复杂环境90 m高双曲线冷却塔拆除爆破

汪高龙，王 潇，李 跟，夏卫国

(1.连云港明达工程爆破有限公司，江苏 连云港 222021；2.常州市苏南爆破拆房有限公司，江苏 常州 213023)

目前，冷却塔等薄壁桶状构筑物的拆除工程中，拆除爆破是最常用的一种手段。1997年刘宏刚等[1]拆除爆破了太原第一热电厂的40 m高冷却塔，这是国内双曲型冷却塔拆除爆破的较早案例。此后，越来越多的冷却塔采用爆破手段进行拆除[2-4]。围绕冷却塔的拆除爆破技术，诸多学者开展了研究。蒋超等[5]、李胜林等[6]应用LS-DYNA软件数值模拟的方法研究了不同切口形状下双曲线型冷却塔的倒塌效果。费鸿禄等[7-8]建立了冷却塔触地解体力学模型并分析了解体及触地振动规律。徐鹏飞等[9]、张宝岗等[10]研究了冷却塔切口高度和切口角度对拆除爆破过程的影响。江云星等[11]讨论了预拆除工程对拆除爆破的影响。余兴春等[12]从安全角度研究了不同防护技术对冷却塔拆除爆破有害效应的防护作用。

1 工程概况

1.1 周边环境

聊城信源集团有限公司2#冷却塔位于厂区内东侧，与1#塔南北一字排开，北侧距保护架空管线最小距离3 m，距车间22 m；东北方向距泵房车间5 m，东侧距地上高压线路32 m，高压线路东侧为厂区围墙，地下管线距塔基础2 m左右；南侧距1#塔42 m，距检修车间汽机班工人更衣室7 m；西南侧距循环泵房9 m；西侧距供管线9 m，距厂区道路11 m，距运行机组36 m。爆破周边环境复杂，如图1所示。

图1 爆区环境Fig.1 Blasting area environment

1.2 结构特征

2#冷却塔为钢筋混凝土双曲线薄壁结构，塔高90 m，±0.0 m位置塔体外径为71.75 m、周长约225.30 m，顶部外径为43.62 m，下部壁厚43.3 cm，中间壁厚14 cm，上部壁厚25 cm。标高5.8 m以下为人字形支撑立柱，共40对(80根)，其断面尺寸为40 cm×40 cm。5.8 m以上为1.2 m环形梁，厚度为50 cm，混凝土强度等级为300#。塔内淋水装置支柱共152根，蓄水池深2 m。混凝土总方量约3 100 m3(其中标高5.8 m以上筒壁混凝土方量2 312 m3)，质量约8 060 t。

2 拆除爆破设计方案

2.1 爆破难点及总体方案

冷却塔属于高耸薄壁结构，长细比很小，本次爆破的90 m冷却塔的长细比仅为1.25，底部外径为71.75 m(±0.0 m位置)，塔壁最小壁厚仅为14 cm。另外，塔体周边建(构)筑物多且近，环境复杂，给拆除爆破带来诸多难点；冷却塔周边环境复杂，拆除爆破质量要求高；工期紧。冷却塔高度较大，爆破方量多，且拆除工期仅10 d，时间短。

对于冷却塔拆除爆破，通常有原地坍塌和定向倒塌2种方案[13]，选择依据为冷却塔结构、周围环境及工期要求等。当周边没有空余场地时，应采用原地坍塌法，其占用面积小，爆堆集中，易于清渣，但其对施工设计要求高，稍有不慎将出现塌落不完全、方向失控而导致拆除失败。当倒塌场地足够时，则采用定向倒塌方案，采用机械破碎与爆破等方式破坏冷却塔人字立柱、环行梁和一定高度的筒壁，使冷却塔在自重作用下失稳、产生倾覆力矩并定向倾倒。定向倒塌技术解体彻底、倒塌方向易控制，但爆堆较分散。

2#冷却塔东南方向有足够的倒塌空间，故本次拆除选用定向倒塌方案，倒塌方向为南偏东45°～48°。

2.2 爆破切口设计

1)切口形式。冷却塔拆除爆破常用切口形状主要有3类：正梯形、倒梯形和复合型[14-16]。根据本冷却塔结构，采用复合型切口。复合型切口需在爆破前采用机械破碎进行预处理，工作量较大，但爆破部位主要为人字立柱，爆破工作量小，且无需高空钻孔作业和爆破防护，降低了安全管理难度和成本。

2)切口长度。复合型切口包含人字立柱、环形梁和塔身，其长度可由下式确定：

(1)

式中：L为切口长度;S为切口位置对应的塔周长;θ为切口角度。当采用不同切口角度时，不同标高位置的爆破切口长度如表1所示。

表1 90 m高冷却塔不同部位切口长度

冷却塔实际切口长度如下：人字立柱21对，长131.5 m，环行梁下切口长112.0 m、上切口长131.7 m(见图2)。

图2 冷却塔爆破切口Fig.2 Blasting cutting of cooling tower

3)切口高度。钢筋混凝土冷却塔爆破时，爆破切口应满足以下要求：①切口形成后，切口内部裸露的竖向钢筋必须失稳；②当冷却塔倾倒至较大角度时，切口的上下沿才能闭合相撞。切口高度H包括人字立柱高度h1、支柱环高度h2以及塔身高度h3。2#冷却塔爆破时，h1=5.8 m、h2=1.2 m，其中正中间的定向窗开设到20 m高处(见图2)。

4)可靠性校核。在冷却塔爆破中，起爆后，需要满足2个力学条件：①支撑立柱减少，剩余立柱需足以支撑上部塔身不发生坍塌；②爆破造成的切口使上部塔体产生足够的倾覆力矩，使塔体发生倾倒。

对条件①，采用下式校核：

(2)

式中：p为混凝土立柱承受的压强；G为冷却塔重量；S为剩余立柱的总截面积；τ为钢筋混凝土极限抗拉强度，取25 MPa。

冷却塔共40对人字立柱，拆除爆破21对立柱，剩余19对，则剩余立柱总截面积为

S=19×2×S0

(3)

式中：S0为单个立柱截面积0.16 m2。

带入式(2)和式(3)，可得剩余立柱承受压强为13.26 MPa，小于钢筋混凝土极限抗拉强度25 MPa，条件①满足。

(4)

式中：r、R分别为筒体在爆破处的内、外半径；α为保留角α=α2-α1。

图3 保留截面Fig.3 Reserved section

从最不理想的情况出发，此类材料的破坏失稳条件为：M0≥ξ·MB，其中，ξ为冷却塔倾倒可靠性保证系数，取1.2～1.5为宜。

MB为保留筒体材料的极限抗弯强度，由中轴左侧受拉区产生的极限抗弯强度MBT、中性轴右侧受压区产生的极限抗弯强度MBR以及爆破切口内钢筋失稳前产生的极限抗弯强度MBP三项之和，各项可由下式计算：

MBT=N1·Ag1·σT·h′

(5)

(6)

(7)

由于该式是按最不理想的条件考虑的，计算结果说明爆破切口的设计是合理的，且爆破切口和预留筒壁内的钢筋不需要预切除，该冷却塔爆破的定向倾倒方案是可靠的。

2.3 预拆除工作

1)开设定向窗及减荷槽。爆破前，需在倒塌中心位置开设定向窗；在环行梁和塔身上对称于倒塌中心线两侧开设宽减荷槽，减荷槽的宽度为0.5～0.8 m；在切口边沿开设两个对称的定位窗(见图4)。

图4 定向窗、减荷槽及切口形状(1/2切口)Fig.4 Orientation opening, load-reducing groove and notch shape (1/2 cutting)

2)其他预处理。对定向窗、定位窗的正下方的环行梁用机械进行破碎，使混凝土与钢筋分离。机械拆除塔内淋水平台，并切断塔体外的爬梯，在20 m和30 m处各切断一道。

2.4 爆破参数设计

1)最小抵抗线W：取切口处立柱最小边长L的一半即W=L/2。

2)炮孔间距a：a=(1.5～1.8)W。

3)炮孔孔深D：D=(0.67～0.7)L。

4)单孔药量Q1：Q1=qabw，其中，w为立柱宽度，b为立柱长度，q为炸药单耗，g/m3，一般取1.2～1.8 kg/m3。

在爆破切口范围内的人字支柱上、下端同时钻凿炮孔，所有炮孔均采用水平钻孔，装药参数如表2所示。

表2 人字立柱爆破参数

2.5 起爆网路设计

为了控制最大段装药量、降低爆破振动，避免电厂内杂散电流、射频电流和感应电流等对爆破网路产生影响，采用非电毫微秒延时起爆技术。

起爆网路为复式起爆网路，总药量约22.05 kg，因泵房、更衣室距离爆区距离过小，因此，以倾倒中心线为对称轴分10段进行爆破，最大一段药量为2.1 kg。

3 安全设计

本次冷却塔爆破应考虑的主要危害效应是：爆破振动、触地振动、爆破飞石。

3.1 爆破振动校核

爆破振动速度可根据萨道夫斯基公式进行计算：

(8)

式中：Q为最大一段(次)起爆药量，kg；vb为爆破产生的质点振动速度，cm/s；R为爆心至被保护目标的距离，m；K为场地系数，取150；K′为修正系数，取0.3；α为衰减系数，取1.6。

3.2 触地振动校核与减振措施

冷却塔触地瞬间，将对地面冲击造成触地振动，根据经验，触地振动是高耸建(构)筑物拆除爆破主要考虑的危害因素，根据中科院提出的触地振动速度公式[17-18]：

(9)

式中：vt为触地振动速度，cm/s；Kt为地质和防护衰减系数，通常取值Kt=3.37；m为塔体质量，kg，本次爆破冷却塔质量为6 080 t，因为倾倒不是一次落地，所以通常取1/3，即2 026.7 t；g为重力加速度；h为重心，取40 m；σ为地面介质的破坏强度，一般取10 MPa；α为衰减系数，取1.66；Rt为测点至冲击地面中心的距离，m。

爆破振动和触地振动速度校核如表3所示。

表3 爆破振动速度

由表3可知，爆破振动和触地振动均大于泵房允许振速，故必须采取减振措施对泵房予以保护。采取的减振措施如下：

1)泵房与爆区及触地区之间每隔1 m开挖一道宽0.5 m，深1.5 m的减振沟，共挖2道；

2)倒塌方向铺设厚度约0.5 m的缓冲土层。

3.3 飞石防护

炮孔装药量较小，爆破飞石危害较小，采取以下措施预防个别飞石危害：①穿孔完毕后，严格验孔，保证炮孔质量；②装药完成后加强填塞，保证填塞质量；③采用双层钢丝网夹双层土工布对爆破部位进行覆盖，并用铁丝固定(见图5)；④靠近的建筑玻璃采用钢丝网进行遮挡防护；⑤所有人员撤至警戒范围以外，警戒范围为200 m、室内清场为100 m。

图5 飞石防护措施Fig. 5 Flyrocks resist measures

4 爆破效果

2018年10月26日实施爆破，爆破过程如图6所示(拍摄方向为倒塌方向)。

图6 倒塌过程Fig.6 Collapse progress

由图6可知，起爆后2#冷却塔塔身迅速朝设计方向倾倒，约1 200 ms爆破切口闭合，

1 410 ms塔身顶部开始出现明显变形，并于2 790 ms塔身扭曲变形，约5 120 ms塔身中间部位撕裂，内壁相互重合，最终约9 s时塔身彻底倒塌。塔体大部分落在集水池中，冷却塔顶部及少部分塔体塌落最远距离池边18.2 m(见图7)。

图7 塔体爆堆Fig.7 Blasting piles of the cooling tower

5 结语

1)采用经验公式对爆破切口高度及长度进行了校验，爆破结果表明，经验公式可靠，塔体解体完全。

2)泵房距爆区较近，开挖的两道减振沟作用明显，未发现泵房结构出现裂纹等破坏。架空管线采用竹巴遮挡，未出现飞石伤害。

3)采用双层钢丝网夹双层土工布的方式可有效抑制爆破飞石，更衣室、循环泵房、车间等的玻璃未破坏，可为相似项目提供施工参考。