復(fù)雜環(huán)境90 m高雙曲線冷卻塔拆除爆破

汪高龍，王 瀟，李 跟，夏衛(wèi)國

(1.連云港明達工程爆破有限公司，江蘇 連云港 222021；2.常州市蘇南爆破拆房有限公司，江蘇 常州 213023)

目前，冷卻塔等薄壁桶狀構(gòu)筑物的拆除工程中，拆除爆破是最常用的一種手段。1997年劉宏剛等[1]拆除爆破了太原第一熱電廠的40 m高冷卻塔，這是國內(nèi)雙曲型冷卻塔拆除爆破的較早案例。此后，越來越多的冷卻塔采用爆破手段進行拆除[2-4]。圍繞冷卻塔的拆除爆破技術(shù)，諸多學(xué)者開展了研究。蔣超等[5]、李勝林等[6]應(yīng)用LS-DYNA軟件數(shù)值模擬的方法研究了不同切口形狀下雙曲線型冷卻塔的倒塌效果。費鴻祿等[7-8]建立了冷卻塔觸地解體力學(xué)模型并分析了解體及觸地振動規(guī)律。徐鵬飛等[9]、張寶崗等[10]研究了冷卻塔切口高度和切口角度對拆除爆破過程的影響。江云星等[11]討論了預(yù)拆除工程對拆除爆破的影響。余興春等[12]從安全角度研究了不同防護技術(shù)對冷卻塔拆除爆破有害效應(yīng)的防護作用。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

聊城信源集團有限公司2#冷卻塔位于廠區(qū)內(nèi)東側(cè)，與1#塔南北一字排開，北側(cè)距保護架空管線最小距離3 m，距車間22 m；東北方向距泵房車間5 m，東側(cè)距地上高壓線路32 m，高壓線路東側(cè)為廠區(qū)圍墻，地下管線距塔基礎(chǔ)2 m左右；南側(cè)距1#塔42 m，距檢修車間汽機班工人更衣室7 m；西南側(cè)距循環(huán)泵房9 m；西側(cè)距供管線9 m，距廠區(qū)道路11 m，距運行機組36 m。爆破周邊環(huán)境復(fù)雜，如圖1所示。

圖1 爆區(qū)環(huán)境Fig.1 Blasting area environment

1.2 結(jié)構(gòu)特征

2#冷卻塔為鋼筋混凝土雙曲線薄壁結(jié)構(gòu)，塔高90 m，±0.0 m位置塔體外徑為71.75 m、周長約225.30 m，頂部外徑為43.62 m，下部壁厚43.3 cm，中間壁厚14 cm，上部壁厚25 cm。標高5.8 m以下為人字形支撐立柱，共40對(80根)，其斷面尺寸為40 cm×40 cm。5.8 m以上為1.2 m環(huán)形梁，厚度為50 cm，混凝土強度等級為300#。塔內(nèi)淋水裝置支柱共152根，蓄水池深2 m?；炷量偡搅考s3 100 m3(其中標高5.8 m以上筒壁混凝土方量2 312 m3)，質(zhì)量約8 060 t。

2 拆除爆破設(shè)計方案

2.1 爆破難點及總體方案

冷卻塔屬于高聳薄壁結(jié)構(gòu)，長細比很小，本次爆破的90 m冷卻塔的長細比僅為1.25，底部外徑為71.75 m(±0.0 m位置)，塔壁最小壁厚僅為14 cm。另外，塔體周邊建(構(gòu))筑物多且近，環(huán)境復(fù)雜，給拆除爆破帶來諸多難點；冷卻塔周邊環(huán)境復(fù)雜，拆除爆破質(zhì)量要求高；工期緊。冷卻塔高度較大，爆破方量多，且拆除工期僅10 d，時間短。

對于冷卻塔拆除爆破，通常有原地坍塌和定向倒塌2種方案[13]，選擇依據(jù)為冷卻塔結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境及工期要求等。當周邊沒有空余場地時，應(yīng)采用原地坍塌法，其占用面積小，爆堆集中，易于清渣，但其對施工設(shè)計要求高，稍有不慎將出現(xiàn)塌落不完全、方向失控而導(dǎo)致拆除失敗。當?shù)顾鷪龅刈銐驎r，則采用定向倒塌方案，采用機械破碎與爆破等方式破壞冷卻塔人字立柱、環(huán)行梁和一定高度的筒壁，使冷卻塔在自重作用下失穩(wěn)、產(chǎn)生傾覆力矩并定向傾倒。定向倒塌技術(shù)解體徹底、倒塌方向易控制，但爆堆較分散。

2#冷卻塔東南方向有足夠的倒塌空間，故本次拆除選用定向倒塌方案，倒塌方向為南偏東45°～48°。

2.2 爆破切口設(shè)計

1)切口形式。冷卻塔拆除爆破常用切口形狀主要有3類：正梯形、倒梯形和復(fù)合型[14-16]。根據(jù)本冷卻塔結(jié)構(gòu)，采用復(fù)合型切口。復(fù)合型切口需在爆破前采用機械破碎進行預(yù)處理，工作量較大，但爆破部位主要為人字立柱，爆破工作量小，且無需高空鉆孔作業(yè)和爆破防護，降低了安全管理難度和成本。

2)切口長度。復(fù)合型切口包含人字立柱、環(huán)形梁和塔身，其長度可由下式確定：

(1)

式中：L為切口長度;S為切口位置對應(yīng)的塔周長;θ為切口角度。當采用不同切口角度時，不同標高位置的爆破切口長度如表1所示。

表1 90 m高冷卻塔不同部位切口長度

冷卻塔實際切口長度如下：人字立柱21對，長131.5 m，環(huán)行梁下切口長112.0 m、上切口長131.7 m(見圖2)。

圖2 冷卻塔爆破切口Fig.2 Blasting cutting of cooling tower

3)切口高度。鋼筋混凝土冷卻塔爆破時，爆破切口應(yīng)滿足以下要求：①切口形成后，切口內(nèi)部裸露的豎向鋼筋必須失穩(wěn)；②當冷卻塔傾倒至較大角度時，切口的上下沿才能閉合相撞。切口高度H包括人字立柱高度h1、支柱環(huán)高度h2以及塔身高度h3。2#冷卻塔爆破時，h1=5.8 m、h2=1.2 m，其中正中間的定向窗開設(shè)到20 m高處(見圖2)。

4)可靠性校核。在冷卻塔爆破中，起爆后，需要滿足2個力學(xué)條件：①支撐立柱減少，剩余立柱需足以支撐上部塔身不發(fā)生坍塌；②爆破造成的切口使上部塔體產(chǎn)生足夠的傾覆力矩，使塔體發(fā)生傾倒。

對條件①，采用下式校核：

(2)

式中：p為混凝土立柱承受的壓強；G為冷卻塔重量；S為剩余立柱的總截面積；τ為鋼筋混凝土極限抗拉強度，取25 MPa。

冷卻塔共40對人字立柱，拆除爆破21對立柱，剩余19對，則剩余立柱總截面積為

S=19×2×S0

(3)

式中：S0為單個立柱截面積0.16 m2。

帶入式(2)和式(3)，可得剩余立柱承受壓強為13.26 MPa，小于鋼筋混凝土極限抗拉強度25 MPa，條件①滿足。

(4)

式中：r、R分別為筒體在爆破處的內(nèi)、外半徑；α為保留角α=α2-α1。

圖3 保留截面Fig.3 Reserved section

從最不理想的情況出發(fā)，此類材料的破壞失穩(wěn)條件為：M0≥ξ·MB，其中，ξ為冷卻塔傾倒可靠性保證系數(shù)，取1.2～1.5為宜。

MB為保留筒體材料的極限抗彎強度，由中軸左側(cè)受拉區(qū)產(chǎn)生的極限抗彎強度MBT、中性軸右側(cè)受壓區(qū)產(chǎn)生的極限抗彎強度MBR以及爆破切口內(nèi)鋼筋失穩(wěn)前產(chǎn)生的極限抗彎強度MBP三項之和，各項可由下式計算：

MBT=N1·Ag1·σT·h′

(5)

(6)

(7)

由于該式是按最不理想的條件考慮的，計算結(jié)果說明爆破切口的設(shè)計是合理的，且爆破切口和預(yù)留筒壁內(nèi)的鋼筋不需要預(yù)切除，該冷卻塔爆破的定向傾倒方案是可靠的。

2.3 預(yù)拆除工作

1)開設(shè)定向窗及減荷槽。爆破前，需在倒塌中心位置開設(shè)定向窗；在環(huán)行梁和塔身上對稱于倒塌中心線兩側(cè)開設(shè)寬減荷槽，減荷槽的寬度為0.5～0.8 m；在切口邊沿開設(shè)兩個對稱的定位窗(見圖4)。

圖4 定向窗、減荷槽及切口形狀(1/2切口)Fig.4 Orientation opening, load-reducing groove and notch shape (1/2 cutting)

2)其他預(yù)處理。對定向窗、定位窗的正下方的環(huán)行梁用機械進行破碎，使混凝土與鋼筋分離。機械拆除塔內(nèi)淋水平臺，并切斷塔體外的爬梯，在20 m和30 m處各切斷一道。

2.4 爆破參數(shù)設(shè)計

1)最小抵抗線W：取切口處立柱最小邊長L的一半即W=L/2。

2)炮孔間距a：a=(1.5～1.8)W。

3)炮孔孔深D：D=(0.67～0.7)L。

4)單孔藥量Q1：Q1=qabw，其中，w為立柱寬度，b為立柱長度，q為炸藥單耗，g/m3，一般取1.2～1.8 kg/m3。

在爆破切口范圍內(nèi)的人字支柱上、下端同時鉆鑿炮孔，所有炮孔均采用水平鉆孔，裝藥參數(shù)如表2所示。

表2 人字立柱爆破參數(shù)

2.5 起爆網(wǎng)路設(shè)計

為了控制最大段裝藥量、降低爆破振動，避免電廠內(nèi)雜散電流、射頻電流和感應(yīng)電流等對爆破網(wǎng)路產(chǎn)生影響，采用非電毫微秒延時起爆技術(shù)。

起爆網(wǎng)路為復(fù)式起爆網(wǎng)路，總藥量約22.05 kg，因泵房、更衣室距離爆區(qū)距離過小，因此，以傾倒中心線為對稱軸分10段進行爆破，最大一段藥量為2.1 kg。

3 安全設(shè)計

本次冷卻塔爆破應(yīng)考慮的主要危害效應(yīng)是：爆破振動、觸地振動、爆破飛石。

3.1 爆破振動校核

爆破振動速度可根據(jù)薩道夫斯基公式進行計算：

(8)

式中：Q為最大一段(次)起爆藥量，kg；vb為爆破產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度，cm/s；R為爆心至被保護目標的距離，m；K為場地系數(shù)，取150；K′為修正系數(shù)，取0.3；α為衰減系數(shù)，取1.6。

3.2 觸地振動校核與減振措施

冷卻塔觸地瞬間，將對地面沖擊造成觸地振動，根據(jù)經(jīng)驗，觸地振動是高聳建(構(gòu))筑物拆除爆破主要考慮的危害因素，根據(jù)中科院提出的觸地振動速度公式[17-18]：

(9)

式中：vt為觸地振動速度，cm/s；Kt為地質(zhì)和防護衰減系數(shù)，通常取值Kt=3.37；m為塔體質(zhì)量，kg，本次爆破冷卻塔質(zhì)量為6 080 t，因為傾倒不是一次落地，所以通常取1/3，即2 026.7 t；g為重力加速度；h為重心，取40 m；σ為地面介質(zhì)的破壞強度，一般取10 MPa；α為衰減系數(shù)，取1.66；Rt為測點至沖擊地面中心的距離，m。

爆破振動和觸地振動速度校核如表3所示。

表3 爆破振動速度

由表3可知，爆破振動和觸地振動均大于泵房允許振速，故必須采取減振措施對泵房予以保護。采取的減振措施如下：

1)泵房與爆區(qū)及觸地區(qū)之間每隔1 m開挖一道寬0.5 m，深1.5 m的減振溝，共挖2道；

2)倒塌方向鋪設(shè)厚度約0.5 m的緩沖土層。

3.3 飛石防護

炮孔裝藥量較小，爆破飛石危害較小，采取以下措施預(yù)防個別飛石危害：①穿孔完畢后，嚴格驗孔，保證炮孔質(zhì)量；②裝藥完成后加強填塞，保證填塞質(zhì)量；③采用雙層鋼絲網(wǎng)夾雙層土工布對爆破部位進行覆蓋，并用鐵絲固定(見圖5)；④靠近的建筑玻璃采用鋼絲網(wǎng)進行遮擋防護；⑤所有人員撤至警戒范圍以外，警戒范圍為200 m、室內(nèi)清場為100 m。

圖5 飛石防護措施Fig. 5 Flyrocks resist measures

4 爆破效果

2018年10月26日實施爆破，爆破過程如圖6所示(拍攝方向為倒塌方向)。

圖6 倒塌過程Fig.6 Collapse progress

由圖6可知，起爆后2#冷卻塔塔身迅速朝設(shè)計方向傾倒，約1 200 ms爆破切口閉合，

1 410 ms塔身頂部開始出現(xiàn)明顯變形，并于2 790 ms塔身扭曲變形，約5 120 ms塔身中間部位撕裂，內(nèi)壁相互重合，最終約9 s時塔身徹底倒塌。塔體大部分落在集水池中，冷卻塔頂部及少部分塔體塌落最遠距離池邊18.2 m(見圖7)。

圖7 塔體爆堆Fig.7 Blasting piles of the cooling tower

5 結(jié)語

1)采用經(jīng)驗公式對爆破切口高度及長度進行了校驗，爆破結(jié)果表明，經(jīng)驗公式可靠，塔體解體完全。

2)泵房距爆區(qū)較近，開挖的兩道減振溝作用明顯，未發(fā)現(xiàn)泵房結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋等破壞。架空管線采用竹巴遮擋，未出現(xiàn)飛石傷害。

3)采用雙層鋼絲網(wǎng)夾雙層土工布的方式可有效抑制爆破飛石，更衣室、循環(huán)泵房、車間等的玻璃未破壞，可為相似項目提供施工參考。