大孔徑爆破拆除復(fù)雜結(jié)構(gòu)石灰窯應(yīng)用實(shí)踐

司士營(yíng)

(浙江安盛爆破工程有限公司，紹興 312000)

為響應(yīng)國(guó)家“去除過(guò)剩產(chǎn)能，保護(hù)生態(tài)環(huán)境”的號(hào)召，蚌埠市高新區(qū)天河科技園近年來(lái)相繼對(duì)轄區(qū)內(nèi)的多座高污染石灰窯、磚窯和碎石場(chǎng)實(shí)施關(guān)停、爆破拆除。其中，增和新型石灰窯廠的兩個(gè)窯體中間有角鋼樓梯連接，窯體和基礎(chǔ)內(nèi)外構(gòu)造復(fù)雜。在建(構(gòu))筑物的爆破拆除工程中，常規(guī)均按照“多打孔，少裝藥”的經(jīng)典理念而采用小孔徑淺孔爆破[1]，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了少量孔徑小于φ35的小孔徑爆破拆除技術(shù)研究，甚至在國(guó)外出現(xiàn)了φ22、φ28、φ32孔徑的鉆機(jī)用于拆除爆破[2]。大孔徑在拆除爆破工程中的應(yīng)用，以往在城市高架橋爆破拆除[3]、鐵路線側(cè)巖墻爆破拆除[4]、大型混凝土基礎(chǔ)爆破拆除[5,6]、水下圍堰爆破拆除[7]、橋梁或橋墩爆破拆除[8,9]、高層樓房的爆破拆除中出現(xiàn)過(guò)[10]，在類似于石灰窯等高聳類構(gòu)筑物的爆破拆除工程中鮮有嘗試。此處根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔難、工期緊的工程實(shí)際情況，采用大孔徑鉆孔成功對(duì)兩連體石灰窯實(shí)施爆破拆除，為蚌埠市大漢文化產(chǎn)業(yè)園的規(guī)劃建設(shè)掃除了障礙。

1 工程概況

1.1 石灰窯結(jié)構(gòu)

1.1.1 總體結(jié)構(gòu)

石灰窯由石灰窯窯體、基礎(chǔ)和附屬鋼結(jié)構(gòu)組成，總高度36.5 m，兩窯體頂部之間有鋼框架連接，中間有用于人員上下的角鋼樓梯連接，每個(gè)窯體基礎(chǔ)北側(cè)都有寬3 m、深10 m、高3 m的進(jìn)料通道深入筒體下部的基座內(nèi)，兩窯體基礎(chǔ)邊緣最近距離3.2 m(圖1)。

圖 1 石灰窯整體實(shí)拍圖Fig. 1 Picture of the lime kiln

1.1.2 石灰窯窯體結(jié)構(gòu)

窯體外表面為12 mm厚鋼板圍成的金屬外壁，高32 m，直徑11.5 m，內(nèi)壁為耐火磚，金屬外壁和耐火磚內(nèi)壁之間填充的材料為黃土。整個(gè)石灰窯窯體空腔底部直徑3 m，中部直徑為7 m、上部直徑為3 m，空腔形狀類似于一個(gè)樹(shù)立的橄欖球，底部出口連接出料通道內(nèi)的鐵爐，底部壁厚4.25 m。

1.1.3 石灰窯基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)為鋼筋混凝土和砂漿砌石復(fù)合結(jié)構(gòu)，高4.5 m、東西長(zhǎng)12.2 m、南北寬12 m?？拷R空表面為鋼筋混凝土基礎(chǔ)，配筋為φ25鋼筋，基礎(chǔ)內(nèi)部為孔隙率較大的砂漿砌石結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖 2 石灰窯基礎(chǔ)橫斷面結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)Fig. 2 Cross section of the limestone kiln foundation structure(unit:cm)

1.2 周邊環(huán)境

爆破環(huán)境良好。東側(cè)30 m為簡(jiǎn)易房、北側(cè)30 m為簡(jiǎn)易房(待拆除)，四周為開(kāi)闊地帶，500 m范圍內(nèi)沒(méi)有需要保護(hù)的目標(biāo)，石灰窯四周無(wú)地下管線需要保護(hù)。爆破環(huán)境見(jiàn)圖3。

圖 3 石灰窯周邊環(huán)境示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of surrounding environment of the limestone kiln(unit:m)

2 施工難點(diǎn)

(1)由于工期緊，窯體較高，風(fēng)險(xiǎn)大，無(wú)法預(yù)先人工拆除角鋼樓梯和頂部框架鋼結(jié)構(gòu)，從而使兩連體石灰窯變成兩個(gè)孤立的石灰窯窯體分別拆除[11]。

(2)無(wú)法采用特種爆破方式對(duì)金屬外殼實(shí)施聚能切割爆破(根據(jù)聯(lián)系結(jié)果，需要10 d才能到貨，工期不允許)；且金屬鋼板抗拉強(qiáng)度大，即使對(duì)筒體爆炸出缺口，也難以保證窯體順利倒塌。

(3)窯體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,鉆孔易卡鉆，裝藥易卡藥,施工困難，效率低，效果無(wú)法保證。

(4)石灰窯基礎(chǔ)方量達(dá)650余m3，高度僅4.5 m，爆破拋渣極困難，使石灰窯的倒塌存在不確定性。

(5)石灰窯圖紙缺失，無(wú)法判斷石灰窯各部位的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)和尺寸。

3 爆破施工方案

綜合爆破體的復(fù)雜狀況，確定采用機(jī)械預(yù)拆除和爆破拆除相結(jié)合的方案，對(duì)石灰窯一對(duì)兩連體窯筒同時(shí)實(shí)施爆破，一次性拆除。

3.1 倒塌方向的選擇

如果兩個(gè)窯體是孤立的對(duì)象，則可以利用出料口的挑空，向垂直于出料口方向倒塌，但如今兩個(gè)窯體是有鋼結(jié)構(gòu)相互牽制的兩連體，因此倒塌方向只能選擇垂直于兩個(gè)窯體排列的南北向。鑒于石灰窯北側(cè)場(chǎng)地開(kāi)闊，無(wú)被保護(hù)對(duì)象，且兩窯體出料口相對(duì)設(shè)置，分別朝向東北和西北。因此，定向倒塌方向確定為北向。

3.2 鉆孔機(jī)具的選擇

目前，在拆除爆破工程施工中，炮孔直徑大多采用38～44 mm，我們稱之為小孔徑[12]，鉆孔機(jī)械為手持式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，主要基于其鉆孔設(shè)備簡(jiǎn)單，可以降低單段起爆藥量，從而降低爆破振動(dòng)，炸藥能在起爆體內(nèi)更加均勻分布，增加破碎效果等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該方法也有諸多弊端：鉆孔數(shù)量多，人工勞動(dòng)大，施工效率低，起爆器材用量大，網(wǎng)路復(fù)雜不易檢查等[13]。一般認(rèn)為孔徑大于70 mm即稱為大孔徑，大孔徑爆破由于藥量太過(guò)集中，爆破飛石和振動(dòng)不易控制，在拆除爆破應(yīng)用較少。但大孔徑爆破也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：鉆孔數(shù)量少，液壓鉆機(jī)施工效率高，裝藥速度快，雷管用量小，節(jié)約成本，藥包類似于集團(tuán)裝藥可最大限度置于結(jié)構(gòu)中央[3]?？紤]到該石灰窯爆破部位基礎(chǔ)僅靠近臨空面為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部砌石孔隙率大,采用手風(fēng)鉆易卡鉆,極易耽誤工期。而大孔徑潛孔鉆遇到結(jié)構(gòu)不完整的部位可以采用膠泥護(hù)壁等措施鉆進(jìn)。因此本工程選用φ90潛孔鉆機(jī)鉆孔，保證了鉆孔質(zhì)量取得了良好爆破的效果。

3.3 施工總體部署

第一步將基礎(chǔ)北部(設(shè)計(jì)倒塌方向)3 m寬度采用液壓破碎錘先行破碎拆除(靠基礎(chǔ)頂部的斜角破碎頭很難夠到，可以保留，既可以減少工作量，又可以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定)，以利于爆渣拋出，確保石灰窯順利倒塌；第二步將位于石灰窯正下方的中間5 m寬度基礎(chǔ)采用爆破方式拆除，剩余的南部3 m寬度基礎(chǔ)作為預(yù)留支撐，使石灰窯失穩(wěn)倒塌(圖4)。

圖 4 石灰窯拆除部位橫斷面及實(shí)拍圖(單位：cm)Fig. 4 Cross section and actual photo of the demolition part of the limestone kiln(unit:cm)

4 爆破技術(shù)設(shè)計(jì)

4.1 爆破切口設(shè)計(jì)

4.1.1 爆破切口位置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件、結(jié)合石灰窯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為便于施工，確保爆破順利實(shí)施，爆破切口位置選擇在復(fù)合基礎(chǔ)(見(jiàn)圖4)。

4.1.2 爆破切口形式

為了能夠滿足窯體的倒塌要求，防止前沖，保證定向準(zhǔn)確，以及施工的方便和減少藥孔數(shù)量，采用正梯形復(fù)合切口[14]。

4.1.3 切口長(zhǎng)度

切口長(zhǎng)度的大小決定切口形成后窯體能否實(shí)現(xiàn)偏心失穩(wěn)，如果切口過(guò)大可能導(dǎo)致余留部分沒(méi)有足夠的支撐力而使窯體倒塌方向失去控制，甚至出現(xiàn)后座和反向倒塌，反之可能出現(xiàn)傾而不倒的情況。煙囪水塔等筒形高聳構(gòu)筑物爆破范圍一般為筒壁周長(zhǎng)的1/2～2/3,相對(duì)應(yīng)的圓心角一般為180°～240°[12]。以此為參考，該窯體復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)切口自北向南深度為8 m，石灰窯窯體為直徑11.5 m的圓形，周長(zhǎng)36 m，保留部分對(duì)應(yīng)窯筒的圓心角為139°，切口對(duì)應(yīng)窯體弧形長(zhǎng)度為22.1 m，對(duì)應(yīng)的窯筒的圓心角為221°，屬于180°～240°的范圍，符合石灰窯的倒塌需求。因該石灰窯基礎(chǔ)較窯體略大，且有鋼筋混凝土澆筑，因此根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，該切口圓心角取值足以保證保留部分支撐窯體，不會(huì)發(fā)生后座現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)。

圖 5 石灰窯基礎(chǔ)切口對(duì)應(yīng)窯體弧度圖(單位：cm)Fig. 5 Radian diagram of the limestone kiln foundation cut corresponding to kiln body(unit:cm)

4.1.4 切口高度

切口高度設(shè)計(jì)應(yīng)確保爆破拆除時(shí)炸藥爆炸瞬間爆渣要能拋出爆破體，且切口形成后在切口上下沿閉合時(shí)窯體重心已偏離出窯體承重面，以防止傾而不倒或者因切口閉合碰撞導(dǎo)致窯體傾倒方向發(fā)生偏離。切口高度Hp根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)按下列公式確定

Hp≥(1/6～1/4)D

(1)

式中:Hp為切口高度，m；D為切口位置窯體外徑，m。

按上式計(jì)算，切口高度Hp=1.92～2.88 m，為保證倒塌的可靠性和機(jī)械施工的便利性，實(shí)際切口高度取石灰窯基礎(chǔ)的高度，即Hp=4.5 m，更能夠保證窯體重心移出窯體之外，形成足夠大的傾覆力矩，有利于傾倒。

4.2 機(jī)械預(yù)拆除

鉆孔作業(yè)前先行將圖4所示機(jī)械拆除部分用液壓破碎錘破碎拆除，并用挖掘機(jī)將碎渣清理干凈，為爆渣提供拋擲空間，進(jìn)一步探明石灰窯基礎(chǔ)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

4.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)炮孔直徑φ：90 mm

(2)最小抵抗線W：取1.2 m

(3)炮孔間距a：a=(1.0～1.2)W，取1.2 m

(4)炮孔排距b：b=(0.85～0.9)a，取1 m

(5)孔位孔向：鉆孔方向主要選擇在石灰窯倒塌方向側(cè)面，即東西向穿孔，水平孔(圖6)。考慮到石灰窯基礎(chǔ)屬于不均質(zhì)基礎(chǔ)，內(nèi)部孔隙率大，還有孤立的小碎石分布其間，鉆鑿出的孔壁不光滑，裝藥難度大，易卡藥，為保證能足量裝進(jìn)設(shè)計(jì)的藥量，實(shí)際施工中在側(cè)面按設(shè)計(jì)鉆孔的同時(shí)，也在倒塌正面(即北側(cè))鉆鑿部分輔助炮孔，輔助炮孔孔深根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定，1～4 m不等，藥量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，依據(jù)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)確定，控制在1～5 kg。

圖 6 石灰窯炮孔位置示意圖Fig. 6 Schematic diagram of blast hole position

考慮到出料口為石灰窯內(nèi)部提供了臨空面，且兩窯體之間空間狹窄(僅3.2 m)，不利于潛孔鉆機(jī)作業(yè)和移機(jī)。因此，鉆孔方向依據(jù)出料口方向設(shè)置，東面水平孔垂直于作業(yè)面；西面水平孔斜交于作業(yè)面，炮孔傾斜度以平行于出料口走向?yàn)闇?zhǔn)(圖7)。

圖 7 石灰窯炮孔位置截面圖(單位：cm)Fig. 7 Cross section of blast hole position(unit:cm)

(6)炮孔深度L：孔深取鉆孔處基礎(chǔ)厚度減去1/3W。經(jīng)計(jì)算

東面：第一排L=5.6 m(最北側(cè))

第二排L=4.6 m

第三排L=3.6 m

第四排L=2.6 m

西面：第一排L=6.3 m

第二排L=4.3 m

第三排L=2.3 m

(7)填塞長(zhǎng)度及材料 填塞長(zhǎng)度LT：取LT=0.5 m，填塞材料采用可手握成型的膠泥堵塞，并搗填密實(shí)。

(8)單孔藥量Q1：Q1=qabL1

式中，Q1為單個(gè)孔裝藥量，kg；q為單位體積耗藥量，g/m3，考慮到該石灰窯的實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)不均質(zhì)，形狀不規(guī)則，且基礎(chǔ)內(nèi)砂漿砌石有較多孔隙，會(huì)產(chǎn)生爆炸泄能的不利影響。外部是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的支撐功能。要保證爆渣能完全拋出，確保切口完全形成，要適當(dāng)加大藥量，并加強(qiáng)防護(hù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)單耗取q=2.0 kg/m3；a、b為藥孔的孔距及排距，m；L1為每個(gè)炮孔處的基礎(chǔ)壁厚，各排不一。

具體藥量計(jì)算如下：

東面：第一排Q1=14.4 kg

第二排Q1=12.0 kg

在房屋建筑施工的過(guò)程中，如果地基打的不牢靠，會(huì)對(duì)施工人員和未來(lái)的用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。所以在施工的過(guò)程中就應(yīng)該更加重視地基處理技術(shù)，從根本上保護(hù)地基的穩(wěn)定性，只有這樣才能切實(shí)保證施工人員以及使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全。

第三排Q1=9.6 kg

第四排Q1=7.2 kg

第五排Q1=9.4 kg

西面：第一排Q1=15.1 kg

第二排Q1=10.3 kg

第三排Q1=5.5 kg

(9)炮孔個(gè)數(shù)：東面上下每排三孔，共五排，第五排兩孔，共14孔；西面上下每排三孔，共三排，共9孔。兩個(gè)石灰窯體共(14+9)×2=46孔。

(10)炸藥選用：選用32 mm乳化炸藥，每三支并排用膠布纏繞成束，用竹片捆綁成直列裝藥，線裝藥密度約為2.8～3.0 kg/m。

(11)炸藥量：經(jīng)計(jì)算每個(gè)石灰窯基礎(chǔ)設(shè)計(jì)用藥241.1 kg，兩窯體共計(jì)需482.2 kg。經(jīng)完工之后統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝藥量為576 kg，多裝的炸藥集中在石灰窯北側(cè)正面及鋼筋密集部位的輔助炮孔。

(12)雷管個(gè)數(shù)：300發(fā)。

4.4 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

采用非電塑料導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)起爆，做到安全、可靠、準(zhǔn)爆。網(wǎng)路形式采用多閉合回路的導(dǎo)爆管網(wǎng)路以增加網(wǎng)路的起爆可靠性。

每孔設(shè)置2發(fā)雷管，主爆孔孔內(nèi)雷管采用MS-10段毫秒延期雷管，孔外采用MS-5段接力雷管，依次由北向南逐排起爆(見(jiàn)圖8)。北側(cè)正面輔助炮孔采用每孔雙發(fā)MS-1、MS-3段雷管，最早引爆。

圖 8 石灰窯起爆網(wǎng)路示意圖Fig. 8 Schematic diagram of detonation network

4.5 爆破安全設(shè)計(jì)

高聳類構(gòu)筑物拆除爆破時(shí)需特別控制的爆破危害效應(yīng)主要包括爆破振動(dòng)、塌落振動(dòng)和爆破飛石[15]。由于本次爆破環(huán)境較好，大孔徑爆破，單耗較高，有害效應(yīng)主要應(yīng)考慮爆破飛石。

(1)爆破振動(dòng)校核

根據(jù)薩道夫斯基公式計(jì)算爆破振動(dòng)速度

(2)

式中：V為質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度，cm/s；Q為一次齊爆的最大藥量，kg；R為最大一段齊爆藥量的幾何分布中心到鄰近被保護(hù)物的距離，m；K、α為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。此工程取K=160，α=1.6。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)，一般民用建筑物的安全振動(dòng)速度為2～2.5 cm/s。

按照200 m距離計(jì)算，在此距離上其振動(dòng)速度為0.91 cm/s。因此，爆破地震波危害可不予考慮。

(2)爆破飛石

大孔徑、高單耗拆除爆破極易產(chǎn)生飛石，控制飛石防護(hù)措施為安全設(shè)計(jì)的第一要?jiǎng)?wù)。為將爆破飛石飛散距離控制在一定距離內(nèi)，應(yīng)對(duì)爆破部位進(jìn)行重點(diǎn)覆蓋防護(hù)。覆蓋物采用雙層竹笆片，鐵絲環(huán)繞捆扎牢固，倒塌方向正面增加懸掛專用炮被，可有效控制爆破飛石的飛散距離，個(gè)別飛石不超過(guò)100 m。

5 爆破效果分析

本工程自5月3日中午簽訂合同并開(kāi)始實(shí)施，于5月5日下午成功實(shí)施拆除并完工，前后僅用了2.5 d的時(shí)間，效率顯著。起爆后兩連體石灰窯按預(yù)定方向同時(shí)順利倒塌(圖9)，塌落后充分解體，爆堆集中。未產(chǎn)生前沖和后座現(xiàn)象，200 m處的起爆點(diǎn)無(wú)明顯震感，爆破飛散物最遠(yuǎn)未超過(guò)100 m，達(dá)到了預(yù)期的爆破效果。

圖 9 石灰窯倒塌過(guò)程圖Fig. 9 Collapse process diagram of the lime kiln

6 結(jié)語(yǔ)

大孔徑爆破拆除在工期要求緊、小直徑炮孔不易鉆鑿或者不具備手風(fēng)鉆設(shè)備條件時(shí)，是一種極佳的備選方案，待拆除高聳類構(gòu)筑物有大體積混凝土(砌石)基礎(chǔ)時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。但由于單孔藥包相對(duì)比較集中，須嚴(yán)密堵塞、加強(qiáng)防護(hù)，防止爆破飛石。

對(duì)于煙囪水塔等空心薄壁類高聳構(gòu)筑物，由于堵塞長(zhǎng)度短，采用大孔徑爆破拆除易產(chǎn)生爆破飛石。在環(huán)境較好時(shí)，仍需要雙層防護(hù)或在附近再搭設(shè)防護(hù)排架攔截防護(hù)，并加大警戒距離；在鬧市區(qū)或環(huán)境復(fù)雜時(shí)不建議采用。