復(fù)雜環(huán)境61 m高雙曲線冷卻塔拆除爆破

劉桂勇，李坤鵬

(1.重慶市公安局，重慶 401147；2.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

在建(構(gòu))筑物拆除爆破過程中，降低爆破振動、觸地振動以及爆破飛石的危害一直是爆破作業(yè)中需要考慮的問題。冷卻塔的拆除大多采用拆除爆破技術(shù)，在大量的工程實踐中，冷卻塔的拆除技術(shù)日益完善。

高文樂等[1]對國內(nèi)幾十座冷卻塔的拆除爆破效果進(jìn)行了歸納總結(jié)，對拆除過程中如何選擇合適的爆破參數(shù)、爆破切口、起爆網(wǎng)路進(jìn)行了細(xì)致分析，最后對拆除過程中冷卻塔的預(yù)拆除以及安全控制進(jìn)行了總結(jié)。崔建林等[2]對61 m高冷卻塔在拆除爆破過程中出現(xiàn)的未倒塌情況進(jìn)行分析總結(jié)，指出在進(jìn)行冷卻塔拆除爆破的過程中，要保證冷卻塔爆破切口的展長和爆破切口高度同時滿足設(shè)計要求。謝錢斌等[3]在拆除2座90 m高的冷卻塔時，提出可以采用計算機(jī)數(shù)值模擬的方法，進(jìn)行人字柱的受力分析，最終確定合理的鉆孔布置與開口角度。趙楚等[4]運用定向爆破的方法拆除了兩座雙曲線冷卻塔，冷卻塔的破碎效果良好，按設(shè)計方向成功倒塌，倒塌之后不需進(jìn)行二次處理，節(jié)省了工作時間，減少了工作量。徐鵬飛等[5]使用高減荷槽的拆除方法爆破一座70 m的雙曲線冷卻塔，最高處減荷槽高度為15.4 m，切口角度設(shè)置為216°，共炸掉24對人字柱，將當(dāng)時國內(nèi)體積最大的冷卻塔成功爆破，拆除效果良好。費鴻祿等[6-7]通過建立數(shù)值計算模型的方式，研究了冷卻塔觸地解體以及觸底振動的規(guī)律。胡浩川等[8]針對冷卻塔拆除過程中定向窗的設(shè)置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)定向窗的高度直接影響冷卻塔坍塌面積，定向窗高度越高，冷卻塔的倒塌寬度越小。高文樂等[9]使用ANSYS/ls-dyna有限元分析軟件，對不同數(shù)量減荷槽下冷卻塔的拆除爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，最終確定最佳的減荷槽數(shù)量為6個或7個。張建華等[10]針對冷卻塔的爆破切口進(jìn)行了研究，運用數(shù)值模擬的方法，改進(jìn)了爆破切口的形式，通過在塔壁上炸出大量小型切口，最終得出這種方法能夠降低地面振動。

通過研究前人先進(jìn)的經(jīng)驗技術(shù)，對合理的爆破參數(shù)、爆破切口以及起爆網(wǎng)路等進(jìn)行總結(jié)，并在本次拆除爆破中進(jìn)行應(yīng)用。本拆除爆破工程中，需重點對周圍的居民區(qū)、辦公室進(jìn)行保護(hù)，通過設(shè)置定向窗與減荷槽等，控制冷卻塔的倒塌方向，并對拆除爆破時的爆破振動與觸地振動進(jìn)行控制，最終達(dá)到保護(hù)周圍建(構(gòu))筑物的目的。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

待拆冷卻塔位于忠縣忠州街道蘇家社區(qū)原火電廠內(nèi)，冷卻塔東偏北面有待拆除的電廠舊辦公室，距離約為40 m。冷卻塔東南方向約150 m處為藍(lán)天環(huán)境辦公樓，北側(cè)約120 m處為居民房，需要重點保護(hù)。冷卻塔的倒塌方向為正東側(cè)，周圍環(huán)境如圖1所示。

圖1 冷卻塔周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment of cooling tower

1.2 結(jié)構(gòu)特征

擬拆除的冷卻塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，冷卻塔高61 m，其中人字柱長8 m、支柱環(huán)梁長0.6 m、上部壁長52.4 m，支柱環(huán)梁內(nèi)徑38 m，壁厚0.34 m，底部人字柱外徑46 m，32對人字柱尺寸40 cm×25 cm，70根直柱尺寸30 cm×25 cm，中心圓柱直徑3.4 m，壁厚0.4 m。冷卻塔內(nèi)部存在圈梁、導(dǎo)水槽、除水器、鐵篦子等，冷卻塔自重約為2 400 t。

1.3 工程重、難點

該冷卻塔呈旋轉(zhuǎn)雙曲面形狀，為薄壁結(jié)構(gòu)的高聳建筑物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，長徑比小，需要預(yù)處理部分較多。因為周圍存在居民區(qū)，因此需要提高爆破質(zhì)量，減小爆破危害效應(yīng)，以保護(hù)周圍的建(構(gòu))筑物。目前重慶市的拆除案例不多，技術(shù)難度大，確保安全高效的良好社會影響是此次爆破拆除工作的重點。

考慮到周邊的環(huán)境條件以及工程效益，該冷卻塔選擇向正東側(cè)倒塌的方法，通過對爆破方案進(jìn)行精確設(shè)計和計算，借助經(jīng)緯儀進(jìn)行定位測量，以提高倒塌的精確性。

2 方案設(shè)計

2.1 爆破切口設(shè)計與預(yù)處理

1)爆破切口設(shè)計。該冷卻塔存在人字柱32對，拆除方案要確保冷卻塔的倒塌中心線位于一對人字柱的柱基上，兩側(cè)對稱拆除19對人字柱。采用角度為214°的爆破切口，冷卻塔的周長為121.3 m，其中有72 m的定向窗切口，49.3 m的支撐結(jié)構(gòu)。將人字柱、預(yù)切窗口以及圈梁高度之和設(shè)置為爆破切口高度，高度為13.6 m。爆破過程中要保證冷卻塔可以向正東方向倒塌，并確保有充分的支撐防止發(fā)生下坐或后坐的現(xiàn)象。爆破切口如圖2所示。

圖2 爆破切口Fig.2 Blasting cutting

2)預(yù)處理。采用預(yù)拆除的方式可以減小一次齊爆藥量，使爆破規(guī)模不至于過大，降低爆破風(fēng)險，并且具有更好的倒塌和破碎效果。具體的預(yù)拆除方案如下。

a)爆破切口的上部預(yù)先使用炮機(jī)開鑿10 m×2 m的窗口，窗口之間預(yù)留支撐塔壁，支撐塔壁尺寸為2.5～4.5 m。在倒塌中心線兩側(cè)環(huán)梁以上，用液壓錘開鑿13個窗口，向兩側(cè)高度分別為10、5、3、2 m，其中最外側(cè)兩個為定向窗口，角度設(shè)置為45°以保證預(yù)處理后塔體有足夠的支撐，不會倒塌。爆破切口的中心線與人字柱柱基重合，相鄰的兩對對稱的人字柱能夠支撐保留的塔壁部分，因此按照拆除19對人字柱進(jìn)行計算，窗口應(yīng)設(shè)置為13個，兩端的窗口起到定向窗的作用。支撐側(cè)的13對人字柱底部設(shè)置一個空炮孔，目的是在爆破倒塌瞬間，可以形成用于支撐的鉸鏈。

b)冷卻塔內(nèi)部的中心井、鐵欄桿等需要預(yù)拆除，缺口內(nèi)的爬梯與避雷針需要切斷。采用機(jī)械方法將進(jìn)水管等附屬設(shè)施拆除，冷卻塔底部的積水需要抽干。炸藥裝完后，拆除冷卻塔內(nèi)部的鐵篦子、導(dǎo)水槽、豎直立柱。預(yù)拆除及布孔設(shè)計如圖3所示。

圖3 預(yù)拆除及布孔設(shè)計Fig.3 Preliminary demolition and hole layout design

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

爆破切口范圍內(nèi)有19對人字柱。在對冷卻塔進(jìn)行預(yù)拆除處理后，支撐塔壁存在于爆破切口范圍內(nèi)，在塔壁4 m與7 m高度處設(shè)置炮孔，目的是讓塔體倒塌過程中，支撐塔壁在壓力作用下發(fā)生折斷，不存在支撐。圈梁需要在預(yù)拆除窗口的下方設(shè)置炮孔，爆破后斷開以使其失去支撐作用。在人字柱的底部與頂部設(shè)置5排炮孔、中間設(shè)置1排炮孔以使其失去支撐力。爆破作業(yè)中均使用d=40 mm的炮孔直徑。

1)人字支柱及直柱爆破參數(shù)的確定。需要爆破拆除的人字支柱為19對。每根柱單排布孔，上部3個、下部6個。孔距25 cm、孔深18 cm。19對支柱總的炮孔數(shù)量為342個，每孔裝藥50 g，因此人字支柱的總裝藥量17.1 kg。

需要拆除直柱的數(shù)量為48根，采用單排布孔的方式，上部和下部均設(shè)置3個炮孔，孔距設(shè)置為22 cm，孔深15 cm。直柱炮孔共計288個，每孔裝藥40 g，總裝藥量11.5 kg，因此人字支柱與直柱的總藥量約28.6 kg，雷管數(shù)量為630發(fā)。

2)支柱環(huán)梁及筒壁爆破參數(shù)的確定。筒壁爆破位置為8.6～13.6 m，壁厚δ為34 cm，炮孔直徑38～40 mm，布孔采用垂直筒壁鉆孔。

a)最小抵抗線：W=(1/2)δ=17 cm。

b)孔深：L=(0.6～0.8)δ=23 cm。

c)孔距：a=(1.0～2.0)L=22 cm。

d)排距：b=(0.85～1.0)a=22 cm。

e)單位炸藥消耗量：取q=3.0 kg/m3。

f)單孔裝藥量Q：Q=qabδ=0.049 kg，本設(shè)計取0.05 kg。

3)中心圓柱爆破參數(shù)的確定。中心圓柱直徑3.4 m，周長10.7 m，壁厚δ為0.4 m，中心圓柱距地面0.5 m，三角形定向窗的頂角為45°，長度為1.0～2.0 m。

a)切口高度H0：爆破切口的高度不宜小于爆破部位壁厚的3倍，一般取3～5倍壁厚，取H0=1.96 m。

b)炮孔布置：在冷卻塔爆破缺口范圍之內(nèi)設(shè)置炮孔，炮孔的方向指向冷卻塔的中軸線，相鄰排間炮孔采用梅花形布孔的形式，以使塔體充分破碎。

c)最小抵抗線：W=δ/2=0.2 m。

d)孔深：L=(0.65～0.75)δ=0.28 m。

e)孔距a和排距b：在用爆破法拆除煙囪時，取孔距a=(1.2～1.5)W=0.3 m；上、下排炮孔采用梅花形布孔，取排距b=(0.85～0.9)a=0.28 m。

4)單孔裝藥量Q。Q=0.067 kg，因每條炸藥是200 g，即每條炸藥分3份設(shè)計取約67 g。中心圓柱布8排孔，每排布孔21個即總炮孔數(shù)量為168孔，藥量約為12 kg。

5)設(shè)計總藥量及雷管總數(shù)。計劃用藥量：216 kg，其中導(dǎo)爆管雷管數(shù)量為4 500個，瞬發(fā)電雷管數(shù)量為200個。

2.3 起爆網(wǎng)路設(shè)計

炸藥型號選用直徑為32 mm的2#巖石乳化炸藥，使用MS1、MS3、MS5段毫秒延時導(dǎo)爆管雷管起爆，腳線長度應(yīng)大于10 m，用于起爆的雷管為8#鋼殼電雷管。設(shè)置3個起爆區(qū)域?qū)Ρ魄锌谶M(jìn)行起爆，使用MS1段導(dǎo)爆管雷管起爆中間的3對人字柱及其垂直方向?qū)?yīng)的上部區(qū)域；使用MS3段導(dǎo)爆管雷管起爆接下來的3對人字柱及其對應(yīng)區(qū)域；使用MS5段雷管起爆切口兩端的各5對人字柱及其對應(yīng)區(qū)域。

使用導(dǎo)爆管雷管組成起爆網(wǎng)路，炮孔內(nèi)、外統(tǒng)一選取毫秒延時導(dǎo)爆管雷管。人字柱孔內(nèi)使用MS1段雷管，塔壁、人字柱、環(huán)梁設(shè)置的炮孔中，將導(dǎo)爆管雷管綁扎成簇，每簇15～20個，再使用2個MS1段雷管進(jìn)行連接，最后選用兩發(fā)電雷管作為起爆雷管進(jìn)行起爆。

3 安全設(shè)計

本次冷卻塔拆除過程中，主要對爆破振動、觸地振動以及爆破飛石進(jìn)行控制。

3.1 爆破振動校核

計算爆破安全振速通常運用薩道夫斯基公式，公式如下[11-12]：

(1)

式中：Q為單段起爆最大藥量，kg，取48 kg；vb為峰值振速，cm/s；K′為修正系數(shù)，取1；K為場地系數(shù)，取100；R為爆區(qū)到需要重點保護(hù)的建(構(gòu))筑物的距離，m；α為地震波傳播過程中的衰減系數(shù)，取1.6。

由于居民區(qū)與拆除爆破的冷卻塔距離為120 m，經(jīng)計算爆破振動峰值振速vb=0.37 cm/s<1 cm/s，因此民房處產(chǎn)生的振速滿足《爆破安全規(guī)程》的要求[13]。

3.2 觸地振動校核

根據(jù)觸地振動速度公式[11-12]：

(2)

式中：vt為冷卻塔倒塌時觸地振動速度，cm/s；mgh為觸地沖量；m為拆除建筑物的質(zhì)量，取2 400 t；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為建筑物的重心高度，取28 m；Kt為衰減參數(shù)，取2.5；β為衰減系數(shù)，取-1.7；Rt為觸地建筑物的邊緣到被保護(hù)建(構(gòu))筑物的距離，取120 m；σ為冷卻塔爆破解體后，構(gòu)件混凝土的破壞強(qiáng)度，取10 MPa。

計算可得：vt=0.4 cm/s<1 cm/s。因此可得，拆除爆破該冷卻塔產(chǎn)生的觸地振動不會引起周圍建(構(gòu))筑物破壞。

3.3 爆破飛石防護(hù)

為了防止爆破飛石的危害，采取了以下措施：①控制鉆孔質(zhì)量，裝藥前對每個炮孔都進(jìn)行質(zhì)量檢驗，滿足要求方可進(jìn)行下一步作業(yè)。②保證炮孔的填塞質(zhì)量，防止發(fā)生沖孔而造成飛石拋擲較遠(yuǎn)。③實施起爆前，確保所有的人員均撤離爆破現(xiàn)場，保證安全距離。起爆之前對爆破倒塌方向一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行平整處理，以減少石塊觸地碰撞彈起而產(chǎn)生的飛石。

4 結(jié)語

1)冷卻塔的預(yù)處理過程中設(shè)置導(dǎo)向窗及減荷槽，在減少鉆孔及爆破量的同時，使得安全隱患和防護(hù)難度得以降低。通過在拆除爆破之前運用經(jīng)驗公式對爆破振動速度以及觸地振動速度進(jìn)行計算，預(yù)先確定爆破振動與觸地振動的近似范圍，最終對爆破振動與觸地振動進(jìn)行了準(zhǔn)確控制，經(jīng)驗公式可靠。

2)冷卻塔的塔體質(zhì)量影響拆除爆破時的觸地振動速度，采用毫秒延時爆破，毫秒延時分為3段，設(shè)置3個起爆區(qū)域?qū)Ρ魄锌谶M(jìn)行起爆，使冷卻塔在塌落過程中扭曲變形，塔體之間不斷碰撞，最終塔體觸地比較分散，單次觸地質(zhì)量小，可以起到減小觸地振動的作用。