大孔徑爆破拆除復雜結構石灰窯應用實踐

司士營

(浙江安盛爆破工程有限公司，紹興 312000)

為響應國家“去除過剩產能，保護生態環境”的號召，蚌埠市高新區天河科技園近年來相繼對轄區內的多座高污染石灰窯、磚窯和碎石場實施關停、爆破拆除。其中，增和新型石灰窯廠的兩個窯體中間有角鋼樓梯連接，窯體和基礎內外構造復雜。在建(構)筑物的爆破拆除工程中，常規均按照“多打孔，少裝藥”的經典理念而采用小孔徑淺孔爆破[1]，在國內已經開展了少量孔徑小于φ35的小孔徑爆破拆除技術研究，甚至在國外出現了φ22、φ28、φ32孔徑的鉆機用于拆除爆破[2]。大孔徑在拆除爆破工程中的應用，以往在城市高架橋爆破拆除[3]、鐵路線側巖墻爆破拆除[4]、大型混凝土基礎爆破拆除[5,6]、水下圍堰爆破拆除[7]、橋梁或橋墩爆破拆除[8,9]、高層樓房的爆破拆除中出現過[10]，在類似于石灰窯等高聳類構筑物的爆破拆除工程中鮮有嘗試。此處根據現場鉆孔難、工期緊的工程實際情況，采用大孔徑鉆孔成功對兩連體石灰窯實施爆破拆除，為蚌埠市大漢文化產業園的規劃建設掃除了障礙。

1 工程概況

1.1 石灰窯結構

1.1.1 總體結構

石灰窯由石灰窯窯體、基礎和附屬鋼結構組成，總高度36.5 m，兩窯體頂部之間有鋼框架連接，中間有用于人員上下的角鋼樓梯連接，每個窯體基礎北側都有寬3 m、深10 m、高3 m的進料通道深入筒體下部的基座內，兩窯體基礎邊緣最近距離3.2 m(圖1)。

圖 1 石灰窯整體實拍圖Fig. 1 Picture of the lime kiln

1.1.2 石灰窯窯體結構

窯體外表面為12 mm厚鋼板圍成的金屬外壁，高32 m，直徑11.5 m，內壁為耐火磚，金屬外壁和耐火磚內壁之間填充的材料為黃土。整個石灰窯窯體空腔底部直徑3 m，中部直徑為7 m、上部直徑為3 m，空腔形狀類似于一個樹立的橄欖球，底部出口連接出料通道內的鐵爐，底部壁厚4.25 m。

1.1.3 石灰窯基礎結構

基礎為鋼筋混凝土和砂漿砌石復合結構，高4.5 m、東西長12.2 m、南北寬12 m?？拷R空表面為鋼筋混凝土基礎，配筋為φ25鋼筋，基礎內部為孔隙率較大的砂漿砌石結構(圖2)。

圖 2 石灰窯基礎橫斷面結構圖(單位：cm)Fig. 2 Cross section of the limestone kiln foundation structure(unit:cm)

1.2 周邊環境

爆破環境良好。東側30 m為簡易房、北側30 m為簡易房(待拆除)，四周為開闊地帶，500 m范圍內沒有需要保護的目標，石灰窯四周無地下管線需要保護。爆破環境見圖3。

圖 3 石灰窯周邊環境示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of surrounding environment of the limestone kiln(unit:m)

2 施工難點

(1)由于工期緊，窯體較高，風險大，無法預先人工拆除角鋼樓梯和頂部框架鋼結構，從而使兩連體石灰窯變成兩個孤立的石灰窯窯體分別拆除[11]。

(2)無法采用特種爆破方式對金屬外殼實施聚能切割爆破(根據聯系結果，需要10 d才能到貨，工期不允許)；且金屬鋼板抗拉強度大，即使對筒體爆炸出缺口，也難以保證窯體順利倒塌。

(3)窯體基礎結構復雜,鉆孔易卡鉆，裝藥易卡藥,施工困難，效率低，效果無法保證。

(4)石灰窯基礎方量達650余m3，高度僅4.5 m，爆破拋渣極困難，使石灰窯的倒塌存在不確定性。

(5)石灰窯圖紙缺失，無法判斷石灰窯各部位的準確結構和尺寸。

3 爆破施工方案

綜合爆破體的復雜狀況，確定采用機械預拆除和爆破拆除相結合的方案，對石灰窯一對兩連體窯筒同時實施爆破，一次性拆除。

3.1 倒塌方向的選擇

如果兩個窯體是孤立的對象，則可以利用出料口的挑空，向垂直于出料口方向倒塌，但如今兩個窯體是有鋼結構相互牽制的兩連體，因此倒塌方向只能選擇垂直于兩個窯體排列的南北向。鑒于石灰窯北側場地開闊，無被保護對象，且兩窯體出料口相對設置，分別朝向東北和西北。因此，定向倒塌方向確定為北向。

3.2 鉆孔機具的選擇

目前，在拆除爆破工程施工中，炮孔直徑大多采用38～44 mm，我們稱之為小孔徑[12]，鉆孔機械為手持式風動鑿巖機，主要基于其鉆孔設備簡單，可以降低單段起爆藥量，從而降低爆破振動，炸藥能在起爆體內更加均勻分布，增加破碎效果等優點。同時該方法也有諸多弊端：鉆孔數量多，人工勞動大，施工效率低，起爆器材用量大，網路復雜不易檢查等[13]。一般認為孔徑大于70 mm即稱為大孔徑，大孔徑爆破由于藥量太過集中，爆破飛石和振動不易控制，在拆除爆破應用較少。但大孔徑爆破也有其獨特的優勢：鉆孔數量少，液壓鉆機施工效率高，裝藥速度快，雷管用量小，節約成本，藥包類似于集團裝藥可最大限度置于結構中央[3]?？紤]到該石灰窯爆破部位基礎僅靠近臨空面為鋼筋混凝土結構，內部砌石孔隙率大,采用手風鉆易卡鉆,極易耽誤工期。而大孔徑潛孔鉆遇到結構不完整的部位可以采用膠泥護壁等措施鉆進。因此本工程選用φ90潛孔鉆機鉆孔，保證了鉆孔質量取得了良好爆破的效果。

3.3 施工總體部署

第一步將基礎北部(設計倒塌方向)3 m寬度采用液壓破碎錘先行破碎拆除(靠基礎頂部的斜角破碎頭很難夠到，可以保留，既可以減少工作量，又可以保證結構穩定)，以利于爆渣拋出，確保石灰窯順利倒塌；第二步將位于石灰窯正下方的中間5 m寬度基礎采用爆破方式拆除，剩余的南部3 m寬度基礎作為預留支撐，使石灰窯失穩倒塌(圖4)。

圖 4 石灰窯拆除部位橫斷面及實拍圖(單位：cm)Fig. 4 Cross section and actual photo of the demolition part of the limestone kiln(unit:cm)

4 爆破技術設計

4.1 爆破切口設計

4.1.1 爆破切口位置

根據現場施工條件、結合石灰窯結構特點，為便于施工，確保爆破順利實施，爆破切口位置選擇在復合基礎(見圖4)。

4.1.2 爆破切口形式

為了能夠滿足窯體的倒塌要求，防止前沖，保證定向準確，以及施工的方便和減少藥孔數量，采用正梯形復合切口[14]。

4.1.3 切口長度

切口長度的大小決定切口形成后窯體能否實現偏心失穩，如果切口過大可能導致余留部分沒有足夠的支撐力而使窯體倒塌方向失去控制，甚至出現后座和反向倒塌，反之可能出現傾而不倒的情況。煙囪水塔等筒形高聳構筑物爆破范圍一般為筒壁周長的1/2～2/3,相對應的圓心角一般為180°～240°[12]。以此為參考，該窯體復合基礎設計切口自北向南深度為8 m，石灰窯窯體為直徑11.5 m的圓形，周長36 m，保留部分對應窯筒的圓心角為139°，切口對應窯體弧形長度為22.1 m，對應的窯筒的圓心角為221°，屬于180°～240°的范圍，符合石灰窯的倒塌需求。因該石灰窯基礎較窯體略大，且有鋼筋混凝土澆筑，因此根據以往經驗，該切口圓心角取值足以保證保留部分支撐窯體，不會發生后座現象(見圖5)。

圖 5 石灰窯基礎切口對應窯體弧度圖(單位：cm)Fig. 5 Radian diagram of the limestone kiln foundation cut corresponding to kiln body(unit:cm)

4.1.4 切口高度

切口高度設計應確保爆破拆除時炸藥爆炸瞬間爆渣要能拋出爆破體，且切口形成后在切口上下沿閉合時窯體重心已偏離出窯體承重面，以防止傾而不倒或者因切口閉合碰撞導致窯體傾倒方向發生偏離。切口高度Hp根據以往經驗按下列公式確定

Hp≥(1/6～1/4)D

(1)

式中:Hp為切口高度，m；D為切口位置窯體外徑，m。

按上式計算，切口高度Hp=1.92～2.88 m，為保證倒塌的可靠性和機械施工的便利性，實際切口高度取石灰窯基礎的高度，即Hp=4.5 m，更能夠保證窯體重心移出窯體之外，形成足夠大的傾覆力矩，有利于傾倒。

4.2 機械預拆除

鉆孔作業前先行將圖4所示機械拆除部分用液壓破碎錘破碎拆除，并用挖掘機將碎渣清理干凈，為爆渣提供拋擲空間，進一步探明石灰窯基礎內部結構。

4.3 爆破參數設計

(1)炮孔直徑φ：90 mm

(2)最小抵抗線W：取1.2 m

(3)炮孔間距a：a=(1.0～1.2)W，取1.2 m

(4)炮孔排距b：b=(0.85～0.9)a，取1 m

(5)孔位孔向：鉆孔方向主要選擇在石灰窯倒塌方向側面，即東西向穿孔，水平孔(圖6)?？紤]到石灰窯基礎屬于不均質基礎，內部孔隙率大，還有孤立的小碎石分布其間，鉆鑿出的孔壁不光滑，裝藥難度大，易卡藥，為保證能足量裝進設計的藥量，實際施工中在側面按設計鉆孔的同時，也在倒塌正面(即北側)鉆鑿部分輔助炮孔，輔助炮孔孔深根據現場實際確定，1～4 m不等，藥量根據現場實際情況，依據技術經驗確定，控制在1～5 kg。

圖 6 石灰窯炮孔位置示意圖Fig. 6 Schematic diagram of blast hole position

考慮到出料口為石灰窯內部提供了臨空面，且兩窯體之間空間狹窄(僅3.2 m)，不利于潛孔鉆機作業和移機。因此，鉆孔方向依據出料口方向設置，東面水平孔垂直于作業面；西面水平孔斜交于作業面，炮孔傾斜度以平行于出料口走向為準(圖7)。

圖 7 石灰窯炮孔位置截面圖(單位：cm)Fig. 7 Cross section of blast hole position(unit:cm)

(6)炮孔深度L：孔深取鉆孔處基礎厚度減去1/3W。經計算

東面：第一排L=5.6 m(最北側)

第二排L=4.6 m

第三排L=3.6 m

第四排L=2.6 m

西面：第一排L=6.3 m

第二排L=4.3 m

第三排L=2.3 m

(7)填塞長度及材料 填塞長度LT：取LT=0.5 m，填塞材料采用可手握成型的膠泥堵塞，并搗填密實。

(8)單孔藥量Q1：Q1=qabL1

式中，Q1為單個孔裝藥量，kg；q為單位體積耗藥量，g/m3，考慮到該石灰窯的實際情況，結構不均質，形狀不規則，且基礎內砂漿砌石有較多孔隙，會產生爆炸泄能的不利影響。外部是鋼筋混凝土結構有較強的支撐功能。要保證爆渣能完全拋出，確保切口完全形成，要適當加大藥量，并加強防護，根據經驗單耗取q=2.0 kg/m3；a、b為藥孔的孔距及排距，m；L1為每個炮孔處的基礎壁厚，各排不一。

具體藥量計算如下：

東面：第一排Q1=14.4 kg

第二排Q1=12.0 kg

在房屋建筑施工的過程中，如果地基打的不牢靠，會對施工人員和未來的用戶的生命財產安全造成極大的威脅。所以在施工的過程中就應該更加重視地基處理技術，從根本上保護地基的穩定性，只有這樣才能切實保證施工人員以及使用者的生命財產安全。

第三排Q1=9.6 kg

第四排Q1=7.2 kg

第五排Q1=9.4 kg

西面：第一排Q1=15.1 kg

第二排Q1=10.3 kg

第三排Q1=5.5 kg

(9)炮孔個數：東面上下每排三孔，共五排，第五排兩孔，共14孔；西面上下每排三孔，共三排，共9孔。兩個石灰窯體共(14+9)×2=46孔。

(10)炸藥選用：選用32 mm乳化炸藥，每三支并排用膠布纏繞成束，用竹片捆綁成直列裝藥，線裝藥密度約為2.8～3.0 kg/m。

(11)炸藥量：經計算每個石灰窯基礎設計用藥241.1 kg，兩窯體共計需482.2 kg。經完工之后統計，現場實際裝藥量為576 kg，多裝的炸藥集中在石灰窯北側正面及鋼筋密集部位的輔助炮孔。

(12)雷管個數：300發。

4.4 起爆網路設計

采用非電塑料導爆管起爆系統起爆，做到安全、可靠、準爆。網路形式采用多閉合回路的導爆管網路以增加網路的起爆可靠性。

每孔設置2發雷管，主爆孔孔內雷管采用MS-10段毫秒延期雷管，孔外采用MS-5段接力雷管，依次由北向南逐排起爆(見圖8)。北側正面輔助炮孔采用每孔雙發MS-1、MS-3段雷管，最早引爆。

圖 8 石灰窯起爆網路示意圖Fig. 8 Schematic diagram of detonation network

4.5 爆破安全設計

高聳類構筑物拆除爆破時需特別控制的爆破危害效應主要包括爆破振動、塌落振動和爆破飛石[15]。由于本次爆破環境較好，大孔徑爆破，單耗較高，有害效應主要應考慮爆破飛石。

(1)爆破振動校核

根據薩道夫斯基公式計算爆破振動速度

(2)

式中：V為質點最大振動速度，cm/s；Q為一次齊爆的最大藥量，kg；R為最大一段齊爆藥量的幾何分布中心到鄰近被保護物的距離，m；K、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。此工程取K=160，α=1.6。

根據《爆破安全規程》(GB6722—2014)，一般民用建筑物的安全振動速度為2～2.5 cm/s。

按照200 m距離計算，在此距離上其振動速度為0.91 cm/s。因此，爆破地震波危害可不予考慮。

(2)爆破飛石

大孔徑、高單耗拆除爆破極易產生飛石，控制飛石防護措施為安全設計的第一要務。為將爆破飛石飛散距離控制在一定距離內，應對爆破部位進行重點覆蓋防護。覆蓋物采用雙層竹笆片，鐵絲環繞捆扎牢固，倒塌方向正面增加懸掛專用炮被，可有效控制爆破飛石的飛散距離，個別飛石不超過100 m。

5 爆破效果分析

本工程自5月3日中午簽訂合同并開始實施，于5月5日下午成功實施拆除并完工，前后僅用了2.5 d的時間，效率顯著。起爆后兩連體石灰窯按預定方向同時順利倒塌(圖9)，塌落后充分解體，爆堆集中。未產生前沖和后座現象，200 m處的起爆點無明顯震感，爆破飛散物最遠未超過100 m，達到了預期的爆破效果。

圖 9 石灰窯倒塌過程圖Fig. 9 Collapse process diagram of the lime kiln

6 結語

大孔徑爆破拆除在工期要求緊、小直徑炮孔不易鉆鑿或者不具備手風鉆設備條件時，是一種極佳的備選方案，待拆除高聳類構筑物有大體積混凝土(砌石)基礎時優勢明顯。但由于單孔藥包相對比較集中，須嚴密堵塞、加強防護，防止爆破飛石。

對于煙囪水塔等空心薄壁類高聳構筑物，由于堵塞長度短，采用大孔徑爆破拆除易產生爆破飛石。在環境較好時，仍需要雙層防護或在附近再搭設防護排架攔截防護，并加大警戒距離；在鬧市區或環境復雜時不建議采用。