四座冷卻塔同時定向爆破拆除

孫向陽,謝續文

(湖南中人爆破工程有限公司, 湖南長沙 410005)

四座冷卻塔同時定向爆破拆除

孫向陽,謝續文

(湖南中人爆破工程有限公司, 湖南長沙 410005)

采用定向傾倒控制爆破技術,在復雜的環境下同時拆除高 60～90 m的 4座冷卻塔。詳細論述了爆破方案的選擇、爆破缺口的設計、爆破參數的設計、起爆網路的設計及安全防護措施的運用。實踐證明,本工程的設計方案和施工組織是合理的,為同類工程提供了有益的經驗。

冷卻塔;定向爆破;爆破切口;爆破振動;爆破效果

1 工程概況

天津華能楊柳青熱電有限責任公司在節能減排的改建中 ,將原有的 1#、2#、3#、4#機組的冷卻塔采用控制爆破技術拆除。4座冷卻塔均為薄壁鋼筋混凝土結構,拆除鋼筋混凝土方量約 12000 m3,爆破施工工期 20 d。

1.1 工程結構

1#冷卻塔筒底支撐結構為 36對八邊形斷面人字型組合立柱,柱體長為 4.6 m。人字立柱的上部為圈梁,圈梁厚為 35 cm,垂直高度 140 cm。圈梁以上為通風筒身,筒身是變厚度的薄殼結構,厚度由35 cm向上逐漸減薄至 10 cm,筒身底部直徑為 50.8 m,筒頂直徑為 28 m,地面以上筒身高為 60 m。

2#冷卻塔筒底支撐結構為 36對圓斷面人字型組合立柱,柱體長為 4.9 m。圈梁厚為 40 cm,垂直高度 150 cm。筒身厚度由 40 cm向上逐漸減薄至12 cm,筒身底部直徑為 56.4 m,筒頂直徑為 31 m,地面以上筒身高為 70 m。

3#、4#冷卻塔筒底支撐結構為 40對正方形斷面人字型組合立柱,柱體長為 6.3 m。圈梁厚為 50 cm,垂直高度 180 cm。筒身厚度由 50 cm向上逐漸減薄至 14 cm,筒底部直徑為 73.5 m,筒頂直徑為43.1 m,地面以上筒身高為 90 m。

1.2 周圍環境

4座冷卻塔占地面積大,周邊臨近的建筑物和各種管線較多,如圖1所示,重要的建筑和設施有:40萬 kW變電站 (距 2#塔 70 m),二級泵房 (距 2#塔16 m),制水站 (距 1#塔 25 m),污水泵房 (距 1#塔 15 m),危險品庫 (距 3#塔 20 m),深井泵在 3#、4#塔之間 (距 4#塔 10 m)。2條直埋的 380 V動力電纜,沿2#、3#、4#冷卻塔邊緣敷設,近處距冷卻塔只有 3 m,燃油管道距 1#塔 18 m,在距冷卻塔 50～100 m間有2組高壓輸電線。

圖1 冷卻塔爆破周圍環境示意

2 拆除方案的確定

(1)4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。由于 4座冷卻塔周圍有較多的建筑物和管線,為避開保護目標,其倒塌方向選擇在可利用的空地方向,因此倒塌方向確定為:1#倒塌方向為北偏東 50°方向,2#倒塌方向為東偏南 60°方向,3#倒塌方向為南偏西 45°方向,4#倒塌方向為東偏南 10°方向。

(2)對冷卻塔塔體爆破采取開窗口、斷鋼筋、預留支撐板塊、定向控制爆破的方法施工。

(3)對塔內的淋水裝置保留爆破切口位置的支撐柱和橫梁,用以作為施工平臺,其它部分用機械破碎錘提前拆除。

(4)為減少爆破次數,對 4個冷卻塔采取一次性定向爆破拆除。按 1#、2#、3#、4#冷卻塔的順序 (由低到高)依次起爆倒塌,各冷卻塔間起爆延時為200～350 ms。

3 爆破設計

3.1 技術難點

(1)爆破工程量大。本次爆破拆除的冷卻塔具有單體冷卻塔高大 (最高的冷卻塔高 90 m)、拆除數量多的 (一次性爆破拆除 4座冷卻塔)特點。一次性爆破拆除 4座冷卻塔,使裝藥、網路連接、防護工作量在有限的時間內完成難度增大,況且周邊環境較為復雜,對爆破設計和施工提出了更高的要求。

(2)冷卻塔結構特殊。冷卻塔結構具有薄壁、含筋率高、高寬比小 (冷卻塔高 90 m,底部直徑 73.5 m,比值僅 1.22)、重心低、塔壁厚度不同等特點,外形為雙曲線型,結構穩定。因此要使冷卻塔按設計方向準確傾倒,技術難度較大。

(3)薄壁結構,飛石難控制。冷卻塔壁厚較薄,爆破缺口部位筒壁最大為 40 cm,最小為 23 cm,因此最小抵抗線較小,爆破時容易產生飛石,安全防護要求高。

3.2 爆破切口設計

(1)切口形式。爆破切口形狀有多種形式,根據本次冷卻塔高大的特點,切口采用倒梯形,以利于順利倒塌。

(2)切口高度 (H)設計。切口高度大小是保證冷卻塔倒塌變形的重要參數,切口總高度包括人字柱高度 h1、圈梁高度 h2、塔身切口高度 h33部分組成,即 H=h1+h2+h3。本次爆破的 4座冷卻塔切口高度分別為:

1#冷卻塔 H1=4.2+1.4+2.2=7.8 m;

2#冷卻塔 H2=4.5+1.5+2.1=8.1 m;

3#、4#冷卻塔 H3=H4=5.8+1.8+1.5=9.1 m。

(3)切口長度(L)設計。爆破切口的長度的大小對冷卻塔順利倒塌和倒塌方向的準確性,起著至關重要的作用,根據以往的成功經驗和理論計算,為保證冷卻塔爆破后的倒向準確,防止產生后座現象,要保證預留的支撐體短時間內的支撐強度和穩定性,爆破切口長度均按 4座冷卻塔各自底部圓周長的 50%設計。

(4)預切口設計。為了減少爆破鉆孔數量和降低一次起爆藥量,同時為保證冷卻塔能夠準確按設計方向傾倒,并減小倒塌觸地振動,在爆破拆除前對冷卻塔筒壁切口部分用液壓錘機械破碎方法進行預拆除,拆除范圍有:

塔身部分預處理,將爆破切口部位內的 50%～55%用機械預先拆除,拆除的窗口內的鋼筋切割清除,預留的支撐壁在人字柱上方,拆除高度高于筒壁上的爆破切口高度;

圈梁上的預處理,將切口長度上的圈梁平均分為三等份,在等分線上使用機械切斷 4個缺口,使其失去水平方向的連接作用;

定向窗預處理,為確保定向傾倒的準確性,在筒體切口兩端預先用機械開設定向窗,定向窗為直角三角形,底邊為 3 m,垂邊為 3 m;

淋水裝置處理,爆破前除保留與爆破切口相鄰的 2排塔內淋水裝置的支撐柱和橫梁,作為鉆孔、裝藥的施工平臺,其它支撐柱全部使用液壓破碎錘將其破碎拆除。

3.3 爆破參數選擇

由于 4個冷卻塔的結構形式不同,其爆破支撐柱的斷面尺寸和筒壁的厚度均不一致,因此爆破參數設計也有區別,按塔高 90,70,60 m 3種類型設計。

(1)筒壁。爆破部位筒壁厚為 25～40 cm,1#冷卻塔筒壁炸高 2.2 m,2#冷卻塔炸高 2.1 m,3#、4#冷卻塔炸高 1.5 m,炸藥單耗 1500～2000 g/m3。

(2)人字型組合立柱。人字型立柱爆破部位從底部向上 1.5 m和從圈梁處向下 1.5 m連續鉆孔爆破,中間部分不用爆破,每根支撐柱布孔 8個,單耗q=1200～1300 g/m3。

(3)淋水裝置支撐立柱。淋水裝置支撐柱斷面為正方形,爆破部位在 0.5～2 m處,炸高 1.5 m,單柱孔數 5個,單耗 q=1100～1200 g/m3。

4個冷卻塔詳細爆破參數見表1。

表1 4個冷卻塔爆破參數

3.4 起爆網路設計

(1)起爆器材全部采用非電起爆系統對冷卻塔進行爆破拆除。起爆元件使用毫秒塑料導爆管延期雷管;傳爆元件使用傳爆雷管、導爆管和四通聯接件組成;起爆使用起爆器。

(2)每個冷卻塔為 1個起爆區段,最大裝藥量76 kg,統一使用 1個段位的雷管起爆,各區段間由多條傳爆干線連接,整個網路連接用非電雷管和非電導爆管及“四通”元件把起爆網路連接成復式加強起爆網絡。

(3)4座冷卻塔按 1#、2#、3#、4#冷卻塔的先后順序依次起爆,各冷卻塔之間的起爆間隔用毫秒雷管控制,起爆全部采用孔內延時設置,各冷卻塔延時時間見表2。

表2 4個冷卻塔爆破延時分段

4 爆破安全控制

4.1 爆破振動控制

本次爆破使用炸藥量最大的 3#冷卻塔,一次起爆的最大藥量為 76 kg。振動控制要求最高的目標為距離最近的變電站控制室,距 2#冷卻塔邊緣 100 m(距該塔首次觸地點 157 m),允許安全質點振動速度峰值 0.32 cm/s。

依據爆破振動速度計算公式 V=K(Q1/3/R)α,塌落振動速度計算公式 Vt=Kt[(M gH/σ)1/3/R]β,所得 4座冷卻塔在不同距離上爆破振動和塌落觸地振動速度見表3。

表3 不同距離上爆破和塌落觸地振動速度

根據計算結果分析,基本滿足周邊目標防震的要求,但為確保保護目標的安全,進一步減小振動強度,在 1#和 2#冷卻塔西側各開挖了 1條 2 m深的減振溝,在冷卻塔爆破切口下軸線兩側各 10 m處鋪墊建筑渣土,減緩冷卻塔首次觸地點的振動。

4.2 飛石控制

由于待爆冷卻塔周邊有許多正在運行的車間和機房,最近處只有 15 m,還有架空通信、輸油管線。對爆破飛石的防護要求較高,必須嚴密防護。采取的安全防護措施有:確保鉆孔深度 (筒壁上是從里向外鉆孔)的準確性;嚴格按設計裝藥;使用 3 cm厚的草簾對爆破部位包裹或覆蓋 2層;對距爆破位置較近的建筑物或設施進行主動防護,在其防護部位覆蓋 1～2層草簾;爆破安全警戒距離為 200 m。

4.3 爆破振動安全監測

爆破時建設單位請當地地震局現場布置了 3個測震點監測爆破振動。3個監測點距 4座冷卻塔外邊緣距離分別為 70,120,150 m,所測得的振動速度對應為 0.58,0.42,0.26 cm/s,小于安全允許振動速度標準,也小于理論計算值。

5 爆破效果

5.1 試爆效果

在爆破的前一天對 3種高度的冷卻塔的人字支撐柱和筒壁進行了試爆,試爆時嚴格按設計藥量裝藥,并按防護設計包裹或覆蓋兩層草簾,試爆后 2#、3#冷卻塔筒壁爆破部位鋼筋彎曲變形,混凝土完全脫離鋼筋,1#冷卻塔筒壁爆破部位 (壁厚 23 cm,單孔藥量 30 g)還有約 30%的混凝土塊未脫離鋼筋網(在實爆時將單孔藥量增加到 40 g)。試爆時爆破產生的飛散物飛散距離不遠,主要爆渣散落在 5～15 m范圍內。個別飛石也控制在 30 m之內。試爆證明爆破參數合理,防護有效。

5.2 實爆效果

2008年 11月 23日下午 14:10冷卻塔爆破起爆(中央電視臺現場直播),4個冷卻塔依次按設計的倒塌方向發生扭轉變形,然后加速塌落并解體,整個傾倒過程約 10 s。4座冷卻塔爆破倒地后,倒向準確。倒塌物沿倒塌方向向前塌落 10～25 m,其它 3個方向均塌落在基礎水池內。倒塌反方向的預留人字支撐柱全部倒塌,沒有產生任何后座現象,后部有個別殘壁聳立,最高處有 8 m左右。其它部位解體充分。爆破所產生的振動及飛石沒有對周邊被保護的建筑物和設施造成任何損壞。測震結果也證明了爆破產生的振動符合設計要求。

6 結 語

(1)冷卻塔為鋼筋混凝土薄壁結構,其倒塌過程與剛度強的鋼筋混凝土煙囪倒塌區別很大,煙囪是在爆破切口形成后,煙囪重心偏移、失穩,煙囪筒體成剛性整體倒塌,而冷卻塔倒塌主要是平衡力系受到破環,而使筒體產生扭曲變形,導致筒體向下塌落,因此在選擇爆破切口長度時選擇周長的 50%左右為好,剩余的支撐體有足夠的支撐強度,能保障冷卻塔爆破后短時間內后支撐的穩定,使冷卻塔產生倒向方向的慣性,倒塌定位準確,同時可避免后支撐區產生后座或向后倒塌。

(2)冷卻塔爆破缺口高度是保證冷卻塔倒塌的重要條件,在考慮減少鉆孔、裝藥等工程量因素時,一定要保證爆破缺口有足夠的高度,使冷卻塔首次觸地時產生足夠大的沖擊力,導致筒體結構發生破壞而倒塌。根據同類冷卻塔成功爆破的經驗,缺口高度應保證在 8 m以上的高度為好,特別是對高度較低、質量較小的冷卻塔更要注意其爆破切口應有足夠的高度,近幾年發生的多起冷卻塔爆而不倒的情況其原因之一就是爆破切口高度過小 (只爆支撐柱)。

(3)冷卻塔的淋水裝置在爆破前使用液壓破碎錘預先處理,可有效地保證塔體的完全坍塌。但為了方便施工,減少搭建腳手架的材料和時間,可保留與爆破切口相鄰的部分淋水裝置支撐柱和橫梁,為鉆孔施工和裝藥提供施工平臺。

[1] 汪旭光,于亞倫.拆除爆破理論與工程實例[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] 史家堉,程貴海,鄭長青.建筑物爆破拆除理論與實踐[M].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[3] 瞿家林,徐 剛,年鑫哲.電廠內復雜環境下兩座 90 m高冷卻塔爆破拆除[J].工程爆破,2011,(1).

2011-07-21)

孫向陽,男,副總經理,從事爆破技術及管理工作。