爆破设计与施工3

拆除爆破3爆破设计与施工主讲：张世平2014.102.8高耸构筑物拆除爆破•2.8.1烟囱水塔拆除爆破•2.8.2联体筒仓拆除爆破•2.8.3冷却塔拆除爆破2.8.1烟囱水塔拆除爆破•烟囱水塔种类水塔烟囱•烟囱结构：砖结构、钢筋砼结构。•筒体形状：圆形、方形、六角形、八角形•砖烟囱高:30m~80m•壁厚:37cm~75cm，坡度2~3%，有烟道口、出灰口、内衬等•钢砼烟囱高:60m~250m，底部直径在7~16m，壁厚160~60mm•我国控爆拆除烟囱的高度记录为180—210m。高耸建筑物控爆拆除方案•单向倾倒•单向折叠倾倒•双向折叠倾倒•原地坍塌倾倒•方案选择依据：构筑物结构尺寸•构筑物周边环境拆除方案烟囱的拆除方法•(1)定向倾倒。在烟囱倾倒一侧的底部，将筒体炸开一个大于1/2、小于2/3周长的爆破缺口，从而破坏结构的稳定性，导致整体结构失稳和重心位移，于是在上部筒体自重作用下形成倾覆力矩，迫使烟囱按预定方向倒塌，并使倒塌限制在一定范围内。•烟囱的定向倾倒要求有一定宽度和长度的场地(1.0-1.2倍)，以供其坍塌着地。对于钢筋混凝土烟囱或刚度大的砖砌烟囱，要求的场地长度更大一些。场地的横向宽度不小于爆破部位直径的3.0-4.0倍。•(2)折叠式倒塌。可分为单向折叠倒塌和双向交替折叠倒塌两种方式，其基本原理是根据周围场地的大小，除在底部炸开一个缺口外，还需要在烟囱中部的适当部位炸开一个或一个以上的缺口，使其朝两个或两个以上的同向或反向分段折叠倒塌。起爆顺序是先爆破上缺口，后爆破下缺口，通常是上缺口起爆后，当倾斜到20°-25o时，再起爆下缺口。•(3)原地坍塌。将烟囱底部的支撑筒壁炸开一个足够高的缺口，然后在其本身自重作用和重心下移过程中借助重力加速度以及在下落触地时的冲击力自行解节，致使烟囱在原地破坏。该方法仅适用于砖结构烟囱的拆除爆破，且周围场地应有大于其高度的1/6开阔的场地。原地坍塌方法技术难度大，在选用时一定要慎重。•实践证明，爆破拆除烟囱是效果最好的方法，尽管它牵涉到许多复杂的技术问题，但从拆除安全、拆除速度和经济效益等方面来分析，它比人工和机械拆除法具有明显的优越性。•爆破拆除法的关键是必须保证准确的定向性，倾倒过程中要确保烟囱上部的稳定性和解体堆渣范围的准确性。•近几年来，我国烟囱拆除爆破技术有了较快的发展，除了拆除爆破方法已经取得了成功的经验外，在施爆方法上也有了新的进步。•B烟囱拆除爆破失稳倾倒机理•烟囱类高耸筒式构筑物爆破倒塌机理为:采用控制爆破在高耸筒式构筑物底部某一高度处爆破形成一定尺寸大小的缺口，上部筒体在重力与支座反力形成的倾覆力矩作用下失稳，沿设计方向偏转并最终倒塌。•当爆破缺口形成后，在缺口对面保留部分的圆环筒体称为预留支撑体。如果上部筒体的重力对预留支撑体的压应力超过了材料的极限抗压强度，则支撑体就会瞬时被压坏而使烟囱下坐，这会造成烟囱爆而不倒或倾倒方向失去控制。如果支撑体有一定的承载能力，则上部筒体在重力和支座反力形成的倾覆力矩作用下，使预留支撑体截面瞬时由全部受压变为偏心受压状态•倾倒初期，预留支撑体截面一部分受压、一部分受拉。在承压区承受倾覆力矩引起的压应力和重力引起的压应力叠加，压应力呈边缘区最大、中性轴处为零的三角形分布。当最大压应力大于材料的极限抗压强度时，该处材料被压碎，且承压区扩大。在受拉区承受倾覆力矩引起的拉应力与重力引起的应力叠加，拉应力呈边缘区最大，中性轴处为零的三角形分布。当最大拉应力大于材料的极限抗拉强度时，预留支撑体上出现裂缝。当烟囱为砖结构时，随裂缝的出现，上部筒体将进一步倾倒，倾覆力矩增大，裂缝将贯通整个截面。对钢筋混凝土烟囱，当预留支撑体截面上的混凝土开裂后，钢筋将承担全部拉应力，此后钢筋在烟囱倾覆力矩的作用下受拉屈服，继而颈缩断裂。当爆破缺口闭合后，烟囱绕新的支点旋转并最终倾倒。•由烟囱控制爆破倒塌的机理可知，爆破缺口是影响烟囱失稳倾倒的关键因素。烟囱倾倒须满足三个条件，一是烟囱爆破后倾倒初期预留支撑体截面要有一定的强度，使其不致立即受压破坏而使筒体提前下坐;二是缺口形成瞬间，重力引起的倾覆力矩必须足够大，能克服截面本身的塑性抵抗力，促使烟囱定向倾倒;三是缺口闭合后，重力对新支点必须有足够大的倾覆力矩，使其能克服烟囱剩余的塑性抵抗力。对砖结构烟囱，只要其重心出新支点，就能顺利倾倒;而对于钢筋混凝土烟囱，其重心不但要偏出新支点，而且重心相对新支点的力矩必须大于破坏截面内的拉力钢筋所产生的力矩。•C爆破部位的确定•烟囱水塔采用定向倒塌设计方案一般是对其底部筒壁实施爆破。不考虑烟道口和出口的位置时，爆破范围是筒壁的周长的1/2-2/3。即:•(1/2)πD≤L≤(2/3)πD•式中L一一爆破部位长度；D一一爆破部位筒壁的外直径。其相对应圆心角α为180o-240o。•大量的工程实践经验说明，爆破部位采用一次爆破产生的缺口边沿尺寸的精确度差，烟囱倒塌的方向容易出现偏离。在实施烟囱拆除爆破工程中，为了控制烟囱的倒塌方位，爆破部位(爆破缺口)不是全部采用爆破完成，而是在设计的爆破缺口两端预先开定向口，只对余下的一段弧长的筒壁实施爆破。•爆破部位(爆破缺口)高度的确定与烟囱的材质和筒壁的厚度有关。烟囱拆除爆破要求爆破部位的筒壁瞬间要离开原来的位置，使烟囱失稳。因此设计要求爆破部位的高度:•因此设计要求爆破部位的高度:•h≥(3.0-5.0)δ•式中，δ为爆破缺口部位烟囱的壁厚，砖烟囱的筒壁较厚时，取小值；钢筋混凝土烟囱壁较薄时，取大值。同样壁厚条件下，烟囱高的取小值；烟囱高度小的取大值。对于钢筋混凝土烟囱，如果钢筋配比高，要取大值。如果炸高小了，暴露的钢筋不会立刻屈曲，烟囱不会立即失稳倒塌，残留的混凝土也可能支撑烟囱不马上倒塌。•D定向窗与缺口的形状和作用•下面以正梯形的爆破缺口说明设计参数的选取。图11-17是梯形缺口展宽图，以倒塌中心线对称的梯形底边是设计的爆破部位长度，即设计爆破部位圆心角ω对应的烟囱筒体外壁的弧长，h为爆破缺口的高度，中间的长方形是钻孔爆破部位，两边的三角形是定向窗。定向窗底角一般选取α=25o-35o。三角形的底边长为2-3倍壁厚，其高度可以和爆破高度相同，也可小于爆破高度h(如图中虚线)。•爆破前，开凿定向窗为预拆除施工，拆除爆破工程原则上要尽量减少预拆除，特别是对影响结构稳定的承重构件的预拆除。烟囱属高耸构筑物，为了尽可能地减少对烟囱结构的损伤，要尽量设计尺寸小的定向窗。两侧定向窗破坏状态的对称是决定烟囱按设计倒塌方向的关键，如果两侧破坏状态不对称，这种初始断裂破坏点的不对称将严重影响烟囱倾斜倒塌的方向。•a爆破缺口中心线位置的确定和钻孔布置•烟囱水塔爆破拆除的定向倾倒中心线是确定爆破缺口的中心线的依据。在周围有可倒塌场地的情况下，爆破设计的烟囱定向倒塌方向原则上应尽量与烟囱结构的对称线一致。在施工现场要用测量仪器准确地把其方位标在烟囱水塔的圆形筒壁上。确定了爆破缺口中心线后，应从中心线向两侧均匀对称布置炮孔，炮孔应指向截面的圆心。•b爆破缺口内衬的处理•爆破缺口部位的内衬要在爆破前采用人工方法破碎拆除，或是和外筒壁同时进行爆破。烟囱内衬的处理范围应与爆破缺口部位一致。•c定向窗口的预处理•爆破前在爆破缺口(梯形)的两边预先开凿定向窗口，要准确地测定两侧三角形底角顶点的位置。定向窗口宜用人工剔凿，两边三角形的剔凿面要尽量对称，其连线的中垂线将是烟囱倒塌的方向。对于钢筋混凝土烟囱，爆破前可将定向窗部位的钢筋进行切除。•顶点的位置。定向窗口宜用人工剔凿，两边三角形的剔凿面要尽量对称，其连线的中垂线将是烟囱倒塌的方向。对于钢筋混凝土烟囱，爆破前可将定向窗部位的钢筋进行切除。d烟囱水塔倒塌方向的地面处理钢筋混凝土烟囱、质量完好的砖烟囱或水塔在倒塌时对地面的撞击力是很大的。为了减小对地面的冲击产生的振动强度，防止烟囱筒体触地砸扁产生的破碎物或地面上的碎石被砸飞溅，可以在设计倒塌的地面铺上沙土、煤渣等缓冲材料。•E烟囱的折叠爆破•a烟囱两折叠倾倒的动力学模型•当拆除爆破高耸构筑物时，当倒向空地一侧的长度小于筒形建筑高度的1.2倍时，要采用折叠拆除爆破方案。•折叠爆破是在筒形建筑物的底部炸开1个缺口，使其重力偏心产生弯矩，向缺口方向倾倒。根据环境，在筒形建筑物的中部炸开1个或几个缺口，使筒形建筑物塌落在预定的更小范围内。这就要求上、下截建筑物在倒塌过程中，相互不产生对倒塌范围和方向不利的因素。现以两折叠拆除爆破为例来进行研究。•折叠倾倒方案的力学原理是在烟囱体上炸开2个或2个以上的缺口，使各段筒体在重力所形成的弯矩和各段筒体相互作用下失稳，坍塌在较小的范围内。•b爆破缺口位置及其起爆顺序的确定•理论分析和数值模拟表明，采用双向折叠定向倾倒方案拆除钢筋混凝土烟囱时，其上部缺口的位置和上下缺口起爆时差的选择直接关系到整个方案的成败。因此，在烟囱拆除爆破设计中，最好要通过模拟试验，确定上部缺口的位置和上下缺口间的合理起爆时差。同时，爆破缺口的形式等也可能对爆破方案成功与否产生重要影响，也应对其他影响因素给予必要的重视。•上下缺口之间的起爆时差主要由两个方面决定:一是避免上段筒体塌落时后坐，保证初始阶段的倾倒方向；二是两段筒体折叠及落地状态满足要求。由此可知，确定上下缺口合理起爆时差时:•(1)应使上缺口先形成，并保证下缺口起爆时，上部筒体已有定向倾倒的趋势，在上下缺口时差选择过程中可以考虑允许上部筒体已偏转1°~2°；•(2)在支撑断面整体发生屈服破坏以前，下部缺口必须起爆；•(3)在上缺口位置确定的条件下，选择合理起爆时差，使烟囱落地状态达到预定的效果。•另外，下缺口起爆后，由于下段筒体产生加速度，上段筒体的后坐力会降低，说明缩短起爆时差有利于防止上段筒体的后坐，因此应尽量缩短上下缺口之间的起爆时差。工程实例----100m烟囱三折叠拆除爆破•工程概况•广州造纸厂烟囱高100m，为钢筋混凝土筒体结构，标高±0.0m处的烟囱外径8.0m，壁厚40cm；标高+0.0m~+6.0m处的壁厚40cm;标高+6.0m~+20.0m处的壁厚35cm；标高+20.0m~+30.0m处的壁厚25cm；标高+30.0m~+100m处的壁厚22cm；烟囱顶部的外径3.5m。烟囱耐火砖内衬厚度12cm，筒壁与耐火砖之间的空隙5cm。烟囱混凝土体积435.1m3，红砖内衬208.85m3，整体重量1399t。•烟囱底部正东和正西方向各有一个1.6m×2.5m的出灰口，正东+5.4m~¬+9.4m有一个1.5m×4.0m的烟道口，正西+5.4m-+7.4m有一个1.5m×2.0m的烟道口(设计中取东西烟道口、出灰口的方向为正东正西方向)。•b总体拆除方案•从周围环境分析，烟囱倒塌场地的最大范围(向东)只有50m，不够烟囱整体高度，因此，只有采取折叠控制爆破方案使烟囱倒塌长度小于50m。•(1)折叠段数的选择。综合考虑烟囱周围环境因素，采用三段折叠控制爆破方案更安全，确定选择三段折叠控制爆破方案。•(2)各折叠段起爆时差选择。烟囱中段30m和烟囱上段40m起爆时差为1.350s。烟囱下段30m和烟囱中段30m起爆时差为1.050s。•c爆破缺口与时差方案•100m烟囱三段折叠控制爆破，分别在+60.2m、+30.2m、+0.5m处开设三个爆破缺口，三个爆破缺口分别作出爆破设计。•(1)+60.2m缺口爆破设计(上段:+60.2m-+100.0m):•缺口圆心角α=230°；炸高h=1.25m；正梯形缺口，梯形底角为30°，下底长L=10.0m，上底长S=5.7m。缺口内定向窗和中间窗的布置：分别在缺口左右两侧各开一个定向窗，在缺口中央开设一个中间窗。定向窗为直角三角形，宽2.0m、高1.25m，中间窗宽1.0m、高1.25m，见图11-18。•爆破参数:a=I8cm；b=I8cm；L=13cm；K=5.6kg/m3；q=40g。项目上缺口中缺口下缺口缺口标高/m60.330.20.5爆破部位外直径/m3.53.58.0爆破部位壁厚/m0.220.220.4缺口形