高耸建筑物拆除控制爆破技术设计优化

烟囱和水塔等高耸建（构）筑物拆除控制爆破技术设计内容包括爆破缺口设计、爆破参数设计、单孔装药量计算和爆破安全检算等。

1.爆破缺口设计

高耸建（构）筑物拆除爆破的技术关键是爆破缺口设计。爆破缺口是在高耸建（构）筑物的底部用爆破方法炸出的、具有一定长度和高度的缺口，以倾倒中心线为中心左右对称，位于倾倒方向一侧，起创造失稳条件、控制倾倒方向的作用。有些高度较高、风化腐蚀较严重、刚度较差的砖结构，可能在倒塌过程中上部发生折断。采用折叠倒塌时，上部切口的位置要根据倒塌现场的条件，经过精确计算、专家评估后才确定。

（1）爆破缺口形状。爆破缺口形状的选择直接影响高耸建（构）筑物倒塌定向的准确性。常见爆破缺口的类型如图6-13所示。矩形爆破缺口设计简单，原地坍塌时多采用。斜形爆破缺口定向准确，有利于烟囱、水塔等高耸建（构）筑物按预定方向顺利倒塌，其倾角宜取35°～45°；其水平段的长度一般取缺口全长L的0.36～0.4倍；倾斜段的水平长度取L的0.30～0.32倍。但采用斜形爆破缺口时，在倾倒过程中易出现“后坐”现象。梯形和倒梯形切口中间的长方形是钻孔爆破部位，两侧三角形部分可兼做定向窗，既有利于保证倾倒定向准确，也有利于防止倾倒过程中出现前冲、后坐和偏转现象，实际工程中应用较多。梯形底角常取30°～40°。前冲是指建筑物在倾倒过程中沿设计倒塌方向向前窜动一段距离。前冲可能使建筑物超出预计倒塌范围，造成安全事故。后坐是指结构底部沿设计倾倒方向的反侧发生外折或滑移挫动。后坐可造成建筑物在向前倾倒的过程中出现筒体下沉，将预先留作支撑的部分朝后方（与倒向相反的方向）推倒，还可能造成建筑物偏离设计方向甚至是反方向倾倒，造成严重的安全事故。在工程爆破中防止高耸建（构）筑物过早下沉和后坐十分重要。偏转是指建筑物偏离原来设计的倒塌方向，同样可能造成安全事故，尤其在薄壁、细高的钢筋轮结构烟囱的爆破拆除中，如缺口设计不合理，容易出现上述现象。

为了提高倾倒方向的准确性，有时还需采取辅助定向措施。对于钢筋混凝土烟囱，通常要在爆破切口两边设置定向窗，如图6-14所示。定向窗底角一般取25°～35°；为了减缓倾倒速度，可使β＜α（如β=22°～30°，α=30°～40°）。底角过大，不利于筒体平稳倾倒，易出现偏转、前冲或折断。为了减少爆破钻孔和保证烟囱顺利倒塌，有时在爆破切口内先开凿一个或多个预切口。预切口的开凿要保证对称且不影响爆破前烟囱的稳定性，必要时应进行结构稳定性计算。

（2）爆破缺口长度。爆破缺口长度对倒塌距离和方向均有直接影响。爆破缺口过长，保留筒壁起支撑作用的部分太少，爆破后发生后坐，也可能在倾倒过程中发生偏转，影响倒塌的准确性，甚至造成严重的安全事故；爆破缺口长度太短，可能会出现“爆而不倒”的危险情况。

一般情况下，爆破缺口长度应满足式（6-6）：

图6-13　常见爆破缺口的类型

（a）矩形；（b）正梯形；（c）倒梯形；（d）斜形；（e）倒八字形；（f）倒斜形

图6-14　组合型爆破切口和定向窗示意图

（a）采取定向窗方式的辅助定向措施；（b）爆破切口与预切口组合方式

式中，S为烟囱或水塔爆破缺口部位的外周长；D为爆破缺口部位的外直径。

爆破缺口长度的确定，与材质、结构尺寸、腐蚀风化程度以及布筋密集程度、缺口形状、倒塌场地条件等多种因素有关。对于结构物较高、风化较严重、强度较小的砖结构，L可取较小值；对直径大而壁厚、强度大的砖结构和钢筋混凝土结构（尤其配筋密的），L取较大值。取值时，以能够准确、顺利倾倒为原则，其对应的圆心角为200°～240°。

对于烟囱的爆破拆除，如采用梯形缺口，则底边长度L可参照式（6-7）、式（6-8）选取：

砖烟囱：

钢筋混凝土烟囱：

根据高耸建（构）筑物定向倾倒时的力学分析，由于力矩作用在其倒塌过程中必然会有后座分力，为减小后坐力，可以采取以下方法：缺口位置尽量靠近地面；缺口长度尽量短；可在保留筒壁的背面补强补厚，以冲抵后座分力。

（3）爆破缺口高度。爆破缺口高度是保证倒塌方向的重要技术参数。缺口高度过小，烟囱、水塔会“倾而不倒”，或在倾倒过程中出现偏转；爆破缺口高度过大，不仅会增加钻孔工作量，对高度较高的烟囱或顶部较重的水塔还可能造成倾倒速度过快，形成前冲。倒塌过程中切口合拢时，烟囱重心要偏出支撑面。

金骥良等根据与建筑物整体倾倒同样的分析过程，推导得出烟囱、水塔整体定向倾倒爆破切口高度的计算公式为

式中，h为爆破缺口高度，m；Hc为建（构）筑物重心高度，m；D为爆破缺口部位建（构）筑物截面外直径，m；θ为爆破缺口部位建（构）筑物支撑截面的半圆心角，rad。(www.xing528.com)

工程实践中，通常对于砖结构烟囱和水塔，可取h=（2.3～3.0）δ；对于强度高、刚度好、比较坚固的烟囱，切口高度取较大值；对于钢筋混凝土结构，可取h=（3.0～5.0）δ，薄壁、较高、配筋密集者取较大值；否则，取较小值也要符合失稳要求。一般地，即使为砖结构烟囱，其爆破缺口的高度也不宜小于爆破部位壁厚δ的1.5倍。

切口高度过高，倾倒速度过快，容易前冲；开口过长容易后坐。设计时要综合考虑，尽量避免出现前冲、后坐、偏转等现象。

（4）定向窗。定向窗的主要作用是将筒体保留部分与爆破缺口部分隔开，使切口爆破时不会影响保留部分，保证爆破后切口的大小和形状，从而保证正确的倒塌方向和倾倒速度，实现顺利倒塌。开定向窗是在缺口爆破之前、钻孔之后进行的预处理，也可采用人工剔凿。定向窗内的混凝土碎块要清除干净，钢筋要割断，墙体要开透。要保证定向窗切边整齐、位置准确，两侧定向窗与倒塌中心线对称。定向窗的形状可为方形、矩形、拱形、三角形。烟囱的烟道口或出渣口的方向、位置恰当，也可作为定向窗。为了尽量减少预拆除工作，定向窗的尺寸设计应尽量小；三角形定向窗的高度一般为（0.6～1.0）h，底边长度为（2.0～3.0）δ。两侧定向窗破坏状态要尽量对称，否则将严重影响按设计方向倒塌。

对于一些老化严重的建（构）筑物，开定向窗有可能引发险情，不宜开定向窗。如果不设定向窗，在爆破部位的切口两端边缘应各设一列定向空孔作为界限孔，孔距为0.2 m，孔深为壁厚，将爆破部分和保留部分隔开。

2.爆破参数设计

（1）炮孔布置。在爆破缺口范围内布置炮孔。炮孔应垂直于建（构）筑物表面，指向中心。一般采用矩形或梅花形布孔。炮孔应从倒塌中心线向两侧均匀对称布置。由于烟囱内部有煤灰等脏物，除特殊需要外，一般都由外部向内实施钻孔。底排炮孔距地面不小于0.5 m，如图6-15（a）所示。如果爆破部位有钢筋并位于筒壁外侧，可从内部向外钻孔，并使装药中心偏向外侧。要保证钻孔精度和深度，装药前要对所钻炮孔逐一检查验收。

图6-15　梯形切口布孔和拱形截面布孔示意图

（a）梯形切口参数示意图；（b）拱形截面布孔示意图

（2）炮孔深度L。理论分析和实践表明，圆筒式烟囱及水塔支承的爆破缺口部分，应视为类似一个拱形的构筑物，如图6-15（b）所示的阴影部分，若以药包中心的连接线为分界线，则药包爆炸时产生的应力波将使拱形构筑物的内侧受压、外侧受拉。而砖砌体或混凝土的抗拉强度远远小于其抗压强度，因此确定炮孔深度L必须慎重。若孔深L稍浅，则爆破时形不成爆破缺口，不仅烟囱或水塔不能倒塌，而且产生飞石，呈扇形扩散飞扬；若孔深L超深，则爆破时亦形不成爆破缺口，烟囱或水塔仍然不能倒塌，甚至成为危险建筑物，给下一步拆除工作造成困难。因此应选择合适的炮孔深度L。

影响炮孔深度L的因素除烟囱或水塔支承的壁厚δ外，还有材质、爆破缺口部位直径的大小及烟囱、水塔的构造等。如图6-16所示，烟囱、水塔的拆除爆破，通常采用布置水平炮孔的浅孔爆破法。当在筒壁外侧钻水平炮孔（孔径为38～42 mm）时，针对不同具体情况，合理的炮孔深度应取L=（0.67～0.7）δ。若砖砌烟囱无耐火砖内衬，或有耐火砖内衬但其爆破部位的外径大于3 m以及水塔支承为砖砌体，宜取L=（0.67～0.68）δ；若砖砌烟囱有耐火砖内衬或虽无耐火砖内衬，但其爆破部位的外径小于3 m以及水塔支承为钢筋混凝土结构，宜取L=（0.69～0.70）δ。对于旧式圆筒形砖结构支承的水塔，内径达5 m或5 m以上时，亦可在筒壁内侧钻水平炮，其合理的炮孔深度宜取L=（0.56～0.58）δ。

图6-16　爆破缺口断面炮孔布置

（3）炮孔间距a和排距b。炮孔间距a的确定主要与炮孔深度L有关，应使a＜L，要确保炮孔装药后的堵塞长度L1大于或等于炮孔间距a，以防止产生冲炮。此外，炮孔间距还与构筑物的材质及风化程度等因素有关。对于砖结构烟囱或水塔支承，炮孔间距宜取a=（0.8～0.9）L；若爆破部位的砖砌体完好，取a=（0.8～0.85）L，有风化腐蚀现象时，取a=（0.85～0.9）L。对于钢筋混凝土烟囱或水塔支承，炮孔间距取a=（0.85～0.95）L；若爆破部位的材质完好，取a=（0.85～0.9）L，有风化腐蚀现象时，取a=（0.9～0.95）L。

若上下排炮孔采用梅花形交错布孔方式，可取炮孔排距b=0.85a。

在烟囱爆破部位，若耐火砖内衬厚度为24 cm，为确保烟囱按预定方向顺利倒塌，在爆破烟囱的同时，耐火砖内衬亦应用爆破法予以破坏，一般破坏内衬周长的1/2即可。

对于薄壁建筑，取孔距大于孔深，有利于节约钻孔费用。

3.单孔装药量计算

单孔装药量可按体积公式Q=qabδ计算。炸药单耗q与高耸建（构）筑物的材质、风化腐蚀程度、结构尺寸等有关。为了保证快速形成爆破切口，实现准确的定向倾倒，一般按抛掷爆破药量考虑，比楼房建筑的炸药单耗大。对具体结构的q值，应该进行现场试爆确定。筒壁爆破部位完好时取大值，有较严重的风化腐蚀现象时取小值。高耸建（构）筑物筒壁爆破的孔网参数和单位用药量如表6-2所示。

表6-2　高耸建（构）筑物筒壁爆破的孔网参数和单位用药量（由外部钻孔）

若砖结构烟囱或水塔中间间隔砖包含环形钢筋，公式中的砖结构q值需增加15%～25%；使用ϕ8～10钢筋比使用中ϕ6钢筋时增加药量多些。底层炮孔便于防护，为快速形成爆破切口，可增加10%～20%的药量。

4.爆破安全检算

实践表明，若设计得当，烟囱、水塔等高耸建（构）筑物爆破时的爆破震动和飞石均能受到有效控制，不致对周围建筑物造成危害。例如爆破50 m高的烟囱时，其总用药量也仅为8 kg左右（耐火砖内衬厚12 cm时），所以爆破震动是微弱的，一般可不进行爆破震动安全检算，如有特殊情况需要检算，可按本书有关章节介绍的方法进行。砖结构烟囱或水塔支承定向倒塌时，如果技术设计合理，通常在其倾倒过程中，随着倾斜角度的增加，在后坐的同时断裂成数段，自下而上逐段连续地接触地面，因此撞击地面时的震动也是微弱的。以“定向倒塌”方式爆破钢筋混凝土结构的烟囱或水塔支承时，一般在爆破缺口形成后，其倒塌是整体性的，虽然爆破时产生的震动轻微，但其整体倒塌撞击地面时产生的震动却往往大于爆破震动，而频率则低于爆破振动频率。

此外，应该特别注意两个问题：一是在一定条件下必须准确地控制其倒塌时的方向，有时偏离预定方向几度，就有可能危及邻近建筑物或重要设施的安全，因此，钻爆前，对倒塌方向的中心线需用经纬仪反复认真地测量校核，并定位于烟囱或水塔的爆破部位；二是对倒塌距离与堆积范围，应根据具体条件和技术设计进行检算。