复杂环境下齐次定向爆破拆除四座烟囱的实践_袁翊硕.pdf
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1、第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 016复杂环境下齐次定向爆破拆除四座烟囱的实践*袁翊硕1a,1b,罗宁1a,1b,杨振2,王结飞2,柴亚博1a,1b,韩涛1b,曹祺3(1 中国矿业大学 a 力学与土木工程学院;b 爆炸力学与智能工程爆破研究中心,徐州 221116;2 洛阳市宇航爆破工程有限公司,洛阳 471000;3 淮南职业技术学院 能源工程学院,淮南 232001)摘要:为成功爆破拆除复杂环境下位于同一厂区的两座砖烟囱和两座钢筋混凝土烟囱,通过分析周
2、边环境条件以及烟囱结构特点,确定“单切口,定向倒塌”的总体爆破方案对四座烟囱进行齐次拆除。根据工程经验确定烟囱切口底边位置为标高+0 5 m 处,切口角度为 215,切口高度、切口长度以及相关爆破参数通过理论公式计算得到具体数值,切口形式采用类梯形切口,起爆网路采用精准度更高的数码电子雷管起爆系统以顺发齐爆的方式进行起爆。考虑四座烟囱不同的结构组成分别制定对应的预处理方案,并通过对烟囱的倒塌可靠性、爆破振动、倒塌振动进行安全校核以及对爆后飞溅碎片和爆破飞石的有效控制,从而确保四座烟囱按设计方向倒塌,防止对周围保护目标造成危害。通过使用有限元软件 LS-DYNA 对四座烟囱的倒塌过程进行模拟,结
3、果表明模拟倒塌过程与实际过程几乎一致,倒塌完成时间均在 14 s 左右,并且通过分析顶部节点的位移与速度规律可以判断烟囱倒塌效果充分,达到预期目标,进一步表明了数值模拟对工程实践的指导意义,可为类似工程提供参考。关键词:爆破拆除;定向倒塌;安全校核;数值模拟中图分类号:TD235 3文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0109 08收稿日期:2023 01 06作者简介:袁翊硕(1998 ),男,硕士研究生,从事爆破技术的研究,(E-mail)896097785 qq com。通讯作者:罗宁(1980 ),男,教授、博士研究生导师,从事力学及工程爆破教学研究工作,(E-
4、mail)nluo cumt edu cn。基金项目:国家自然科学基金(12072363);精细爆破重点实验室开放基金重点项目(BL2021-03);安徽高校自然科学研究重点项目(KJ2020A1160)Practice on Demolition of Four Chimneys by HomogeneousDirectional Blasting in Complex EnvironmentYUAN Yi-shuo1a,1b,LUO Ning1a,1b,YANG Zhen2,WANG Jie-fei2,CHAI Ya-bo1a,1b,HAN Tao1b,CAO Qi3(1 a School
5、 of Mechanics and Civil Engineering;b Explosion Mechanics and IntelligentEngineering Blasting esearch Center,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2 Luoyang Yuhang Blasting Engineering Co,Ltd,Luoyang 471000,China;3 School of Energy Engineering,HuainanVocational and Technical
6、College,Huainan 232001,China)Abstract:In order to successfully demolish two brick chimneys and two reinforced concrete chimneys located inthe same plant area where is a complex environment by blasting The overall blasting scheme of“single cut,direc-tional collapse”is determined to demolish the four
7、chimneys at one time,by analyzing the surrounding environmentalconditions and the structural characteristics According to the engineering experience,it is determined that the bottomedge of the chimney cut is at the elevation of+0 5 m,the cut angle is 215,the cut height,cut length and relevantblastin
8、g parameters are calculated by theoretical formula The cut form is trapezoid like,and the initiation network u-ses the digital electronic detonator initiation system with higher accuracy to initiate in the way of parallel firing Con-sidering the different structural composition of the four chimneys,
9、corresponding pretreatment schemes are formulatedrespectively Through the safety check of the collapse reliability,blasting vibration and collapse vibration of the chim-neys and the effective control of the flying debris and flying stones after blasting,the four chimneys collapse in thedesign direct
10、ion and prevent harm to the surrounding protection targets By using the finite element software LS-DY-NA to simulate the collapse process of four chimneys,the results show that the simulated collapse process is almostthe same as the actual process,and the collapse completion time is around 14 s More
11、over,by analyzing the displace-ment and velocity law of the top node,it can be judged that the chimney collapse effect is sufficient and the expectedgoal is achieved,which further shows a guiding significance of the numerical simulation for engineering practice andcan provide reference for similar p
12、rojectsKey words:blasting demolition;directional collapse;safety check;numerical simulation近些年来,随着环境保护的要求越来越高,烟囱、冷却塔等传统化工产业的产物会产生极大的碳排放量,为积极响应政府节能减排的号召,亟须对部分老旧建(构)筑物实施拆除工作,加快相关产业进行改造和升级,这对达到碳中和目标具有积极的意义。对于这类通常处于复杂环境中高耸构筑物的拆除,拆除是最常用的方法,早在 20 世纪 80 年代,我国便有了对钢筋混凝土烟囱实施爆破拆除的成功案例1,并且这种方法已经在工程实践中得到大量的应用。随着
13、拆除的烟囱越来越高,拆除环境越来越复杂,对拆除技术的要求也越来越高2,3。程楠等对一座厂区内 210 m 高烟囱实施定向爆破拆除4,通过优化开凿工艺、爆破参数以及起爆网路等控制措施,顺利拆除这座高耸烟囱。任江等人同时对两座 150 m 高钢筋混凝土烟囱进行拆除工作5,结合烟囱的结构特征选择切口位置以及钻孔方式,并且设置多层减振方式,最终取得良好的爆破效果。徐顺香等人在对三座相邻的烟囱进行拆除时6,考虑到烟囱倒塌空间的因素,制定出高位切口,分次爆破的总体方案,成功实现拆除。并且随着技术的进步,使用数值模拟的方法有效模拟出烟囱的爆破倒塌过程,对爆破方案的设计有很大的指导意义。高文乐等人利用有限元软
14、件 ANSYS/LS-DYNA 对钢筋混凝土排气塔的爆破失稳破坏过程以及对钢筋混凝土烟囱双向切口爆破的最优延时起爆时差进行研究7,8,数值模拟计算的结果与工程实际结果均高度吻合。杨辉等对一座复杂环境下 180 m 高烟囱实施拆除工作时9,采用数值模拟对拆除爆破方案进行指导设计,倒塌结果达到预期目标。以位于平顶山市卫东区的中国平煤神马集团天宏焦化有限公司厂区内四座烟囱的拆除工作为研究背景,为确保工程可靠安全,拟采取定向控制爆破方法予以拆除,并结合数值模拟对爆破方案进行设计指导。1工程概况1 1周边环境需要爆破拆除的四座烟囱位于中国平煤神马集团天宏焦化有限公司厂区内。周边环境极其复杂,通过使用大疆
15、无人机实地分区域采集四座烟囱及周边环境的实时数据进行三维构图,智能化构筑四座烟囱与周围保护目标的三维立体方位图,具体示意图如图 1 所示。1#烟囱南侧距离运煤专线 189 m,西侧距离田庄村最近民房 48 m,北侧距离公交车停车场188 m;2#烟囱东侧距离厂房49 m,南侧距离运煤专线 293 m,西侧距离田庄村最近民房 357 m,西北侧距离公交车停车场 112 m,东北侧距离驾校85 m;3#烟囱南侧距离运煤专线 57 m、选煤厂137 m,西侧距离田庄村最近民房 184 m,北侧距离公交车停车场 304 m,东北侧距离驾校 339 m;4#烟囱南侧距离运煤专线 56 m、选煤厂143
16、m,西侧距离田庄村最近民房 49 m,北侧距离公交车停车场305 m。具体周边环境平面示意图见图 1。图 1待拆除烟囱周边环境Fig 1Surrounding environment of chimney to be demolished1 2工程结构工程共需拆除四座烟囱。1#烟囱为砖烟囱,高64 m,顶部外径2 5 m,内径2 1 m,底部外径5 4 m,011爆破2023 年 6 月壁厚 0 62 m;2#烟囱为砖烟囱,高 64 m,顶部外径25 m,内径 2 2 m,底部外径 5 4 m,壁厚 0 7 m,耐火砖厚 0 26 m,隔热层 0 05 m;3#烟囱为钢筋混凝土烟囱,高 98
17、m,顶部外径 4 7 m,内径 4 m,底部外径 8 2 m,壁厚 0 3 m,耐火砖厚 0 32 m,隔热层 003 m;4#烟囱为钢筋混凝土烟囱,高 98 m,顶部外径4 7 m,内径 4 m,底部外径 8 2 m,壁厚 0 32 m,耐火砖厚 0 32 m,隔热层 0 03 m。1 3工程重难点分析结合待拆除烟囱的结构特点及周围环境条件,对本工程的重难点进行详细分析,总结为以下三个方面:(1)技术方面:本次工程需同时爆破拆除四座烟囱,其中两座烟囱高达 98 m,属于 B 级拆除爆破工程,爆破难度大,技术要求高。(2)安全方面:待爆破拆除烟囱周边环境复杂,保护目标众多,距离保护目标较近,并
18、且同时起爆拆除四座烟囱,对爆破振动和爆破飞石的控制也极为关键。(3)施工管理方面:在爆破施工准备期间,场地内仍有拆除作业单位继续施工,必须合理安排施工工序,确保安全与工期。2爆破拆除方案2 1总体方案设计根据待拆除烟囱的结构特点、周边环境以及相对位置关系,结合以往类似工程经验,最终确定采用“单切口,定向倒塌”的总体爆破方案。并且根据现场场地条件及待爆破目标的结构情况确定四座烟囱的倒塌方向分别为:1#砖烟囱选择南偏东 24方向倒塌;2#砖烟囱选择西偏北 8方向倒塌;3#钢筋混凝土烟囱选择北偏东 31方向倒塌;4#钢筋混凝土烟囱选择东偏北 14方向倒塌。2 2切口设计2 2 1切口位置根据现场场地
19、条件以及结合烟囱结构特点,可利用出灰口作为减荷槽,烟囱的爆破切口底边位置选择为标高+0 5 m 处。2 2 2切口形式为了能够实现烟囱在倒塌过程中切口完全闭合,保证烟囱倒塌定向准确,以及方便施工和减少药孔数量的设计要求,最终决定采用类梯形切口。图2 所示分别为四座烟囱的切口示意图。图 2烟囱爆破切口示意图(单位:m)Fig 2Schematic diagrams of chimney blasting cut(unit:m)2 2 3切口尺寸(1)切口长度切口长度的大小决定切口形成后烟囱能否实现偏心失稳。如果切口过大则可能导致余留部分没有足够的支撑力而使烟囱倒塌方向失去控制,甚至出现反向倒塌;
20、如果切口过小则可能出现倾而不倒的情况。根据烟囱的结构组成和实际受力情况,结合以往爆破经验,决定采用切口长度计算公式确定切口长度10 Lp=c/360(1)式中:c 为切口位置周长,m;为切口对应圆心角,取 215。(2)切口高度切口高度设计应确保爆破切口形成后烟囱在重力作用下产生失稳,同时还应确保烟囱切口上下沿闭合时烟囱整体结构重心已偏离支撑面,防止因切口闭合碰撞导致烟囱的倾倒方向发生偏离。切口高度 Hp根据工程经验按以下公式确定11 111第 40 卷第 2 期袁翊硕,罗宁,杨振,等复杂环境下齐次定向爆破拆除四座烟囱的实践Hp=(3 5)(2)式中:Hp为切口高度,m;为切口位置烟囱壁厚,m
21、。烟囱切口具体尺寸参数如表 1 所示。表 1烟囱切口参数Table 1Parameters of chimney cut烟囱编号切口位置周长/m切口长度/m切口高度/m1#15 459 152 452#15 459 152 403#24 6514 402 504#24 6514 402 502 2 4切口预处理(1)定向窗、减荷槽的开设对每座烟囱开设 1 个减荷槽、2 个定向窗(减荷槽、定向窗的尺寸及位置见图 2),为了确保上述窗口开设与设计方案一致,同时减少窗口开设过程中对周围筒壁的破坏,首先在窗口角处钻孔定位,然后用破碎机械将定向窗破碎成形,减荷槽则利用现有出灰口扩大成形。(2)爬梯等金属
22、构件的处理爆破前将爆破切口高度范围内的铁爬梯和照明系统的金属支撑架用氧割切断。(3)内衬的处理爆破缺口区域内的内衬人工提前剔除。(4)出灰口的处理1#砖烟囱底部正西南方向的出灰口向外凸出约72 cm,4#烟囱底部的出灰口向外凸出约 2 56 cm,在爆破前需要人工剔除至烟囱的外径。3爆破参数设计3 1炮孔设计3 1 1炮孔参数设计根据炮孔参数设计原则,具体参数设计如下12:(1)最小抵抗线 W:取切口处烟囱壁厚的一半,即 W=/2(为壁厚);(2)药孔间距 aa=(1 0 1 5)W(3)(3)药孔排距 bb=(0 85 0 9)a(4)(4)药孔孔深 LL=(0 67 0 7)(5)(5)单
23、孔药量 Q1Q1=qab(6)式中:Q1为单孔装药量,g;q 为单位体积耗药量,g/m3;为筒壁壁厚,m;a、b 为药孔的孔距及排距,m。(6)钻孔直径 d:取 40 mm。各参数计算结果见表 2。表 2烟囱孔网参数及装药参数Table 2Parameters of chimney hole network and charging烟囱编号/cmW/cma/cmb/cmL/cm每排孔数排数总孔数/个q/(gm3)Q1/g总药量Q/kg1#703540354710/118840 95957 982#703540354710/128880 95958 363#301530252028/301131
24、82 505517 494#301530252028/30113182 505517 49其中炸药选用 32 mm 乳化炸药,表中炸药与雷管数量不含试爆用器材,雷管在每个药孔设置一发。3 1 2炮孔布置设计四座烟囱的具体炮孔布置见图 3 所示。3 2起爆网路设计爆破拆除工程采用数码电子雷管起爆系统进行起爆,起爆网路形式采用并联网路。因为数码电子雷管起爆网路能够做到精确延期的特性,采用瞬发齐爆的方式进行起爆,四座烟囱起爆延期时间分别为 100 ms、200 ms、1100 ms、2100 ms。4安全性校核及控制4 1定向倒塌可靠性校核烟囱筒体为曲面结构,爆破后其筒壁内侧受压,外侧受拉,砖砌体和
25、混凝土的抗压强度均大于其抗拉强度,在爆破切口闭合时,必须保证烟囱的重心偏移至其筒体以外,才可确保烟囱顺利完成定向倾倒。所以对爆破切口闭合角以及切口形成后烟囱重心偏移距离的校核十分重要。爆破切口的闭合角 计算公式为13 211爆破2023 年 6 月i=tg1Hp+r sin()a(7)式中:r、分别为筒体在爆破处的内、外半径,m;a 为保留筒壁对应的角度,取 145。烟囱的重心偏移距离计算公式为xe=Z2C+(r sin)a21/2costg1ZCr sin a()r sin a(8)式中,ZC为烟囱相对爆破切口位置的重心高度。图 3炮孔布置图(单位:m)Fig 3Diagrams of ho
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