复杂环境下贵阳电厂2#冷却塔抢险爆破

魏 兴， 赵明生， 池恩安， 邹 锐， 宋芷军， 李 杰， 余红兵

(1. 贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵阳550002；2.贵州大学 矿业学院， 贵阳 550003)



复杂环境下贵阳电厂2#冷却塔抢险爆破

魏 兴1,2， 赵明生1,2， 池恩安1,2， 邹 锐1， 宋芷军1， 李 杰1， 余红兵1

(1. 贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵阳550002；2.贵州大学 矿业学院， 贵阳 550003)

为安全、快速完成贵阳电厂2#冷却塔的抢险爆破，采用定向倒塌的爆破拆除方案。首先在施工过程中对塔顶进行位移监测，以确保施工过程的绝对安全；然后根据冷却塔目前的结构特点，为实现爆破时冷却塔的充分解体，采取提高定位窗和卸荷窗的切口高度，确保塔体在机械预处理过程中的稳定性；最后采用ANSYS软件分离式共节点模型，对爆破方案进行了数值模拟，验证了所选用方案的可行性。鉴于冷却塔附近铁路高架桥的重要性，采用了开挖减振沟、敷设缓冲堤及搭设防护排架综合防护手段，最终圆满完成了冷却塔的抢险爆破，可为类似工程提供参考。

冷却塔； 控制爆破； 安全防护； 数值模拟； 抢险爆破

1　工程概况

由于贵阳电厂的搬迁，其2#冷却塔需进行拆除。前期的机械拆除已对冷却塔局部承重结构进行了破坏，形成了重大的安全隐患，故需抢险爆破拆除冷却塔。冷却塔周边环境十分复杂，东面、西面、北面都有居民区，且房屋一般为2 ～3层砖砌结构，最近距离仅有15m；南侧60m处是铁路高架桥(川黔铁路货车外绕线黔灵山至关田区间K5+750m至K5+900m铁路线路)，桥高26m。若爆破施工对铁路造成破坏，所带来的后果不可估量。爆破时需对爆破飞石、爆破振动、爆破冲击波以及冷却塔倒塌触地振动进行严格控制，确保周围建(构)筑物的安全。周围环境如图1所示。

图1　冷却塔爆破环境Fig.1　Surrounding environment of cooling tower

冷却塔地面标高86m，直径60m；共有40对人字形立柱高度5.5m，断面尺寸0.4m×0.4m，柱内有8根Φ18mm的竖筋和Φ8mm箍筋(箍筋之间平行间距0.2m)，人字柱上部是高1m、厚0.5m的钢筋混凝土圈梁，钢筋行列间距0.1m×0.1m；圈梁以上塔壁厚度0.2m，钢筋行列间距0.1m×0.1m。冷却塔前期机械拆除15根人字形立柱(东偏南6°至东偏南73.5°)，且部分圈梁被拆除(距离地面最大高度为8.5m)后已成高危构筑物，需即刻安全拆除，前期机械拆除后实物如图2所示。

图2　机械拆除后实物图Fig.2　After machanical removal

2　爆破总体方案

根据现场的勘察，按照原机械拆除方案设计的倒塌方向采用定向爆破，倒塌方向为东偏南42°〔1-4〕。

为确保施工安全，施工过程中用经纬仪对冷却塔进行偏移监测，监测数据显示，最大偏移角度在10°以内，约5 ～6mm，冷却塔处于较稳定状态。

2.1爆破参数设计

(1)爆破切口的位置

采用定向倒塌爆破时，爆破切口的大小是冷却塔能否按照设计方向倒塌的关键〔5-7〕。必须保证结构在倒塌时倾倒力矩大于结构的极限弯矩。还要保证冷却塔在爆破切口形成后整体失稳，倒塌后充分的解体破碎。

(2)爆破切口的长度、高度

冷却塔底部半径为30m，周长为188.4m，冷却塔爆破高度H取6.5m。切口长度取其底部圈梁周长的0.6倍，切口的圆角为220°。人字形立柱共计24对，切口示意图如图3、图4所示。

图3　爆破切口剖面示意图Fig.3　Schematic diagram of blasting notch section

图4　爆破切口示意图Fig.4　Schematic diagram of blasting notch

根据冷却塔特点，为了确保其顺利倒塌及充分解体，在爆破切口上方11.5m的塔壁上开设两个卸荷窗2m×6m、两个定位窗2m×2m来加剧冷却塔在倒塌过程中的扭转撕裂，且确保塔体在机械预处理过程中稳定性。为了降低冷却塔倒塌塔内压缩空气冲击的危害，在倒塌方向反方向中心线上距离地面11.5m处(圈梁上方)，开一个2m×4m的卸压窗口，不同位置卸荷窗、定位窗、卸压窗示意图如图5所示，爆破切口的孔网参数见表1。

图5　不同位置卸荷窗、定位窗、卸压窗示意图Fig.5　Schematic diagrams of unloading window， positioning window and distressed window in different places

炮孔部位几何尺寸/cm孔深/cm孔距/cm排距/cm单孔药量/g孔数总药量/kg人字支柱40×402730/4573032.9圈梁100×50313025901376123.8合计2106156.7

2.2起爆网路设计

采用塑料导爆管雷管，孔内每孔药包装1发雷管，网路中传爆连接使用两发雷管，按照设计要求并入主爆网路。炸药采用2#岩石乳化炸药，雷管选用MS1、MS7、MS15非电导爆管毫秒延时雷管，MS1用于传爆连接，MS7用于孔外毫秒延时，MS15用于孔内毫秒延时。采用非电导爆雷管毫秒延时起爆，孔内20个簇联一束，采用交叉复式网路，连接示意图如图6、图7所示。

图6　导爆管雷管簇联示意图Fig.6　Schematic diagram of nonel detonator clustered

图7　起爆网路Fig.7　Initiation network

2.3安全防护设计

(1)根据周边勘察情况，靠近铁路桥围墙内开挖减振沟底宽2m、顶宽3m、深3m、长120m；在防护钢管排架内侧距离冷却塔14m处再增加一条减振沟，底宽3m、顶宽5m、深4m、长110m，低于邻近的最低铁路6号桥墩基础0.5m。减振沟横截面示意图和现场开挖效果如图8所示。

图8　减振沟Fig.8　Damping ditch

(2)缓冲堤的作用是冷却塔坍塌时起缓冲作用，减小触地速度，从而减小触地振动。在倒塌方向布设4道缓冲堤，缓冲堤沿倒塌中心线从塔基边缘算起，依次8，16，24，36m各布设1条，前3道减振堤，每道长55m、高 2m、宽4m，第4道缓冲堤设置成角度50°的梯形缓冲防护墙，长40m、高6.5m、底宽12m。外围用双层沙包墙堆砌，内部充填细砂土，沙包封顶，横截面示意如图9所示。

图9　缓冲堤截面示意图Fig.9　Section of buffer embankment

(3)对铁路线路采用近体防护，在K5+750m至K5+900m铁路线路一侧电厂围墙内距围墙3m搭建12m高、157m长的钢管排架，排架外挂胶皮网，防止冲出的飞石和冲击波对铁路高架桥造成损伤。在倾倒方向左侧和后侧距离民房9m处搭建9m高、102m长钢管排架，排架外挂双层胶皮网，防止冲出的飞石对侧面民房造成损伤。钢管排架按照1m×1m搭建，胶皮网尺寸为1.4m×1.6m。横截面示意图如图10所示。

图10　防护排架横截面示意图Fig.10　Schematic diagam of cross section of protective frame

3　数值模拟分析

采用LS-DYNA软件建立分离式共节点模型，对冷却塔爆破拆除倒塌过程进行模拟分析〔8〕，并利用材料的失效准则模拟爆破时混凝土的脱笼效果，同时建立减振沟、桥墩、缓冲堤等周边构筑物。在对冷却塔部分圈梁和人字柱进行爆破拆除后，冷却塔在自重倾覆力矩作用下发生倾斜、后坐、扭曲变形等，最后在塔体与地面的触击碰撞中塔壁发生破坏解体，如图11所示。

图11　模拟效果Fig.11　Simulation effects

4　爆破效果分析

4.1倒塌效果分析

现场装药到爆破倒塌共施工4天。爆破部位都按照设计目标破碎解体，冷却塔南面铁路桥墩和活动板房完好无损，居民房均未发生开裂现象。爆破效果如图12所示。

图12　实际效果Fig.12　Actual effects

对坍塌后的冷却塔进行测量，整个冷却塔的倒塌范围沿倒塌中心线方向宽60m，为冷却塔塔壁宽度，倒塌长度为26m，均与设计中冷却塔的倒塌范围一致。

4.2冲击波危害分析

将测控仪器安置在冷却塔后方，保护民房前面，测量爆破和倒塌冲击波，测得冷却塔爆破倒塌过程中冲击波超压为5×10-3MPa，经过防护排架后的冲击波峰值为2×10-3MPa。根据《爆破安全规程》(GB6722-2014)中建(构)筑物破坏程度与超压关系，最易破损的玻璃在此超压下为偶然破坏，其他建筑物均无损坏。

4.3爆破飞石分析

通过高速摄影对冷却塔坍塌效果回放，仔细观察不同区域内的爆破飞石并在爆破完成后进行现场核实，最终确定最远飞石出现在冷却塔东侧，在冲击波破坏防护排架后，最远飞石距离为52m。其他区域均未对周边建(构)筑物产生破坏影响。

4.4爆破振动效应分析

对附近铁路桥墩和最近居民房进行振动测试，共布置10台仪器，具体位置如图13所示，得到不同区域的振动速度峰值，见表2。

通过监测数据并依据《爆破安全规程》(GB6722-2014)综合分析，爆区周围实测最大振动速度均在安全允许振速1.5 ～2.0cm/s(f≤10Hz)、2.0 ～2.5cm/s(10

图13　不同位置振动测点布置示意图Fig.13　Schematic diagram of measuring points in different locations

在整个拆除过程中，模拟得出川黔货运铁路线最近桥墩振动速度为0.5cm/s。测点7 ～9为对川黔货运铁路线进行全程振动监测，最大振速为距离冷却塔54.46m的7号测点Z向振速0.087cm/s(主频12.8Hz)，其测点实测振动速度小于7号测点数值模拟振动速度0.5cm/s，对川黔货运铁路线没有影响。实测数据远远小于模拟数据原因：模拟主要基于理想状态；传播介质本身内部存在节理、裂隙等软弱层，对应力波的传播起到了一定的阻挡吸收作用。

表2　距触地点不同水平距离的各测点振动速度峰值

注：“/”表示实测质点振动速度峰值小于监测仪器触发值0.02cm/s。

5　结语

本次爆破较好的防护措施使得振动、飞石、冲击波等危害均得到较好的控制，未对周边建(构)筑物及川黔铁路货车外绕线黔灵山至关田区间的铁路线路造成破坏，很好地完成了此次抢险工程。

数值模拟和现场高速摄影的相互验证证明了设计的合理性，可为类似工程实例提供一定的参考。

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Emergencyblastingof2#coolingtowerofGuiyangpowerplantincomplexenvironment

WEIXing1,2，ZHAOMing-sheng1,2，CHIEn-an1,2，ZOURui1，SONGZhi-jun1，LIJie1，YUHong-bing1

(1．GuizhouXinlianBlastingEngineeringGroupCo.,Ltd.,Guiyang550002,China；2．MiningInstitute,GuizhouUniversity,Guiyang550003,China)

InordertocompletetheGuiyangpowerplant2#coolingtoweremergencyblastingsafelyandrapidly,thedirectionalblastingdemolitionschemewasadopted.Thedisplacementofthetoptowerwasmonitoredtoensuretheabsolutesafetyintheconstructionprocess.Accordingtothecharacteristicsofthecoolingtower,theheightofthepositioningwindowandtheunloadingwindowwereimprovedtoachievethefulldisintegrationofthecoolingtower,andthestabilityofthetowerwasensuredintheprocessofmechanicalpretreatment.ANSYSseparatenodewasused,theblastingschemewassimulatedandthefeasibilityoftheschemewasverified.Inviewoftheimportanceoftherailwayviaductnearthecoolingtower,acomprehensiveprotectionmethodofdampingditchexcavation,layingbufferembankmentandsettingupprotectiveframewasadopted.Thesuccessofthecoolingtoweremergencyblastingcouldprovideareferenceforsimilarprojects.

Coolingtower;Controlledblasting;Safetyprotection;Numericalsimulation；Emergencyblasting

1006-7051(2016)04-0055-06

2015-07-20

贵州省黔科合重大专项[2015]6003；贵州省黔科合高G字[2015]4004；贵州省工业和信息发展专项基金(2015030)

魏 兴(1972-)，男，硕士、高级工程师、硕士生导师，主要从事工程爆破及安全技术研究。E-mail： 1540782579@qq.com

TD235.3

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.012