86 m高危冷卻塔拆除爆破振動危害研究*

何　松　張義平　池恩安，3　李　勇　何興貴

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室；3.貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司)

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86 m高危冷卻塔拆除爆破振動危害研究*

何松1，2張義平1，2池恩安1，2，3李勇1，2何興貴1，2

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室；3.貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司)

摘要冷卻塔類高聳構(gòu)筑物由于結(jié)構(gòu)的特殊性，拆除爆破振動危害很大，必須采取有效措施加以控制，保障周邊受保護對象安全。通過研究拆除爆破振動特性，采取設(shè)置減振溝、減振堤、防護墻等防護措施，并通過振動監(jiān)測和波形分析的方法驗證振動防護措施的安全有效性，為類似拆除爆破振動危害防治工作提供參考。

關(guān)鍵詞冷卻塔拆除爆破微差控制爆破技術(shù)減振溝振動監(jiān)測

自70年代國內(nèi)拆除爆破技術(shù)興起以來，建(構(gòu))筑物拆除爆破的振動危害產(chǎn)生機理、防護手段一直是爆破工程行業(yè)長期探討的課題。中國科學(xué)院力學(xué)所周家漢最先基于沖量定理提出了的建筑物塌落振動公式雛形，并最終基于能量守恒綜合回歸分析方法提出了目前被廣泛采用的塌落振動速度計算公式[1];張世平等對高大建筑物拆除爆破振動危害及減振方法做了研究[2]；樸志友等對120 m 混凝土煙囪爆破拆除的振動測試做了研究[3]；蔣耀港等對構(gòu)筑物爆破拆除振動規(guī)律做了分析研究[4]。本文以復(fù)雜環(huán)境下高危冷卻塔爆破拆除為實例，通過現(xiàn)場振動監(jiān)測數(shù)據(jù)及波形圖分析，對爆破拆除冷卻塔振動危害的產(chǎn)生機理、傳播規(guī)律及防治措施進行分析研究。

1工程概況

貴陽電廠廢棄的2#冷卻塔因城市建設(shè)用地需拆除。其部分人字柱、圈梁及塔壁已被機械拆除破壞，周邊存在聚居民房、廠房及鐵路高架橋等受保護對象，環(huán)境十分復(fù)雜，故已成為急需進行拆除處理的高危建筑。

冷卻塔塔身距地面高度為86 m，底部直徑為60 m，喉部直徑為30 m，上部直徑為38 m，平均壁厚0.2 m；圈梁高1 m，厚0.5 m；人字柱橫截面尺寸為0.4 m×0.4 m，高5.5 m，共計80根。待拆除冷卻塔見圖1。

圖1　待拆除冷卻塔

2減振技術(shù)

2.1拆除爆破振動特性

拆除爆破振動主要包括爆破振動、后座振動、切口閉合振動和主體塌落觸地振動4部分。

根據(jù)爆破拆除冷卻塔的裝藥特點，藥包位于地表之上的人字柱及圈梁上，且單孔裝藥量小，臨空面多，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，除了用于破壞炮孔周邊結(jié)構(gòu)之外，大部分能量以高能的爆生氣體形式向四周傳播，剩下的小部分能量通過塔體再向地面?zhèn)鞑?，產(chǎn)生的爆破振動較小。而冷卻塔塌落觸地過程中，由于塔體重量大、倒塌高差大，因而重力勢能很大，倒塌觸地振動也就較大[5]。

工程研究證明[2]，爆破振動頻率大都在10～50 Hz，且作用時間短，振幅衰減快，對周圍建筑物危害較??；塌落觸地振動頻率與建筑物自振頻率接近(3～10 Hz)，且作用時間長，對周圍建筑物危害較大。

2.2減振方案設(shè)計

爆破振動及塌落振動以機械波的形式傳播，分別是炸藥爆炸能量和建(構(gòu))筑物塌落動能在介質(zhì)中傳遞過程的表現(xiàn)形式，通過有效措施干預(yù)能量釋放和機械波的傳播即可達(dá)到降低振動的目的。

2.2.1能量釋放干預(yù)

工程實踐證明，根據(jù)“微分原理”采取多打孔、少裝藥、減少同段齊爆藥量等方式，可以有效降低爆破振動。此外，根據(jù)中科院力學(xué)研究所給出的建筑物拆除時的塌落振動速度計算公式：

(1)

式中，Vt為塌落引起的地面振動速度,cm/s;M為下落構(gòu)件的質(zhì)量,t;g為重力加速度,9.8m/s2;H為構(gòu)件的高度,m;σ為地面介質(zhì)的破壞強度,一般取10 MPa;R為觀測點至沖擊地面中心的距離,m;Kt、β為塌落振動速度衰減系數(shù)和指數(shù)。

因此，可通過微差控制爆破技術(shù)手段，使構(gòu)筑物在空中發(fā)生扭曲變形、碰撞解體以分散下落物質(zhì)量M，還可使用細(xì)砂鋪設(shè)減振堤以降低地面介質(zhì)的破壞強度σ，從而達(dá)到降低塌落振動速度Vt的目的。

2.2.2機械波傳播干預(yù)

利用機械波的傳遞特點：當(dāng)波傳遞到2種波阻抗不同的介質(zhì)邊時，機械波將在邊界位置發(fā)生折射，從而被削弱。采取在震源與受保護對象之間開挖減振溝槽，在倒塌區(qū)域鋪設(shè)減振堤等方式可有效降低塌落觸地振動。相關(guān)實例監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，高大的煙囪類構(gòu)筑物爆破拆除時采用開挖減振溝槽、鋪設(shè)減振堤等方式的減振效果可達(dá)到70%以上[1,6]。

根據(jù)拆除爆破振動特性及上述減振原理，結(jié)合工程周邊環(huán)境情況，采取以下減振防護措施：

(1)采用微差控制爆破，減少同段齊爆藥量，降低爆破振動，同時使得冷卻塔塔體在倒塌過程中扭曲解體，分散塔體觸地質(zhì)量。

(2)在臨近鐵路高架橋一側(cè)平行挖設(shè)2條減振溝，一條長120 m，寬3 m，深 2.5 m；另一條加強減振溝長110 m，寬3 m，深4.5 m。

(3)使用松軟細(xì)砂在倒塌觸地方向鋪設(shè)長55 m，高 2 m，寬4 m減震堤3條，緊鄰第三條減振堤后設(shè)置50°，長40 m，高6.5 m，底寬12 m的梯形緩沖防護墻。

(4)利用自然條件，設(shè)計倒塌方向東偏南42°，倒塌正前方與民房聚居點之間被24 m寬、3.5 m深的河流隔斷，削弱振動波的傳播。

3振動監(jiān)測

3.1監(jiān)測方法及測點布置

測點布置按照突出重點原則及距離最近原則，測試系統(tǒng)設(shè)備選用4臺Instantel Series IV高級振動和過壓監(jiān)測儀分別布置在鐵路高架橋距離倒塌中心最近的9#、8#、7#橋墩及旁邊的金桂園小區(qū)樓基礎(chǔ)，6臺TC-4850N型爆破測振儀分別布置在圖2所示的6個測點位置，共計10個測點。

圖2　測點布置示意

3.2振動監(jiān)測結(jié)果

本次冷卻塔拆除爆破從起爆到完全塌落觸地共歷時10 s，讀取10個振動測點0～10 s監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果見表1。其中， 1#、7#測點因儀器傳感器受到外界異物觸碰導(dǎo)致主振頻率誤差， 5#測點因儀器故障不能傳輸振動數(shù)據(jù)。

通過矢量合成分析方法，得到三軸振動矢量合成最大振速，所有測點位置最大振動速度都在0.2 cm/s以下，遠(yuǎn)低于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)安全允許標(biāo)準(zhǔn)2 cm/s[7]，周邊受保護建筑物處于安全狀態(tài)。位于鐵路高架橋橋墩的7#、8#、9#測點中，8#測點振動速度峰值小于最小觸發(fā)值0.02 cm/s，7#測點三軸振動矢量合成最大振速為0.124 cm/s，9#測點為0.069 cm/s，均小于火車通過鐵路橋時橋墩振動速度實測值0.3 cm/s，故鐵路高架橋未受到本次拆除爆破振動破壞影響，處于安全狀態(tài)。

表1　各測點振動監(jiān)測結(jié)果

注：“/”表示實測質(zhì)點振動速度峰值小于監(jiān)測儀器觸發(fā)值0.02 cm/s；“-”表示測振過程中儀器受外界干擾或故障出現(xiàn)誤差。

4振動分析

(1)1#測點位于塌落觸地振動最大傳播方向，三軸矢量合成最大峰值振速值僅為0.046 cm/s，其余各測點最大值都在0.2 cm/s以下；以7#測點位置為例，用式(1)估算該測點理論塌落振動速度值Vt=2.365 cm/s，而7#測點實測數(shù)據(jù)的三軸矢量合成最大值僅為0.124 cm/s，說明采取的減振措施達(dá)到了較好的減振效果。

(2)觀察分析測點矢量合成圖(圖3)，在3個時間區(qū)域集中出現(xiàn)振動峰值：0～0.8 s出現(xiàn)爆破振動峰值；2～3 s出現(xiàn)后座振動、爆破切口閉合振動峰值；7～8 s出現(xiàn)塔體觸地振動峰值。存在明顯變化規(guī)律：倒塌方向正方向、側(cè)前方測點(1#、2#、3#)最大振動峰值出現(xiàn)在7～8 s的第三區(qū)域；倒塌方向反方向、側(cè)后方測點(4#、6#)最大振動峰值出現(xiàn)區(qū)域向第一、第二區(qū)域過渡，其中4#測點3個區(qū)域內(nèi)的振動峰值大小相差不大，6#測點的最大峰值出現(xiàn)在0～0.8 s的第一區(qū)域。

圖3　2#、3#、4#、6#測點三軸振動矢量合成圖

(3)選用布拉克曼窗函數(shù)提高主頻幅值精度，對2#、3#、4#、6#測點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行FFT轉(zhuǎn)換，得到FFT幅度譜圖(圖4)。觀察分析各測點振動頻率在20 Hz以內(nèi)，相比一般爆破振動頻率20～50 Hz，拆除爆破振動頻率與建筑物自振頻率(3～10 Hz)相近，因此，采取有效的減振措施具有重要意義。

圖4　2#、3#、4#、6#測點FFT幅度譜圖

5結(jié)論

(1)通過分析冷卻塔拆除爆破的振動特性以及振動的能量來源和機械波傳播方式，采取在臨近重點保護對象一側(cè)平行開挖2條減振溝以及使用細(xì)砂在倒塌區(qū)域鋪設(shè)減振堤、緩沖防護墻的減振措施，經(jīng)驗證能夠有效降低振動速度。

(2)由于構(gòu)筑物質(zhì)量是影響其塌落振動速度的重要因素，采用微差控制爆破技術(shù)，使冷卻塔塔體在倒塌過程中發(fā)生扭曲撕裂變形而相互碰撞，從而分散了塔體塌落觸地質(zhì)量，減小了塔體觸地最大段質(zhì)量，對于降低塌落觸地振動具有積極作用。

(3)使用振動監(jiān)測儀器，合理布置監(jiān)測點，通過振動監(jiān)測和振動波形圖分析評價爆破振動危害對于周邊建筑物影響。本次冷卻塔爆破拆除工程各方位測點振動速度最大值均未超過0.2 cm/s，遠(yuǎn)低于國家安全允許標(biāo)準(zhǔn)2 cm/s；此外鐵路高架橋橋墩處振動速度最大值為0.124 cm/s，低于火車駛過高架橋時橋墩處振動速度0.3 cm/s，證明了拆除爆破振動防護方案的安全有效性，為類似構(gòu)筑物的拆除爆破設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[2]張世平，閻晉文．爆破拆除高大建筑物產(chǎn)生的震動危害與減震方法[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2006，37(6)：685-687．

[3]樸志友，崔正榮，趙明生，等．120m混凝土煙囪爆破拆除振動測試與分析[J].爆破，2008，25(1)：79-81,85．

[4]蔣耀港，沈兆武，龔志剛，等．構(gòu)筑物爆破拆除振動規(guī)律的研究[J].振動與沖擊，2012，31(5)：36-41．

[5]王瑞貴，建筑物爆破拆除塌落觸地震動效應(yīng)研究[D].武漢:武漢大學(xué)，2005.

[6]汪旭光.爆破設(shè)計與施工[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2011．

[7]中國爆破工程協(xié)會.GB 6722—2014爆破安全規(guī)程[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

(收稿日期2016-01-18)

國家自然科學(xué)基金項目(編號：50764001)。

何松(1991—)，男，碩士研究生，550003 貴州省貴陽市花溪區(qū)。