钢筋混凝土烟囱折叠爆破拆除方法

摘要

本发明公开了一种钢筋混凝土烟囱拆叠爆破拆除方法，它至少包括以下步骤：在烟囱外壁上设定至少两个高度不同的切口区；在切口区打眼；在切口区开定向窗；装药、联线、起爆；其中，位于下方的切口区的起爆时间应同时满足以下条件：(1)滞后于位于其上方的切口区的起爆时间；(2)在与其相邻的上方切口区的烟囱上段倾倒2°以上之后起爆；(3)早于烟囱开始下坐的时间；另外，当烟囱上设有两个高度不同且方向相反的切口区时，下方切口区的起爆时间还应早于与其相邻的上方切口区起爆后所形成的切口的闭合时间。本发明的优点是：定向准确，适用于周边环境复杂、倒塌范围有限的爆破拆除作业；特别适用于高和超高的钢筋混凝土烟囱的爆破拆除。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢筋混凝土烟囱的爆破拆除方法，特别是涉及一种钢筋混凝土烟囱的折叠爆破拆除方法。

背景技术

现有技术中，烟囱的拆除大多采用定向倾倒的爆破方法，这种方法主要是在烟囱的底部开一个定向切口，将切口区域炸碎后，烟囱便在其自重产生的失稳力矩作用下按切口圆心角中轴线的设计倾倒方向倾倒。采用此方法拆除烟囱，能将烟囱的倒塌方向比较准确地控制在预先设定的夹角范围之内，但是其长度范围却至少要与烟囱切口以上高度相当，因此这种方法只能适用于一些高度较低的砖烟囱(一般为40m以下)。为了减小倒塌的长度范围，目前的技术是在烟囱体的烟道附近开一个切口、在烟囱体的中部开另一个切口，进行折叠爆破，但这种单凭经验的方法只能适用于砖烟囱，而不适用于高度更高、重量更重的钢筋混凝土烟囱，其原因是：(1)砖烟囱的材质是砖，而且其高度一般不超60m，其下切口以上部分的重量较轻，下切口部分基座不容易被其上段压塌，而钢筋混凝土烟囱的设计高度一般会超过60m，而且大多是百米以上的高烟囱，还有部分是接近三百米的超高烟囱，由于这些高烟囱或超高烟囱的拆除要求倾倒方向准确，而它们却拥有巨大的重量，往往使切口端的钢筋混凝土不能同时并且平衡地被破坏，并且由于其有两个以上的切口提供转动铰，使得其倾倒方向必然是难以准确控制的，往往会与设计倾倒方向发生较为严重偏离，以至爆破失败，甚至发生安全事故；(2)上述方法中，对于确定合理的下切口爆破延迟时间等参数往往只凭经验来确定，因此误差较大，准确性也较低，对于精度要求更高、难度更大的钢筋混凝土烟囱的爆破拆除来说，这种只凭经验来确定的方法显然不够科学，而且也难以达到预定的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能准确控制倒塌方向，并且能减小倒塌长度范围的钢筋混凝土烟囱拆叠爆破拆除方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明的一种钢筋混凝土烟囱拆叠爆破拆除方法，在烟囱外壁上设定至少两个高度不同的切口区；在切口区打眼；在切口区开定向窗；装药、联线、起爆；其中，位于下方的切口区的起爆时间应同时满足：(1)滞后于位于其上方的切口区的起爆时间；(2)在与其相邻的上方切口区的烟囱上段倾倒2°以上之后起爆；(3)早于烟囱开始下坐的时间；另外，当烟囱上设有两个高度不同且方向相反的切口区时，下方切口区的起爆时间还应早于与其相邻的上方切口区起爆后所形成的切口的闭合时间。当上方切口区起爆后，上方切口形成，该上方切口的上段以与该上方切口区对应的保留部分为铰点，将按设计方向倒塌；上方切口形成后、烟囱开始下坐之前，与上方切口相邻的下方切口区起爆，下方切口形成，该上方切口的下段以与该下方切口区对应的保留部分为支点，按设计方向倒塌，当所有切口区起爆后，烟囱完全倒塌，其倒塌范围的误差不超过±5°。

所述的位于下方的切口区的起爆时间应符合根据变拓朴多刚体系统动力学原理，利用动力学的二阶常微分方程组对烟囱折叠倾倒进行的数值模拟。

本发明可作以下的改进，爆破时，位于下方的切口区滞后其相邻的上方切口区0～10s起爆，较好是滞后1～10s起爆，最好是滞后2～10s起爆，这样能更为准确地控制烟囱的倾倒方向，并确保成功折叠。

下方切口区滞后于与其相邻的上方切口区爆破的时间应符合根据变拓朴多刚体系统动力学原理，利用动力学的二阶常微分方程组对烟囱折叠倾倒进行的数值模拟。

为防止钢筋混凝土烟囱在极大的自重压力下，将其各切口区的上方段和/或下方段整体剪切压垮，而造成烟囱上方段因缺少支撑发生倒向偏离，甚至不能折叠倒塌的危险，以及防止位于上方的切口区的下段被压垮后位于其下方的切口区的炮孔由此可能形成的盲炮事故，本发明还具有对各相邻切口区的下段和/或上段进行加固的步骤，加固量应在设计载荷下满足莫尔强度，并留有1.5～2的安全系数。

所述的对烟囱各相邻切口区的下段和/或上段进行加固的步骤，是在烟囱各相邻切口区上方和/或下方的易于整体压剪段用一层以上厚3～6mm，宽1.2m以上的钢板，紧箍烟囱外壁。

为便于上切口区的施工，本发明可增加搭设施工平台步骤，施工平台的高度略低于其对应作业的切口区的底部高度，它们的高度之差应小于2m。

本发明可作进一步的改进，在烟囱外壁上设定高度不同的切口区的步骤中，位于最下方切口区上方的切口区的形状为梯形或三角形，最好是底角为15°～30°的等边梯形，所述切口区的下部定在从地面起算烟囱高度的1/6～3/4处，其高度约1.2m～3.5m，对应圆心角为200°～230°左右；最下方切口区形状为梯形或三角形，最好是底角为20°～45°的包含了烟囱出灰口的等边梯形，其下部位于从地面起算的0m～5m处，切口区的高度约2m～6m，外周长约为烟囱底部外周长的1/2～2/3，这样可以更为准确地控制烟囱倾倒的角度。

各切口区的方向可以相同，也可以不同，这应根据作业环境具体设定。

本发明还可作更进一步的改进，在开定向窗步骤中，定向窗呈唇形或直角三角形状，其边缘尽量平滑地分别开在切口区内切口区的左右两侧，其宽为切口宽的1/8～1/7左右，高为切口高的1/4～1/2左右，以使烟囱倾倒角度的控制更为精确。

由于需要爆破拆除的烟囱一般都使用了少则十数年，多则数十年，通常风化、老化、受腐蚀等的情况会比较严重，有的还有破损、倾斜甚至结构改变等情况发生，因此在爆破拆除时，往往难以比较准确地计算爆破需要使用的炸药量(一般是炸药量越少越好)，为解决炸药量的准确计算问题，本发明还包括在切口区开中间窗步骤和中间窗试爆步骤，通过试爆采集的数据，可更精确地计算出爆破烟囱所需的炸药，另外，经过试爆，也可以在保持烟囱有足够稳定性的前提初步破坏其结构，使对烟囱实施的最后爆破的炸药使用量得以减少，提高了爆破的安全性，同时也提高了爆破的成功率。

位于上方的切口区内的中间窗开在该切口区的中间部分，其宽为其所在切口区宽的1/7～1/6左右，高与其所在切口区等高；位于最下方的切口区的中间窗开在该切口区的中间部分，同时包含烟道口。

由于钢筋混凝土烟囱的结构中包含了许多钢筋，烟囱倾倒时切口破坏为大偏心受压的混凝土提前脆性压坏，为了改变为钢筋的延性拉断，延缓减轻混凝土的受压，从而促使倒向精准，本发明的方法还包括切割切口区范围外的预留支承部位的部分外立筋步骤。

上述的开定向窗步骤、开中间窗步骤和切割外立筋步骤，均应满足烟囱施工期在一切外载荷组合条件下的稳定性。

为提高爆破拆除的各种安全系数，在搭设工作平台时及起爆前和烟囱倒塌着地后，还应根据施工环境的实际情况采取各种必要的防护措施步骤，例如：实施安全措施、防尘措施、防噪音措施和爆破的警戒措施等步骤。

本发明方法中的倒塌方向可按实际施工的周边环境条件来设定；切口位置、切口区尺寸、定向窗位置和尺寸、中间窗的位置和尺寸、稳定性校核、爆破参数、相邻切口区之间爆破的时间差、采取安全防护措施的区域大小及其防护设施设计参数等的各种数值都可通过科学的数学运算来检验其安全及可靠性。本发明采取了位于下方的切口区相对于位于其相邻上方的切口区爆破延迟，以及加固烟囱各切口区的上方段和下方段的措施，这些措施的选择依据为：

1、确定合理的位于下方的切口区爆破延迟时间t₁(s)：

钢筋混凝土高烟囱，在极大自重压力下，切口端混凝土往往易被压坏。而左右切口端的这种压坏总是不平衡的，因此下方切口区爆破延迟时间t₁越短，烟囱相邻切口区的上段倾倒就越易偏离设计线，而t₁越长，其偏离倾倒的可能就越小。但是t₁若大于单独倾倒时与其相邻的上切口闭合的时间[t₂]，则切口闭合后，该相邻切口区的上、下段牵拉钢筋基本拉断，下方切口区才爆破，与其相邻的上切口区的上段极易从该上切口区的下段顶脱落掉下，而难于实现双向折叠倾倒，因此，必须t₁＜[t₂]，才能确保烟囱向设计方向倾倒。并且，如果烟囱强度较低，烟囱相邻切口区的上段和下段，在高烟囱极大的自重压力下，也可能因烟囱的下座被整体剪切压垮，因此这时t₁还应早于烟囱开始下座的时间[t₃]，即t₁＜[t₃]，才能较好地实现折叠倾倒。为了计算确定[t₂]和[t₃]，可根据变拓朴多刚体系统动力学，利用动力学的二阶常微分方程组对烟囱折叠倾倒进行数值模拟。该倾倒动力方程为：

J_b2(d²/dt²)+m₂r_b2·l₁cos(-ψ)(d²ψ/dt²)+m₂r_b2·l₁sin(-ψ)(dψ/dt)²＝m₂·g·r_b2sin-m_p2

                                                                                  (1)

m₂r_b2l₁cos(-ψ)(d²/dt²)+(J_a1+m₂·l₁²)(d²ψ/dt²)-m₂r_b2l₁sin(-ψ)(d/dt)²＝m_p1+m_p2+m₂gl₁sinψ+m₁g·r_a1·sin(ψ+ψ_a)                                (2)

式中：m₁为相邻下段烟囱质量，10³kg；m₂为上段烟囱质量，10³kg；r_a1为相邻下段烟囱重心对支点A的距离，m；r_b2为上段烟囱重心到铰点B的距离，m；J_a1为相邻下段烟囱对支点A的转动惯量，10³kg-m²；J_b2为上段烟囱对铰点B的转动惯量，10³kg-m²；m_p1为相邻下切口断面受拉钢筋拉力对受压中心的弯矩，KN-m，顺时针为正，反时针为负；m_p2为上切口断面受拉钢筋拉力对受压中心的弯矩，KN-m；l₁为相邻下段烟囱下支点A到B上铰点的距离，m；为上段烟囱瞬时重心径线倾倒角，R°；ψ为相邻下段烟囱AB线瞬时倾倒角，R°；ψ_a为相邻下段烟囱重心径线与AB线夹角，以AB为起矢，反时针为正，顺时针为负，R°；g为重力加速度，9.81m/s²。

当上切口爆破烟囱上段单独倾倒时，(1)式简化为

J_b2(d²/dt²)＝m₂gr_b2sin-m_p2                          (3)

初始条件：(0)＝₀，’(0)＝0

式中：₀为上切口爆破时，烟囱上段初始倾倒径线倾角，R°；由此可数值模拟计算出上述单独倾倒上切口闭合的时间[t₂]，必须t₁＜[t₂]，并且为减少上段倾倒偏离设计的风险，最好是t₁＞2S，₂＞3°，式中：₂为相邻下切口爆破时，烟囱上段瞬时径线倾角，R°。

当相邻下切口区爆破、上切口闭合和相邻下切口闭合，烟囱上段、相邻下段的倾倒拓朴构型都应变化，并按当时的和ψ角，’和ψ’建立初始条件，继续数值模拟。

2、加固烟囱相邻切口区的上段和下段：

钢筋混凝土高烟囱在极大的自重压力下，往往将烟囱相邻切口区的下段整体剪切压塌。因此不但所述上段因缺少支撑，倒向偏离，而且也不可能折叠倒塌。所述下段压垮后，位于其下方切口区的炮孔还由此易于形成盲炮事故。本发明实施了在烟囱相邻切口区的上段和下段加固措施，即在烟囱相邻切口区的上段的下部和烟囱相邻切口区的下段的上部，易于整体压剪段，用3～6mm厚，1.2m以上宽的一层以上的钢板，紧箍烟囱外壁，钢板用量按上述(1)、(2)式数值模拟出，再计算相邻切口区的下段顶B点支撑径向反力N和切向反力R。

其中，B支座径向反力为：

N＝P(cos-(2m₂r_b2²/J_b2)(cos₀-cos)+(2m_p2/J_b2)(₀-)

B支座切向反力为：

R＝P(l-(m₂r_b2²/J_b2)sin+(m_p2·r_b2/J_b2)·m₂

则：竖直向反力为：N_h＝N·cos+R·sin

水平向反力为：R_h＝N·sin-R·cos

上述加固设计应在设计载荷N、R(或包括N_h、R_h)作用下满足莫尔强度，并留有1.5～2的安全系数。

如果烟囱相邻切口区的上段不能按设计加固，因而不能根除所述上段整体下座的发生，因而只能延迟该下座的时间，这时就应该以下座时不满足莫尔强度的角，再解算上述(1)、(2)式方程，计算出[t₃]值，必须t₁＜[t₃]。

本发明具有以下优点：(1)采用位于下方的切口区相对于位于其相邻上方的切口区爆破延迟的措施，使倾倒方向更为精确；(2)采用了加固烟囱相邻切口区的上、下段的措施，防止了烟囱上段因缺少支撑而发生的倒向偏离，同时保证了折叠倒塌的实现；(3)采用在烟囱体上设至少两个不同高度的切口区，用爆破的方法让切口形成，其余的部份在自然破坏的过程中支承着它的上部自然倒塌的折叠爆破方法，最下方切口区以上的切口区的位置远离烟道口，排除了烟囱底部烟道口、出灰口等结构不对称这些不利因素，定向准确，误差一般在计算设计倒塌角度的±5°之间，最小误差可达小于1°的水平；(4)可适用于各种作业环境，特别适用于周边环境复杂、倒塌范围有限的爆破作业；(5)可适用于各种高度及材质的烟囱的爆破拆除，特别适合于钢筋混凝土烟囱的爆破拆除；(6)工程造价适中；(7)使用范围广，只要是高耸建筑物(水塔、16层以上剪力墙结构、筒中筒结构等)都可采用此种爆破方法进行定向拆除。

附图说明

图1是本发明的方法实施例之一中的烟囱折叠爆破切口位置示意图；

图2是图1中的上切口区展开放大示意图；

图3是图1中的下切口区展开放大示意图；

图4是本发明的实施例之一的施工流程图；

图5是本发明的实施例之一的烟囱倾倒运动图；

图6是本发明的实施例之二的烟囱倾倒运动图；

图7是本发明的实施例之三的烟囱倾倒运动图；

图8是本发明的实施例之四的烟囱倾倒运动图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

图1～图5所示是本发明的实施例一：本实施例是以一条高150m的整体现浇钢筋混凝土筒体结构的烟囱为实施对象，该烟囱底部外直径11.66m，壁厚400mm；顶部外径6.54m，壁厚150mm，混凝土标号300^#，混凝土体积1053.47m³，粒状炉渣隔热层112m³，红砖内衬454.4m³，整体重量3400t。爆破方案是选择在烟囱+30.00m和+0.6m处各开一个切口，双向折叠倒塌，+30.0m以上的烟囱向北东59°方向倒塌，+30.0m以下烟囱向西方偏南31°向倒塌。

本实施例具体包括以下步骤：搭设施工平台；在烟囱外壁上设定一个上切口区1和一个下切口区2；在上切口区1和下切口区2打眼；在上切口区1开上定向窗3；在下切口区2开包含有出灰口的8下定向窗4；在上切口区1开上中间窗5；在下切口区2与烟道口区7开下中间窗6；切割切口区范围外的预留支承部位的部分外立筋；对上切口区1以下的烟囱下段用一层厚度为3mm，宽度为1.2m的钢板紧箍烟囱外壁进行加固；实施安全防护措施；上、下中间窗5、6试爆；装药、联线、起爆；其中上切口区1的爆破切口数据为：

1).上切口区结构尺寸：+30.0m处：壁厚0.30m，外半径5.08m，内半径4.78m；外周长31.9m，单层钢筋网布置在筒体外侧，竖筋φ20@165，环筋φ18@200；耐火砖内衬厚0.12m，与筒内壁混凝土间隙0.05m。

2).上切口区以上重量：上切口区以上烟囱钢筋混凝土体积597.36m³，耐火砖体积320.6m³，总重量1978.7t。

3).上切口区形状：唇形，底角20°

4).上切口区高度：2.0m

5).尺寸：

上切口区对应圆心角α＝210°

梯形下底长L＝210°/360°×5.08×2×3.14＝18.6m

上底长S＝11.67m

另外，分别在上切口区内的左右两侧各开一个上定向窗，在上切口区中央开设一个上中间窗。上定向窗是斜边为内弧的直角三角形，宽2.5m，高1.5m。

中间窗宽3.0m，高2.5m。

炮孔参数为：

孔距          a＝0.25m

排距          b＝0.25m

孔深          L＝0.20m

炸药单耗K＝3600g/m³

单孔药量q＝67g

共计炮孔353个

药量23.65kg

下切口区的爆破切口数据为：

1)下切口区尺寸：0.6m处：壁厚0.40m，外半径5.76m，内半径5.36m；外周长36.17m。

2)布筋情况：双层钢筋网，外层钢筋网：竖筋φ25@180，环筋φ20@200。内层钢筋网：竖筋φ18@260，环筋φ14@200。

3)下切口区形状：正梯形，梯形底角45.5°。该下切口区包含烟囱的出灰口和烟道口。

4)下切口区高度：4.8m

5)尺寸：下切口区对应圆心角α＝230°

        梯形下底长L＝230°/360°×11.52×3.14＝23.34m

        上底长S＝13.9m

另外，分别在下切口区内的左右两侧各开一个下定向窗，在下切口区中央开设一个下中间窗。下定向窗为直角三角形。北侧下定向窗宽1.64m，南侧下定向窗2.0m，下中间窗宽3.46m，高4.8m，加上烟道口高7.5m，下中间窗高达11.9m。

爆破参数为：

孔距               a＝0.30m

排距               b＝0.30m

孔深               L＝0.25m

炸药单耗K＝2700g/m³

单孔药量q＝100g

共计炮孔807个

药量80.7kg

为了获取最佳爆破效果，上切口区范围用同一段毫秒非电雷管，同时爆破；下切口区范围也用同一段毫秒非电雷管，同时爆破；炮孔内选用毫秒5段非电导爆管雷管，炸药品种为乳化炸药；为实现准确控制倾倒方向，并确保成功折叠，下切口区的起爆时间应当同时满足以下条件：(1)滞后于上切口区的起爆时间；(2)在上切口区的烟囱上段倾倒2°以上之后起爆；(3)早于烟囱开始下坐的时间；(4)下切口区的起爆时间早于上切口区起爆后所形成的上切口的闭合时间。在本实施例中，下切口区滞后上切口区7s起爆。上切口区1起爆后，上切口1a形成，烟囱上段以与上切口区1对应的保留部分为铰点，按设计向北东方向倒塌；下切口区2滞后上切口区7s起爆，下切口2a形成，烟囱下段以与下切口区对应的保留部分为支点，按设计向南西方向倒塌，由于烟上段的下座，倒塌的长度范围为94.3m。

如图6所示是本发明的实施例二，它的实施对象是一条高210m的钢筋混凝土烟囱。爆破方案是选择在烟囱+90m和+0.5m处以相同的方向各开一个切口，单向折叠倒塌。

本实施例具体包括以下步骤：搭设施工平台；在烟囱外壁上设定一个上切口区和一个下切口区；在上切口区和下切口区打眼；在上切口区左右两端开三角形的上定向窗；在下切口区左右两端开唇形的下定向窗；在上切口区的中部开矩形的上中间窗；在下切口区与烟道口区的中部开矩形的下中间窗；切割切口区范围外的预留支承部位的部分外立筋；上、下中间窗试爆；装药、联线、起爆。其中下切区滞后上切口区9s起爆。上切口区起爆后，上切口1a形成，烟囱上段以与上切口区对应的保留部分为铰点，按设计方向倒塌；下切口区滞后上切口区9s起爆，下切口2a形成，烟囱下段以与下切口区对应的保留部分为支点，按设计以与上切口区相同的倒塌方向倒塌，倒塌的长度范围为140m。

如图7所示是本发明的实施例三，它的实施对象是一条高240m的钢筋混凝土烟囱。爆破方案是选择在烟囱+150m、+40.m和+0.6m处各开一个切口，上切口1a与中切口9a同向，它们与下切口2a反向，双向折叠倒塌。

本实施例具体包括以下步骤：搭设施工平台；在烟囱外壁上设定一个上切口区、一个中切口区和一个下切口区；在上切口区、中切口区和下切口区打眼；在上切口区左右两端开唇形的上定向窗；在中切口区左右两端开唇形的中定向窗；在下切口区左右两端开唇形的下定向窗；在上切口区的中部开矩形的上中间窗；在中切口区的中部开矩形的中中间窗；在下切口区与烟道口区的中部开矩形的下中间窗；切割切口区范围外的预留支承部位的部分外立筋；对中切口区烟囱的上、下部、上切口区烟囱的上段的下部以及中切口区下方烟囱下段的上部用四层厚度为4mm，宽度为2m的钢板紧箍烟囱外壁进行加固；实施安全防护措施；上、中、下中间窗试爆；装药、联线、起爆。其中下切区滞后中切口区4s起爆，中切口区滞后上切口区10s起爆，上切口区起爆后，上切口1a形成，烟囱上段以与上切口区对应的保留部分为铰点，按设计方向倒塌；中切口区滞后上切口区10s起爆，中切口9a形成，烟囱中段以与中切口区对应的保留部分为支点，按设计以与上切口区相同的倒塌方向倒塌；下切口区滞后中切口区4s起爆，下切口2a形成，烟囱下段以与下切口区对应的保留部分为支点，按设计以与上、中切口区相反的倒塌方向倒塌，倒塌的长度范围为120m。

如图8所示是本发明的实施例四，它的实施对象是一条高270m的钢筋混凝土烟囱。爆破方案是选择在烟囱+150m、+50.m和+0.6m处各开一个切口，上切口1a与下切口2a同向，并与中切口9a反向，双向折叠倒塌。

本实施例具体包括以下步骤：搭设施工平台；在烟囱外壁上设定一个上切口区、一个中切口区和一个下切口区；在上切口区、中切口区和下切口区打眼；在上切口区左右两端开唇形的上定向窗；在中切口区左右两端开唇形的中定向窗；在下切口区左右两端开唇形的下定向窗；在上切口区的中部开矩形的上中间窗；在中切口区的中部开矩形的中中间窗；在下切口区与烟道口区的中部开矩形的下中间窗；切割切口区范围外的预留支承部位的部分外立筋；对中切口区烟囱的上、中部、上切口区烟囱上段的下部以及中切口区以下烟囱下段的上部用四层厚度为5mm，宽度为2.0m的钢板紧箍烟囱外壁进行加固；实施安全防护措施；上、中、下中间窗试爆；装药、联线、起爆。其中中切区滞后上切口区3s起爆，下切区滞后中切口区2s起爆。上切口区起爆后，上切口1a形成，烟囱上段以与上切口区对应的保留部分为铰点，按设计方向倒塌；中切口区滞后上切口区3s起爆，中切口9a形成，烟囱中段以与中切口区对应的保留部分为支点，按设计以与上切口区相反的倒塌方向倒塌；下切口区滞后中切口区2s起爆，下切口2a形成，烟囱下段以与下切口区对应的保留部分为支点，按设计以与上切口区相同的倒塌方向倒塌，倒塌的长度范围为90m。