废旧水泥立窑结构爆破拆除设计

废旧水泥立窑结构爆破拆除设计

张博

中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000

摘要：回顾拆除爆破技术发展，爆破拆除由粗犷的爆破向精细化发展，针对废旧水泥立窑的高耸框架综合建筑，总结框架结构和高耸物倒塌的衔接、爆破参数等问题。

关键词：立窑结构、爆破拆除、爆破技术设计

0.引言

由于国家水泥生产设备和技术的发展，国家对陈旧的水泥生产设施设备工程的更迭换代，出现了一大批废旧的水泥立窑设施，对于该类水泥立窑高耸物和裙楼框架结构采用一次性爆破拆除的形式进行作业。

1.工程概况

水泥立窑主要包括两部分：一是框架结构楼房；二是水泥立窑。

（1）框架结构厂房

框架结构厂房共有三层：一层是竖立的六根立柱，层高4m；二层只有纵横圈梁，圈梁断面为0.4m×0.4m，层高4m；三层为上料厂房，外围用0.24m厚度砖砌体封闭，层高4m。详见图1（a）、图1(b)。

（2）水泥立窑

水泥立窑为水泥骨料煅烧炉，砖砌圆筒形结构，底部直径D=3.10m (周长S=9.74m)，壁厚0.62m，高30.8m。顶部外径为2.0m，壁厚0.37m上部二楼有进料口，出料口在距地面1.0m处，南北各有一个出口，出口直径0.83m。

图1（a）废旧水泥立窑平面示意图 图1（b）水泥立窑剖面示意图

2.拆除爆破方案选择

方案选择考虑：要炸毁构件框架立柱和立窑筒体爆破参数的确定及单孔装药量计算；两种建（构）筑物起爆网路与起爆时差设计；爆破、落地振动校核与减振措施；飞石距离计算和控制措施。只有作出恰当、正确的爆破技术设计与计算，确定出上述这五方面的各种参数，才能确保爆破成功。

3.爆破技术设计

该水泥立窑结构比较特殊，它是由框架结构与类似高耸建筑物组合而成。因此，拆除爆破技术设计必须全面考虑，二者兼顾，否则很难实现同时定向倒塌。故在设计中必须解决以下关键性的技术难题：

3.1 切口位置、切口形状、切口高度、切口长度、切口宽度的确定

3.1.1切口位置

框架结构厂房切口位置确定从地面向上0.8m开始；立窑决定从地面2.0m开始向上，这样可以避开出料口的影响。

3.1.2切口形状

根据多年来的实践经验框架结构厂房将采用长方形的切口形状，最西面一排立柱不炸，如图3(b); 立窑采用长方形加梯形的切口形状。

3.1.3切口高度的确定

这里拆除的是连接在一起的两种不同建筑物，切口大小必须确保它们同时倒塌。根据以往工程经验，框架的砖结构立柱炸高取1.5m；立窑切口高度按高耸建筑物确定，即炸高取（1.5〜3.0)δ，取切口高度h=2.0m。

图3（b）框架结构厂房切口形状示意图 图3（c）立窑切口形状示意图

3.1.4切口长度

①框架切口长度。从东往西三排立柱全炸，第三排不炸，这样切口长度为10.48m。

②立窑切口长度取此处周长的0.61倍，即切口长L=0.61×（3.1×π）=5.941m（取6.0m，此时为周长的0.616倍），它所对应的圆心角为θ=360×0.616=221.8º，取θ=221°。

3.2爆破参数确定

3.2.1立柱（0.74×0.74砖柱）

①孔径采用手持式凿岩机，钻出的孔径D=40mm。

②孔距采用双排布孔，取最小抵抗线W=0.28m，排距b=0.20m，孔距a=0.40m，如图4所示。

③孔深L=（B+L_药）/2（式中，B为立柱边长，L_药为药卷长度）。

④单孔装药量计算

单耗取q=400g/m³

单孔装药量计算，Q=qBLa

=400×0.74×0.74×0.4=88g

最后取单孔装药为Q=90g

于是立柱钻孔深度为L=(74+8.8)/2=41.4cm,最后确定取L=42cm。

图4立柱炮孔布置示意图

3.2.2立窑爆破参数确定

①孔径：采用手持式凿岩机，钻出的孔径D=40mm

②孔距：由于立窑壁厚为δ=0.62m,取孔距a=0.45m

③排距：取排距b=0.40m

④切口排数确定

因为切口高度取h=2.0m，故布置5排炮孔，如图3(c)所示。

⑤孔深

由于立窑是圆筒形结构，因此孔深的确定应按圆拱形结构来确定孔深。一般拱形结构其孔深取壁厚的0.65〜0.72倍。该系数取值的大小主要视其壁厚、切口部位直径、材质强度、有无内衬等因素而定。一般当切口部位圆筒直径D>3.0m时，取孔深L=(0.65〜0.68)δ；当D<3.0m 时，取孔深L=(0.69〜0.72)δ。

根据多年经验取孔深L=41〜42cm(壁厚δ=62cm)。

⑥单孔药量计算

a.单耗确定：对砖砌体的单耗选取，主要是根据砖体厚度来确定。δ=0.62m时，取单耗q=800〜 950g/m³。这里取 q=900g/m³。

b.单孔装药量计算

当δ=0.62m 时，Q=qabδ=900×0.45×0.4×0.62=100.44g（取100g）

3.3 爆破参数及设计药量汇总表

表1 爆破参数及设计药量汇总表

3.4所需爆破器材用量计划表

表2爆破器材用量计划表

4. 爆破施工设计

该框架楼裙楼与立窑是一个组合形结构建筑物，在技术与施工设计中定向是关键，而确保立窑定向倒塌是关键中的关键。立窑这类高耸式构筑定向就比较困难，它要与框架楼协同定向倒塌，这就难上加难。

4.1起爆网路设计

要使两种不同结构、不同建筑材料建成的建（构）筑物同时倒塌，难度是 较大的。因为它的失稳时间不同，砖砌体立柱比较容易爆破、失稳；而高耸式立窑失稳却比较慢，要使二者同时失稳，必须恰当设计起爆网路。

框架楼起爆次序安排：从东往西第一排二根立柱采用MS1段导爆管雷管（标称延时为0）；第二排采用MS9段导爆管雷管（即采用立窑最后一个段位MS9段。大量实践表明，最后一段雷管爆后高耸建筑物失稳还要滞后0.5秒之后才开始失稳，这样才能比较好的匹配)；第三排立柱不炸，网路布置如图6（a）所示。

图6（a）应急组织机构成员

（3）立窑起爆次序安排：中间第2、3排（从下往上数）采用MS1段导爆管雷管；第1、4两排用MS5段导爆管雷管；第5排用MS9段导爆管雷管，如图6（b）所示。

图6（b）起爆顺序示意图

（4）为了安全可靠采用复式交叉网路。起爆顺序如图7所示。

图7起爆网络示意图

5.爆破安全技术与校核

5.1爆破震动

（1）采用萨道夫斯基公式

此次拆除爆破振动将会影响到附近的民房安全。对此可采用萨道夫斯基修正公式进行验算，即

式中，ν——质点振动速度，cm/s；

Q——炸药量，延时爆破最大单响药量，kg。这里最大单响药量为MS1段2.4kg；

R——爆源中心到被保护对象的水平距离，m，最近的建筑物为南侧12m处废弃厂房；

k′——为修正系数，一般为k′=0.25～1.0，这里取k＇=0.5；

k——与地震波传播地段岩土特性、爆破类型、爆破条件等因素有关的系数，这里传播介质为土，取k=350；

a——地震波衰减指数，取a=2.0

将上述数据代入公式，得：

从计算结果v=2.17>2.0cm/s，通过计算结果看爆破振动会对南侧废弃厂房有一定影响，但该厂房为废弃后期也要拆除，对该废弃厂房的爆破振动不予考虑。

5.2建筑物倒塌落地振动

（1）当前建筑物倒塌落地振动的计算公式有多种，采用较多的是中科院力学所周家汉计算公式：

式中，V₁——建筑物倒塌落地振动速度，cm/s；

M——建筑物质量，t，M=150t；

H——建筑物重心高度，m，H=15m；

g——重力加速度，9.8m/s²；

σ——建筑物倒塌处地面介质的破坏强度，MPa，取σ=10MPa；

R——建筑物倒塌落地中心到被保护对象的距离，m，R=12m；

k₁、β——系数与衰减指数，取k₁=3.37～4.09，β=1.66～1.80。

将上述数据代入公式，得：

S

从计算结果看，取ν₁=1.15＜2.0cm/s，通过计算结果爆破振动不予考虑。

5.3爆破飞石

（1）飞石距离计算

拆除爆破个别飞石的最大飞散距离，计算公式：

L=N·k·ν²/g

式中，k——防护程度修正系数，一般取15〜1.0;

N——安全系数，一般取N=8〜12，此处取N=10。

将上述数据代入公式，得：

L=Nkv²/g=（10×0.5×20²）/9.8=204m

注：由于这些公式的建立缺乏理论依据，所以计算出来的数据可以作参考，但不能作为依据。主要还是选准炸药单耗和加强防护。

以上公式的计算结果虽然不适用于覆盖防护条件下飞石距离，但仍有重要的参考价值。

结语：本爆破拆除设计论文，主要针对30米高耸物和12米裙部建筑物一次性倒塌结合的设计施工，为后续类似建筑物爆破拆除设计方案提供参考。

参考文献：

[1] 汪旭光，爆破设计与施工，冶金工业出版社，2011，410-429.

[2] 赵福兴，工程爆破技术，西安交通大学出版社，2020，230-240.

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