复杂环境下90+m高冷却塔的爆破拆除.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 018 复杂环境下90 m高冷却塔的爆破拆除* 高文乐 1， 苏凯凯1， 张泽华1， 裴保华2， 黄均明2 （1.山东科技大学土木工程与建筑学院， 青岛266590；2.山东天宝爆破有限公司， 临沂276400） 摘 要 根据冷却塔结构特点及其周边复杂环境情况， 充分利用原开设缺口， 合理布置减荷槽和定向窗简 化爆破切口。针对钻爆参数及爆破网路进行优化设计， 采取定向爆破倒塌方案。倒塌形式实质上是塔体扭 曲变形失稳， 具有倾倒趋势的坍塌或原地坐塌， 使冷却塔在爆破过程中因自重作用而扭曲变形并触地解体， 有效减少二次解体的工作量。针对电厂的特殊情况， 爆破采用非电导爆管起爆系统起爆， 最终成功实施了冷 却塔的定向爆破拆除； 通过稳定性验算确保预拆除安全； 通过有效的防护体系和安全措施确保将爆破振动、 个别飞散物和空气冲击波等爆破危害效应控制在安全允许范围内。 关键词 冷却塔；爆破切口；定向爆破；预拆除；爆破危害；防护体系 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0100 －06 Explosive Demolition of 90 m-high Cooling Tower Under Complex Environment GAO Wen-le1，SU Kai-kai1，ZHANG Ze-hua1，PEI Bao-hua2，HUANG Jun-ming2 （1. College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China； 2. Shandong Tianbao Blasting Co Ltd，Linyi 276400，China） Abstract According to the structural characteristics of cooling tower and the surrounding complicated situa- tions，the blasting cut directional window was simplified by making full use of the original open gap and reasonably decorate relieving slot. The drilling and blasting parameters and blasting network were optimized. The directional blasting scheme was adopted，in which the collapse of cooling tower was caused by the blasting distortion in situ due to gravity. This effectively reduced the secondary detonating workload. According to the special condition of power plant，blasting was initiated by non electric detonating system. Ultimately，the directional blasting demolition of the cooling tower was successfully fulfilled and the dismantle safety was obtained and security measures to ensure the blasting vibration，individual flying objects and the harmful effects of such blasting air shock wave in the range of al- lowable safety control. Key words cooling tower；blasting incision；oriented blasting；pre-treatment；hazardous effects of explosion； protection system 收稿日期2017 －11 －14 作者简介高文乐（1966 －）男， 教授、 硕士， 主要从事岩土力学和爆 破安全技术的教学和科研工作， （E-mail）wenlegao＠ . 163. com。 通讯作者苏凯凯（1993 －） 男， 硕士在读， 主要从事岩土力学和爆破 安全技术的科研工作。（E-mail）290265139＠ . qq. com。 基金项目国家自然科学基金（51279096） 1 工程概述 待爆破拆除建筑为烟台黄海热电有限公司3号 冷却塔爆破拆除工程， 位于烟台市黄海热电厂厂区 内， 冷却塔（ 通风筒） 占地面积5000 m2。冷却塔（通 风筒） 为薄壁钢筋混凝土结构， 筒体为双曲线形， 筒 万方数据 高90 m， 底部外径71. 752 m， 顶部直径43. 122 m， 高 宽比（ 长细比）1. 25， 筒壁厚约50 cm至14 cm不等； 钢筋总量328. 65 t， 混凝土量2067. 9 m3， 混凝土标 号C30， 含钢筋量0. 159吨／ m3； 冷却塔下部为40对 人字型立柱支撑， 人字柱截面积40 mm 40 mm， 高 5. 6 m、 长6 m、 间距5. 636 m。在筒壁下部西南部 位， 已用机械破除约15 m 5 m大小的孔洞， 见图1 冷却塔外观及孔洞大小图。 图1 冷却塔外观及孔洞大小图 Fig. 1 The cooling tower appearance and the size of cavity 冷却塔的正北16 m处为架空的供热管道， 17. 8 m处为四层钢筋混凝土框架结构的首站控制 楼， 内有精密的控制系统和管线； 东北是废弃的维修 工房； 东南是正在运行的4号冷却塔， 两塔底边投影 距离是15. 9 m， 而管线距离11. 9 m； 正南40 m是运 转的的煤场和上煤机； 西南44 m处是输煤6 kV变 电室；西北方向距离冷却塔边沿最近的储水罐 17. 24 m。 另外， 冷却塔周边有除了以上建筑物外， 还 有4号冷却塔的地下输水管道、 高压电缆等设施， 重 点保护地下设施220 kV电缆沟道、35kV直埋电 缆、4号水塔循环水管道沟， 以上管线及电缆均应在 施工前挖开地面以确定其具体位置及走向并采取保 护措施。见图2周边地下管线示意图。 2 拆除方案选择 在拆除爆破中， 有原地倒塌和定向倒塌两种方 案选择。原地倒塌在国内尚未有先例， 由于是钢筋 混凝土结构， 在爆破时难以保证四周结构的完全破 坏， 且在坍塌过程堆渣的堆积是否一致， 因此无法确 保冷却塔在坍塌过程中四周破坏一致， 将会出现任 意方向的倒塌， 将会导致意外事故。定向爆破倒塌 可以充分利用原先机械拆除的缺口， 能够确定冷却 塔倒塌方向， 倒塌距离也可以得到有效控制， 对筒体 采取预处理， 设置适当数量的减荷槽， 在人字柱处形 成一个爆破切口， 在冷却塔自重作用下使其倒塌， 在 倒塌过程中， 冷却塔筒体会扭曲变形并触地解体， 实 现二次解体工作量的有效减少［ 1-3］。 图2 周边地下管线示意图（ 单位m） Fig. 2 Surrounding underground pipeline（unitm） 根据冷却塔结构及环境特点， 借鉴筒体构筑物 爆破设计， 工程采取定向爆破倒塌方案， 所谓定向只 是小范围的， 由于冷却塔为全对称结构， 其倒塌形式 实质上是塔体扭曲变形失稳， 具有倾倒趋势的坍塌 或原地坐塌， 虽然塌落形式和坍塌距离因切口形式 和塔高不同而有所差异， 但倒塌方向的坍塌距离不 大。采取的具体措施 （1） 预拆除塔内部分淋水平台及凉水塔爬梯， 切除20 m以下爬梯。 （2） 在塔筒及支撑环上开设定向窗、 减荷槽， 使 筒壁形成支撑板块。 （3） 在人字柱钻孔、 装药、 防护、 爆破， 使切口内 的支撑瞬间破坏， 达到倒塌的目的。 鉴于冷却塔周围东、 西、 北方位均有建构筑物， 充分利用原切口， 本方案选择倒塌方向正南偏西 30方向倒塌。选择合适的爆破切口形状和爆破切 口高度， 能够使得冷却塔易于倾倒， 利于缩小倒塌距 离， 根据以往的爆破经验选择正梯形爆破切口， 且切 口高度大于12 m， 能保证爆破后的塔的坍塌范围不 超过塔底部25 m。 3 爆破参数设计 3. 1 预拆除设计 3. 1. 1 冷却塔的预拆除 为了减少钻孔工作量， 控制一次起爆药量， 爆破 位置只设置在人字柱上， 并对筒体和圈梁采用预处 理， 进行切槽， 将定向窗和导向窗部分圈梁切断， 保 101第34卷 第4期 高文乐， 苏凯凯， 张泽华， 等 复杂环境下90 m高冷却塔的爆破拆除 万方数据 留钢筋。爆破切口与预拆除位置见图3所示。 图3 爆破切口与预拆除位置图（ 单位cm） Fig. 3 Blasting cut and the position of pre-treatment（unitcm） 冷却塔底部外附属构件主要有设备及管线、 爬 梯、 避雷线， 内部主要有水槽梁、 水管、 除水器、 淋水 架和立柱支撑的圈梁等。外部附属构件都应拆除， 将连接钢筋割断； 内部采用机械拆除方式拆除全部 立柱。在爆破部位为了更有利塔体的定向倾倒， 减 少钻孔作业量， 两边切口处对称开设定向窗2个， 沿 爆破轴线按人字柱间隔预先用液压镐（剪）开设减 荷窗6个， 定向窗和减荷窗形状、 位置、 大小要对称， 在定位窗下预拆除人字柱2根。 3. 1. 2 预处理稳定性验算 对塔体进行预处理后， 冷却塔的稳定性与否取 决于两卸荷槽之间的薄壁柱体所能承受的强度。两 卸荷槽之间的薄壁柱体区域所对应的圆心角为 18、顶部标高为15. 8 m、壁厚0. 16 m、半径 27. 94 m， 所分担的塔体自重荷载约290 t， 薄壁立柱 有效承载面积为1. 41 m2。该区域保留截面的正应 力为2. 05 MPa， 远小于钢筋混凝土抗压强度。因 此， 预处理后形成的高卸荷槽切口不会影响冷却塔 整体的稳定性［ 4］。 3. 2 爆破切口设计 3. 2. 1 切口设计原则 爆破切口形状及大小， 直接影响到冷却塔的爆 破效果、 爆破的安全和经济性， 确保在爆破后重力作 用下产生的倾倒力能够使塔体按设计方向倒塌， 同 时保留塔壁的塔体部分在倾倒刚开始时不被压碎和 剪切破坏，避免塔体倒塌时下坐、后坐和前冲［ 5］。 冷却塔爆破切口设计的技术要求主要包括［ 6］ ①确 保冷却塔按设计要求倒塌；②钻孔、 装药工作量最 小， 工程成本低；③方便施工、 便于防护， 确保安全。 3. 2. 2 切口形状与切口高度 采用正梯形爆破切口形式［ 4］， 切口高 h ＝ h1＋ h2＋ h3。式中h1为人字柱高度；h2为圈梁高度；h3 为筒体爆破高度。切口高为12. 0 m。其中人字柱 高5. 8 m， 切口形式图4所示。 图4 冷却塔爆破切口示意图（ 单位m） Fig. 4 Blasting cut of the cooling tower（unitm） 3. 2. 3 切口长度与圆心角 切口高度、 长度的大小决定切口形成以后冷却 塔能否实现偏心失稳， 如果切口过大可能导致余留 部分没有足够的支撑力而使冷却塔倒塌方向失去控 制， 甚至出现反向倒塌， 反之可能出现倾而不倒的情 况［ 4］。本设计爆破切口立柱圆心角取 216， 筒壁圆 心角取234， 冷却塔切口底圆直径67. 65 m， 塔筒周 长为L ＝ 212. 42 m，爆破切口的下边线缺口弧长 L1＝212. 42 （216／360）＝127. 45 m， 保留支撑板块 弧长L ＝74. 35 m。 3. 3 爆破参数设计 共计爆破42根人字柱，人字柱尺寸40 cm 40 cm， 每根人字柱沿中心线交错单排布孔。炮孔参 数如下［ 7］ 最小抵抗线W ＝1／2B（取柱厚度的1／2） ；W ＝ 20 cm。 孔距a ＝1. 2 w； 孔距a ＝24 cm。 孔深L ＝ 2／3B（取梁柱宽度的2／3） ； 孔深L ＝ 26. 7 cm。 单耗q ＝1. 5 kg／ m3。 单孔药量Q上＝70 g，Q下＝80 g， 单根柱装药量 为600 g。 总装药量Q总＝42 0. 60 ＝25. 2 kg。 201爆 破 2017年12月 万方数据 布孔沿立柱底部向上沿中心线往上布4个孔， 圈梁往下布4个孔。参数见表1、 表2。 表1 冷却塔爆破参数表 Table 1 Blasting parameters of the cooling tower 爆破部位 抵抗 线／ cm 孔距／ cm 孔深／ cm 孔数 单孔药 量／ g 总装 药量／ g 人字 立柱 上 202426. 7 470280 下480320 表2 炮孔、 爆破器材用量表 Table 2 The blast holes and blasting equipment dosage 爆破部位 每根（ 段） 炮眼数 数量／ 根 总炮眼 数／孔 雷管 数／发 炸药 量／ kg 人字立柱84232064025. 2 联网、 试爆216321. 2 合计4433667226. 4 3. 4 起爆网路 针对电厂特殊环境， 为了避免杂散电流、 射频电 流和感应电流以及雷电等对爆破网路的影响， 本设 计采用非电导爆管起爆系统起爆， 做到安全、 可靠、 准爆。为了控制炸药爆炸产生的爆破振动， 以倾倒 中心线为对称轴， 对称分10段进行爆破， 最大一次 齐爆药量控制在2. 4 kg以内， 相邻段之间采用毫秒 延期时间间隔。具体网路见图5。 图5 起爆网路示意图 Fig. 5 Schematic diagram of detonating explosive network 4 爆破安全校核及防护 4. 1 安全校核 4. 1. 1 爆破振动 根据 爆破安全规程（GB67222014）给出的 质点垂直振速公式进行计算， 考虑到此次爆破为内 部装药多点分布的控制爆破， 按照拆除爆破振动计 算公式［ 8］ v ＝ K′K 3 √Q J R α 式中V为爆破振动峰值速度，cm／ s；Q为一次 齐爆的允许药量，kg； 最大段单响药量为2. 4 kg；K 为场地介质系数， 取150；K′为与爆破方式、 参数、 地 形及观测方式相关的修正系数， 一般取值0. 25 1. 0， 据爆源近、 且爆破体临空面较少时取大值， 反之 取小值， 本工程取0. 3；α为衰减系数， 取α ＝1. 6。 按此公式核算， 得到不同距离R的爆破振动速 度计算值如表3所示。 表3 爆破振动速度计算值 Table 3 Velocity of blasting vibration calculated value 距离／ m101520404560 Qmax＝2.4 kg振速／ （cms －1）1.80 0.94 0.60 0.20 0.16 0.10 根据 爆破安全规程规定， 一般民用建筑允许 最大振速2. 0 2. 5 cm／ s， 工业商业和商业建筑允许 最大振速3. 5 4. 5 cm／ s。因此， 爆破产生的振动对 周围设施的影响是在安全范围内的。 4. 1. 2 塌落振动 爆破塌落振动计算公式如下［ 9］ Vt＝ Kt［ （MgH／ σ） 1／3 ／ R］ β 式中Vt为塌落引起的地面振动速度，cm／ s；M为下 落构件的质量， 经估算M≈5300 t， 倾倒爆体不是一 次落地， 通常取三分之一， 即M ＝2000 t；g为重力加 速度，g≈10 m／ s2；H为构件中心的高度，H ＝40 m； σ为地面介质的破坏强度， 一般取10 MPa；R为测 点至冲击地面中心的距离， 本工程取R ＝40 m；Kt为 衰减系数， 取Kt＝ 3. 37， 施工设计采取塌落地面松 动处理， 砌筑防振土墙等减振措施， 塌落振动将明显 减小，Kt系数取值为原状地面的1／4 1／3， 则此处 Kt＝1. 12；β为衰减参数， 取β ＝1. 66。 经计算，Vt＝ 1. 19 cm／ s小于安全允许振速 3. 5 cm／ s。 4. 1. 3 控制飞石的安全验算 爆破飞石距离计算公式［ 10］ Rf＝ V2／2g。根据摄 影观测资料， 混凝土爆破飞石速度V ＝10 30 m／ s， 本工程取值为28 m／ s。经计算，Rf＝39. 2 m。 4. 2 安全防护与预防措施 4. 2. 1 振动防护与措施 地下设施需重点进行安全防护。地下管线及电 缆均在施工前挖开地面以确定其具体位置和走向， 明确其结构； 在电缆沟、 回水沟内侧3 m处挖掘防震 沟， 深度超过沟槽深度； 在电缆沟、 回水沟上部用多 层竹排覆盖， 并在管线和道沟两侧一米处用沙（土） 袋筑起1 m 1 m沙墙， 倒塌方向的防护强度加大一 倍， 沙（ 土）袋内不得含有石块等杂物； 对东侧架设 301第34卷 第4期 高文乐， 苏凯凯， 张泽华， 等 复杂环境下90 m高冷却塔的爆破拆除 万方数据 管道搭设脚手架用竹排覆盖。在冷却塔倒塌方向前 方12 25 m范围内采用沙土堆积厚度依次增高的 缓坡， 最少厚度不少于1. 5 m， 进一步减少塌落振动 和产生塌落飞溅的可能性。见图6。 图6 爆破部位防护示意图 Fig. 6 Schematic diagram of blast site protection 4. 2. 2 个别飞散物防护 为了防止飞石对周围建筑、 设施等造成损坏， 人 字柱外内层用草帘外层用双层竹排捆绑， 可有效防 止飞石的危害效应； 对周边保护对象， 在西南方变电 室北侧窗户用竹排遮挡， 在倒塌方向正前方30 m处 架设6 m 40 m防护网， 防止个别飞石危害； 对东、 西两侧重要设施也做近体防护， 用竹排遮挡。 4. 2. 3 爆破扬尘防护防 为尽量减少爆破拆除产生的灰尘， 爆破前对爆 破现场周边， 尤其爆破部位的防护草帘进行撒水处 理， 爆破后利用消防车进行喷水降尘［ 11］。 5 爆破效果及分析 5. 1 爆破效果 起爆后， 冷却塔开始向设计方向西南方倾倒， 2. 0 s时圈梁上部减荷槽间筒体沿顶部开始断裂， 3. 0 s后前端缺口触地使上部筒体出现纵向裂缝， 4. 0 s时缺口全部触地， 冷却塔整体开始座塌，5. 0 s 上部筒体开始变形， 出现轻微扭曲并向前倾倒， 整个 倒塌时间持续了9. 0 s（如图7所示） 。随着冷却塔 的倒塌，烟尘高达100 120 m，扩散范围达 300多m。 爆后冷却塔的爆堆长度95. 5 m、 高3. 5 m， 宽65 m， 几乎85％的冷却塔原地坍塌， 爆破块度均 匀， 砼脱笼， 爆破个别飞散物的距离不到30 m， 经过 防护屏障的有效阻挡， 大部分个别飞散物控制在安全 范围内； 对距冷却塔边缘西南50 m处和东北25 m处 爆破振动速度数据分别为0. 35 cm／ s和0. 75 cm／ s， 小于安全允许振速； 周围玻璃门窗和建筑物安全无 恙， 无一破坏， 爆破效果十分理想。 图7 倒塌过程示意图 Fig. 7 Schematic diagram of collapse process 5. 2 总结分析 （1） 倒塌过程并没有像大多数冷却塔爆破拆除 中出现强烈的扭曲现象， 从录像资料分析， 究其原因 应为施工过程中将减荷槽的环向钢筋全部割断、 塔 体各部分获得的倒塌速度不同导致2. 0 s时减荷槽 间保留筒体顶部断裂所致， 向前倒塌的惯性力无法 通过塔体向后传递， 出现下座现象因而没有出现强 烈扭曲现象［ 12］。 （2） 爆破过程中虽然大部分个别飞散物控制在 安全范围内， 但在倒塌方向上仍出现几块碎石， 飞掷 距离超过150 m。冷却塔虽然与烟囱同属于高耸薄 壁结构， 但由于冷却塔的长细比远小于烟囱， 在倒塌 过程中不会产生类似于烟囱筒体撞击刚性地面时大 量的落地飞溅， 但尤其要注意的是， 冷却塔拆除爆破 过程中， 塌落阶段由于冷却塔筒壁变形挤压， 强大的 挤压力同样会在半空中形成成个别飞散物， 同时筒 体顶端触地变形挤压筒体内空气形成强烈的前冲压 力， 加大了倒塌方向的个别飞散物的距离， 所以冷却 塔倒塌方向的个别飞散物防护应高度重视。 （3） 实测的振动速度值均少于理论计算值， 从 实测的振动波形来看， 所监测到的振动应为冷却塔 触地振动， 因此触地振动应成为拆除高耸建构筑物 振动防护的重点， 而变厚度的防缓冲防护是减少触 地振动的一种有效措施。 401爆 破 2017年12月 万方数据 参考文献（References） ［1］ 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