復雜環(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，諸多學者開展了研究。蔣超等[5]、李勝林等[6]應用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對冷卻塔拆除爆破有害效應的防護作用。

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，與1#塔南北一字排開，北側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，東側距地上高壓線路32 m，高壓線路東側為廠區(qū)圍墻，地下管線距塔基礎2 m左右；南側距1#塔42 m，距檢修車間汽機班工人更衣室7 m；西南側距循環(huán)泵房9 m；西側距供管線9 m，距廠區(qū)道路11 m，距運行機組36 m。爆破周邊環(huán)境復雜，如圖1所示。

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

1.2 結構特征

2#冷卻塔為鋼筋混凝土雙曲線薄壁結構，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。混凝土總方量約3 100 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 拆除爆破設計方案

2.1 爆破難點及總體方案

冷卻塔屬于高聳薄壁結構，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)筑物多且近，環(huán)境復雜，給拆除爆破帶來諸多難點；冷卻塔周邊環(huán)境復雜，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)為冷卻塔結構、周圍環(huán)境及工期要求等。當周邊沒有空余場地時，應采用原地坍塌法，其占用面積小，爆堆集中，易于清渣，但其對施工設計要求高，稍有不慎將出現(xiàn)塌落不完全、方向失控而導致拆除失敗。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、倒梯形和復合型[14-16]。根據(jù)本冷卻塔結構，采用復合型切口。復合型切口需在爆破前采用機械破碎進行預處理，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，由中軸左側受拉區(qū)產(chǎn)生的極限抗彎強度MBT、中性軸右側受壓區(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，計算結果說明爆破切口的設計是合理的，且爆破切口和預留筒壁內(nèi)的鋼筋不需要預切除，該冷卻塔爆破的定向傾倒方案是可靠的。

2.3 預拆除工作

1)開設定向窗及減荷槽。爆破前，需在倒塌中心位置開設定向窗；在環(huán)行梁和塔身上對稱于倒塌中心線兩側開設寬減荷槽，減荷槽的寬度為0.5～0.8 m；在切口邊沿開設兩個對稱的定位窗(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。

起爆網(wǎng)路為復式起爆網(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 安全設計

本次冷卻塔爆破應考慮的主要危害效應是：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)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)泵房結構出現(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。