86 m高危冷卻塔拆除爆破振動(dòng)危害研究*

何　松　張義平　池恩安，3　李　勇　何興貴

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司)

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86 m高危冷卻塔拆除爆破振動(dòng)危害研究*

何松1，2張義平1，2池恩安1，2，3李勇1，2何興貴1，2

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司)

摘要冷卻塔類高聳構(gòu)筑物由于結(jié)構(gòu)的特殊性，拆除爆破振動(dòng)危害很大，必須采取有效措施加以控制，保障周邊受保護(hù)對(duì)象安全。通過研究拆除爆破振動(dòng)特性，采取設(shè)置減振溝、減振堤、防護(hù)墻等防護(hù)措施，并通過振動(dòng)監(jiān)測和波形分析的方法驗(yàn)證振動(dòng)防護(hù)措施的安全有效性，為類似拆除爆破振動(dòng)危害防治工作提供參考。

關(guān)鍵詞冷卻塔拆除爆破微差控制爆破技術(shù)減振溝振動(dòng)監(jiān)測

自70年代國內(nèi)拆除爆破技術(shù)興起以來，建(構(gòu))筑物拆除爆破的振動(dòng)危害產(chǎn)生機(jī)理、防護(hù)手段一直是爆破工程行業(yè)長期探討的課題。中國科學(xué)院力學(xué)所周家漢最先基于沖量定理提出了的建筑物塌落振動(dòng)公式雛形，并最終基于能量守恒綜合回歸分析方法提出了目前被廣泛采用的塌落振動(dòng)速度計(jì)算公式[1];張世平等對(duì)高大建筑物拆除爆破振動(dòng)危害及減振方法做了研究[2]；樸志友等對(duì)120 m 混凝土煙囪爆破拆除的振動(dòng)測試做了研究[3]；蔣耀港等對(duì)構(gòu)筑物爆破拆除振動(dòng)規(guī)律做了分析研究[4]。本文以復(fù)雜環(huán)境下高危冷卻塔爆破拆除為實(shí)例，通過現(xiàn)場振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)及波形圖分析，對(duì)爆破拆除冷卻塔振動(dòng)危害的產(chǎn)生機(jī)理、傳播規(guī)律及防治措施進(jìn)行分析研究。

1工程概況

貴陽電廠廢棄的2#冷卻塔因城市建設(shè)用地需拆除。其部分人字柱、圈梁及塔壁已被機(jī)械拆除破壞，周邊存在聚居民房、廠房及鐵路高架橋等受保護(hù)對(duì)象，環(huán)境十分復(fù)雜，故已成為急需進(jìn)行拆除處理的高危建筑。

冷卻塔塔身距地面高度為86 m，底部直徑為60 m，喉部直徑為30 m，上部直徑為38 m，平均壁厚0.2 m；圈梁高1 m，厚0.5 m；人字柱橫截面尺寸為0.4 m×0.4 m，高5.5 m，共計(jì)80根。待拆除冷卻塔見圖1。

圖1　待拆除冷卻塔

2減振技術(shù)

2.1拆除爆破振動(dòng)特性

拆除爆破振動(dòng)主要包括爆破振動(dòng)、后座振動(dòng)、切口閉合振動(dòng)和主體塌落觸地振動(dòng)4部分。

根據(jù)爆破拆除冷卻塔的裝藥特點(diǎn)，藥包位于地表之上的人字柱及圈梁上，且單孔裝藥量小，臨空面多，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，除了用于破壞炮孔周邊結(jié)構(gòu)之外，大部分能量以高能的爆生氣體形式向四周傳播，剩下的小部分能量通過塔體再向地面?zhèn)鞑ィa(chǎn)生的爆破振動(dòng)較小。而冷卻塔塌落觸地過程中，由于塔體重量大、倒塌高差大，因而重力勢能很大，倒塌觸地振動(dòng)也就較大[5]。

工程研究證明[2]，爆破振動(dòng)頻率大都在10～50 Hz，且作用時(shí)間短，振幅衰減快，對(duì)周圍建筑物危害較小；塌落觸地振動(dòng)頻率與建筑物自振頻率接近(3～10 Hz)，且作用時(shí)間長，對(duì)周圍建筑物危害較大。

2.2減振方案設(shè)計(jì)

爆破振動(dòng)及塌落振動(dòng)以機(jī)械波的形式傳播，分別是炸藥爆炸能量和建(構(gòu))筑物塌落動(dòng)能在介質(zhì)中傳遞過程的表現(xiàn)形式，通過有效措施干預(yù)能量釋放和機(jī)械波的傳播即可達(dá)到降低振動(dòng)的目的。

2.2.1能量釋放干預(yù)

工程實(shí)踐證明，根據(jù)“微分原理”采取多打孔、少裝藥、減少同段齊爆藥量等方式，可以有效降低爆破振動(dòng)。此外，根據(jù)中科院力學(xué)研究所給出的建筑物拆除時(shí)的塌落振動(dòng)速度計(jì)算公式：

(1)

式中，Vt為塌落引起的地面振動(dòng)速度,cm/s;M為下落構(gòu)件的質(zhì)量,t;g為重力加速度,9.8m/s2;H為構(gòu)件的高度,m;σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度,一般取10 MPa;R為觀測點(diǎn)至沖擊地面中心的距離,m;Kt、β為塌落振動(dòng)速度衰減系數(shù)和指數(shù)。

因此，可通過微差控制爆破技術(shù)手段，使構(gòu)筑物在空中發(fā)生扭曲變形、碰撞解體以分散下落物質(zhì)量M，還可使用細(xì)砂鋪設(shè)減振堤以降低地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度σ，從而達(dá)到降低塌落振動(dòng)速度Vt的目的。

2.2.2機(jī)械波傳播干預(yù)

利用機(jī)械波的傳遞特點(diǎn)：當(dāng)波傳遞到2種波阻抗不同的介質(zhì)邊時(shí)，機(jī)械波將在邊界位置發(fā)生折射，從而被削弱。采取在震源與受保護(hù)對(duì)象之間開挖減振溝槽，在倒塌區(qū)域鋪設(shè)減振堤等方式可有效降低塌落觸地振動(dòng)。相關(guān)實(shí)例監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，高大的煙囪類構(gòu)筑物爆破拆除時(shí)采用開挖減振溝槽、鋪設(shè)減振堤等方式的減振效果可達(dá)到70%以上[1,6]。

根據(jù)拆除爆破振動(dòng)特性及上述減振原理，結(jié)合工程周邊環(huán)境情況，采取以下減振防護(hù)措施：

(1)采用微差控制爆破，減少同段齊爆藥量，降低爆破振動(dòng)，同時(shí)使得冷卻塔塔體在倒塌過程中扭曲解體，分散塔體觸地質(zhì)量。

(2)在臨近鐵路高架橋一側(cè)平行挖設(shè)2條減振溝，一條長120 m，寬3 m，深 2.5 m；另一條加強(qiáng)減振溝長110 m，寬3 m，深4.5 m。

(3)使用松軟細(xì)砂在倒塌觸地方向鋪設(shè)長55 m，高 2 m，寬4 m減震堤3條，緊鄰第三條減振堤后設(shè)置50°，長40 m，高6.5 m，底寬12 m的梯形緩沖防護(hù)墻。

(4)利用自然條件，設(shè)計(jì)倒塌方向東偏南42°，倒塌正前方與民房聚居點(diǎn)之間被24 m寬、3.5 m深的河流隔斷，削弱振動(dòng)波的傳播。

3振動(dòng)監(jiān)測

3.1監(jiān)測方法及測點(diǎn)布置

測點(diǎn)布置按照突出重點(diǎn)原則及距離最近原則，測試系統(tǒng)設(shè)備選用4臺(tái)Instantel Series IV高級(jí)振動(dòng)和過壓監(jiān)測儀分別布置在鐵路高架橋距離倒塌中心最近的9#、8#、7#橋墩及旁邊的金桂園小區(qū)樓基礎(chǔ)，6臺(tái)TC-4850N型爆破測振儀分別布置在圖2所示的6個(gè)測點(diǎn)位置，共計(jì)10個(gè)測點(diǎn)。

圖2　測點(diǎn)布置示意

3.2振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果

本次冷卻塔拆除爆破從起爆到完全塌落觸地共歷時(shí)10 s，讀取10個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)0～10 s監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。其中， 1#、7#測點(diǎn)因儀器傳感器受到外界異物觸碰導(dǎo)致主振頻率誤差， 5#測點(diǎn)因儀器故障不能傳輸振動(dòng)數(shù)據(jù)。

通過矢量合成分析方法，得到三軸振動(dòng)矢量合成最大振速，所有測點(diǎn)位置最大振動(dòng)速度都在0.2 cm/s以下，遠(yuǎn)低于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)安全允許標(biāo)準(zhǔn)2 cm/s[7]，周邊受保護(hù)建筑物處于安全狀態(tài)。位于鐵路高架橋橋墩的7#、8#、9#測點(diǎn)中，8#測點(diǎn)振動(dòng)速度峰值小于最小觸發(fā)值0.02 cm/s，7#測點(diǎn)三軸振動(dòng)矢量合成最大振速為0.124 cm/s，9#測點(diǎn)為0.069 cm/s，均小于火車通過鐵路橋時(shí)橋墩振動(dòng)速度實(shí)測值0.3 cm/s，故鐵路高架橋未受到本次拆除爆破振動(dòng)破壞影響，處于安全狀態(tài)。

表1　各測點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果

注：“/”表示實(shí)測質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值小于監(jiān)測儀器觸發(fā)值0.02 cm/s；“-”表示測振過程中儀器受外界干擾或故障出現(xiàn)誤差。

4振動(dòng)分析

(1)1#測點(diǎn)位于塌落觸地振動(dòng)最大傳播方向，三軸矢量合成最大峰值振速值僅為0.046 cm/s，其余各測點(diǎn)最大值都在0.2 cm/s以下；以7#測點(diǎn)位置為例，用式(1)估算該測點(diǎn)理論塌落振動(dòng)速度值Vt=2.365 cm/s，而7#測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)的三軸矢量合成最大值僅為0.124 cm/s，說明采取的減振措施達(dá)到了較好的減振效果。

(2)觀察分析測點(diǎn)矢量合成圖(圖3)，在3個(gè)時(shí)間區(qū)域集中出現(xiàn)振動(dòng)峰值：0～0.8 s出現(xiàn)爆破振動(dòng)峰值；2～3 s出現(xiàn)后座振動(dòng)、爆破切口閉合振動(dòng)峰值；7～8 s出現(xiàn)塔體觸地振動(dòng)峰值。存在明顯變化規(guī)律：倒塌方向正方向、側(cè)前方測點(diǎn)(1#、2#、3#)最大振動(dòng)峰值出現(xiàn)在7～8 s的第三區(qū)域；倒塌方向反方向、側(cè)后方測點(diǎn)(4#、6#)最大振動(dòng)峰值出現(xiàn)區(qū)域向第一、第二區(qū)域過渡，其中4#測點(diǎn)3個(gè)區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)峰值大小相差不大，6#測點(diǎn)的最大峰值出現(xiàn)在0～0.8 s的第一區(qū)域。

圖3　2#、3#、4#、6#測點(diǎn)三軸振動(dòng)矢量合成圖

(3)選用布拉克曼窗函數(shù)提高主頻幅值精度，對(duì)2#、3#、4#、6#測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換，得到FFT幅度譜圖(圖4)。觀察分析各測點(diǎn)振動(dòng)頻率在20 Hz以內(nèi)，相比一般爆破振動(dòng)頻率20～50 Hz，拆除爆破振動(dòng)頻率與建筑物自振頻率(3～10 Hz)相近，因此，采取有效的減振措施具有重要意義。

圖4　2#、3#、4#、6#測點(diǎn)FFT幅度譜圖

5結(jié)論

(1)通過分析冷卻塔拆除爆破的振動(dòng)特性以及振動(dòng)的能量來源和機(jī)械波傳播方式，采取在臨近重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象一側(cè)平行開挖2條減振溝以及使用細(xì)砂在倒塌區(qū)域鋪設(shè)減振堤、緩沖防護(hù)墻的減振措施，經(jīng)驗(yàn)證能夠有效降低振動(dòng)速度。

(2)由于構(gòu)筑物質(zhì)量是影響其塌落振動(dòng)速度的重要因素，采用微差控制爆破技術(shù)，使冷卻塔塔體在倒塌過程中發(fā)生扭曲撕裂變形而相互碰撞，從而分散了塔體塌落觸地質(zhì)量，減小了塔體觸地最大段質(zhì)量，對(duì)于降低塌落觸地振動(dòng)具有積極作用。

(3)使用振動(dòng)監(jiān)測儀器，合理布置監(jiān)測點(diǎn)，通過振動(dòng)監(jiān)測和振動(dòng)波形圖分析評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)危害對(duì)于周邊建筑物影響。本次冷卻塔爆破拆除工程各方位測點(diǎn)振動(dòng)速度最大值均未超過0.2 cm/s，遠(yuǎn)低于國家安全允許標(biāo)準(zhǔn)2 cm/s；此外鐵路高架橋橋墩處振動(dòng)速度最大值為0.124 cm/s，低于火車駛過高架橋時(shí)橋墩處振動(dòng)速度0.3 cm/s，證明了拆除爆破振動(dòng)防護(hù)方案的安全有效性，為類似構(gòu)筑物的拆除爆破設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[7]中國爆破工程協(xié)會(huì).GB 6722—2014爆破安全規(guī)程[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

(收稿日期2016-01-18)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：50764001)。

何松(1991—)，男，碩士研究生，550003 貴州省貴陽市花溪區(qū)。