电厂发电机组厂房及高150m烟囱定向爆破拆除
檀纯锦，黄跃，汪浩
(上海同济365体育有限公司，上海200092)
摘 要：介绍了复杂环境下电厂发电机组厂房及高1 50m烟囱定向爆破拆除。通过预处理发电机组厂房爆破切口、割断立柱部分钢筋、保留后排立柱墙体作为烟囱爆破触地防冲墙，以及对烟囱爆破切口有针对性地抬高，割断烟囱支撑中心部位钢筋等措施．取得了良好的爆破效果。
关键词：厂房；烟囱；爆破拆除；方案设计；安全防护
1 工程概况
本工程爆破拆除的有1座150m高烟囱、1幢发电机组厂房，均位于马鞍山发电厂厂区内。高150m烟囱为钢筋混凝土结构，发电机组厂房由锅炉房、除氧煤仓、主厂房3部分组成，建筑面积约12000m2。由于烟囱四周无爆破倒塌场地，必须先拆除发电机组厂房为烟囱爆破腾出倒塌场地。总体爆破分2次进行，对发电机组厂房先进行爆破拆除，待建筑垃圾清理完毕再对烟囱进行爆破(现场平面图见图1)。
1．1环境特点
发电机组主厂房距离东侧电缆桥架设施18m、主控室20m，距离11#、12#主变压器30m；距离南侧修理房36m；距离北侧油库房20m、铁路最近60m。烟囱距离东侧电缆桥架设施168m；烟囱边缘距离西侧最近保留厂房设施15m，距离南侧制暖室55m；距离北侧培训中心房屋约5lm、铁路1lOm。
周边重点保护对象：拆除区域外东侧电缆桥架、主控室、11#、12#主变压器、开关站。主控室内电力控制设施元件较多，继电器对振动非常敏感，振动超过0．5cm／s便会跳闸，这对烟囱触地振动提出了挑战性的要求，难度很大。
整个工程环境相当复杂，关键是主变压器、主控室和华东电网联网，爆破时不能停电要保持正常运行，因此严格控制爆破振动有相当的难度。
1．2结构特点
(1)锅炉房整体结构长88m、宽36m，装配式结构，锅炉房主体由2座高49．26m的锅炉房组成，二者之间为高度10m的操作间。锅炉房立柱截面0．7m×1．7m，主筋22φ28、箍筋声φ10@300。
(2)除氧煤仓长88m、宽15m、高38．4m，框架结构。立柱截面0．6m×1．5m，主筋16φ32、箍筋φ8@300。立柱南北12轴，东西2轴。
(3)主厂房两侧与除氧煤仓共一排立柱，主厂房厂 88m、宽41m、高28m，排架结构，主厂房内部为发电机座，顶部为钢屋梁屋面。立柱截面0．6m×1．5m，主筋16φ32，箍筋φ8@300；东侧立柱截面 0.6×1．2m，主筋16φ25、箍筋φ8@300。立柱南北l 2轴，东西2轴。
(4)高1 50m烟囱为钢筋混凝土筒体结构，底部±0．00m处外半径7．08m、壁厚450mm；顶部外半径2．90m、壁厚230mm。烟囱隔热层宽度为50mm．内衬为240mm厚耐火砖。烟道口南北对称，高5．6m、宽3．4m，烟道下底标高+8．10m；出灰口位于东侧标高±0．00m处，高3．0m、宽1．5m。在烟囱标高+16．00m处筒身外半径6．3m、壁厚40()mm，外侧主筋为φ16@76、内侧主筋为φ12@93、环向钢筋为φ16@175。烟囱混凝土总方量l178m3，内衬为183m3，总重约为3311t。标高+l 6．00m以上烟囱混凝土方量887m3．内衬1 64m3，总重约2545t。
2 发电机组厂房爆破设计
2．1 发电机组厂房倒塌方案
发电机组厂房由锅炉房、除氧煤仓、主厂房3部分组成，根据厂房周边环境特点，只有西侧与烟囱之间有倒塌的场地，通过延时控制3个单体向西一次性定向倾倒的爆破方案。主厂房为排架结构、钢屋架屋顶，且与前面除氧煤仓共柱，如果主厂房后排立柱在底部炸切口，对倒塌会产生不利影响。综合考虑，主厂房后排立柱取在高12m位置做1个爆破l三角口，这样可以保证主厂房顺利倒塌，同时由于烟囱倒塌前方的电缆桥架、主变压器、主控室距离极近，保留的下部12m立柱和墙体，形成一道有力屏障，能够很好地作为后期烟囱爆破的防冲墙。
2．2爆破切口高度
根据最小炸高公式和实践经验，为确保钢筋混凝土框架结构建筑顺利倒塌，其承重立柱的爆破破坏高度可按以下公式确定：
H =K (B +Hmin )
式中：H为立柱炸高，m；B为立柱截面最大边长，m；K为经验系数，K=1．5～2．0；Hmin为保证失稳的最小炸高，可近似取12．5d(d为立柱竖向钢筋的直径，m)。
锅炉房钢筋混凝土立柱截面尺寸为700mm×1700mm，竖向钢筋直径d=28mm，计算得H=4．1m；除氧煤仓钢筋混凝土立柱截面尺寸为600mm×1 500mm，竖向钢筋直径d=32mm，计算得H=3．8m。为了使先倾倒的锅炉房倒塌彻底，不影响后爆破的除氧煤仓倾倒，锅炉房设计为梯形爆破切口，爆破1、2层立柱。除氧煤仓设计为三角形爆破切口。实际炸高取值：①轴、②轴和④轴的1、2层各取5m；③轴、⑤轴和⑥轴各取5m；⑧轴1层取5m、2层取3m；⑦轴和⑨轴各取1m；⑩轴立柱在12m位置设计成直角边为O．6m的三角形切口，爆破时形成铰链。发电机组厂房爆破切口示意图如图2所示。
2．3特殊部位预处理
对锅炉房、除氧煤仓内部涉及到的爆破楼层所有墙体，爆前进行预拆除，对所有截面700mm×1700mm，600mm×l 500mm立柱底部短边一侧的钢筋剥出割断。主厂房内部机组基座爆前进行机械拆除，割断后排10轴立柱短边爆破一侧的钢筋。
2．4发电机组厂房爆破参数
(1)钻孔直径及方向：所有立柱采用水平钻孔，钻孔直径42mm。
(2)最小抵抗线W：由于立柱截面长宽比较大，钻孔部位取立柱长边一面，根据立柱截面尺寸，钻孔布置2～5排孔，确定最小抵抗线的基本原则是药包各方向约束阻力基本均衡。
(3)孔深L=(3／5～2／3)B，其中B为立柱短边长度。
(4)孔距a=(1．0～2．0)W，为配合药包各方向约束阻力均衡，部分立柱孔距有微量调整。
(5)排距b：立柱长宽比较大，需布置多排炮孔，炮孔排距视立柱截面尺寸和最小抵抗线配套确定。
(6)炸药单耗K(乳化炸药)：确定炸药单耗基本原则是确保底层立柱炸毁高度内混凝土炸出钢筋笼，二层立柱炸药单耗降低20％～30％，降低防护难度和控制爆破飞石。本次不同截面立柱，K取值范围600～1100g／m3。
(7)单孔药量q=KaBH／n，其中K为炸药单耗，a为炮孔孔距，B为立柱截面宽度，H为立柱截面长度，n为布孔排数。
发电机组厂房各单体爆破参数如表1所示。
2．5起爆网路
锅炉房设为第1爆区，采用孔内毫秒延时：①轴1层MS2段、2层MS4段；②轴1层MS4段、2层MS6段；③轴MS6段；④轴1层．MS6段、2层MS8段；⑤轴MS8段；⑥、⑦轴．MS10段。
除氧煤仓和主厂房设为第2爆区，采朋孔内半秒延时：⑧轴1层HS2段，2层HS3段；⑨轴HS3段；⑩轴HS3段。
孔外通过四通将所有立柱及楼层的孔内延时雷管连接成闭合复式网路，第1、2爆区采用延时一次爆破。
3 高150m烟囱爆破设计
3．1烟囱倒塌方案
根据本工程周围环境情况，烟囱东侧先前爆破的发电机组厂房区域，可利用的空地仅168m，如果烟囱在底部设置切口，前端触地点过于靠近主变压器、主控室，一旦发生前冲将造成严重事故，所以设计中将发电机组主厂房最后排保留一堵墙作为烟囱触地的防冲墙。烟囱距离防冲墙150m，烟囱自身在距离地面8．1m处有一南北对称的烟道口，烟道高5．6m。综合以上因素，烟囱爆破采用单切口，设计在距地面标高16m处，倒塌方向为向东倾倒。切口位置抬高后烟囱头部落点位置距离防冲墙16m，触地的二次飞溅能有效地控制在防冲墙以内，与主变压器设施距离加大，触地振动影响减小。
3．2烟囱预处理
(1)烟囱倒向背部支撑区的弱化处理：在烟囱标高+16m处，对其倒向背部支撑区垂直倒向中心线的两侧，对称地剔露出2m范围的外层主筋，并在爆前全部割断。
(2)内衬耐火砖隔墙的处理：对烟囱爆破切口部位的耐火砖隔墙进行了人工预拆除，定位窗两侧内衬各保留3个高1m、宽O．8m的支撑点，保证内衬的稳定性，每个支撑点在筒壁和内衬之间的缝隙内环向装药600g，与烟囱外筒壁爆破切口同时起爆。
3．3切口位置及形状
根据现场环境和烟囱下部结构情况，确定烟囱爆破切口抬高到地面标高+16m处。爆破切口选为双梯形叠加形状。
3．4切口对应圆心角及高度
爆破切口角度一般选为200°～240°。考虑到切口角度越大，切口越长，爆破后倾覆力矩就越大，烟囱倾转启动速度会加快，往往因后部支撑能力较差易破坏而迅速发生后坐。过早的下坐将导致烟囱倾倒偏斜或其他难以预料的意外事故，因此爆破切口角要考虑后部支撑面积的大小，确保后部支撑强度；但爆破切口角也不能过小，倾覆力矩太小又会减弱了烟囱定向倒塌的可靠性。根据理论估箅与高烟囱爆破的实践经验，本次爆破切口角设计为Ø=216°，即为整个周长的60％；爆破切口高度取2．8m。
3．5切口定位窗及定向窗
本次爆破的烟囱质量较大，切口角尖端应力集中将直接导致尖端发生剪切或压碎破坏。定向窗夹角越大，尖端应力集中影响范围越大，剪切破坏区也越大，而且最大剪应力越高，越容易发生后坐。根据大量工程实践，本工程定向窗夹角取25。、其开凿长度取1．5m；定位窗设于切口中心，宽2m、高2．8m。
烟囱爆破切口展开图见图3，爆破区域剖面图如图4
3．6 爆破参数
爆破切口底部烟囱筒体直径12．6m，壁厚Ó=0．4m，切口总长23．74m，切口高2．8m。
(1)最小抵抗线W取切口处烟囱壁厚的一半，即W=200mm；
(2)孔深L=(0．65～0．70)Ó，取280mm；
(3)孔距a=(1．2～2．O)W，取400mm；
(4)排距b= (0．6～0．9)a，取350mm；
(5)乳化炸药单耗K取1800g／m3；
(6)单孔药量q=KabÓ=100．8g，实取100g；
(7)布孔方式采用梅花形布孔。
3．7起爆网路
为减小爆破振动效应，烟囱分两段起爆，孔内使用MS2和MS4段雷管，MS2段雷管对称布置在靠近定位窗部位炮孔， MS4段雷管对称布置在靠近定向窗部位炮孔。所有孔内延时雷管采用孔外双发瞬发雷管绑扎，最后用四通连接成闭合复试网路。
4安全防护措施
4．1防飞石措施
(1)烟囱、发电机组厂房爆破时在爆破部位搭没防护架，外包3层防护覆盖：第1层为麻袋，第2、3层为竹笆，用铁丝绑扎牢固。
(2)保证炮孔的填塞长度和填塞质量，严格控制装药量。
(3)南北两侧临近爆破区域厂房所有窗户以及靠近主变压器位置用竹笆进行封闭，外挂帆布保护。
4．2减振措施
(1)减振垫层：在烟囱倒塌方向，距烟囱50～110m处铺设3道长度为1 5～20m、底部宽度为3m、高度为2m的土堤，使其垂直于倾倒轴线，间隔为30m；土堤上铺设竹笆并用铁丝捆绑后覆盖帆布，减小和缓冲烟囱塌落振动，防止烟囱触地时引起的碎块飞溅。
(2)减振沟：在11#、12#主变压器西侧，发电机组主厂房保留的防冲墙一侧，开挖1条长80m、上口宽2m、深2m的减振沟。
5爆破安全校核
5．1爆破振动
根据国家《爆破安全规程》(GB6722—2003)，爆破振动公式：
式中：Q为允许的最大一次齐爆药量，kg；R为保护目标到炸点中心的距离，v为质点振动速度， cm／s；K与a分别为与爆破地质、地形有关的爆破地震波传播系数和衰减指数。
除氧煤仓爆炸中心到东侧11#、12#变压器最近距离R=71m，最大一次齐爆药量Q=58kg，K取50、a取2，经计算得v=O．1 5cm/s
主厂房后排立柱到东侧ll#、12#主变压器最近距离R= 30m，最大一次齐爆药量Q=6．5kg，K取50，a取2，经计算得v=O．19㎝/s。
烟囱爆炸中心到保护对象保留厂房最近的距离R=15m，最大一次齐爆药最Q=20kg．经计算得v=1.6cm/s。
5．2塌落触地振动
塌落振动速度公式【4】：
Vt=Kt[R／(M·g·H／Ó)1/3]ß
式中：vt为塌落引起的地面振动速度，cm/s；M为下落构件的质量，t；g为重力加速度，m／s2；H为构件中心高度，m；Ó为地面介质的破坏强度，MPa，取10MPa；R为观测点至冲击地面中心的距离，m；Kt取3．37，ß取一1．80。
除氧煤仓总重为3100t；塌落冲击中心至11#、12#主变压器距离R为90m，重心落高为H=19m；塌落振动速度为0．68cm/s(无减振措施状念下)。
150m高烟囱切口上部的总重为2545t，塌落冲击中心距ll#主变压器80m；质心落高55m，烟囱塌落振动速度为1．42cm／s(无减振措施状念下)。
爆破安全规程振动控制标准：对一般砖瓦房建筑为2～3cm/s，本次爆破对于周边的建筑及设施是安全的。但考虑到本次爆破对主控室电力设备振动要求振速0．5cm/s以下，为确保电厂设备的运行安全，采用减振垫层、减振沟减振措施，可以将爆破振动降到无减振措施计算值的1/3～1/4。
6爆破效果与分析
发电机组厂房与烟囱，先后两次爆破均达到设计要求。发电机组厂房爆破3个单体倒塌顺利，爆堆较低，主厂房保留的最后排立柱和墙体，在爆破后没有丝毫损坏，提高了后期烟囱爆破的安全可靠性。烟囱爆破倒塌方向与设计完全吻合，没有出现偏差，烟囱头部落点位置在预定设计范围内，爆破效果比较理想。这两次爆破电厂2台主变压器都没有停电，爆后没有出现跳闸断电现象。由于烟囱自身结构年代久远，筒体混凝土老化，在倒塌过程中，下部保留的支撑筒体在受压、受拉作用力下出现溃塌。通过以上两次爆破，我们总结了以下几点体会：
(1)发电机组厂房内部立柱长宽比截面较大，且钢筋比较密集，适当割断处理部分竖向主筋，能够保证爆破顺利倒塌。
(2)保留主厂房后排下部12m立柱和墙体，作为烟囱爆破触地的防冲墙，对于大体量、多单体分次365体育有指导借鉴意义。
(3)对年代久远结构老化的钢筋混凝土高烟囱爆破，割断处理烟囱支撑中心部位的部分外侧主筋，释放支撑部位后部的拉力作用，能够提高烟囱定向的准确度。
参考文献：
[1]汪旭光．爆破手册[M]．北京：冶金工业出版社，2010．
[2]于亚伦．工程爆破理论与技术[M]．北京：冶金工业出版社，2009．
[3]刘殿中．工程爆破实用手册[M]．北京：冶金工业出版社，1999．
[4]周家汉．爆破拆除塌落振动速度计算公式的讨论[J]．工程爆破，2009，26(1)：1—4．
[5]杨年华．百米以上钢筋混凝土烟囱定向爆破拆除技术[J]．工程爆破，2004，lO(4)：26—30．
[6]张厚科．铜陵110m高烟囱和120m高烟囱爆破拆除[J]．爆破，2008，25(4)：48—52．
[7]中华人民共和国标准．爆破安全规程(GB6722-2003)[S]．北京：中国标准出版，2004．
摘自《工程爆破》