復雜環境61 m高雙曲線冷卻塔拆除爆破

劉桂勇，李坤鵬

(1.重慶市公安局，重慶 401147；2.華僑大學土木工程學院，福建 廈門 361021)

在建(構)筑物拆除爆破過程中，降低爆破振動、觸地振動以及爆破飛石的危害一直是爆破作業中需要考慮的問題。冷卻塔的拆除大多采用拆除爆破技術，在大量的工程實踐中，冷卻塔的拆除技術日益完善。

高文樂等[1]對國內幾十座冷卻塔的拆除爆破效果進行了歸納總結，對拆除過程中如何選擇合適的爆破參數、爆破切口、起爆網路進行了細致分析，最后對拆除過程中冷卻塔的預拆除以及安全控制進行了總結。崔建林等[2]對61 m高冷卻塔在拆除爆破過程中出現的未倒塌情況進行分析總結，指出在進行冷卻塔拆除爆破的過程中，要保證冷卻塔爆破切口的展長和爆破切口高度同時滿足設計要求。謝錢斌等[3]在拆除2座90 m高的冷卻塔時，提出可以采用計算機數值模擬的方法，進行人字柱的受力分析，最終確定合理的鉆孔布置與開口角度。趙楚等[4]運用定向爆破的方法拆除了兩座雙曲線冷卻塔，冷卻塔的破碎效果良好，按設計方向成功倒塌，倒塌之后不需進行二次處理，節省了工作時間，減少了工作量。徐鵬飛等[5]使用高減荷槽的拆除方法爆破一座70 m的雙曲線冷卻塔，最高處減荷槽高度為15.4 m，切口角度設置為216°，共炸掉24對人字柱，將當時國內體積最大的冷卻塔成功爆破，拆除效果良好。費鴻祿等[6-7]通過建立數值計算模型的方式，研究了冷卻塔觸地解體以及觸底振動的規律。胡浩川等[8]針對冷卻塔拆除過程中定向窗的設置進行了研究，發現定向窗的高度直接影響冷卻塔坍塌面積，定向窗高度越高，冷卻塔的倒塌寬度越小。高文樂等[9]使用ANSYS/ls-dyna有限元分析軟件，對不同數量減荷槽下冷卻塔的拆除爆破進行數值模擬，最終確定最佳的減荷槽數量為6個或7個。張建華等[10]針對冷卻塔的爆破切口進行了研究，運用數值模擬的方法，改進了爆破切口的形式，通過在塔壁上炸出大量小型切口，最終得出這種方法能夠降低地面振動。

通過研究前人先進的經驗技術，對合理的爆破參數、爆破切口以及起爆網路等進行總結，并在本次拆除爆破中進行應用。本拆除爆破工程中，需重點對周圍的居民區、辦公室進行保護，通過設置定向窗與減荷槽等，控制冷卻塔的倒塌方向，并對拆除爆破時的爆破振動與觸地振動進行控制，最終達到保護周圍建(構)筑物的目的。

1 工程概況

1.1 周邊環境

待拆冷卻塔位于忠縣忠州街道蘇家社區原火電廠內，冷卻塔東偏北面有待拆除的電廠舊辦公室，距離約為40 m。冷卻塔東南方向約150 m處為藍天環境辦公樓，北側約120 m處為居民房，需要重點保護。冷卻塔的倒塌方向為正東側，周圍環境如圖1所示。

圖1 冷卻塔周邊環境Fig.1 Surrounding environment of cooling tower

1.2 結構特征

擬拆除的冷卻塔為鋼筋混凝土結構，冷卻塔高61 m，其中人字柱長8 m、支柱環梁長0.6 m、上部壁長52.4 m，支柱環梁內徑38 m，壁厚0.34 m，底部人字柱外徑46 m，32對人字柱尺寸40 cm×25 cm，70根直柱尺寸30 cm×25 cm，中心圓柱直徑3.4 m，壁厚0.4 m。冷卻塔內部存在圈梁、導水槽、除水器、鐵篦子等，冷卻塔自重約為2 400 t。

1.3 工程重、難點

該冷卻塔呈旋轉雙曲面形狀，為薄壁結構的高聳建筑物，結構復雜，尺寸大，長徑比小，需要預處理部分較多。因為周圍存在居民區，因此需要提高爆破質量，減小爆破危害效應，以保護周圍的建(構)筑物。目前重慶市的拆除案例不多，技術難度大，確保安全高效的良好社會影響是此次爆破拆除工作的重點。

考慮到周邊的環境條件以及工程效益，該冷卻塔選擇向正東側倒塌的方法，通過對爆破方案進行精確設計和計算，借助經緯儀進行定位測量，以提高倒塌的精確性。

2 方案設計

2.1 爆破切口設計與預處理

1)爆破切口設計。該冷卻塔存在人字柱32對，拆除方案要確保冷卻塔的倒塌中心線位于一對人字柱的柱基上，兩側對稱拆除19對人字柱。采用角度為214°的爆破切口，冷卻塔的周長為121.3 m，其中有72 m的定向窗切口，49.3 m的支撐結構。將人字柱、預切窗口以及圈梁高度之和設置為爆破切口高度，高度為13.6 m。爆破過程中要保證冷卻塔可以向正東方向倒塌，并確保有充分的支撐防止發生下坐或后坐的現象。爆破切口如圖2所示。

圖2 爆破切口Fig.2 Blasting cutting

2)預處理。采用預拆除的方式可以減小一次齊爆藥量，使爆破規模不至于過大，降低爆破風險，并且具有更好的倒塌和破碎效果。具體的預拆除方案如下。

a)爆破切口的上部預先使用炮機開鑿10 m×2 m的窗口，窗口之間預留支撐塔壁，支撐塔壁尺寸為2.5～4.5 m。在倒塌中心線兩側環梁以上，用液壓錘開鑿13個窗口，向兩側高度分別為10、5、3、2 m，其中最外側兩個為定向窗口，角度設置為45°以保證預處理后塔體有足夠的支撐，不會倒塌。爆破切口的中心線與人字柱柱基重合，相鄰的兩對對稱的人字柱能夠支撐保留的塔壁部分，因此按照拆除19對人字柱進行計算，窗口應設置為13個，兩端的窗口起到定向窗的作用。支撐側的13對人字柱底部設置一個空炮孔，目的是在爆破倒塌瞬間，可以形成用于支撐的鉸鏈。

b)冷卻塔內部的中心井、鐵欄桿等需要預拆除，缺口內的爬梯與避雷針需要切斷。采用機械方法將進水管等附屬設施拆除，冷卻塔底部的積水需要抽干。炸藥裝完后，拆除冷卻塔內部的鐵篦子、導水槽、豎直立柱。預拆除及布孔設計如圖3所示。

圖3 預拆除及布孔設計Fig.3 Preliminary demolition and hole layout design

2.2 爆破參數設計

爆破切口范圍內有19對人字柱。在對冷卻塔進行預拆除處理后，支撐塔壁存在于爆破切口范圍內，在塔壁4 m與7 m高度處設置炮孔，目的是讓塔體倒塌過程中，支撐塔壁在壓力作用下發生折斷，不存在支撐。圈梁需要在預拆除窗口的下方設置炮孔，爆破后斷開以使其失去支撐作用。在人字柱的底部與頂部設置5排炮孔、中間設置1排炮孔以使其失去支撐力。爆破作業中均使用d=40 mm的炮孔直徑。

1)人字支柱及直柱爆破參數的確定。需要爆破拆除的人字支柱為19對。每根柱單排布孔，上部3個、下部6個。孔距25 cm、孔深18 cm。19對支柱總的炮孔數量為342個，每孔裝藥50 g，因此人字支柱的總裝藥量17.1 kg。

需要拆除直柱的數量為48根，采用單排布孔的方式，上部和下部均設置3個炮孔，孔距設置為22 cm，孔深15 cm。直柱炮孔共計288個，每孔裝藥40 g，總裝藥量11.5 kg，因此人字支柱與直柱的總藥量約28.6 kg，雷管數量為630發。

2)支柱環梁及筒壁爆破參數的確定。筒壁爆破位置為8.6～13.6 m，壁厚δ為34 cm，炮孔直徑38～40 mm，布孔采用垂直筒壁鉆孔。

a)最小抵抗線：W=(1/2)δ=17 cm。

b)孔深：L=(0.6～0.8)δ=23 cm。

c)孔距：a=(1.0～2.0)L=22 cm。

d)排距：b=(0.85～1.0)a=22 cm。

e)單位炸藥消耗量：取q=3.0 kg/m3。

f)單孔裝藥量Q：Q=qabδ=0.049 kg，本設計取0.05 kg。

3)中心圓柱爆破參數的確定。中心圓柱直徑3.4 m，周長10.7 m，壁厚δ為0.4 m，中心圓柱距地面0.5 m，三角形定向窗的頂角為45°，長度為1.0～2.0 m。

a)切口高度H0：爆破切口的高度不宜小于爆破部位壁厚的3倍，一般取3～5倍壁厚，取H0=1.96 m。

b)炮孔布置：在冷卻塔爆破缺口范圍之內設置炮孔，炮孔的方向指向冷卻塔的中軸線，相鄰排間炮孔采用梅花形布孔的形式，以使塔體充分破碎。

c)最小抵抗線：W=δ/2=0.2 m。

d)孔深：L=(0.65～0.75)δ=0.28 m。

e)孔距a和排距b：在用爆破法拆除煙囪時，取孔距a=(1.2～1.5)W=0.3 m；上、下排炮孔采用梅花形布孔，取排距b=(0.85～0.9)a=0.28 m。

4)單孔裝藥量Q。Q=0.067 kg，因每條炸藥是200 g，即每條炸藥分3份設計取約67 g。中心圓柱布8排孔，每排布孔21個即總炮孔數量為168孔，藥量約為12 kg。

5)設計總藥量及雷管總數。計劃用藥量：216 kg，其中導爆管雷管數量為4 500個，瞬發電雷管數量為200個。

2.3 起爆網路設計

炸藥型號選用直徑為32 mm的2#巖石乳化炸藥，使用MS1、MS3、MS5段毫秒延時導爆管雷管起爆，腳線長度應大于10 m，用于起爆的雷管為8#鋼殼電雷管。設置3個起爆區域對爆破切口進行起爆，使用MS1段導爆管雷管起爆中間的3對人字柱及其垂直方向對應的上部區域；使用MS3段導爆管雷管起爆接下來的3對人字柱及其對應區域；使用MS5段雷管起爆切口兩端的各5對人字柱及其對應區域。

使用導爆管雷管組成起爆網路，炮孔內、外統一選取毫秒延時導爆管雷管。人字柱孔內使用MS1段雷管，塔壁、人字柱、環梁設置的炮孔中，將導爆管雷管綁扎成簇，每簇15～20個，再使用2個MS1段雷管進行連接，最后選用兩發電雷管作為起爆雷管進行起爆。

3 安全設計

本次冷卻塔拆除過程中，主要對爆破振動、觸地振動以及爆破飛石進行控制。

3.1 爆破振動校核

計算爆破安全振速通常運用薩道夫斯基公式，公式如下[11-12]：

(1)

式中：Q為單段起爆最大藥量，kg，取48 kg；vb為峰值振速，cm/s；K′為修正系數，取1；K為場地系數，取100；R為爆區到需要重點保護的建(構)筑物的距離，m；α為地震波傳播過程中的衰減系數，取1.6。

由于居民區與拆除爆破的冷卻塔距離為120 m，經計算爆破振動峰值振速vb=0.37 cm/s<1 cm/s，因此民房處產生的振速滿足《爆破安全規程》的要求[13]。

3.2 觸地振動校核

根據觸地振動速度公式[11-12]：

(2)

式中：vt為冷卻塔倒塌時觸地振動速度，cm/s；mgh為觸地沖量；m為拆除建筑物的質量，取2 400 t；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為建筑物的重心高度，取28 m；Kt為衰減參數，取2.5；β為衰減系數，取-1.7；Rt為觸地建筑物的邊緣到被保護建(構)筑物的距離，取120 m；σ為冷卻塔爆破解體后，構件混凝土的破壞強度，取10 MPa。

計算可得：vt=0.4 cm/s<1 cm/s。因此可得，拆除爆破該冷卻塔產生的觸地振動不會引起周圍建(構)筑物破壞。

3.3 爆破飛石防護

為了防止爆破飛石的危害，采取了以下措施：①控制鉆孔質量，裝藥前對每個炮孔都進行質量檢驗，滿足要求方可進行下一步作業。②保證炮孔的填塞質量，防止發生沖孔而造成飛石拋擲較遠。③實施起爆前，確保所有的人員均撤離爆破現場，保證安全距離。起爆之前對爆破倒塌方向一定區域內進行平整處理，以減少石塊觸地碰撞彈起而產生的飛石。

4 結語

1)冷卻塔的預處理過程中設置導向窗及減荷槽，在減少鉆孔及爆破量的同時，使得安全隱患和防護難度得以降低。通過在拆除爆破之前運用經驗公式對爆破振動速度以及觸地振動速度進行計算，預先確定爆破振動與觸地振動的近似范圍，最終對爆破振動與觸地振動進行了準確控制，經驗公式可靠。

2)冷卻塔的塔體質量影響拆除爆破時的觸地振動速度，采用毫秒延時爆破，毫秒延時分為3段，設置3個起爆區域對爆破切口進行起爆，使冷卻塔在塌落過程中扭曲變形，塔體之間不斷碰撞，最終塔體觸地比較分散，單次觸地質量小，可以起到減小觸地振動的作用。