形成爆破缺口的过程中,极易对预先设计的支撑部造成损害,从而影响支撑部关于倾倒中心线的准确性和对称性,所以需要对支撑部进行保护。

1.3 爆破参数及起爆网路

爆破效果和精准性在很大程度上取决于爆破参数的选择,合理选择爆破参数不仅要考虑爆破介质的情况,而且也要考虑这些参数间的相互关系及其对爆破效果和精准性的影响。起爆网路在爆破工程中起着非常重要的作用,要保证起爆网路按时准确起爆,要求起爆网路具有更高的安全性和准确性。而且起爆方式的选择也对爆破精准性有重要影响。

1.4 缺口位置

缺口所选的位置对于定向爆破的精准性也有着关键性作用,如果选择位置过低,受烟囱结构影响,烟囱结构关于倾倒中心线不对称,从而使得倾倒精准性受到影响;缺口位置选择过高会使得烟囱可能发生的后座程度更严重,影响倒向的准确性。

2 控制高耸构筑物定向倾倒的措施

2.1 缺口准确设计

爆破缺口的范围一般应满足:

式中,L为爆破缺口的长度,m;S为烟囱爆破部位的外周长,m。

为控制后座,爆破缺口长度不能过大,砖结构的取小,钢筋砼结构的取大。

钢筋砼烟囱爆破缺口高度的确定通常有两种方法。

(1)根据爆破部位壁厚δ确定爆破缺口的高度h:

(2)根据理论公式计算:

式中,σs为钢筋的极限抗拉强度,MPa;P为烟囱体自重,kg;S1为剩余压缺筋的总横截面积,c m2;D为缺口处烟囱的外径,m;Z c为混凝土烟囱重心高度,m。

根据资料[5-6],砖结构烟囱的缺口高度确定为:

式中,δ为烟囱壁厚,m。

2.2 支撑部保护

除了正确选择爆破缺口的类型和参数,确保支撑部的完整性及强度不劣化,可在爆破缺口的两端用风镐或爆破方法开设定向窗。定向窗的作用有两个方面:一是将支撑部与爆破缺口隔开,使缺口爆破时不会对支撑部造成破坏,确保支撑部尺寸足够及强度不弱化,且能保证倾倒中心线两侧烟囱结构的对称、不致于发生后座以保证精准的倒塌方向;二是可以进行试炮确定装药量。窗口的开挖是在缺口爆破前,定向窗范围内墙体要挖透,钢筋要切断。

2.3 爆破参数及起爆网路

根据国内外的施工经验,合理的炮眼深度l可以按式(5)确定:

炮孔间距a和排距b分别为:

根据爆破缺口的尺寸以及炮孔间排距,可以确定爆破缺口内炮孔数。

单孔装药量Q单可按体积公式计算:

式中,q为装药系数。

由单孔装药量和总的炮孔数可以计算出起爆总药量Q总为:

为了保证定向爆破的精准性,应尽量采用一次起爆,避免延时起爆,减小对烟囱倾倒的多次扰动。

2.4 缺口位置选择

根据大量工程经验,烟囱整体定向爆破时爆破缺口的位置一般处于距地面0.5～1.5 m之间,具体需要根据爆破需求及爆破场地的实际条件进行调整。

3 工程实例

某锰矿因为工程需要对老建(构)筑物进行拆除,拆除中有一座高度为100 m的钢筋砼烟囱。经了解,烟囱底部范围内东西方向有1个出灰口,在筒壁有烟道口。实测缺口处周长为25.3 m,壁厚为40 c m,内衬为24 c m,中间横隔墙高8 m,厚度为50 c m。考虑到烟囱向东倒塌距离可以满足条件,确定采用向东倾倒方案。

3.1 爆破缺口参数设计

由于该烟囱为钢筋砼结构,刚性很好,通过测量,烟囱重心没有发生偏移,考虑到烟囱施工与防护方便,减小后座现象,根据大量工程实践,决定采用水平型爆破缺口。缺口参数:缺口高度2.7 m,倾倒中心线位置附近的上部加设了2排孔,每排7个孔;缺口宽度为16 m;取爆破缺口所对应圆心角α=210°,如图2所示。

图2 烟囱爆破缺口

3.2 支撑部强度的保护

为了定向准确,减少一次起爆量,在烟囱施爆前提前开2个定向窗和1个减荷槽,定向窗及减荷槽的施工采用预爆破和机械并用的施工手段。预处理:两侧开设宽度1.0 m,高2.7 m的定向窗,但倾倒中心线右侧方向上部的已有窗口高度达到5 m。内部的内衬除导向窗外另开设了4个宽1.0 m,高1.5 m左右的拱形洞,横隔墙上开设了2个拱形洞。

倾倒中心线位置有一自然口,关于中线并不对称;反方向倾倒中心线的两侧各2 m开槽,前面爆破板块中间位置开槽2 m,在装药前将钢筋割伤。钻孔深为28 c m,孔距、排距均为30 c m;横墙上的孔深为35 c m;孔距为40 c m。

3.3 爆破缺口参数设计

根据公式计算共布置11排炮孔。装药选用乳化炸药,最下面三排孔,每孔为150 g;上面靠近防护处的孔为80 g;其余孔为100 g;内衬在缝隙中插入PVC管装药,部分区域用2支炸药捆绑后放入缝隙中,用炮泥封闭。横墙上装1支药200 g/孔;共装药六十余千克。

起爆雷管选用7 m长的毫秒延期导爆管雷管,每孔1发,1,3,5,7段;起爆顺序基本关于中心线对称向两边起爆;内衬基本对应外面的部分起爆;约40根导爆管用2发1段毫秒延期雷管过桥;过桥处加了约20 g炸药,共10个过桥点;20发1段毫秒延期雷管过桥;20根过桥雷管抓成1把,用8发电雷管引爆;每4发一组串联;2个起爆组并联。

3.4 爆破缺口位置

烟囱底部有烟道口,为了不影响爆破缺口部位的结构整体性和对称性,将爆破缺口选在标高＋0.5 m处比较适宜。起爆后,按预定方向倒塌,无偏差,倒塌姿态好,见图3。

图3 爆破瞬间照片

4 结语

影响高耸构筑物精准定向控制爆破的关键因素有缺口形状、缺口长度和缺口高度、支撑部的保护、爆破参数及起爆网路、缺口位置等。本文分析了各因素对高耸构筑精准定向爆破的影响,并给出了相应的控制措施;并以一烟囱精准定向控制爆破为例,证实了以上因素的合理设计能确保高耸构筑物实现精准定向爆破。