摘　要　本文针对鞍钢120m高钢筋混凝土烟囱的结构特征和难以定向倾倒的狭窄场地条件,为确保烟囱爆破倾倒方向准确,倾倒过程安全、平稳,提出控制瞬时结构对称、合理选择爆破切口、圆心角等参数的对策。
关键词　爆破切口　定向窗　定位窗　切口高度
1　引　言
鞍山钢铁公司在技术改造过程中,需将第二发电厂原120m高的烟囱拆除。该烟囱始建于1973年,系钢筋混凝土结构。底部外径12m,内径11m,壁厚500mm。顶部外径6•40m,内径5•34m,壁厚160mm。内衬结构为:在标高5m处有一个钢筋混凝土结构的圆环(一半浇铸在烟囱壁内)用于承托上部的红砖内衬,基础圆环以下由八根断面为400mm×500mm的钢筋混凝土立柱(紧贴烟囱内壁)支撑;标高5~17•5m的红砖内衬厚度240mm,隔热层厚度80mm; 17•5m以上红砖
内衬厚度120mm,隔热层厚度50mm。烟囱筒壁内外双层钢筋,外层主筋为Φ22mm的螺纹钢,共236根,内层主筋为Φ14mm的圆钢,共158根。在烟囱标高0•0m处南、北对称开设高2•5m,宽1•8m的两个出灰口和在标高5m处南、北对称开设高9•4m,宽4•8m的两个进风口。该烟囱位于鞍钢第二发电厂院内。东侧距发电厂主厂房12m,距外部天车桁架立柱1m;南30m
处是架高5m的3根主煤气管路, 50m处为办公楼和库房;西侧30m处为并列的4对厂区铁路线,50m处是6•6万V高压线路及厂房铁路等密集设施;北侧27•5m处为厂区泵站, 43•3m处有一空气压缩站。爆区平面位置图1所示。

图1　爆破环境示意图
2　爆破方案设计
2•1　烟囱结构强度特征
烟囱爆破拆除方案选择的依据,主要是烟囱的材质、结构强度特征、周围环境条件、施工要求等因素。该烟囱是我国目前爆破拆除的最高烟囱之一。其突出结构强度特征是内外双层钢筋,结构强度高,完整性好;特别是在烟囱标高0•0m和标高5m处南、北对称分别开设两个出灰口和两个巨大的进风口,等效于烟囱南北对称控割高14•4m,宽4•8m的孔洞,严重地影响了烟囱的均一性和倾覆受力行为,尤其为爆破切口与施工增加了难度;5m标高处钢筋混凝土圆环的存在亦增加了影响爆破设计方案的因素,设计稍有不慎,可能使烟囱在爆破倾覆过程中,滑动或受力行为变异,以致影响其倾覆方向的准确性和安全性;诚然,圆环下的8根立柱也复杂了烟囱爆破倾倒的力学平衡条件,但是也简化了内衬的处理,如果设计得当,其不失为定向爆破的有利条件。
2•2　爆破方案确定
根据烟囱的结构强度特征和周围环境条件与施工要求,依据强度理论、失稳原理和分能准则〔1〕,通过烟囱风、灰口的强度变异、非对称性及其筒壁与立柱组合强度、微差间隔时间等因素对烟囱爆破失稳倾覆动力过程的影响程度的分析计算,塌落场地模拟,和人工拆除、定向、折叠定向等拆除方案的技术经济比较,最终选取了安全上可靠、技术上可行和经济高效的北偏西10°~17°的范围内定向爆破倾倒方案,即由烟囱北出灰口中心线偏西13°为倾倒中心线,使烟囱在N13°W方向左右3•5°范围内倾倒,实际上最大倾覆范围为7°。

图2　爆破切口、定向窗、定位窗等位置图
2•3　爆破参数计算〔2〕〔3〕
爆破切口的形态参数是烟囱爆破倾覆方向准确、平稳、安全的关键。计算与实践表明,只要爆
破切口形成时刻的能量对称控制得当,菱形、梯形或矩形爆破切口都可达到定向倾倒的目的。根据倾覆力矩和结构极限弯矩条件计算,为施工方便,爆破切口采用正梯形。爆破切口布置如图2~3所示。95鞍钢120m钢筋混凝土烟囱定向控制爆破切口长度L=22m,即爆破切口对应的圆心角为α=220°。

图3　爆破切口及炮孔布置展开图
爆破切口高度h=3•0m;爆破切口底角β=20°;炮孔深度l=340mm;孔距a=300mm;单孔装药量Q=50g。
3　烟囱定向爆破倾覆形态控制对策
烟囱定向爆破失稳过程是一个复杂的动力过程。尤其高重烟囱,爆破切口形成时刻其截面荷载、重心分布、应力、应变即时变化,一旦爆破能量及其作用过程控制不当,承载截面应力变异或动力作用失衡,可能使烟囱爆而不倒或倾覆过程不稳、偏折、倾倒方向失准、后坐或前冲,甚至酿成重大事故。由于该烟囱位于厂区中心,四周环抱的主厂房、高压线路、铁路、泵站、煤气管路等建筑设施紧邻,倾倒场地狭窄,技术难度大,风险高。因此,为了确保爆破安全,根据烟囱的结构特点和环境条件,依据定向爆破控制理论,采用了特殊的定向控制对策。
3•1　控制结构对称
烟囱爆破部位的截面动力对称是其倾倒方向准确、平稳的必要条件,亦是防止偏转、后坐的关
键。烟囱南北巨大的进风口和出灰口,在设计的倾倒方向上使其结构强度和力学行为产生严重的非对称性,对烟囱安全倾倒极其不利。此外,5m处的钢筋混凝土圆环也限制了爆破切口的开设。因此,为确保准确、安全,在烟囱倾倒中心线西侧开设对称于北出灰口的定向窗,在爆破切口两端部,开设2m×0•7m的三角形定位窗,如图2~3所示。为合理控制爆破能量及其作用,保持烟囱爆破倾覆过程中的对称性,根据筒壁和支撑立柱的结构特点,将爆破切口及支撑立柱的孔位精确地划分5个区域,等间隔微差爆破。此分区、微差间隔起爆的目的,是根据各分区部位不同,合理控制炸药能量及其作用,使烟囱爆破倾覆过程中始终保持其结构和力学行为的对称性,逐步、平稳、准确地形成爆破切口与倾覆势态。
3•2　合理选择爆破切口圆心角
爆破切口圆心角是烟囱爆破的重要参数,其值大小对烟囱爆破倾覆态势、平稳程度、扭折、后坐等至关重要。根据钢筋混凝土烟囱爆破失稳状态判据分析研究,临界圆心角为α=215°。通常的工程类比设计取α=240°。考虑到本烟囱为高、重烟囱及其特殊结构,为保证其倾覆过程平稳、防止后坐等,取α=220°,同理,取烟囱爆破倾覆啮合角即梯形底角β=20°。
3•3　合理选择爆破切口高度
爆破切口方位仅与其倾倒方向、结构、场地距离和施工工艺有关。其切口高度一般自由度较大。本次爆破主要考虑到烟囱结构强度的特殊性,防止切口与北通风口连通和累及钢筋混凝土圆环,以致影响倾覆过程中的应力、应变严重变异或方向失准,而未在3m或5m以上开爆破切口,而在没有内衬,仅单一钢筋混凝土壁,且居支撑立柱部位0•5m标高处开设爆破切口。此举对于保持烟囱倾倒瞬间的完整性、动力对称性极为有利。