高聳構(gòu)筑物精準(zhǔn)定向控制爆破關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)踐

李強(qiáng),林大能,羅鵬程

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭市 411201)

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展,建(構(gòu))筑物的平均高度不斷增加,高達(dá)幾十米甚至百米及以上的建(構(gòu))筑物屢見不鮮,為了配合城市規(guī)劃和企業(yè)發(fā)展需求,需要對(duì)某些高聳構(gòu)筑物進(jìn)行拆除。定向控制爆破作為一種較高效、安全的拆除方式,在高聳構(gòu)筑物拆除領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。高聳構(gòu)筑物精準(zhǔn)定向是關(guān)鍵,處理不當(dāng),可能造成倒向不準(zhǔn)、甚至向相反方向倒塌。美國(guó)俄亥俄州的一座高達(dá)83.82 m的煙囪進(jìn)行定向爆破拆除,原計(jì)劃倒塌方向?yàn)闁|北方向,引爆后煙囪卻偏離預(yù)定計(jì)劃,倒向南方,壓垮部分臨近建筑,并砸壞了輸電線等。貴州省某監(jiān)獄瓷廠廢舊爐窯改造時(shí),對(duì)舊煙囪進(jìn)行定向爆破拆除,按照設(shè)計(jì)方案,煙囪定向傾倒的場(chǎng)地足夠,爆破后煙囪按預(yù)定方向傾倒,但主體爆渣堆積范圍擴(kuò)大到所鋪設(shè)的緩沖沙袋處,煙囪頂部鋼筋砼壓頂沖開沙袋和圍墻到達(dá)進(jìn)廠大道對(duì)面人行道上,圍墻被沖開寬約10 m[1]。某研究院內(nèi)水塔,筒體為磚混結(jié)構(gòu),預(yù)定爆破傾倒方向?yàn)檎?考慮到出入門門框的支撐作用,缺口中心線比原定的方向向東偏轉(zhuǎn)5.7°。起爆后,水塔失穩(wěn)約2 s開始倒塌,爆堆頂部向西偏移了8 m,約15.5°,實(shí)際倒塌方向相對(duì)中心線偏移了21.2°[2]。以上案例表明盡管定向爆破技術(shù)應(yīng)用、發(fā)展了很多年,相關(guān)技術(shù)逐漸完善,但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),因?qū)?gòu)筑物整體結(jié)構(gòu)不夠了解,力學(xué)參數(shù)認(rèn)識(shí)不足及設(shè)計(jì)方案不夠完善等,爆破實(shí)際效果與設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)計(jì)效果有偏差,會(huì)發(fā)生后座、前沖等現(xiàn)象,甚至與設(shè)計(jì)傾倒方向完全相反,造成需保護(hù)的建構(gòu)筑物損壞以及人員傷亡等。由此可見,定向爆破作為比人工拆除和機(jī)器拆除更高效的方法,需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙?duì)待每一次設(shè)計(jì),進(jìn)行準(zhǔn)確的分析及設(shè)計(jì)并合理施工,避免嚴(yán)重后座及倒塌方向偏離過大,保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全。本文擬對(duì)影響精準(zhǔn)定向爆破的主要因素進(jìn)行分析。

1 影響高聳構(gòu)筑物精準(zhǔn)定向爆破的因素

精準(zhǔn)定向控制爆破的內(nèi)涵就是考慮到構(gòu)筑物的整體結(jié)構(gòu),在不損害周圍需要保護(hù)的有用建筑及財(cái)產(chǎn)和人員安全的前提下,設(shè)計(jì)出合理的爆破方案,并最終可使構(gòu)筑物沿著設(shè)計(jì)方案在預(yù)定傾倒方向允許的誤差范圍內(nèi)倒塌。其中最重要的就是要倒向準(zhǔn)確,偏差角度控制在允許范圍內(nèi),控制后座及前沖。本文以煙囪為例,對(duì)影響其精準(zhǔn)定向爆破的主要因素進(jìn)行分析。

1.1 缺口尺寸及參數(shù)

煙囪屬于長(zhǎng)細(xì)比較大的高聳構(gòu)筑物,采用定向傾倒爆破,主要是應(yīng)用失穩(wěn)原理,即應(yīng)用炸藥在煙囪傾倒方向一側(cè)的底部炸開一個(gè)具有一定高度、長(zhǎng)度的缺口,在自身重力作用下,形成傾覆力矩,導(dǎo)致煙囪整體失穩(wěn),重心外移,使煙囪朝預(yù)定方向倒塌[3]。煙囪爆破缺口截面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 爆破缺口截面設(shè)計(jì)

爆破缺口是保證定向倒塌的一個(gè)重要參數(shù)。爆破缺口的長(zhǎng)度對(duì)控制煙囪的倒塌距離和方向均有直接影響。爆破缺口過長(zhǎng),剩余起支撐作用的筒壁相對(duì)變短,此時(shí)若剩余筒壁承受不了上部筒體的重量,在傾倒之前支撐部分會(huì)被壓垮,發(fā)生后座現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)可能影響爆破倒塌方向;爆破缺口長(zhǎng)度過短,剩余起支撐作用的筒體則會(huì)相對(duì)變長(zhǎng),使得爆破后煙囪的結(jié)構(gòu)不易遭到破壞,倒塌時(shí)可能出現(xiàn)前沖現(xiàn)象,從而加大倒塌的長(zhǎng)度,同時(shí)爆破缺口過短煙囪結(jié)構(gòu)不易失穩(wěn),產(chǎn)生的重力傾覆力矩較小,存在爆而不倒的隱患。

在設(shè)計(jì)爆破缺口尺寸及參數(shù)時(shí)要考慮周全,充分考慮結(jié)構(gòu)的整體性和對(duì)稱性,考慮不同缺口形狀對(duì)后座、前沖的影響。煙囪拆除爆破中,有不同類型的爆破缺口可供選擇,常用的爆破缺口形狀有矩形、類梯形、反人字形、斜型和反斜型等。很多學(xué)者就不同缺口形狀的特點(diǎn)進(jìn)行了討論,如弗鴻祿等就缺口形狀對(duì)煙囪爆破后座的影響進(jìn)行了研究[4]。缺口高度越小,煙囪在傾倒過程中缺口閉合越早,往往會(huì)使煙囪在傾倒過程中出現(xiàn)偏轉(zhuǎn);爆破缺口高度過大,雖然可以防止煙囪在傾倒過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn),但會(huì)增加鉆孔工作量、增大起爆藥量和藥量增大帶來的有害效應(yīng)。

1.2 支撐部支撐能力的保證

在煙囪定向爆破中,在爆破缺口形成后遺留部分稱為支撐部。在缺口形成的一瞬間,支撐部要撐得住,不被上部荷載壓垮。為保證精準(zhǔn)定向爆破,要確保形成的支撐部與預(yù)先設(shè)計(jì)一致,傾倒中心線對(duì)稱,才能使煙囪倒塌方向按照預(yù)先的設(shè)計(jì)進(jìn)行,才不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重后座,并引發(fā)倒向偏離。在形成爆破缺口的過程中,極易對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)的支撐部造成損害,從而影響支撐部關(guān)于傾倒中心線的準(zhǔn)確性和對(duì)稱性,所以需要對(duì)支撐部進(jìn)行保護(hù)。

1.3 爆破參數(shù)及起爆網(wǎng)路

爆破效果和精準(zhǔn)性在很大程度上取決于爆破參數(shù)的選擇,合理選擇爆破參數(shù)不僅要考慮爆破介質(zhì)的情況,而且也要考慮這些參數(shù)間的相互關(guān)系及其對(duì)爆破效果和精準(zhǔn)性的影響。起爆網(wǎng)路在爆破工程中起著非常重要的作用,要保證起爆網(wǎng)路按時(shí)準(zhǔn)確起爆,要求起爆網(wǎng)路具有更高的安全性和準(zhǔn)確性。而且起爆方式的選擇也對(duì)爆破精準(zhǔn)性有重要影響。

1.4 缺口位置

缺口所選的位置對(duì)于定向爆破的精準(zhǔn)性也有著關(guān)鍵性作用,如果選擇位置過低,受煙囪結(jié)構(gòu)影響,煙囪結(jié)構(gòu)關(guān)于傾倒中心線不對(duì)稱,從而使得傾倒精準(zhǔn)性受到影響;缺口位置選擇過高會(huì)使得煙囪可能發(fā)生的后座程度更嚴(yán)重,影響倒向的準(zhǔn)確性。

2 控制高聳構(gòu)筑物定向傾倒的措施

2.1 缺口準(zhǔn)確設(shè)計(jì)

爆破缺口的范圍一般應(yīng)滿足:

式中,L為爆破缺口的長(zhǎng)度,m;S為煙囪爆破部位的外周長(zhǎng),m。

為控制后座,爆破缺口長(zhǎng)度不能過大,磚結(jié)構(gòu)的取小,鋼筋砼結(jié)構(gòu)的取大。

鋼筋砼煙囪爆破缺口高度的確定通常有兩種方法。

(1)根據(jù)爆破部位壁厚δ確定爆破缺口的高度h:

(2)根據(jù)理論公式計(jì)算:

式中,σs為鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度,MPa;P為煙囪體自重,kg;S1為剩余壓缺筋的總橫截面積,c m2;D為缺口處煙囪的外徑,m;Z c為混凝土煙囪重心高度,m。

根據(jù)資料[5-6],磚結(jié)構(gòu)煙囪的缺口高度確定為:

式中,δ為煙囪壁厚,m。

2.2 支撐部保護(hù)

除了正確選擇爆破缺口的類型和參數(shù),確保支撐部的完整性及強(qiáng)度不劣化,可在爆破缺口的兩端用風(fēng)鎬或爆破方法開設(shè)定向窗。定向窗的作用有兩個(gè)方面:一是將支撐部與爆破缺口隔開,使缺口爆破時(shí)不會(huì)對(duì)支撐部造成破壞,確保支撐部尺寸足夠及強(qiáng)度不弱化,且能保證傾倒中心線兩側(cè)煙囪結(jié)構(gòu)的對(duì)稱、不致于發(fā)生后座以保證精準(zhǔn)的倒塌方向;二是可以進(jìn)行試炮確定裝藥量。窗口的開挖是在缺口爆破前,定向窗范圍內(nèi)墻體要挖透,鋼筋要切斷。

2.3 爆破參數(shù)及起爆網(wǎng)路

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的施工經(jīng)驗(yàn),合理的炮眼深度l可以按式(5)確定:

炮孔間距a和排距b分別為:

根據(jù)爆破缺口的尺寸以及炮孔間排距,可以確定爆破缺口內(nèi)炮孔數(shù)。

單孔裝藥量Q單可按體積公式計(jì)算:

式中,q為裝藥系數(shù)。

由單孔裝藥量和總的炮孔數(shù)可以計(jì)算出起爆總藥量Q總為:

為了保證定向爆破的精準(zhǔn)性,應(yīng)盡量采用一次起爆,避免延時(shí)起爆,減小對(duì)煙囪傾倒的多次擾動(dòng)。

2.4 缺口位置選擇

根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn),煙囪整體定向爆破時(shí)爆破缺口的位置一般處于距地面0.5～1.5 m之間,具體需要根據(jù)爆破需求及爆破場(chǎng)地的實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)整。

3 工程實(shí)例

某錳礦因?yàn)楣こ绦枰獙?duì)老建(構(gòu))筑物進(jìn)行拆除,拆除中有一座高度為100 m的鋼筋砼煙囪。經(jīng)了解,煙囪底部范圍內(nèi)東西方向有1個(gè)出灰口,在筒壁有煙道口。實(shí)測(cè)缺口處周長(zhǎng)為25.3 m,壁厚為40 c m,內(nèi)襯為24 c m,中間橫隔墻高8 m,厚度為50 c m。考慮到煙囪向東倒塌距離可以滿足條件,確定采用向東傾倒方案。

3.1 爆破缺口參數(shù)設(shè)計(jì)

由于該煙囪為鋼筋砼結(jié)構(gòu),剛性很好,通過測(cè)量,煙囪重心沒有發(fā)生偏移,考慮到煙囪施工與防護(hù)方便,減小后座現(xiàn)象,根據(jù)大量工程實(shí)踐,決定采用水平型爆破缺口。缺口參數(shù):缺口高度2.7 m,傾倒中心線位置附近的上部加設(shè)了2排孔,每排7個(gè)孔;缺口寬度為16 m;取爆破缺口所對(duì)應(yīng)圓心角α=210°,如圖2所示。

圖2 煙囪爆破缺口

3.2 支撐部強(qiáng)度的保護(hù)

為了定向準(zhǔn)確,減少一次起爆量,在煙囪施爆前提前開2個(gè)定向窗和1個(gè)減荷槽,定向窗及減荷槽的施工采用預(yù)爆破和機(jī)械并用的施工手段。預(yù)處理:兩側(cè)開設(shè)寬度1.0 m,高2.7 m的定向窗,但傾倒中心線右側(cè)方向上部的已有窗口高度達(dá)到5 m。內(nèi)部的內(nèi)襯除導(dǎo)向窗外另開設(shè)了4個(gè)寬1.0 m,高1.5 m左右的拱形洞,橫隔墻上開設(shè)了2個(gè)拱形洞。

傾倒中心線位置有一自然口,關(guān)于中線并不對(duì)稱;反方向傾倒中心線的兩側(cè)各2 m開槽,前面爆破板塊中間位置開槽2 m,在裝藥前將鋼筋割傷。鉆孔深為28 c m,孔距、排距均為30 c m;橫墻上的孔深為35 c m;孔距為40 c m。

3.3 爆破缺口參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)公式計(jì)算共布置11排炮孔。裝藥選用乳化炸藥,最下面三排孔,每孔為150 g;上面靠近防護(hù)處的孔為80 g;其余孔為100 g;內(nèi)襯在縫隙中插入PVC管裝藥,部分區(qū)域用2支炸藥捆綁后放入縫隙中,用炮泥封閉。橫墻上裝1支藥200 g/孔;共裝藥六十余千克。

起爆雷管選用7 m長(zhǎng)的毫秒延期導(dǎo)爆管雷管,每孔1發(fā),1,3,5,7段;起爆順序基本關(guān)于中心線對(duì)稱向兩邊起爆;內(nèi)襯基本對(duì)應(yīng)外面的部分起爆;約40根導(dǎo)爆管用2發(fā)1段毫秒延期雷管過橋;過橋處加了約20 g炸藥,共10個(gè)過橋點(diǎn);20發(fā)1段毫秒延期雷管過橋;20根過橋雷管抓成1把,用8發(fā)電雷管引爆;每4發(fā)一組串聯(lián);2個(gè)起爆組并聯(lián)。

3.4 爆破缺口位置

煙囪底部有煙道口,為了不影響爆破缺口部位的結(jié)構(gòu)整體性和對(duì)稱性,將爆破缺口選在標(biāo)高＋0.5 m處比較適宜。起爆后,按預(yù)定方向倒塌,無偏差,倒塌姿態(tài)好,見圖3。

圖3 爆破瞬間照片

4 結(jié)語

影響高聳構(gòu)筑物精準(zhǔn)定向控制爆破的關(guān)鍵因素有缺口形狀、缺口長(zhǎng)度和缺口高度、支撐部的保護(hù)、爆破參數(shù)及起爆網(wǎng)路、缺口位置等。本文分析了各因素對(duì)高聳構(gòu)筑精準(zhǔn)定向爆破的影響,并給出了相應(yīng)的控制措施;并以一煙囪精準(zhǔn)定向控制爆破為例,證實(shí)了以上因素的合理設(shè)計(jì)能確保高聳構(gòu)筑物實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定向爆破。