復雜環(huán)境下貴陽電廠2#冷卻塔搶險爆破

魏 興， 趙明生， 池恩安， 鄒 銳， 宋芷軍， 李 杰， 余紅兵

(1. 貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司， 貴陽550002；2.貴州大學 礦業(yè)學院， 貴陽 550003)

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復雜環(huán)境下貴陽電廠2#冷卻塔搶險爆破

魏 興1,2， 趙明生1,2， 池恩安1,2， 鄒 銳1， 宋芷軍1， 李 杰1， 余紅兵1

(1. 貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司， 貴陽550002；2.貴州大學 礦業(yè)學院， 貴陽 550003)

為安全、快速完成貴陽電廠2#冷卻塔的搶險爆破，采用定向倒塌的爆破拆除方案。首先在施工過程中對塔頂進行位移監(jiān)測，以確保施工過程的絕對安全；然后根據(jù)冷卻塔目前的結(jié)構(gòu)特點，為實現(xiàn)爆破時冷卻塔的充分解體，采取提高定位窗和卸荷窗的切口高度，確保塔體在機械預處理過程中的穩(wěn)定性；最后采用ANSYS軟件分離式共節(jié)點模型，對爆破方案進行了數(shù)值模擬，驗證了所選用方案的可行性。鑒于冷卻塔附近鐵路高架橋的重要性，采用了開挖減振溝、敷設(shè)緩沖堤及搭設(shè)防護排架綜合防護手段，最終圓滿完成了冷卻塔的搶險爆破，可為類似工程提供參考。

冷卻塔； 控制爆破； 安全防護； 數(shù)值模擬； 搶險爆破

1　工程概況

由于貴陽電廠的搬遷，其2#冷卻塔需進行拆除。前期的機械拆除已對冷卻塔局部承重結(jié)構(gòu)進行了破壞，形成了重大的安全隱患，故需搶險爆破拆除冷卻塔。冷卻塔周邊環(huán)境十分復雜，東面、西面、北面都有居民區(qū)，且房屋一般為2 ～3層磚砌結(jié)構(gòu)，最近距離僅有15m；南側(cè)60m處是鐵路高架橋(川黔鐵路貨車外繞線黔靈山至關(guān)田區(qū)間K5+750m至K5+900m鐵路線路)，橋高26m。若爆破施工對鐵路造成破壞，所帶來的后果不可估量。爆破時需對爆破飛石、爆破振動、爆破沖擊波以及冷卻塔倒塌觸地振動進行嚴格控制，確保周圍建(構(gòu))筑物的安全。周圍環(huán)境如圖1所示。

圖1　冷卻塔爆破環(huán)境Fig.1　Surrounding environment of cooling tower

冷卻塔地面標高86m，直徑60m；共有40對人字形立柱高度5.5m，斷面尺寸0.4m×0.4m，柱內(nèi)有8根Φ18mm的豎筋和Φ8mm箍筋(箍筋之間平行間距0.2m)，人字柱上部是高1m、厚0.5m的鋼筋混凝土圈梁，鋼筋行列間距0.1m×0.1m；圈梁以上塔壁厚度0.2m，鋼筋行列間距0.1m×0.1m。冷卻塔前期機械拆除15根人字形立柱(東偏南6°至東偏南73.5°)，且部分圈梁被拆除(距離地面最大高度為8.5m)后已成高危構(gòu)筑物，需即刻安全拆除，前期機械拆除后實物如圖2所示。

圖2　機械拆除后實物圖Fig.2　After machanical removal

2　爆破總體方案

根據(jù)現(xiàn)場的勘察，按照原機械拆除方案設(shè)計的倒塌方向采用定向爆破，倒塌方向為東偏南42°〔1-4〕。

為確保施工安全，施工過程中用經(jīng)緯儀對冷卻塔進行偏移監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，最大偏移角度在10°以內(nèi)，約5 ～6mm，冷卻塔處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1爆破參數(shù)設(shè)計

(1)爆破切口的位置

采用定向倒塌爆破時，爆破切口的大小是冷卻塔能否按照設(shè)計方向倒塌的關(guān)鍵〔5-7〕。必須保證結(jié)構(gòu)在倒塌時傾倒力矩大于結(jié)構(gòu)的極限彎矩。還要保證冷卻塔在爆破切口形成后整體失穩(wěn)，倒塌后充分的解體破碎。

(2)爆破切口的長度、高度

冷卻塔底部半徑為30m，周長為188.4m，冷卻塔爆破高度H取6.5m。切口長度取其底部圈梁周長的0.6倍，切口的圓角為220°。人字形立柱共計24對，切口示意圖如圖3、圖4所示。

圖3　爆破切口剖面示意圖Fig.3　Schematic diagram of blasting notch section

圖4　爆破切口示意圖Fig.4　Schematic diagram of blasting notch

根據(jù)冷卻塔特點，為了確保其順利倒塌及充分解體，在爆破切口上方11.5m的塔壁上開設(shè)兩個卸荷窗2m×6m、兩個定位窗2m×2m來加劇冷卻塔在倒塌過程中的扭轉(zhuǎn)撕裂，且確保塔體在機械預處理過程中穩(wěn)定性。為了降低冷卻塔倒塌塔內(nèi)壓縮空氣沖擊的危害，在倒塌方向反方向中心線上距離地面11.5m處(圈梁上方)，開一個2m×4m的卸壓窗口，不同位置卸荷窗、定位窗、卸壓窗示意圖如圖5所示，爆破切口的孔網(wǎng)參數(shù)見表1。

圖5　不同位置卸荷窗、定位窗、卸壓窗示意圖Fig.5　Schematic diagrams of unloading window， positioning window and distressed window in different places

炮孔部位幾何尺寸/cm孔深/cm孔距/cm排距/cm單孔藥量/g孔數(shù)總藥量/kg人字支柱40×402730/4573032.9圈梁100×50313025901376123.8合計2106156.7

2.2起爆網(wǎng)路設(shè)計

采用塑料導爆管雷管，孔內(nèi)每孔藥包裝1發(fā)雷管，網(wǎng)路中傳爆連接使用兩發(fā)雷管，按照設(shè)計要求并入主爆網(wǎng)路。炸藥采用2#巖石乳化炸藥，雷管選用MS1、MS7、MS15非電導爆管毫秒延時雷管，MS1用于傳爆連接，MS7用于孔外毫秒延時，MS15用于孔內(nèi)毫秒延時。采用非電導爆雷管毫秒延時起爆，孔內(nèi)20個簇聯(lián)一束，采用交叉復式網(wǎng)路，連接示意圖如圖6、圖7所示。

圖6　導爆管雷管簇聯(lián)示意圖Fig.6　Schematic diagram of nonel detonator clustered

圖7　起爆網(wǎng)路Fig.7　Initiation network

2.3安全防護設(shè)計

(1)根據(jù)周邊勘察情況，靠近鐵路橋圍墻內(nèi)開挖減振溝底寬2m、頂寬3m、深3m、長120m；在防護鋼管排架內(nèi)側(cè)距離冷卻塔14m處再增加一條減振溝，底寬3m、頂寬5m、深4m、長110m，低于鄰近的最低鐵路6號橋墩基礎(chǔ)0.5m。減振溝橫截面示意圖和現(xiàn)場開挖效果如圖8所示。

圖8　減振溝Fig.8　Damping ditch

(2)緩沖堤的作用是冷卻塔坍塌時起緩沖作用，減小觸地速度，從而減小觸地振動。在倒塌方向布設(shè)4道緩沖堤，緩沖堤沿倒塌中心線從塔基邊緣算起，依次8，16，24，36m各布設(shè)1條，前3道減振堤，每道長55m、高 2m、寬4m，第4道緩沖堤設(shè)置成角度50°的梯形緩沖防護墻，長40m、高6.5m、底寬12m。外圍用雙層沙包墻堆砌，內(nèi)部充填細砂土，沙包封頂，橫截面示意如圖9所示。

圖9　緩沖堤截面示意圖Fig.9　Section of buffer embankment

(3)對鐵路線路采用近體防護，在K5+750m至K5+900m鐵路線路一側(cè)電廠圍墻內(nèi)距圍墻3m搭建12m高、157m長的鋼管排架，排架外掛膠皮網(wǎng)，防止沖出的飛石和沖擊波對鐵路高架橋造成損傷。在傾倒方向左側(cè)和后側(cè)距離民房9m處搭建9m高、102m長鋼管排架，排架外掛雙層膠皮網(wǎng)，防止沖出的飛石對側(cè)面民房造成損傷。鋼管排架按照1m×1m搭建，膠皮網(wǎng)尺寸為1.4m×1.6m。橫截面示意圖如圖10所示。

圖10　防護排架橫截面示意圖Fig.10　Schematic diagam of cross section of protective frame

3　數(shù)值模擬分析

采用LS-DYNA軟件建立分離式共節(jié)點模型，對冷卻塔爆破拆除倒塌過程進行模擬分析〔8〕，并利用材料的失效準則模擬爆破時混凝土的脫籠效果，同時建立減振溝、橋墩、緩沖堤等周邊構(gòu)筑物。在對冷卻塔部分圈梁和人字柱進行爆破拆除后，冷卻塔在自重傾覆力矩作用下發(fā)生傾斜、后坐、扭曲變形等，最后在塔體與地面的觸擊碰撞中塔壁發(fā)生破壞解體，如圖11所示。

圖11　模擬效果Fig.11　Simulation effects

4　爆破效果分析

4.1倒塌效果分析

現(xiàn)場裝藥到爆破倒塌共施工4天。爆破部位都按照設(shè)計目標破碎解體，冷卻塔南面鐵路橋墩和活動板房完好無損，居民房均未發(fā)生開裂現(xiàn)象。爆破效果如圖12所示。

圖12　實際效果Fig.12　Actual effects

對坍塌后的冷卻塔進行測量，整個冷卻塔的倒塌范圍沿倒塌中心線方向?qū)?0m，為冷卻塔塔壁寬度，倒塌長度為26m，均與設(shè)計中冷卻塔的倒塌范圍一致。

4.2沖擊波危害分析

將測控儀器安置在冷卻塔后方，保護民房前面，測量爆破和倒塌沖擊波，測得冷卻塔爆破倒塌過程中沖擊波超壓為5×10-3MPa，經(jīng)過防護排架后的沖擊波峰值為2×10-3MPa。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)中建(構(gòu))筑物破壞程度與超壓關(guān)系，最易破損的玻璃在此超壓下為偶然破壞，其他建筑物均無損壞。

4.3爆破飛石分析

通過高速攝影對冷卻塔坍塌效果回放，仔細觀察不同區(qū)域內(nèi)的爆破飛石并在爆破完成后進行現(xiàn)場核實，最終確定最遠飛石出現(xiàn)在冷卻塔東側(cè)，在沖擊波破壞防護排架后，最遠飛石距離為52m。其他區(qū)域均未對周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生破壞影響。

4.4爆破振動效應分析

對附近鐵路橋墩和最近居民房進行振動測試，共布置10臺儀器，具體位置如圖13所示，得到不同區(qū)域的振動速度峰值，見表2。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)并依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)綜合分析，爆區(qū)周圍實測最大振動速度均在安全允許振速1.5 ～2.0cm/s(f≤10Hz)、2.0 ～2.5cm/s(10

圖13　不同位置振動測點布置示意圖Fig.13　Schematic diagram of measuring points in different locations

在整個拆除過程中，模擬得出川黔貨運鐵路線最近橋墩振動速度為0.5cm/s。測點7 ～9為對川黔貨運鐵路線進行全程振動監(jiān)測，最大振速為距離冷卻塔54.46m的7號測點Z向振速0.087cm/s(主頻12.8Hz)，其測點實測振動速度小于7號測點數(shù)值模擬振動速度0.5cm/s，對川黔貨運鐵路線沒有影響。實測數(shù)據(jù)遠遠小于模擬數(shù)據(jù)原因：模擬主要基于理想狀態(tài)；傳播介質(zhì)本身內(nèi)部存在節(jié)理、裂隙等軟弱層，對應力波的傳播起到了一定的阻擋吸收作用。

表2　距觸地點不同水平距離的各測點振動速度峰值

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0.02cm/s。

5　結(jié)語

本次爆破較好的防護措施使得振動、飛石、沖擊波等危害均得到較好的控制，未對周邊建(構(gòu))筑物及川黔鐵路貨車外繞線黔靈山至關(guān)田區(qū)間的鐵路線路造成破壞，很好地完成了此次搶險工程。

數(shù)值模擬和現(xiàn)場高速攝影的相互驗證證明了設(shè)計的合理性，可為類似工程實例提供一定的參考。

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Emergencyblastingof2#coolingtowerofGuiyangpowerplantincomplexenvironment

WEIXing1,2，ZHAOMing-sheng1,2，CHIEn-an1,2，ZOURui1，SONGZhi-jun1，LIJie1，YUHong-bing1

(1．GuizhouXinlianBlastingEngineeringGroupCo.,Ltd.,Guiyang550002,China；2．MiningInstitute,GuizhouUniversity,Guiyang550003,China)

InordertocompletetheGuiyangpowerplant2#coolingtoweremergencyblastingsafelyandrapidly,thedirectionalblastingdemolitionschemewasadopted.Thedisplacementofthetoptowerwasmonitoredtoensuretheabsolutesafetyintheconstructionprocess.Accordingtothecharacteristicsofthecoolingtower,theheightofthepositioningwindowandtheunloadingwindowwereimprovedtoachievethefulldisintegrationofthecoolingtower,andthestabilityofthetowerwasensuredintheprocessofmechanicalpretreatment.ANSYSseparatenodewasused,theblastingschemewassimulatedandthefeasibilityoftheschemewasverified.Inviewoftheimportanceoftherailwayviaductnearthecoolingtower,acomprehensiveprotectionmethodofdampingditchexcavation,layingbufferembankmentandsettingupprotectiveframewasadopted.Thesuccessofthecoolingtoweremergencyblastingcouldprovideareferenceforsimilarprojects.

Coolingtower;Controlledblasting;Safetyprotection;Numericalsimulation；Emergencyblasting

1006-7051(2016)04-0055-06

2015-07-20

貴州省黔科合重大專項[2015]6003；貴州省黔科合高G字[2015]4004；貴州省工業(yè)和信息發(fā)展專項基金(2015030)

魏 興(1972-)，男，碩士、高級工程師、碩士生導師，主要從事工程爆破及安全技術(shù)研究。E-mail： 1540782579@qq.com

TD235.3

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.012