定向爆破技术在钢筋砼烟囱拆除中的应用
[原创 2010-01-05 10:57:59]
1. 工程简介
大港发电厂一期建于1976年，采用燃油机组，本期工程将一期的燃油机组改造为燃煤机组，其中120m的烟筒需拆除、异地重建。此次须拆除烟囱的结构形式为钢筋混凝土筒体结构，高度为120.0M，底部外径13.2M，壁厚0.53M，顶部外径7.2M。该拆除烟囱是目前国内已拆除烟囱中具有高度{zg}，自重最重，体形{zd0}的特点。随着国内燃煤机组的改造，以及以大代小改造工程的实施，可以讲在国内近一时期类似烟筒等高耸混凝土建筑物的拆除工程会很多，为此有必要针对烟囱的拆除施工进行深入的研究与探讨。
2. 拆除方案的选择及确定
目前烟囱的拆除方法主要有：定向爆破拆除、定向无声破碎剂拆除、人工机械拆除，选择哪一种拆除方法更能满足现场的实际情况需经过技术上、经济上、安全上的科学论证。
2.1拆除方案比较
2.1.1人工拆除方法
在烟囱内部搭设操作平台，由上至下顺序拆除，沿烟囱上口周圈外侧搭设防护栏并安装密眼网，施工人员在烟囱内部搭设的平台上使用强力风镐进行拆除工作，混凝土碎块顺筒壁落下，裸露的钢筋切断后用卷扬机系下。地面沿烟囱周圈搭设防护墙阻挡落下碎块的飞溅。
施工对周边环境的要求
烟囱在拆除前必须搭设好防护墙，在拆除时任何人不得进入防护墙内同时在防护墙外的道路上还要设安全警戒线，禁止车辆人员进入。
2.1.2定向爆破拆除方法
定向爆破是应用xx爆掉烟囱预定部分混凝土组织，导致烟囱失稳将烟囱未爆区的钢筋拉断，使其沿着设计方向倾倒。在进行烟囱爆破的准备期间内其他建筑物的拆除工作可以继续进行，只是在爆破一瞬间其他拆除工作及人员全部撤出警戒区以外。
施工对周边环境的要求
烟囱爆破前的准备工作不影响其他拆除物的拆除，在倾倒安全警戒线以内的建筑物必须提前拆除完。
在爆破前{yt}将爆破区域内的易燃，易爆的液体，气体排空排净。爆破一瞬间所有人员全部撤出警戒区域以外。
2.2.3定向破碎剂拆除方法
破碎剂拆除是用轻型机械预先开凿出切口的大部分,只在倾倒中心线两侧留两个支撑柱,足够承载烟囱重量,{zh1}用破碎剂破坏两承重柱,使烟囱倾倒。
2.3方案比较及确定
2.3.1施工技术经济指标的比较
以上三种施工方案属于新技术方案与传统的方案进行比较，选择以下的技术、经济、安全指标进行综合比较。
施工方案评价指标比较表
施工方案
评价指标人工拆除方案定向爆破拆除无声破碎剂拆除备注
技术可行性人工风镐对钢筋混凝土的破碎，在施工中很常见，操作平台能够满足施工要求，在施工上是可行的。定向爆破拆除高耸建筑物是一项新技术，在理论上是成熟的，而且有很多成功的实例。广西合山电厂的120米钢筋混凝土烟囱爆破成功。定向无声破碎剂拆除方法适于60米以下的建筑物拆除，120米烟囱定向性不易控制。
工程工期及在总工期中的要求施工工期需要60天。筒壁爆破清运共需15天。与定向爆破拆除基本相当
成本降低率与爆破拆除比较降低11%成本设为1约为1
施工安全性施工人员多，周期长，滞留时间长，操作平台周转次数多，钢筋等回收拆除物需高空运送，筒壁破碎物，长时间影响环境。不便于安全防范。采用2#岩石硝酸铵xx不容易引爆，设计定向角度为允许倒塌范围角度的2倍，对环境只是瞬间影响，不安全因数集中，便于防范。烟囱倾倒对两根定向柱的强度依赖性比较强，混凝土破碎同步不易控制，所以定向性不能满足安全要求。
综合比较：爆破拆除作为新工艺在技术上与人工拆除均可行，在工程施工成本指标中，人工拆除比爆破拆除节省11%的费用，但是经济性指标中的劳动生产率，施工安全和效果指标（包括工程工期和劳动生产率），环境指标，定向爆破拆除方案较人工拆除方案优势明显。且能满足港电拆除工程进度的总网络。
2.3.2施工方案的确定
经过对以上三种方案的比较，我们选择了烟囱定向爆破拆除方案。
3. 爆破方案中对难点的控制解决
爆破方案中的关键难点是1：倾倒方向准确性控制。2：烟囱触地震动的控制。3：烟囱爆破飞石及触地飞溅物的控制。下面就这三点关键问题是如何控制解决的做简要论证。
3.1倾倒方向准确性控制：
当烟囱倾倒中心线确定后，控制烟囱倾倒准确的则是爆破切口和定向窗的如何选择。切口高度越高越有利于倾倒，定向窗有利于爆破倾倒的对称。根据烟囱结构、尺寸和相邻建筑物方位及距离，决定采用倒梯形爆破切口。切口长度不大于烟囱筒身外周长的0.6倍时倾倒方向比较准确。实际切口长度取烟囱外周长0.6倍，切口对应圆心角为216度，切口位置设置在0.5---2.6米高度处。烟囱2.6米高处的筒身外周长L为41.5米。故切口长度0.6L=24.9米。切口高度H取筒身厚度的4倍，即H=4*0.53=2.12米。见附图
定向窗位置及尺寸是利用烟囱原有一个门洞作为一个定向窗，在另一面对称位置开一个大小相同的洞作为另一个定向窗。对称布置三角形复式定向窗，三角形定向窗切口夹角为25度，中间为矩形切口窗。见附图
当起爆时矩形切口内的混凝土被爆掉，钢筋屈服烟囱失稳前倾，此时定向窗控制着烟囱按设计的倾倒中心线倾倒。
3.2烟囱触地震动的控制：
爆破拆除烟囱引起的地面震动包括：爆破直接产生的振动和烟囱倾倒触地引起的振动。大量观测表明触地引起的震动要远大于爆破直接产生的震动。所以在控制地震危害时特别重视烟囱倒地引起的震动。根据类似烟囱触地震动测试数据分析：在不采取防护措施的情况下，以震源为中心半径35米处地震烈度为V度。
经验公式评估烟囱爆破倾倒触地引起的地面震动：
V=0.08(I0.33/R)
按此公式核算，得到不同距离的震动速度评估值如下表：
不同距离的触地震动速度评估表
距离(m)10204070100120
震速(cm/s)4.242.121.060.610.420.21
一般情况下电厂厂房的允许震动速度为1cm/s，因此50米以外的发电厂房是安全的，对微波站也是安全的。
为了防止意外,减轻触地震动，在烟囱倾倒触地范围内及前沿每间隔15米堆土减震坝，土坝高3米，上口宽2米，垫埂垂直于倒塌轴线，垫埂的作用可迅速缓冲筒体触地速度，减轻爆破触地震动,在靠近办公楼一侧挖深2.0米,宽1.5米的隔震沟。这样采取隔震减震措施后可使地震等级控制在3级以内。见附图，同时在二期汽机房、电气楼、微波站、制氢站设置测震仪以掌握烟囱触地后造成的实际震动数据。
3.3烟囱爆破飞石及触地飞溅物的控制：
爆破飞石极易对建筑物、设备、人群造成伤害，我们采取具体的防护办法为：在爆破切口外围用两层草带、一层铁网、外加胶皮带将炮孔进行覆盖防护。烟囱周圈防护屏障全部由切口上部伸出的钢架悬挂。见附图、采取上述防护措施，能够保证把爆破飞石距离控制在10米之内。
烟囱触地时的巨大冲击力可造成破碎的混凝土块儿向周围飞溅，在防护上采取：1减震坝表面土要装入草带内，并适当浇水湿润。2利用倾倒中心线两侧待拆建筑物外墙暂时不拆做防护屏阻挡飞溅物。3无可利用处搭设防护架挂荆芭保护其后面设施。4安全警戒的距离为倾倒方向250米，两侧及反方向为150米。爆破时全体人员撤出警戒区以外。见附图
4. 爆破过程
2002-4-29日上午对场区内进行戒严，烟囱由专业的装药工进行装药，其他无关人员严禁入内。
下午3时，由大港电场保卫部、天津电建保卫部、天津市公安局组成的警戒组对警戒区域进行戒严，其他各小组人员就位。
3时25分，在指挥长听完各个副指挥长的报告后，宣布起爆进入十秒倒记时。
3时30分10秒，爆破组长用激发笔对爆破网路进行引爆。120米高的钢筋混凝土烟囱经过11秒的运动砰然倒地。
爆破完毕后，各测点测得数据如下：
1 烟囱实际倒塌角度比设计倾倒中心线允许偏差超出1.5度。（偏南）规范允许偏差为正负5度的范围内。
2 烟囱触地飞石飞溅距离范围基本在30米范围内，有一点混凝土碎块飞溅60米击中建筑物外墙。爆破飞溅及烟筒筒体触地飞溅均在150米的安全警戒区内。
3振动观测结果表明氢气站、微波塔质点振动速度约0.98cm/s，二期电气楼、汽机房质点振动速度约0.72cm/s，满足电厂安全生产控制在1.00cm/s的要求。同时满足国家安全规程的有关规定。
4 周围建筑物无异常情况，设备运行正常。
爆破完成后，经爆破小组对爆破区域进行检查,，确认没有危险后由指挥长宣布爆破成功，解除警戒。至此整个爆破过程结束，均在受控范围以内，各项指标控制良好。
5. 爆破方案制定及实施还需不断完善提高
5.1对计算过程进行xx核算，增大计算准确度，确保安全系数不小于设计值。
5.2严格控制施工过程，特别是开定向窗时必须按设计位置施工确保对称无误,炮孔深度要逐个检查确保达到最小抵抗线的要求。
5.3定向爆破施工的技术非常成熟，但是受天气、施工人员素质、结构的真实强度、爆破区域的地质条件等很多不可控因素的影响较大，在爆破时难免会有极少飞石超出设计区域，所以在进行爆破警戒时，应根据现场允许条件尽量加大警戒区域，保证人员安全。
5.4垫土坝在设计上应使断面尺寸再加大，特别是最远端的三个土埂受到的冲击力{zd0}，土埂高度要大于3.5米，上口宽度应大于2.5米。
5.5爆破材料及引爆雷管均属于国家控制物资，在爆破施工过程中必须经过市公按局等行政部门的批准，手续比较烦琐，在施工前应先进行程序申请和操作，保证按期进行。
5.6在爆破倾倒区域有必要将地下各种生产、生活管线、电缆在爆破前过渡完。
可以讲通过此次定向爆破技术在钢筋混凝土烟囱拆除中的应用成功，标志着我们在应用技术上填补我公司一项空白，该技术在设计、应用上还需要在实践中继续不断提高、总结以满足工程建设需要。可以讲：对混凝土烟筒等高耸建筑物的拆除，采取定向爆破拆除的方法是值得推广的。
参考文献：
1、《爆破安全规程》 GB6722-86
2、《拆除爆破安全规程》 GB13533-92
3、 实用建筑施工工程师手册
4、天津大港电厂一期烟囱施工图纸 相关的主题文章：
大港发电厂一期建于1976年，采用燃油机组，本期工程将一期的燃油机组改造为燃煤机组，其中120m的烟筒需拆除、异地重建。此次须拆除烟囱的结构形式为钢筋混凝土筒体结构，高度为120.0M，底部外径13.2M，壁厚0.53M，顶部外径7.2M。该拆除烟囱是目前国内已拆除烟囱中具有高度{zg}，自重最重，体形{zd0}的特点。随着国内燃煤机组的改造，以及以大代小改造工程的实施，可以讲在国内近一时期类似烟筒等高耸混凝土建筑物的拆除工程会很多，为此有必要针对烟囱的拆除施工进行深入的研究与探讨。
2. 拆除方案的选择及确定
目前烟囱的拆除方法主要有：定向爆破拆除、定向无声破碎剂拆除、人工机械拆除，选择哪一种拆除方法更能满足现场的实际情况需经过技术上、经济上、安全上的科学论证。
2.1拆除方案比较
2.1.1人工拆除方法
在烟囱内部搭设操作平台，由上至下顺序拆除，沿烟囱上口周圈外侧搭设防护栏并安装密眼网，施工人员在烟囱内部搭设的平台上使用强力风镐进行拆除工作，混凝土碎块顺筒壁落下，裸露的钢筋切断后用卷扬机系下。地面沿烟囱周圈搭设防护墙阻挡落下碎块的飞溅。
施工对周边环境的要求
烟囱在拆除前必须搭设好防护墙，在拆除时任何人不得进入防护墙内同时在防护墙外的道路上还要设安全警戒线，禁止车辆人员进入。
2.1.2定向爆破拆除方法
定向爆破是应用xx爆掉烟囱预定部分混凝土组织，导致烟囱失稳将烟囱未爆区的钢筋拉断，使其沿着设计方向倾倒。在进行烟囱爆破的准备期间内其他建筑物的拆除工作可以继续进行，只是在爆破一瞬间其他拆除工作及人员全部撤出警戒区以外。
施工对周边环境的要求
烟囱爆破前的准备工作不影响其他拆除物的拆除，在倾倒安全警戒线以内的建筑物必须提前拆除完。
在爆破前{yt}将爆破区域内的易燃，易爆的液体，气体排空排净。爆破一瞬间所有人员全部撤出警戒区域以外。
2.2.3定向破碎剂拆除方法
破碎剂拆除是用轻型机械预先开凿出切口的大部分,只在倾倒中心线两侧留两个支撑柱,足够承载烟囱重量,{zh1}用破碎剂破坏两承重柱,使烟囱倾倒。
2.3方案比较及确定
2.3.1施工技术经济指标的比较
以上三种施工方案属于新技术方案与传统的方案进行比较，选择以下的技术、经济、安全指标进行综合比较。
施工方案评价指标比较表
施工方案
评价指标人工拆除方案定向爆破拆除无声破碎剂拆除备注
技术可行性人工风镐对钢筋混凝土的破碎，在施工中很常见，操作平台能够满足施工要求，在施工上是可行的。定向爆破拆除高耸建筑物是一项新技术，在理论上是成熟的，而且有很多成功的实例。广西合山电厂的120米钢筋混凝土烟囱爆破成功。定向无声破碎剂拆除方法适于60米以下的建筑物拆除，120米烟囱定向性不易控制。
工程工期及在总工期中的要求施工工期需要60天。筒壁爆破清运共需15天。与定向爆破拆除基本相当
成本降低率与爆破拆除比较降低11%成本设为1约为1
施工安全性施工人员多，周期长，滞留时间长，操作平台周转次数多，钢筋等回收拆除物需高空运送，筒壁破碎物，长时间影响环境。不便于安全防范。采用2#岩石硝酸铵xx不容易引爆，设计定向角度为允许倒塌范围角度的2倍，对环境只是瞬间影响，不安全因数集中，便于防范。烟囱倾倒对两根定向柱的强度依赖性比较强，混凝土破碎同步不易控制，所以定向性不能满足安全要求。
综合比较：爆破拆除作为新工艺在技术上与人工拆除均可行，在工程施工成本指标中，人工拆除比爆破拆除节省11%的费用，但是经济性指标中的劳动生产率，施工安全和效果指标（包括工程工期和劳动生产率），环境指标，定向爆破拆除方案较人工拆除方案优势明显。且能满足港电拆除工程进度的总网络。
2.3.2施工方案的确定
经过对以上三种方案的比较，我们选择了烟囱定向爆破拆除方案。
3. 爆破方案中对难点的控制解决
爆破方案中的关键难点是1：倾倒方向准确性控制。2：烟囱触地震动的控制。3：烟囱爆破飞石及触地飞溅物的控制。下面就这三点关键问题是如何控制解决的做简要论证。
3.1倾倒方向准确性控制：
当烟囱倾倒中心线确定后，控制烟囱倾倒准确的则是爆破切口和定向窗的如何选择。切口高度越高越有利于倾倒，定向窗有利于爆破倾倒的对称。根据烟囱结构、尺寸和相邻建筑物方位及距离，决定采用倒梯形爆破切口。切口长度不大于烟囱筒身外周长的0.6倍时倾倒方向比较准确。实际切口长度取烟囱外周长0.6倍，切口对应圆心角为216度，切口位置设置在0.5---2.6米高度处。烟囱2.6米高处的筒身外周长L为41.5米。故切口长度0.6L=24.9米。切口高度H取筒身厚度的4倍，即H=4*0.53=2.12米。见附图
定向窗位置及尺寸是利用烟囱原有一个门洞作为一个定向窗，在另一面对称位置开一个大小相同的洞作为另一个定向窗。对称布置三角形复式定向窗，三角形定向窗切口夹角为25度，中间为矩形切口窗。见附图
当起爆时矩形切口内的混凝土被爆掉，钢筋屈服烟囱失稳前倾，此时定向窗控制着烟囱按设计的倾倒中心线倾倒。
3.2烟囱触地震动的控制：
爆破拆除烟囱引起的地面震动包括：爆破直接产生的振动和烟囱倾倒触地引起的振动。大量观测表明触地引起的震动要远大于爆破直接产生的震动。所以在控制地震危害时特别重视烟囱倒地引起的震动。根据类似烟囱触地震动测试数据分析：在不采取防护措施的情况下，以震源为中心半径35米处地震烈度为V度。
经验公式评估烟囱爆破倾倒触地引起的地面震动：
V=0.08(I0.33/R)
按此公式核算，得到不同距离的震动速度评估值如下表：
不同距离的触地震动速度评估表
距离(m)10204070100120
震速(cm/s)4.242.121.060.610.420.21
一般情况下电厂厂房的允许震动速度为1cm/s，因此50米以外的发电厂房是安全的，对微波站也是安全的。
为了防止意外,减轻触地震动，在烟囱倾倒触地范围内及前沿每间隔15米堆土减震坝，土坝高3米，上口宽2米，垫埂垂直于倒塌轴线，垫埂的作用可迅速缓冲筒体触地速度，减轻爆破触地震动,在靠近办公楼一侧挖深2.0米,宽1.5米的隔震沟。这样采取隔震减震措施后可使地震等级控制在3级以内。见附图，同时在二期汽机房、电气楼、微波站、制氢站设置测震仪以掌握烟囱触地后造成的实际震动数据。
3.3烟囱爆破飞石及触地飞溅物的控制：
爆破飞石极易对建筑物、设备、人群造成伤害，我们采取具体的防护办法为：在爆破切口外围用两层草带、一层铁网、外加胶皮带将炮孔进行覆盖防护。烟囱周圈防护屏障全部由切口上部伸出的钢架悬挂。见附图、采取上述防护措施，能够保证把爆破飞石距离控制在10米之内。
烟囱触地时的巨大冲击力可造成破碎的混凝土块儿向周围飞溅，在防护上采取：1减震坝表面土要装入草带内，并适当浇水湿润。2利用倾倒中心线两侧待拆建筑物外墙暂时不拆做防护屏阻挡飞溅物。3无可利用处搭设防护架挂荆芭保护其后面设施。4安全警戒的距离为倾倒方向250米，两侧及反方向为150米。爆破时全体人员撤出警戒区以外。见附图
4. 爆破过程
2002-4-29日上午对场区内进行戒严，烟囱由专业的装药工进行装药，其他无关人员严禁入内。
下午3时，由大港电场保卫部、天津电建保卫部、天津市公安局组成的警戒组对警戒区域进行戒严，其他各小组人员就位。
3时25分，在指挥长听完各个副指挥长的报告后，宣布起爆进入十秒倒记时。
3时30分10秒，爆破组长用激发笔对爆破网路进行引爆。120米高的钢筋混凝土烟囱经过11秒的运动砰然倒地。
爆破完毕后，各测点测得数据如下：
1 烟囱实际倒塌角度比设计倾倒中心线允许偏差超出1.5度。（偏南）规范允许偏差为正负5度的范围内。
2 烟囱触地飞石飞溅距离范围基本在30米范围内，有一点混凝土碎块飞溅60米击中建筑物外墙。爆破飞溅及烟筒筒体触地飞溅均在150米的安全警戒区内。
3振动观测结果表明氢气站、微波塔质点振动速度约0.98cm/s，二期电气楼、汽机房质点振动速度约0.72cm/s，满足电厂安全生产控制在1.00cm/s的要求。同时满足国家安全规程的有关规定。
4 周围建筑物无异常情况，设备运行正常。
爆破完成后，经爆破小组对爆破区域进行检查,，确认没有危险后由指挥长宣布爆破成功，解除警戒。至此整个爆破过程结束，均在受控范围以内，各项指标控制良好。
5. 爆破方案制定及实施还需不断完善提高
5.1对计算过程进行xx核算，增大计算准确度，确保安全系数不小于设计值。
5.2严格控制施工过程，特别是开定向窗时必须按设计位置施工确保对称无误,炮孔深度要逐个检查确保达到最小抵抗线的要求。
5.3定向爆破施工的技术非常成熟，但是受天气、施工人员素质、结构的真实强度、爆破区域的地质条件等很多不可控因素的影响较大，在爆破时难免会有极少飞石超出设计区域，所以在进行爆破警戒时，应根据现场允许条件尽量加大警戒区域，保证人员安全。
5.4垫土坝在设计上应使断面尺寸再加大，特别是最远端的三个土埂受到的冲击力{zd0}，土埂高度要大于3.5米，上口宽度应大于2.5米。
5.5爆破材料及引爆雷管均属于国家控制物资，在爆破施工过程中必须经过市公按局等行政部门的批准，手续比较烦琐，在施工前应先进行程序申请和操作，保证按期进行。
5.6在爆破倾倒区域有必要将地下各种生产、生活管线、电缆在爆破前过渡完。
可以讲通过此次定向爆破技术在钢筋混凝土烟囱拆除中的应用成功，标志着我们在应用技术上填补我公司一项空白，该技术在设计、应用上还需要在实践中继续不断提高、总结以满足工程建设需要。可以讲：对混凝土烟筒等高耸建筑物的拆除，采取定向爆破拆除的方法是值得推广的。
参考文献：
1、《爆破安全规程》 GB6722-86
2、《拆除爆破安全规程》 GB13533-92
3、 实用建筑施工工程师手册
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