雙曲線結(jié)構冷卻塔爆破拆除新技術研究與實踐

朱金華，郭天天，汪慶桃

(國防科技大學 指揮軍官基礎教育學院， 湖南 長沙 410072)

雙曲線結(jié)構冷卻塔爆破拆除新技術研究與實踐

朱金華，郭天天，汪慶桃

(國防科技大學 指揮軍官基礎教育學院， 湖南 長沙 410072)

雙曲線結(jié)構冷卻塔高大壁薄，高寬比小，傳統(tǒng)的爆破拆除方法，需要同時對人字柱、圈梁和筒壁進行打孔爆破，鉆孔數(shù)量多，藥量大，防護難度高，飛石范圍廣，有時還會發(fā)生爆而不倒的現(xiàn)象。針對上述問題，根據(jù)雙曲線結(jié)構冷卻塔結(jié)構上的特點，在冷卻塔倒塌方向上縱向掏槽以加速橫向變形，然后對人字柱的頂端和底端進行節(jié)點爆破，使上部結(jié)構在重力作用下按預定方向塌落，小缺口爆破拆除技術的爆破缺口明顯小于傳統(tǒng)方法，并在華潤電力(錦州)有限公司3座90 m高雙曲線結(jié)構冷卻塔的爆破拆除中得到應用。實踐結(jié)果表明，拆除效果良好，與傳統(tǒng)方法相比，減短了施工時間，降低了塌落振動，減小了飛石擴散范圍，降低了成本，提高了安全性，對類似工程具有較強的指導意義。

雙曲線結(jié)構冷卻塔；爆破拆除；小缺口；縱向掏槽；節(jié)點爆破

1 工程概況

華潤(錦州)電力有限公司為了落實國家“節(jié)能減排”的相關政策，原有的1～3號機組已關停，需要將上述機組的3座冷卻塔徹底拆除。

1.1 周圍環(huán)境

待拆除的3座冷卻塔位于廠區(qū)內(nèi)的西南部，周邊環(huán)境較為復雜(見圖1)，1號冷卻塔東側(cè)80 m范圍內(nèi)為空地，南側(cè)距正在使用的水泵房約16 m，西側(cè)距圍墻25 m，北方距辦公樓最近處為70 m。2號冷卻塔東南側(cè)距變電站的邊緣最近處約70 m，西南側(cè)距3號冷卻塔約30 m，西側(cè)距水泵房22 m，北側(cè)距辦公樓約90 m。3號冷卻塔東側(cè)距變電站最近處約100 m，西南側(cè)距住宅樓邊緣為52 m，西北側(cè)距水泵房約25 m。變電站、水泵房、辦公樓、住宅樓為需要保護的目標，由于周邊需要保護的建筑和設施較多，給爆破拆除增加了難度。

1.2 工程結(jié)構

待拆除的3座冷卻塔同屬一種結(jié)構，即雙曲線鋼筋混凝土結(jié)構。冷卻塔淋水面積3500 m2，塔高90 m，基礎面直徑73.5 m；通風筒喉部直徑38.8 m，頂部出口直徑43.1 m。冷卻塔為高聳薄殼結(jié)構，鋼筋混凝土環(huán)型基礎，基礎設計標號300號，基礎底面埋深-3.00 m。塔筒下部有40對鋼筋混凝土人字柱支撐，人字柱截面為八邊形，平行面之間的距離為50 cm，垂直高度5.8 m，塔筒壁厚由下至上依次減小，下部為500 mm，上部為140 mm。設計強度為C30混凝土。鋼筋混凝土總方量約為5600 m3。

圖1 待爆的冷卻塔周圍環(huán)境

2 爆破設計

2.1 總體拆除方案

根據(jù)待拆除冷卻塔的結(jié)構特點和周邊環(huán)境情況，確定以下總體拆除方案：

(1) 在確保安全的前提下為加快施工進度，對3座冷卻塔地面以上塔體部分采取定向爆破的方法進行拆除。

(2) 采取在冷卻塔塔體上開高減荷槽的措施，利于筒壁折斷塌落。

(3) 為減少爆破次數(shù)，對3個冷卻塔采取一次性定向爆破拆除， 按1，2，3號的順序依次起爆，各冷卻塔間起爆時間延時為1000 ms。

(4) 1號冷卻塔傾倒方向為正東方向；2號冷卻塔傾倒方向為北偏東20°方向；3號冷卻塔傾倒方向為北偏東30°方向(見圖1)。

2.2 爆破切口

切口的設計直接關系到冷卻塔能否順利倒塌，傳統(tǒng)設計一般采用底部大爆破切口，切口的形狀一般有正梯形、倒梯形、三角形和復合型[1-8]。爆破切口的選擇至少要滿足如下幾個條件：

(1) 爆破切口部位的冷卻塔筒壁厚度、結(jié)構、受力、材料強度等沿切口軸線對稱，防止預處理后，筒身偏心失穩(wěn)；

(2) 切口部位預留截面，應具有安全的抗壓強度，保證定向傾倒；

(3) 爆破切口的高度應滿足筒身傾倒所需的重心失穩(wěn)角度；

(4) 盡量降低切口高度，避免高空作業(yè)。

通過對公開發(fā)表的冷卻塔爆破拆除文獻分析[6-14]發(fā)現(xiàn)，切口的高度一般為12～25 m，主要由人字柱高度+圈梁高度+爆破的筒體高度組成，可見傳統(tǒng)方法一般要爆破人字型支撐結(jié)構、圈梁和筒體，所以鉆孔數(shù)量多，爆破器材消耗量大，爆破安全控制難度高。此外，鉆孔、裝藥、填塞、連線、防護等工作大部分處于高空作業(yè)，給施工帶來了很大的難度，安全隱患進一步增大，并使得工程成本大大增加。

本工程擬采用只爆破人字型結(jié)構的方法，為了確保冷卻塔向擬定方向傾倒，預留部分的抗壓強度需要足夠大，爆破切口長度定為周長的53%，沿倒塌方向?qū)ΨQ分布，即爆破21對人字支撐柱結(jié)構。為了確保人字型切口爆破后形成的傾覆力矩能夠使冷卻塔的筒體觸地后充分破碎、解體，并減小倒塌觸地振動，減荷槽的開挖非常關鍵，即必須要保證一定面積和高度的減荷槽。本工程采用液壓錘破碎的方式開設10組高減荷槽。減荷槽高8～12 m，寬0.5～1 m，分布在倒塌中心線兩側(cè)，中間兩個和兩邊的減荷槽最高，為12 m，其它減荷槽的高度以倒向中間向兩側(cè)依次為10，8 m(見圖2)。

2.3 爆破參數(shù)設計

采用鉆孔爆破的方法對人字型立柱實施爆破，爆破部位從底部向上1.8 m和從圈梁處向下1.8 m連續(xù)鉆孔裝藥炸毀，中間部分不爆破。炮孔直徑為38 mm，使用風動鑿巖機鉆孔。最小抵抗線為25 cm，孔距取40 cm，孔深為33 cm(切口范圍內(nèi)立柱截面厚度的2/3)，單柱孔數(shù)為10個(上下各5個)，總孔數(shù)420個，單耗q=1000 g/m3，單孔藥量為100 g。3個冷卻塔合計孔數(shù)為1260個，總藥量為126 kg。

支撐柱的布孔采用“中心剪切式”，即沿立柱中軸線一左一右2～3 cm依次布孔，裝藥使用Φ32 mm乳化炸藥卷。

圖2 減荷槽

2.4 起爆網(wǎng)路設計

2.4.1 爆破器材選擇

此次爆破位于電廠廠區(qū)內(nèi)，環(huán)境復雜，靜電、雜散電流、感應電流較多，為確保安全，本工程全部采用非電塑料導爆管雷管以及非電起爆系統(tǒng)。

采用孔內(nèi)延時起爆方式，起爆元件使用半秒塑料導爆管延期雷管(HS2、HS4、HS6)，傳爆元件由毫秒導爆管雷管(MS1)、導爆管和四通聯(lián)接件組成，擊發(fā)元件使用擊發(fā)槍。

2.4.2 爆區(qū)劃分和網(wǎng)路連接方法

為降低冷卻塔的塌落振動，將每個冷卻塔的起爆時間延時1 s，使每個冷卻塔最大的觸地震動時間錯開。按1、2、3號的先后順序依次起爆，各冷卻塔之間的起爆間隔用半秒塑料導爆管延期雷管控制。各區(qū)段的劃分及延時時間見表1。

表1 冷卻塔爆破延時分段

用導爆管雷管、導爆管及“四通”元件把起爆網(wǎng)絡連接成復式加強起爆網(wǎng)絡，連接方法為：

(1) 將立柱炮孔中的導爆管雷管每20發(fā)抓為一把，綁扎2發(fā)毫秒1段非電導爆管雷管起爆；

(2) 用導爆管和“四通”元件將孔外傳爆的導爆管雷管連成復式加強起(傳)爆網(wǎng)絡，保證導爆管傳爆網(wǎng)絡的可靠性；

(3) 采用能夠產(chǎn)生高能火花的擊發(fā)裝置作起爆能源，激發(fā)導爆管，進而引爆用于傳爆和起爆炸藥的雷管及整個網(wǎng)絡。

3 安全設計與防護

3.1 爆破振動

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)要求，民房允許地面質(zhì)點振動速度為2.0 cm/s，電廠控制中心室設備振動速度為0.5 cm/s。根據(jù)中科院力學研究所提出的拆除爆破經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對于立柱的拆除爆破，可以算得距離冷卻塔170 m處的變電站繼電器設備處，爆破振動速度V= 0.07 cm/s。距離冷卻塔120 m處的民房，爆破振動速度V= 0.13 cm/s。遠小于規(guī)程允許的振動速度。

3.2 塌落振動

由于冷卻塔為高聳構筑物，爆破傾倒時會對地面產(chǎn)生沖擊振動，振動大小及頻率與其質(zhì)量、重心高度和觸點土層的剛度有關。根據(jù)中國科學院力學研究所提供的經(jīng)驗公式，單個冷卻塔圈梁以上的質(zhì)量約6500 t，重心高度為30 m，但根據(jù)以往的冷卻塔塌落振動結(jié)論，冷卻塔的圈梁觸地時的振動值為最大，后續(xù)的筒壁塌落過程的振動較小，依據(jù)此結(jié)論，取重心高度為8 m(圈梁至池底的高度)，可算得在不同距離產(chǎn)生的振動(見表2)。

表2 不同距離上塌落觸地振動速度

根據(jù)計算，變電站繼電器設備間處煙囪塌落振動速度為0.27 cm/s，小于國家安全標準《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)的規(guī)定。為了進一步確保安全，在冷卻塔倒塌方向提前構筑減震堤，在需要保護的目標方向，開挖減震溝，可以大幅度地減小塌落震動對變電站電氣開關等敏感元器件的影響。

3.3 空氣沖擊波安全距離

由于炸藥被分散裝藥，加之又采用多段微差爆破技術，因此，所產(chǎn)生的空氣沖擊波影響很小，不需進行專項防護。

3.4 飛石安全距離

拆除控制爆破無防護條件下個別飛石的最大飛散距離為63 m，根據(jù)周邊環(huán)境的實際情況，必須采取預防技術措施以降低爆破飛石的飛散距離，主要是在爆破部位使用草簾、鐵絲網(wǎng)進行外部包裹防護，確保防護后個別飛散物的飛散距離不大于30 m，以保證飛石不會對周圍建筑物造成危害。

3.5 冷卻塔觸地飛石距離

冷卻塔塌落后會產(chǎn)生一定距離的飛石，但目前尚沒有統(tǒng)一認可的倒塌觸地的飛石距離計算公式，根據(jù)以往的冷卻塔爆破拆除經(jīng)驗，冷卻塔在塌落過程中，主要是筒壁扭曲變形，筒壁失去支撐作用后逐步塌落，因此塌落過程中產(chǎn)生的飛石飛散距離較近，不會對50 m外的建筑和設施造成損壞。

3.6 安全防護

3.6.1 防止塌落振動的措施

冷卻塔在塌落過程中會產(chǎn)生較大的塌落振動，隨著距離的增加，塌落振動衰減很快。因冷卻塔周邊有較多的建筑物和設施需要保護，因此，要采取必要的工程手段減小塌落振動對周邊建筑和設施的影響。采取的主要措施有：

(1) 在每個冷卻塔倒塌方向10 m范圍內(nèi)用渣土構筑2～3道緩沖堤，堤高1～2 m，長20～30 m，寬2～3 m。

(2) 在3#塔與水泵房之間開挖一條50 m長的減震溝，溝深2 m，寬1.5 m。

(3) 在污水管溝和供水管溝與冷卻塔之間開挖減震溝。

3.6.2 防止個別爆破飛石的安全措施

(1) 爆破前進行實爆試驗，調(diào)整和優(yōu)化爆破技術參數(shù)。

(2) 精心施工，保證炮孔位置、深度、方向準確；保證按設計藥量裝藥，藥卷裝填到位；保證填塞質(zhì)量和填塞長度符合要求。

(3) 爆破部位用稻草或草袋進行防護，有效防止飛石的危害效應，將爆破個別飛石控制在30 m以內(nèi)。

4 爆破效果

圖3為起爆后冷卻塔倒塌過程。從圖3可以看出，起爆后形成的傾覆力矩使得冷卻塔筒體發(fā)生扭轉(zhuǎn)、傾覆，在預留人字型結(jié)構的圈梁上方約12 m的位置(減荷槽頂端)出現(xiàn)了明顯裂紋，此后，裂紋不斷擴大，筒體繼續(xù)傾覆、觸地、破碎。實踐表明，3座冷卻塔均按設計倒塌方向坍塌，沒有發(fā)生后座現(xiàn)象，需要保護的建筑物均完好無損，振動控制在預測范圍之內(nèi)，沒有明顯飛石飛出，爆破取得完滿成功。

圖3 冷卻塔倒塌過程

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)的雙曲線型結(jié)構的冷卻塔在爆破拆除時，爆破切口較高，需要同時對人字柱、圈梁和筒壁進行打孔爆破，藥孔數(shù)量多，爆破器材用量較大，高空作業(yè)鉆孔難度大，防護難度高，飛石范圍廣，有時還會發(fā)生爆而不倒的現(xiàn)象。針對上述問題，本文創(chuàng)新性提出了一種小缺口爆破拆除技術，即在人字柱的頂端和底端進行節(jié)點爆破，在沿倒塌中心線兩側(cè)筒體輔以開設縱向減荷槽的方法。通過華潤電力(錦州)有限公司3座90 m高雙曲線結(jié)構冷卻塔的爆破拆除實踐表明，該方法倒塌精準，爆破拆除效果良好。與傳統(tǒng)方法相比，該方法縮短了施工時間，降低了塌落振動，減小了飛石擴散范圍，降低了成本，提高了安全性，對類似工程具有較強的指導意義。

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朱金華(1963-)，男，副教授，長期從事工程爆破的教學與實踐，Email：newzhjh@sina.com。