聚能切割爆破在拆除特大型钢结构厂房中的施工技术研究.docx

聚能切割爆破在拆除特大型钢结构厂房中的施工技术研究.docx

《聚能切割爆破在拆除特大型钢结构厂房中的施工技术研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《聚能切割爆破在拆除特大型钢结构厂房中的施工技术研究.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

聚能切割爆破在拆除特大型钢结构厂房中的施工技术研究

聚能切割爆破在拆除特大型钢结构厂房中的

施工技术研究

解放军理工大学工程兵工程学院

二零零二年九月

控制爆破拆除多应用于混合结构、框架结构等建（构）筑物的拆除，而钢结构的控制爆破拆除是一个全新的课题，目前国内还没有这方面成功实例及相关经验可供借鉴。

聚能装药做为一种特殊的装药形式，多应用于军事领域，它可以将炸药爆炸时的爆炸能聚集起来，达到对金属穿孔、切割、破坏等目的，如穿甲弹、破障弹、线型反坦克履带雷等。

航天工业上利用聚能装药的特性，形成线型切割器，切割金属结构，实现运载火箭的各级脱离。

采用线性聚能装药的爆炸来快速切割钢结构物，达到拆除钢结构物目的，这在理论上是成立的，实际上能否成立，还有许多问题有待解决。

上海宝钢集团第一钢厂，为建设国内最大的不锈钢基地，需将原第二炼钢车间厂房拆除，其拆除目标是在安全的前提下达到快速拆除整个车间，为不锈钢基地建筑节约宝贵的时间。

该车间主厂房总计占地32200M2，东西长318M，南北宽110M，其中，钢砼框架结构厂房占地14560M2，钢结构厂房占地17640M2，整幢厂房总建筑面积69505M2，爆破目标南侧50M为上海市重点保护单位吴淞煤气厂制气车间，北侧100M为厂内正在生产的高炉锅炉房及化学水处理站。

国内该类厂房拆除施工多采用“倒装法”拆除，“倒装法”拆除：

一是安全性差，二是工期较长，三是成本较高，无法满足工程建设需要，迫切需要一种新的拆除施工方法。

结合上钢一厂二炼钢拆除的实际工程，对聚能切割爆破在拆除特大型钢结构厂房中的施工技术进行如下研究。

一、进行工程勘察

1．工程概况

1.1概述：

工程地点：

宝山区长江路735号，拆除对象为上海一钢厂二炼钢厂房及厂房内的大型基础。

二炼钢厂房由钢结构主厂房和钢筋混凝土结构厂房组成，其中：

钢结构主厂房包括：

加料跨、过渡跨、精炼跨，钢筋混凝土结构的厂房包括过渡跨及出坯跨。

建、构筑物分布情况见附图1总平面图。

1.2拟拆除的建、构筑物结构简况：

加料跨厂房

为大型钢结构厂房（钢结构梯型屋架）。

长318m，跨度19.7m，屋面标高最高为▽+24.6m，天窗屋面高为▽+29m，屋面为大型砼预制板，山墙为镀锌瓦围护结构；加料跨厂房与炉子跨厂房共用G列厂房柱，柱距18m，与过渡跨厂房，共用F列房柱。

过渡跨厂房

为单层钢结构厂房，屋面为钢结构梯型屋架，预制砼屋面板。

长240m，跨度6m，柱距6m，屋面高▽+20.0m；跨内搭设有各种操作室、仪表室、值班室、调度室、分析室等建构筑物。

精炼跨

为单层钢结构厂房（屋面为钢结构梯型屋架，大型预制砼屋面）长306m，跨距29m，柱距一般为6m，最大为12m：

屋面标高▽+18.8m，天窗屋面标高▽+22.13m，山樯为镀锌瓦围护结构。

（该部分厂房为混凝土立柱结构，不是本篇的重点，略）

丁字跨为相对独立的钢结构厂房，两列立柱呈南北向布置，西侧有5根立柱，东列有4根立柱，宽24米，长24米。

1.3拆除区域的周边环境

，二转东路东侧约150M为待拆除区；南为二转南路，南侧50M是上海吴淞煤气厂制气车间，爆破区距要保护目标约100米，西为钢二路，钢二路西面为不锈钢项目的建设工地；北面为二转北路，爆破区距要保护的化学水处理站及高炉锅炉房约100米。

建筑物与周边的距离见图1的平面示意图。

，危险品容器及场所（包括各种化学处理池）已由厂方清理干净、并在施工前出具相关证明。

二、确定技术指标

1.工期要求

1.1业主计划

不锈钢项目是宝钢集团的重点技改项目，总投资达壹百多亿，建设空间必须保证；第二炼车间是上钢一厂效益最好的车间，多生产一天就多一份效益。

拆除第二炼钢车间，是为不锈钢建设项目扫除障碍，最短时间内拆除第二炼钢车间才能实现生产与建设效益的最大化。

拆除计划为：

3月15日二炼钢停产，6月30日实现全部拆除施工，为后续建设扫除障碍。

1.2我方计划

按照受控有序，安全可行的总体要求，在满足业主要求的前提下，适当留有余地，我方的工期计划为：

3月20日开始拆除施工，6月10日完成全部拆除施工，总计80日历天。

2.安全要求

南侧的吴淞煤气厂，北侧的高炉锅炉房要确保其安全，确保施工人员的安全。

2.1爆破震动

国家爆破安全规程GB6722-86规定的爆破地震安全距离规定如下：

一般建筑物和构筑物的爆破地震安全性应满足安全震动速度的要求，主要类型的建（构）筑物地面质点的安全震动速度规定如下：

a.土窑洞、土坯房、毛石房屋1.0cm/s；

b.一般砖房、非抗震房的大型砌块建筑物2～3cm/s；

c.钢筋混凝土框架房屋5.0cm/s；

为确保保护目标的安全，确定本工程的安全爆破振动标准为：

2.0cm/s。

对于拆除控制爆破，爆破地震安全距离可按下式计算

R=（KK’/V）1/αQm

式中：

R—爆破地震安全距离，m；由于本工程中的吴淞煤气厂是不可移动的，必须保证其安全，即爆破的安全距为R=50m；

Q—炸药量，Kg；齐发爆破取总炸药量；微差爆破或秒差爆破取最大一段药最；

V—地震安全速度，cm/s；本工程取V=2.0cm/s；

m—药量指数，取1/3；

K、α—与爆破点地形、地质等条件有关的系数和衰减指数，可按下表一、选取，或试验确定。

K’—系数，K’=0.25～1，近爆源且临空面少时取大值，反之取小值。

有资料认为KK’=7.06，α=1.36。

表一、爆区不同岩性的K、α值

岩性

K

α

坚硬岩性

50～150

1.3～1.5

中硬岩性

150～250

1.5～1.8

软岩性

250～350

1.8～2.0

由于本工程采用的是控制爆破，其装药又是外部装药，为保证安全，取K=150、α=1.5

则由上式可反求出一次齐爆药量

Q=177.8㎏

也可用萨道夫经验公式

V=KK’（Q1/3/R）α，cm/s

式中各符号代表含义与上式相同。

进行被保护目标振动速强度验算。

得：

V=0.094cm/s，该值远远小于国家标准，故可以确保安全。

2.2爆破空气冲击波超压

表二、空气冲击波对建筑物的破坏等级

破坏等级

建筑物被破坏的程度

超压ΔP×105，Pa

1

砖木结构完全破坏

>2.0

2

砖墙部分倒塌，土房倒塌

1.0～2.0

3

木结构梁柱倾斜，部分折断，砖结构房顶撕掉，墙部分移动或裂缝，土墙开裂或局部倒塌

0.5～1.0

4

木板隔墙破坏，木房架折断，顶棚部分破坏

0.3～0.5

5

门窗破坏，屋面瓦大部分掀掉，顶棚部分破坏

0.15～0.3

6

门窗部分破坏，玻璃破坏，屋面瓦部分破坏，顶棚抹灰脱落

0.07～0.15

7

砖墙部分破坏，屋面瓦部分翻动，顶棚抹灰部分脱落

0.02～0.07

表三、空气冲击波超压对人体的伤害情况

序号

伤害程度

超压ΔP（×105，Pa）

伤害情况

1

轻微

0.2～0.3

轻微挫伤

2

中等

0.3～0.5

听觉、气管损伤、中等挫伤、骨折

3

严重

0.5～1.0

内脏严重挫伤、可能造成死亡

4

极严重

>1.0

大部分人死亡

由表二、表三确定本工程的安全超压值取ΔP=0.03×105Pa。

由于目前的控制爆破及常规爆破中对外部装药控制爆破的空气冲击波超压没有专门的计算公式，只能借用现有的计算公式进行计算：

ΔP=（14*Q/R3+4.3*Q1/2/R2+1.1*Q1/3/R）×105,Pa

由该公式计算得表四

表四、药量、距离、超压关系表

超压值（105Pa）

距离（M）

50

80

100

120

160

200

250

300

药

量

（

㎏

）

5

0.042

0.025

0.020

0.016

0.012

0.010

0.008

0.006

8

0.049

0.030

0.023

0.020

0.014

0.011

0.009

0.008

10

0.054

0.032

0.025

0.021

0.015

0.012

0.010

0.008

12

0.058

0.034

0.027

0.022

0.017

0.013

0.011

0.009

14

0.061

0.036

0.028

0.023

0.018

0.014

0.011

0.009

16

0.063

0.038

0.030

0.025

0.018

0.014

0.012

0.010

18

0.067

0.039

0.031

0.026

0.019

0.015

0.012

0.010

20

0.070

0.041

0.032

0.026

0.020

0.016

0.012

0.010

22

0.072

0.042

0.033

0.027

0.020

0.016

0.013

0.011

24

0.075

0.044

0.034

0.028

0.021

0.017

0.013

0.011

26

0.077

0.045

0.035

0.029

0.022

0.017

0.014

0.011

由表四可以得出在100M位置，安全超压的最大单次齐爆药量为：

16㎏。

2.3爆破噪声

爆破噪声对建筑物的损坏，见表五

表五、爆破噪音对建筑物的损坏

声压级（dB）

超压（105Pa）

建筑物损坏状况

169

0.06

窗玻璃开始破裂

171～174

0.08～0.1

窗玻璃部分损坏

177～180

0.15～0.2

窗框和外廊木窗破坏

为确保爆不对周围建筑物，特别是南侧的吴淞煤气厂及北侧高炉锅炉房及化学水处理站的安全，确定安全声压标准为169dB。

声波强度B

B=20*Lg（P/P0），dB

式中：

B—声压水平，表示声波强度，dB；

P—测点声压，N/m2；

P0—基准声压（正常听到最小声压）2×10-5N/m2。

用该公式可以对爆破噪声超压进行安全校核。

则一齐爆16㎏炸药时，在100m位置其爆破噪声为163.5dB。

该值小于安全值，爆破不会对保护目标造成破坏。

3钢立柱爆破切割指标确定

3.1典型钢立柱结构

本工程中待爆破切割的典型钢立柱结构如图2所示。

3.2钢立柱待爆破切割部位厚度统计

钢立柱待爆破部位厚度统计如表六所示。

表六、钢立柱待爆破部位统计

序号

部位

厚度

数量

1

D、E、F轴下柱

16㎜

110*2

2

D、E、F轴上柱

14㎜

110

3

G（1～8、22～43）轴上柱

20㎜

15*2

4

G（1～8、22～43）轴上柱

16㎜

15

5

G（9～21）轴上柱

30㎜

6

6

G（9～21）轴下柱

16㎜

6

由该表可以得出，16㎜是本次爆破切割钢立柱的主体，为方便加工切割器，确定16㎜为本次爆破的主要切割指标。

由于待切割的钢立柱所处的状态与试验要切割的钢板的状态不同，一个为受压态，一个自由态，为确保证切割器工作可靠，确定切割器的最小切割厚度指标增加20%，即切割器的最小切割厚度为20㎜。

三、选择切割器

1.聚能切割爆破的原理

在某种特定药包形状的影响下，可以使爆炸的能量在空间重新分配，大大增强对某一个方向的局部破坏作用，装药的这种作用叫做聚能效应。

利用装药的聚能效应，将炸药加工成一定的形状，再罩上药型罩（如金属、玻璃等材料），可制成切割器，它使炸药爆炸产生的能量会聚成一条直线或一个面，形成金属射流以及伴随其后的杵体，这种金属射流和杵体具有很强的穿透能力，作用在金属等物体上，产生洞或切缝。

1、炸药；2、聚能罩；3、杵体；4、射流

图3.聚能切割器作用原理示意图

理论和实验表明，炸药的性质、装填密度、聚能穴的形状、药型罩的材料和厚度是决定切割器切割能力的主要因素。

2．确定切割器

罩材料延展性好的其聚能切割效果好于延展性差的材料，装药密度大的爆破效果好于装药密度小的切割器。

通过试验，最好是选用铜、铅等做罩体，选用压装的法生产的聚能装药。

在压装法生产的装药又分为分体压装法生产和整体压装法生产，这两种方法同样可以达到设计的装药密度，但分体压装法生产的装药不利于施工，整体压装法生产的装药可以方便地进行施工安装。

只有铅可以实现整体压装法生产，确定选用铅管整体压装法生产的聚能切割器。

3．切割器参数

爆破目标：

材质：

45#钢；厚度：

16㎜；

罩体：

角度：

90°；母线长：

15㎜；厚度：

2㎜；

装药：

炸药类型：

R852；密度：

1.69g/cm3，线密度：

350g/m

四、超大型钢结构厂房倒塌设计

1．结构爆破拆除原理

任何类型的建筑物或构筑物在正常条件下其底部结构的支撑力与上部结构的重力处于平衡的稳定状态。

建、构筑物拆除爆破，是在认真分析和研究建筑物或构筑物的结构形式、构造特点、受力状态、荷载分布和各部位构件承载能力的基础上，运用控制爆破技术将承重结构的某些关键部位爆松或爆除，使之失去承载能力，同时破坏结构的刚度，打破建筑物或构筑物原有的平衡的稳定状态，建、构筑物在其重力失衡和整体结构失去稳定性的情况下，依靠自身的重力作用原地坍塌，或在偏心力矩的作用下定向倾倒。

建、构筑物在原地坍塌或定向倾倒落地过程中，在巨大惯性力作用下，上部结构与地面或下部结构发生猛烈碰撞，在结构中产生强烈地压缩或剪切作用，使其解体破碎。

2.主厂房拆除方案设计

钢结构主厂房拆除步骤：

先将地面上的设备基础拆除并进行必要的预处理，然后用聚能爆破切割装药对钢柱实施切割爆破，使整个结构失稳向北倒塌，最后在地面上用人工机械将厂房残体切割、吊装运走。

2.1主厂房爆破倾倒方向选择

主厂房东、南、西、北四侧都有可供倒塌的场地，在技术上也可实现向中心倒塌的方案。

由于本次拆除的厂房最高达24.6米，而每个立柱间的柱间距多为6米，向西或向中间倾倒时，虽然对于爆破噪声控制有利，倒塌容易实现，但爆破后，钢立柱相互叠加，增大了爆破后的堆高，清除的难度非常大，不利于缩短施工工期；向南、向北侧倾倒时，不仅有倾倒的场地，而且爆破后厂房堆积高度较低，各柱相互不重叠，四周均可展开进行清除施工，有利于后续施工和缩短工期，单侧倾倒的不利之处是，爆破后厂房堆积高度不是最低，为最大限度方便后续施工，采用同时向南北两侧倒塌的爆破控制方案。

经过对比，确定向南、北两侧同时倾倒为本次控制爆破的倾倒方向。

2.2主厂房爆破倒向方案

在楼房控制爆破施工中，爆破倒向主要靠时间差及高度差的控制。

单独采用时间差方式，爆破塌落振动较小，但爆破塌落效果较差；单独采用高度差方式，爆破倒塌效果比较好，但爆破振动较大。

针对本工程高度大，构件强度大的特点，综合运用高度差和时间差对倒向进行控制。

主厂房的柱列为：

D列有43根钢立柱、E列有46根钢立柱、F列有21根钢立柱、G列有21根钢立柱和7根砼立柱，如果简单将每列柱一次齐爆，则可能因一次齐爆药量过大及厂房一次塌落振动过大而对周围环境造成影响，为此在南北方向采用时间差延期的同时，在东西方向也采用时间差延期。

南北方向时间差的划分按柱列进行划分，东西方向的时间差利用厂房的原有沉降缝进行划分，即从东向西依次划分为5个分段，每段长约60米，每段的时间差控制如表七,表八所示。

表七、横向延期时间控制一览表

序号

柱号

列号

雷管段别

延期时间（MS）

时间差（MS）

备注

1

33~43

G

MS-3

75

F

HS-2

500

425

E

HS-3

1000

900

D

MS-4

100

2

24~32

G

HS-2

500

F

HS-3

1000

500

E

HS-4

1500

1000

D

HS-2

500

3

8~23

G

HS-3

1000

F

HS-4

1500

500

E

HS-5

2000

1000

D

HS-3

1000

4

1~7

G

HS-4

1500

F

HS-5

2000

500

E

HS-6

2500

1000

D

HS-4

1500

5

+7~+2

G

HS-5

2000

F

E

HS-7

3000

1000

D

HS-5

2000

表八、纵向延期时间控制一览表

序号

列号

柱号

雷管段别

延期时间（MS）

时间差（MS）

备注

1

G

33~43

MS-3

75

24~32

HS-2

500

425

8~23

HS-3

1000

500

1~7

HS-4

1500

500

+7~+2

HS-5

2000

500

2

F

33~43

HS-2

500

24~32

HS-3

1000

500

8~23

HS-4

1500

500

1~7

HS-5

2000

500

3

E

33~43

HS-3

1000

24~32

HS-4

1500

500

8~23

HS-5

2000

500

1~7

HS-6

2500

500

+7~+2

HS-7

3000

500

4

D

33~43

MS-4

100

24~32

HS-2

500

500

8~23

HS-3

1000

500

1~7

HS-4

1500

500

+7~+2

HS-5

2000

500

2.3爆破切口确定

砖木结构或混凝土结构建筑物其结构特点是：

材料抗压性好，抗拉性差，整幢建筑支撑在承重墙或承重柱上，只要承重结构在外力作用下（如地震、爆炸等）发生倾斜失稳，所有承力构件就会被拉断，整体结构就会在瞬间失稳倒塌。

而且可采用内部装药方式，充分利用炸药的爆炸能量，使承重构件解体，来破坏结构的承重构件，这样实现砖木混合结构及混凝土结构建筑的控制爆破。

钢结构厂房的由于其结构立柱的特殊性，第一，无法实现内部装药，无法充分利用炸药的爆炸能量造成结构承重构件大面积破坏；第二，聚能切割爆破只能将承重立柱切割一条宽约10㎜小缝；第三，钢铁不但具有较好的抗压而且具有较好的抗拉延展性，就是结构的局部失稳不会引起整体倒塌。

通过对大型钢结构失稳过程的分析，必须人工形成钢立柱的炸高，产生结构倒塌所需要的重力势能，必须人工将钢立柱与房屋屋架切断，破坏其结构方便其倒塌，考虑到施工时的安全性，这些目的必须由爆破法来实现。

前排立柱上部切一刀，下部切两刀，最后一排立柱，仅在下部切两刀。

由于每个立柱由两个“工”钢组成，为防止爆破后每个立柱立在原处，在每个立柱内部采用高度差进行控制，倾倒方向前方的“工”字钢切割高约3米，后方的“工”字钢切割高度约2米。

五、预处理

1．预处理的原则

在保证结构安全同时保证施工人员的安全的前提下，尽可能将厂房结构上的附属物及结构处理掉，从而达到降低装药量目的。

在进行预处理前，对结构强度进行安全校核，确定出钢立柱最大可处理的尺寸，在保证安全的前提下确定预处理的程度，为后续的施工设计提供依据。

2．车间外部石棉瓦的预处理

厂房钢立柱预处理后，所有钢立柱都成为危柱，为确保爆破施工时人员安全，应尽量减少外加荷载，特别是水平荷载，最大的突加荷载为风荷载，为此，应将所有侧向的石棉瓦预处理掉，尽可能减少迎风面积。

3．每列柱的柱间预处理

由于采用横向定向倒塌方案，每列柱的柱间联系横梁无需进行预处理，但为了倒塌可靠，爆破前应将通过每个沉降缝的管线全部在沉降缝部位切断。

对于部分立柱之间的大型加强结构及扶梯全部切除。

4．加料跨与精炼跨间过渡跨的预处理

由于过渡跨的柱列间宽度仅6米，而厂房的组成部分全部为钢材，钢材的良好延展性及强度，为降低爆破后的爆堆高度，必须将柱间的所有小车间办公室，全部切割掉。

根据设计，整幢厂房分别向南北方向倾倒，为此必须将二排立柱间的连接横梁切除。

5．钢立柱的预处理

由于聚能爆破切割出的缝仅10㎜，而根钢立柱都是由两肢以上的工字钢结成，必须将下部切口之间每肢工字钢之间的横撑与斜撑预处理掉。

钢立柱的下柱由两肢工字钢结成，根据对钢立柱强度的安全校核，可以将下柱工字钢的翼板预切割掉，对每一肢工字钢的两翼切口成45°，这样可以使每肢工字钢在任何一个水平切口断面成“T”，可以增加钢立柱结构的稳定性。

对钢立柱的上柱，只有一个工字钢组成，根据对其强度校核，可以将其腹板进行预切割掉，切口成45°，且切口宽度不超过100㎜。

五、爆破前的试验

1试验的目的

爆破前的试验有以下目的：

检验线性切割器的切割能力；检验所有火工品的性能；以及爆破方案的可行性；试验降噪措施的效果。

2试验的内容

2.1对起爆网络进行三次1：

1实爆试验。

2.2对线性切割器切割性能实爆试验。

2.3用导爆索进行降噪模拟试验。

2.4利用现场有的小型钢结构厂房—丁字跨，对整个厂房的爆破施工程序及处理方案进行实爆试验。

3．试验结果

3.1三次起爆网络实爆试验表明，起爆网络方案可行、可靠。

3.2切割器性能试验

试验表明，所设计的线性切割器彻底将16㎜厚的Q235钢炸断。

用该种型号的切割器对切，可以将30㎜厚的20#锰钢炸断。

炸高6㎜时，切割器的威力最大。

用8#非电雷管可以稳定起爆该切割器。

用单根切割器可以将厂房钢立柱Q235钢16㎜的工字钢切割出一条宽12㎜的缝，其中爆炸侵彻深度为14㎜，爆炸震落深度约2㎜。

以上结论表明：

这次设计的切割器能够满足施工要求。

2.3降噪试验

试验表明：

爆破目标上复盖材料材质密度越大降噪效果越好；有壳装药噪声小于无壳装药；全封闭箱体比半封闭箱体降噪效果较好。

3.4丁字跨厂房控制爆破方案

丁字跨向西定向倾倒，丁字跨由两排钢立柱组成。

该部分厂房的聚能切割爆破作为主厂房聚能切割爆破的试爆，其聚能切割形式、延期起爆形式、降噪方案、预处理方式等全部与主厂房的处理方式相同。

试爆后，厂房彻底倒塌，最大堆高3M，立柱与屋顶脱离完全，向前倾倒5M，后坐2M；机械清除仅用1天时间。

试验结果表明：

这次爆破方案完全可行。

六、施工前召开的会议

为了确保施工顺利进行，在施工前召开一次专家论证会；一次安全协调会。

1．专家论证会

邀请爆破、结构、材料等方面的专家对施工方案进行一次评审，在会上详细记录专家的评审意见，对施工方案进一步完善。

2．安全协调会

邀请爆破施工可能影响的单位，特别是南侧的吴淞煤气厂进行安全直协调，确定最佳爆破时间，把爆破对环境的影响降低到最小。

七、爆破前的施工准备

1．工地管理网络：

高效运转的施工机构是施工方案实施的保证，针对本工程的特点，组织有经验的施工人员组成施工项目经理部。

如图4所示。

图4、项目经理部组成示意图

2施工步骤

第一步进场准备

拿到爆破委托书后，即着手进行聚能切割装药的设计、试验、加工等工作，确保满足工程要求。