四座冷却塔同时定向爆破拆除

孙向阳,谢续文

(湖南中人爆破工程有限公司, 湖南长沙 410005)

四座冷却塔同时定向爆破拆除

孙向阳,谢续文

(湖南中人爆破工程有限公司, 湖南长沙 410005)

采用定向倾倒控制爆破技术,在复杂的环境下同时拆除高 60～90 m的 4座冷却塔。详细论述了爆破方案的选择、爆破缺口的设计、爆破参数的设计、起爆网路的设计及安全防护措施的运用。实践证明,本工程的设计方案和施工组织是合理的,为同类工程提供了有益的经验。

冷却塔;定向爆破;爆破切口;爆破振动;爆破效果

1 工程概况

天津华能杨柳青热电有限责任公司在节能减排的改建中 ,将原有的 1#、2#、3#、4#机组的冷却塔采用控制爆破技术拆除。4座冷却塔均为薄壁钢筋混凝土结构,拆除钢筋混凝土方量约 12000 m3,爆破施工工期 20 d。

1.1 工程结构

1#冷却塔筒底支撑结构为 36对八边形断面人字型组合立柱,柱体长为 4.6 m。人字立柱的上部为圈梁,圈梁厚为 35 cm,垂直高度 140 cm。圈梁以上为通风筒身,筒身是变厚度的薄壳结构,厚度由35 cm向上逐渐减薄至 10 cm,筒身底部直径为 50.8 m,筒顶直径为 28 m,地面以上筒身高为 60 m。

2#冷却塔筒底支撑结构为 36对圆断面人字型组合立柱,柱体长为 4.9 m。圈梁厚为 40 cm,垂直高度 150 cm。筒身厚度由 40 cm向上逐渐减薄至12 cm,筒身底部直径为 56.4 m,筒顶直径为 31 m,地面以上筒身高为 70 m。

3#、4#冷却塔筒底支撑结构为 40对正方形断面人字型组合立柱,柱体长为 6.3 m。圈梁厚为 50 cm,垂直高度 180 cm。筒身厚度由 50 cm向上逐渐减薄至 14 cm,筒底部直径为 73.5 m,筒顶直径为43.1 m,地面以上筒身高为 90 m。

1.2 周围环境

4座冷却塔占地面积大,周边临近的建筑物和各种管线较多,如图1所示,重要的建筑和设施有:40万 kW变电站 (距 2#塔 70 m),二级泵房 (距 2#塔16 m),制水站 (距 1#塔 25 m),污水泵房 (距 1#塔 15 m),危险品库 (距 3#塔 20 m),深井泵在 3#、4#塔之间 (距 4#塔 10 m)。2条直埋的 380 V动力电缆,沿2#、3#、4#冷却塔边缘敷设,近处距冷却塔只有 3 m,燃油管道距 1#塔 18 m,在距冷却塔 50～100 m间有2组高压输电线。

图1 冷却塔爆破周围环境示意

2 拆除方案的确定

(1)4座冷却塔地面以上塔体部分采取定向爆破的方法进行拆除。由于 4座冷却塔周围有较多的建筑物和管线,为避开保护目标,其倒塌方向选择在可利用的空地方向,因此倒塌方向确定为:1#倒塌方向为北偏东 50°方向,2#倒塌方向为东偏南 60°方向,3#倒塌方向为南偏西 45°方向,4#倒塌方向为东偏南 10°方向。

(2)对冷却塔塔体爆破采取开窗口、断钢筋、预留支撑板块、定向控制爆破的方法施工。

(3)对塔内的淋水装置保留爆破切口位置的支撑柱和横梁,用以作为施工平台,其它部分用机械破碎锤提前拆除。

(4)为减少爆破次数,对 4个冷却塔采取一次性定向爆破拆除。按 1#、2#、3#、4#冷却塔的顺序 (由低到高)依次起爆倒塌,各冷却塔间起爆延时为200～350 ms。

3 爆破设计

3.1 技术难点

(1)爆破工程量大。本次爆破拆除的冷却塔具有单体冷却塔高大 (最高的冷却塔高 90 m)、拆除数量多的 (一次性爆破拆除 4座冷却塔)特点。一次性爆破拆除 4座冷却塔,使装药、网路连接、防护工作量在有限的时间内完成难度增大,况且周边环境较为复杂,对爆破设计和施工提出了更高的要求。

(2)冷却塔结构特殊。冷却塔结构具有薄壁、含筋率高、高宽比小 (冷却塔高 90 m,底部直径 73.5 m,比值仅 1.22)、重心低、塔壁厚度不同等特点,外形为双曲线型,结构稳定。因此要使冷却塔按设计方向准确倾倒,技术难度较大。

(3)薄壁结构,飞石难控制。冷却塔壁厚较薄,爆破缺口部位筒壁最大为 40 cm,最小为 23 cm,因此最小抵抗线较小,爆破时容易产生飞石,安全防护要求高。

3.2 爆破切口设计

(1)切口形式。爆破切口形状有多种形式,根据本次冷却塔高大的特点,切口采用倒梯形,以利于顺利倒塌。

(2)切口高度 (H)设计。切口高度大小是保证冷却塔倒塌变形的重要参数,切口总高度包括人字柱高度 h1、圈梁高度 h2、塔身切口高度 h33部分组成,即 H=h1+h2+h3。本次爆破的 4座冷却塔切口高度分别为:

1#冷却塔 H1=4.2+1.4+2.2=7.8 m;

2#冷却塔 H2=4.5+1.5+2.1=8.1 m;

3#、4#冷却塔 H3=H4=5.8+1.8+1.5=9.1 m。

(3)切口长度(L)设计。爆破切口的长度的大小对冷却塔顺利倒塌和倒塌方向的准确性,起着至关重要的作用,根据以往的成功经验和理论计算,为保证冷却塔爆破后的倒向准确,防止产生后座现象,要保证预留的支撑体短时间内的支撑强度和稳定性,爆破切口长度均按 4座冷却塔各自底部圆周长的 50%设计。

(4)预切口设计。为了减少爆破钻孔数量和降低一次起爆药量,同时为保证冷却塔能够准确按设计方向倾倒,并减小倒塌触地振动,在爆破拆除前对冷却塔筒壁切口部分用液压锤机械破碎方法进行预拆除,拆除范围有:

塔身部分预处理,将爆破切口部位内的 50%～55%用机械预先拆除,拆除的窗口内的钢筋切割清除,预留的支撑壁在人字柱上方,拆除高度高于筒壁上的爆破切口高度;

圈梁上的预处理,将切口长度上的圈梁平均分为三等份,在等分线上使用机械切断 4个缺口,使其失去水平方向的连接作用;

定向窗预处理,为确保定向倾倒的准确性,在筒体切口两端预先用机械开设定向窗,定向窗为直角三角形,底边为 3 m,垂边为 3 m;

淋水装置处理,爆破前除保留与爆破切口相邻的 2排塔内淋水装置的支撑柱和横梁,作为钻孔、装药的施工平台,其它支撑柱全部使用液压破碎锤将其破碎拆除。

3.3 爆破参数选择

由于 4个冷却塔的结构形式不同,其爆破支撑柱的断面尺寸和筒壁的厚度均不一致,因此爆破参数设计也有区别,按塔高 90,70,60 m 3种类型设计。

(1)筒壁。爆破部位筒壁厚为 25～40 cm,1#冷却塔筒壁炸高 2.2 m,2#冷却塔炸高 2.1 m,3#、4#冷却塔炸高 1.5 m,炸药单耗 1500～2000 g/m3。

(2)人字型组合立柱。人字型立柱爆破部位从底部向上 1.5 m和从圈梁处向下 1.5 m连续钻孔爆破,中间部分不用爆破,每根支撑柱布孔 8个,单耗q=1200～1300 g/m3。

(3)淋水装置支撑立柱。淋水装置支撑柱断面为正方形,爆破部位在 0.5～2 m处,炸高 1.5 m,单柱孔数 5个,单耗 q=1100～1200 g/m3。

4个冷却塔详细爆破参数见表1。

表1 4个冷却塔爆破参数

3.4 起爆网路设计

(1)起爆器材全部采用非电起爆系统对冷却塔进行爆破拆除。起爆元件使用毫秒塑料导爆管延期雷管;传爆元件使用传爆雷管、导爆管和四通联接件组成;起爆使用起爆器。

(2)每个冷却塔为 1个起爆区段,最大装药量76 kg,统一使用 1个段位的雷管起爆,各区段间由多条传爆干线连接,整个网路连接用非电雷管和非电导爆管及“四通”元件把起爆网路连接成复式加强起爆网络。

(3)4座冷却塔按 1#、2#、3#、4#冷却塔的先后顺序依次起爆,各冷却塔之间的起爆间隔用毫秒雷管控制,起爆全部采用孔内延时设置,各冷却塔延时时间见表2。

表2 4个冷却塔爆破延时分段

4 爆破安全控制

4.1 爆破振动控制

本次爆破使用炸药量最大的 3#冷却塔,一次起爆的最大药量为 76 kg。振动控制要求最高的目标为距离最近的变电站控制室,距 2#冷却塔边缘 100 m(距该塔首次触地点 157 m),允许安全质点振动速度峰值 0.32 cm/s。

依据爆破振动速度计算公式 V=K(Q1/3/R)α,塌落振动速度计算公式 Vt=Kt[(M gH/σ)1/3/R]β,所得 4座冷却塔在不同距离上爆破振动和塌落触地振动速度见表3。

表3 不同距离上爆破和塌落触地振动速度

根据计算结果分析,基本满足周边目标防震的要求,但为确保保护目标的安全,进一步减小振动强度,在 1#和 2#冷却塔西侧各开挖了 1条 2 m深的减振沟,在冷却塔爆破切口下轴线两侧各 10 m处铺垫建筑渣土,减缓冷却塔首次触地点的振动。

4.2 飞石控制

由于待爆冷却塔周边有许多正在运行的车间和机房,最近处只有 15 m,还有架空通信、输油管线。对爆破飞石的防护要求较高,必须严密防护。采取的安全防护措施有:确保钻孔深度 (筒壁上是从里向外钻孔)的准确性;严格按设计装药;使用 3 cm厚的草帘对爆破部位包裹或覆盖 2层;对距爆破位置较近的建筑物或设施进行主动防护,在其防护部位覆盖 1～2层草帘;爆破安全警戒距离为 200 m。

4.3 爆破振动安全监测

爆破时建设单位请当地地震局现场布置了 3个测震点监测爆破振动。3个监测点距 4座冷却塔外边缘距离分别为 70,120,150 m,所测得的振动速度对应为 0.58,0.42,0.26 cm/s,小于安全允许振动速度标准,也小于理论计算值。

5 爆破效果

5.1 试爆效果

在爆破的前一天对 3种高度的冷却塔的人字支撑柱和筒壁进行了试爆,试爆时严格按设计药量装药,并按防护设计包裹或覆盖两层草帘,试爆后 2#、3#冷却塔筒壁爆破部位钢筋弯曲变形,混凝土完全脱离钢筋,1#冷却塔筒壁爆破部位 (壁厚 23 cm,单孔药量 30 g)还有约 30%的混凝土块未脱离钢筋网(在实爆时将单孔药量增加到 40 g)。试爆时爆破产生的飞散物飞散距离不远,主要爆渣散落在 5～15 m范围内。个别飞石也控制在 30 m之内。试爆证明爆破参数合理,防护有效。

5.2 实爆效果

2008年 11月 23日下午 14:10冷却塔爆破起爆(中央电视台现场直播),4个冷却塔依次按设计的倒塌方向发生扭转变形,然后加速塌落并解体,整个倾倒过程约 10 s。4座冷却塔爆破倒地后,倒向准确。倒塌物沿倒塌方向向前塌落 10～25 m,其它 3个方向均塌落在基础水池内。倒塌反方向的预留人字支撑柱全部倒塌,没有产生任何后座现象,后部有个别残壁耸立,最高处有 8 m左右。其它部位解体充分。爆破所产生的振动及飞石没有对周边被保护的建筑物和设施造成任何损坏。测震结果也证明了爆破产生的振动符合设计要求。

6 结 语

(1)冷却塔为钢筋混凝土薄壁结构,其倒塌过程与刚度强的钢筋混凝土烟囱倒塌区别很大,烟囱是在爆破切口形成后,烟囱重心偏移、失稳,烟囱筒体成刚性整体倒塌,而冷却塔倒塌主要是平衡力系受到破环,而使筒体产生扭曲变形,导致筒体向下塌落,因此在选择爆破切口长度时选择周长的 50%左右为好,剩余的支撑体有足够的支撑强度,能保障冷却塔爆破后短时间内后支撑的稳定,使冷却塔产生倒向方向的惯性,倒塌定位准确,同时可避免后支撑区产生后座或向后倒塌。

(2)冷却塔爆破缺口高度是保证冷却塔倒塌的重要条件,在考虑减少钻孔、装药等工程量因素时,一定要保证爆破缺口有足够的高度,使冷却塔首次触地时产生足够大的冲击力,导致筒体结构发生破坏而倒塌。根据同类冷却塔成功爆破的经验,缺口高度应保证在 8 m以上的高度为好,特别是对高度较低、质量较小的冷却塔更要注意其爆破切口应有足够的高度,近几年发生的多起冷却塔爆而不倒的情况其原因之一就是爆破切口高度过小 (只爆支撑柱)。

(3)冷却塔的淋水装置在爆破前使用液压破碎锤预先处理,可有效地保证塔体的完全坍塌。但为了方便施工,减少搭建脚手架的材料和时间,可保留与爆破切口相邻的部分淋水装置支撑柱和横梁,为钻孔施工和装药提供施工平台。

[1] 汪旭光,于亚伦.拆除爆破理论与工程实例[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] 史家堉,程贵海,郑长青.建筑物爆破拆除理论与实践[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3] 瞿家林,徐 刚,年鑫哲.电厂内复杂环境下两座 90 m高冷却塔爆破拆除[J].工程爆破,2011,(1).

2011-07-21)

孙向阳,男,副总经理,从事爆破技术及管理工作。