复杂环境61 m高双曲线冷却塔拆除爆破

刘桂勇，李坤鹏

(1.重庆市公安局，重庆 401147；2.华侨大学土木工程学院，福建 厦门 361021)

在建(构)筑物拆除爆破过程中，降低爆破振动、触地振动以及爆破飞石的危害一直是爆破作业中需要考虑的问题。冷却塔的拆除大多采用拆除爆破技术，在大量的工程实践中，冷却塔的拆除技术日益完善。

高文乐等[1]对国内几十座冷却塔的拆除爆破效果进行了归纳总结，对拆除过程中如何选择合适的爆破参数、爆破切口、起爆网路进行了细致分析，最后对拆除过程中冷却塔的预拆除以及安全控制进行了总结。崔建林等[2]对61 m高冷却塔在拆除爆破过程中出现的未倒塌情况进行分析总结，指出在进行冷却塔拆除爆破的过程中，要保证冷却塔爆破切口的展长和爆破切口高度同时满足设计要求。谢钱斌等[3]在拆除2座90 m高的冷却塔时，提出可以采用计算机数值模拟的方法，进行人字柱的受力分析，最终确定合理的钻孔布置与开口角度。赵楚等[4]运用定向爆破的方法拆除了两座双曲线冷却塔，冷却塔的破碎效果良好，按设计方向成功倒塌，倒塌之后不需进行二次处理，节省了工作时间，减少了工作量。徐鹏飞等[5]使用高减荷槽的拆除方法爆破一座70 m的双曲线冷却塔，最高处减荷槽高度为15.4 m，切口角度设置为216°，共炸掉24对人字柱，将当时国内体积最大的冷却塔成功爆破，拆除效果良好。费鸿禄等[6-7]通过建立数值计算模型的方式，研究了冷却塔触地解体以及触底振动的规律。胡浩川等[8]针对冷却塔拆除过程中定向窗的设置进行了研究，发现定向窗的高度直接影响冷却塔坍塌面积，定向窗高度越高，冷却塔的倒塌宽度越小。高文乐等[9]使用ANSYS/ls-dyna有限元分析软件，对不同数量减荷槽下冷却塔的拆除爆破进行数值模拟，最终确定最佳的减荷槽数量为6个或7个。张建华等[10]针对冷却塔的爆破切口进行了研究，运用数值模拟的方法，改进了爆破切口的形式，通过在塔壁上炸出大量小型切口，最终得出这种方法能够降低地面振动。

通过研究前人先进的经验技术，对合理的爆破参数、爆破切口以及起爆网路等进行总结，并在本次拆除爆破中进行应用。本拆除爆破工程中，需重点对周围的居民区、办公室进行保护，通过设置定向窗与减荷槽等，控制冷却塔的倒塌方向，并对拆除爆破时的爆破振动与触地振动进行控制，最终达到保护周围建(构)筑物的目的。

1 工程概况

1.1 周边环境

待拆冷却塔位于忠县忠州街道苏家社区原火电厂内，冷却塔东偏北面有待拆除的电厂旧办公室，距离约为40 m。冷却塔东南方向约150 m处为蓝天环境办公楼，北侧约120 m处为居民房，需要重点保护。冷却塔的倒塌方向为正东侧，周围环境如图1所示。

图1 冷却塔周边环境Fig.1 Surrounding environment of cooling tower

1.2 结构特征

拟拆除的冷却塔为钢筋混凝土结构，冷却塔高61 m，其中人字柱长8 m、支柱环梁长0.6 m、上部壁长52.4 m，支柱环梁内径38 m，壁厚0.34 m，底部人字柱外径46 m，32对人字柱尺寸40 cm×25 cm，70根直柱尺寸30 cm×25 cm，中心圆柱直径3.4 m，壁厚0.4 m。冷却塔内部存在圈梁、导水槽、除水器、铁篦子等，冷却塔自重约为2 400 t。

1.3 工程重、难点

该冷却塔呈旋转双曲面形状，为薄壁结构的高耸建筑物，结构复杂，尺寸大，长径比小，需要预处理部分较多。因为周围存在居民区，因此需要提高爆破质量，减小爆破危害效应，以保护周围的建(构)筑物。目前重庆市的拆除案例不多，技术难度大，确保安全高效的良好社会影响是此次爆破拆除工作的重点。

考虑到周边的环境条件以及工程效益，该冷却塔选择向正东侧倒塌的方法，通过对爆破方案进行精确设计和计算，借助经纬仪进行定位测量，以提高倒塌的精确性。

2 方案设计

2.1 爆破切口设计与预处理

1)爆破切口设计。该冷却塔存在人字柱32对，拆除方案要确保冷却塔的倒塌中心线位于一对人字柱的柱基上，两侧对称拆除19对人字柱。采用角度为214°的爆破切口，冷却塔的周长为121.3 m，其中有72 m的定向窗切口，49.3 m的支撑结构。将人字柱、预切窗口以及圈梁高度之和设置为爆破切口高度，高度为13.6 m。爆破过程中要保证冷却塔可以向正东方向倒塌，并确保有充分的支撑防止发生下坐或后坐的现象。爆破切口如图2所示。

图2 爆破切口Fig.2 Blasting cutting

2)预处理。采用预拆除的方式可以减小一次齐爆药量，使爆破规模不至于过大，降低爆破风险，并且具有更好的倒塌和破碎效果。具体的预拆除方案如下。

a)爆破切口的上部预先使用炮机开凿10 m×2 m的窗口，窗口之间预留支撑塔壁，支撑塔壁尺寸为2.5～4.5 m。在倒塌中心线两侧环梁以上，用液压锤开凿13个窗口，向两侧高度分别为10、5、3、2 m，其中最外侧两个为定向窗口，角度设置为45°以保证预处理后塔体有足够的支撑，不会倒塌。爆破切口的中心线与人字柱柱基重合，相邻的两对对称的人字柱能够支撑保留的塔壁部分，因此按照拆除19对人字柱进行计算，窗口应设置为13个，两端的窗口起到定向窗的作用。支撑侧的13对人字柱底部设置一个空炮孔，目的是在爆破倒塌瞬间，可以形成用于支撑的铰链。

b)冷却塔内部的中心井、铁栏杆等需要预拆除，缺口内的爬梯与避雷针需要切断。采用机械方法将进水管等附属设施拆除，冷却塔底部的积水需要抽干。炸药装完后，拆除冷却塔内部的铁篦子、导水槽、竖直立柱。预拆除及布孔设计如图3所示。

图3 预拆除及布孔设计Fig.3 Preliminary demolition and hole layout design

2.2 爆破参数设计

爆破切口范围内有19对人字柱。在对冷却塔进行预拆除处理后，支撑塔壁存在于爆破切口范围内，在塔壁4 m与7 m高度处设置炮孔，目的是让塔体倒塌过程中，支撑塔壁在压力作用下发生折断，不存在支撑。圈梁需要在预拆除窗口的下方设置炮孔，爆破后断开以使其失去支撑作用。在人字柱的底部与顶部设置5排炮孔、中间设置1排炮孔以使其失去支撑力。爆破作业中均使用d=40 mm的炮孔直径。

1)人字支柱及直柱爆破参数的确定。需要爆破拆除的人字支柱为19对。每根柱单排布孔，上部3个、下部6个。孔距25 cm、孔深18 cm。19对支柱总的炮孔数量为342个，每孔装药50 g，因此人字支柱的总装药量17.1 kg。

需要拆除直柱的数量为48根，采用单排布孔的方式，上部和下部均设置3个炮孔，孔距设置为22 cm，孔深15 cm。直柱炮孔共计288个，每孔装药40 g，总装药量11.5 kg，因此人字支柱与直柱的总药量约28.6 kg，雷管数量为630发。

2)支柱环梁及筒壁爆破参数的确定。筒壁爆破位置为8.6～13.6 m，壁厚δ为34 cm，炮孔直径38～40 mm，布孔采用垂直筒壁钻孔。

a)最小抵抗线：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)单位炸药消耗量：取q=3.0 kg/m3。

f)单孔装药量Q：Q=qabδ=0.049 kg，本设计取0.05 kg。

3)中心圆柱爆破参数的确定。中心圆柱直径3.4 m，周长10.7 m，壁厚δ为0.4 m，中心圆柱距地面0.5 m，三角形定向窗的顶角为45°，长度为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：在冷却塔爆破缺口范围之内设置炮孔，炮孔的方向指向冷却塔的中轴线，相邻排间炮孔采用梅花形布孔的形式，以使塔体充分破碎。

c)最小抵抗线：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：在用爆破法拆除烟囱时，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)单孔装药量Q。Q=0.067 kg，因每条炸药是200 g，即每条炸药分3份设计取约67 g。中心圆柱布8排孔，每排布孔21个即总炮孔数量为168孔，药量约为12 kg。

5)设计总药量及雷管总数。计划用药量：216 kg，其中导爆管雷管数量为4 500个，瞬发电雷管数量为200个。

2.3 起爆网路设计

炸药型号选用直径为32 mm的2#岩石乳化炸药，使用MS1、MS3、MS5段毫秒延时导爆管雷管起爆，脚线长度应大于10 m，用于起爆的雷管为8#钢壳电雷管。设置3个起爆区域对爆破切口进行起爆，使用MS1段导爆管雷管起爆中间的3对人字柱及其垂直方向对应的上部区域；使用MS3段导爆管雷管起爆接下来的3对人字柱及其对应区域；使用MS5段雷管起爆切口两端的各5对人字柱及其对应区域。

使用导爆管雷管组成起爆网路，炮孔内、外统一选取毫秒延时导爆管雷管。人字柱孔内使用MS1段雷管，塔壁、人字柱、环梁设置的炮孔中，将导爆管雷管绑扎成簇，每簇15～20个，再使用2个MS1段雷管进行连接，最后选用两发电雷管作为起爆雷管进行起爆。

3 安全设计

本次冷却塔拆除过程中，主要对爆破振动、触地振动以及爆破飞石进行控制。

3.1 爆破振动校核

计算爆破安全振速通常运用萨道夫斯基公式，公式如下[11-12]：

(1)

式中：Q为单段起爆最大药量，kg，取48 kg；vb为峰值振速，cm/s；K′为修正系数，取1；K为场地系数，取100；R为爆区到需要重点保护的建(构)筑物的距离，m；α为地震波传播过程中的衰减系数，取1.6。

由于居民区与拆除爆破的冷却塔距离为120 m，经计算爆破振动峰值振速vb=0.37 cm/s<1 cm/s，因此民房处产生的振速满足《爆破安全规程》的要求[13]。

3.2 触地振动校核

根据触地振动速度公式[11-12]：

(2)

式中：vt为冷却塔倒塌时触地振动速度，cm/s；mgh为触地冲量；m为拆除建筑物的质量，取2 400 t；g为重力加速度，取9.8 m/s2；h为建筑物的重心高度，取28 m；Kt为衰减参数，取2.5；β为衰减系数，取-1.7；Rt为触地建筑物的边缘到被保护建(构)筑物的距离，取120 m；σ为冷却塔爆破解体后，构件混凝土的破坏强度，取10 MPa。

计算可得：vt=0.4 cm/s<1 cm/s。因此可得，拆除爆破该冷却塔产生的触地振动不会引起周围建(构)筑物破坏。

3.3 爆破飞石防护

为了防止爆破飞石的危害，采取了以下措施：①控制钻孔质量，装药前对每个炮孔都进行质量检验，满足要求方可进行下一步作业。②保证炮孔的填塞质量，防止发生冲孔而造成飞石抛掷较远。③实施起爆前，确保所有的人员均撤离爆破现场，保证安全距离。起爆之前对爆破倒塌方向一定区域内进行平整处理，以减少石块触地碰撞弹起而产生的飞石。

4 结语

1)冷却塔的预处理过程中设置导向窗及减荷槽，在减少钻孔及爆破量的同时，使得安全隐患和防护难度得以降低。通过在拆除爆破之前运用经验公式对爆破振动速度以及触地振动速度进行计算，预先确定爆破振动与触地振动的近似范围，最终对爆破振动与触地振动进行了准确控制，经验公式可靠。

2)冷却塔的塔体质量影响拆除爆破时的触地振动速度，采用毫秒延时爆破，毫秒延时分为3段，设置3个起爆区域对爆破切口进行起爆，使冷却塔在塌落过程中扭曲变形，塔体之间不断碰撞，最终塔体触地比较分散，单次触地质量小，可以起到减小触地振动的作用。