一起定向爆破拆除楼房的电力设施安全管控策略探讨与实践

孙广通

(广东电网有限责任公司广州供电局,广州 510620)

0 引 言

在《电力法》《电力设施保护条例》及其实施细则等法律法规中,均规定任何单位和个人不得在距电力设施周围500 m范围内(指水平距离,下同)进行爆破作业。若因工作需要必须进行爆破作业时,应按照法律法规要求,采取可靠的安全防范措施,必须确保电力设施的安全。供电企业作为电力设施运维管控的责任主体,应对施工单位提交的爆破施工方案进行审查,确保邻近电力设施安全保护和防护措施到位,书面出具同意批复意见,提交属地设区的市级公安管理部门,才允许施工单位在电力设施周围500 m范围内进行爆破作业。

拆除爆破作为一种典型的爆破施工作业方法,所带来的危险因素对邻近防护物产生极大的安全风险。爆破作业应在确保能够完成预期拆除任务的前提下,不产生其他附加安全风险,达到不危及周边防护物安全、不危害周边人员生命和财产安全的目标,实现最佳爆破施工效果。定向爆破拆除作为一种常见爆破施工方式,在拆除目标物方面具备时间短、效率高、设计复杂、工艺繁琐等特点。鉴于爆破机理尚未从科学上完全厘清,爆破振动等参数变化呈现复杂的非线性趋势,目前对爆破施工的参数预估均参照建立在实践或试验基础上的经验公式,相关防范措施则根据工程实践总结的经验做法,因此很难实现爆破作业精准预估。以广州市增城区一起定向爆破拆除楼房项目为例,根据爆破作业点周边电力设施分布情况,结合拆除爆破危险因素特点,针对性制定保护措施和防护措施,通过爆破过程中参数在线采集和监测,验证是否达到安全爆破的预期目的。

1 工程概况

待爆大楼位于广州市增城区某地,共26层,约106.5 m高,框架剪力墙结构,周边房屋和道路分布密集,周围防护目标多、难度大,仅在东南侧有开阔空地,可供楼房定向倒塌的空间仅有65 m。待爆大楼周边在运电力设施分布情况如图1所示。西南侧有3座高压线塔,水平距离最近为110 kV高压塔,约77 m,北侧5条10 kV电缆埋设,约90 m,东侧为220 kV变电站,约300 m。

图1 待爆大楼周围500 m范围内(指水平距离)电力设施分布情况

根据《爆破安全规程》[1]相关规定,项目为A级爆破拆除工程。待爆大楼楼体高,质量大,倾倒后对地面冲击大,应对爆破振动、塌落振动、爆破飞石、爆破冲击波和爆破粉尘等危害因素做出有效的管控措施,达到控制或减少爆破对周边防护物的安全影响[2]。

2 保护策略

结合《爆破安全规程》和类似工程实践经验,爆破施工方案采取半秒微差延时起爆,定向向东偏南45° 倒塌,对邻近分布的电力设施、房屋和道路等防护物通过爆破设计来实现主动保护策略。

2.1 定向控制

根据规程规定,爆破方案采用3个大切口的爆破方式确保定向控制,相应参数见表1。

表1 定向爆破楼房倒塌方向选择和控制参数

通过表1设定,确保实现待爆大楼定向倒塌方向,破碎挤压个别楼层,避免向西南侧110 kV在运电塔和导线方向倾覆。

2.2 倒塌长度

根据爆破实践经验,待爆大楼定向塌落地面长度计算方式见表2。

表2 定向爆破楼房塌落地面长度计算方式

由表2得知,待爆大楼塌落地面长度约为40.9 m,不大于65 m。因此,待爆大楼向东偏南45° 倒塌后,塌落长度可以保证安全倾覆盖在约65 m长的空地处。

2.3 爆破振动

拆除爆破使用药包数量较多、布置较分散、单包药量较小,药包布置在待爆大楼承重剪力墙和柱。爆破振动能量通过建筑物墙和柱经基础后再传送到地面,对地面周边分布的电力设施及其他防护物产生有害振动。

目前,工程上估计爆破振动的效应多采用萨道夫斯基经验公式[3]

(1)

式中:v为爆破振动对建筑物所在地面及地基产生的质点垂直振动速度,cm/s;Q为药量,齐发爆破取总装药量,延时爆破取最大一段装药量,kg;R为爆心距,即从爆破地点药量分布的几何中心至观测点的水平距离,m;K为介质系数,与岩土性质、地形和爆破条件有关;α为衰减指数。

为控制爆破振动速度,根据爆破实践经验和周边地理位置小药量试爆测试结果,Q选择为延迟齐爆总药量,取127.908 kg;K取值32.1;α取值1.57。由公式(1)可计算出爆破过程中取样爆心距振动值,见表3。

表3 爆破过程中爆心距取值处振动速度

《爆破安全规程》规定,普通框架楼房允许最大爆破振动速度2.3 cm/s,运行中电力设施允许最大爆破振动速度0.7 cm/s,由表3计算结果可知,方案爆破振动速度v可以确保周边电力设施及其附属建筑设施安全。

2.4 塌落振动

为减少建筑结构质量对地面的塌落振动效应,方案选择3个爆破切口将建筑结构划分成3个爆破单元,使每次塌落的建筑物质量变小,通过延期爆破实现3个单元逐次失稳塌落,从而降低塌落振动。

目前,塌落振动速度根据中科院力学所总结的经验公式[4]计算

(2)

式中:vt为塌落引起的地面振动速度,cm/s;Kt为衰减系数;m为下落构件质量,t,待爆大楼含有钢筋混凝土约39 000 t,通过3个切口处理后,第一时间落地构件为第1个切口以上的质量,该处取值13 000 t;g为重力加速度,9.8 m/s2;h为构件所在的位置高度,取第一时间落地构件位置13.5 m;R为观测点至塌落中心的距离,m;σ为地面介质的破坏强度,一般取100 MPa;β为塌落振动速度衰减指数。

根据类似工程实测数量分析,Kt取值3.37,β取值1.66。由公式(2)可计算出第一时间落地构件塌落过程中塌落中心距取样振动值,见表4。

表4 塌落过程中塌落中心距取值处振动速度

由表4计算结果可知,距塌落中心约80 m处塌落振动值超过标准,但工程实践值实际上要比理论值小很多。为尽量减小塌落振动,方案中将倒塌建筑物通过3个切口分为3个坠落部分,减少单次坠落重量产生的振动。

因此,上述措施可基本确保塌落振动不危及周边电力设施和建构筑物的安全。

2.5 飞石飞溅

多年爆破拆除经验和实践表明,爆破飞石飞溅距离与单位体积炸药消耗量有密切关系。

目前,工程上估计拆除爆破飞石飞溅距离和速度的经验公式[5]为

(3)

式中:R为无覆盖条件下拆除爆破飞石飞溅距离,m;v为拆除爆破飞石飞溅速度,m/s,一般可达10～30 m/s,现取中值20 m/s;g为重力加速度,9.8 m/s2。

由公式(3)推算出R=40.8 m,可以通过直接覆盖防护和近体防护实现飞石距离不超过20 m,确保飞石不会对邻近高压电塔和导线产生物体打击危害。

2.6 灰尘飘散

爆破灰尘是爆炸瞬间产生的高温高压气体携带建筑物灰尘所形成的。在爆破前,应清理干净能产生灰尘的建筑垃圾;在爆破后,利用自然风吹散和人工喷洒水雾等降尘措施。

3 防护策略

为进一步控制拆除爆破所产生的危险有害因素,在采取上述主动防护策略之外,还应搭配有效的被动防护策略。

3.1 振动防护

由2.3和2.4可知,为更有效地管控振动危害,可在倒塌方向上砌筑减振土堤、开挖减振沟来阻断塌落振动能量传播[6]。

3.1.1 布设减振土堤

减振土堤可以有效降低塌落振动。减振土堤采用现场红土堆砌,顶宽2 m,底宽4 m,高度3 m,顶部压3层土袋,禁止在上面直接放建筑垃圾。根据爆破方案,预计主体倒塌长度不超过40 m,所以从待爆大楼的基础前沿开始算起,每隔10 m砌筑一道减振土堤,由南向北共搭设4道。减振土堤搭设如图2所示。

图2 减振土堤搭设示意图

3.1.2 开挖减振沟

开挖减振沟可以有效降低爆破振动和塌落振动的30%～70%。具体做法是在爆破建筑物与被保护对象之间开挖一定深度的沟槽,以阻断爆破振动波与塌落振动波的传递路径。根据爆破方案,减振沟开挖部位为待爆大楼的四周,开挖深度3 m,开挖宽度 1.5 m。为防止雨水积聚,可在爆破前1天开挖。若沟内有积水,爆破前必须排干。减震沟位置如图3所示。

图3 减振沟位置示意图

3.2 飞石防护

由2.5可知,为更有效地管控飞石危害,可通过覆盖防护和近体防护减弱爆破飞石飞溅,并在倒伏地面敷设尼龙网控制触地飞溅。

3.2.1 爆破飞石防护

爆破飞石防护分为源头覆盖防护和近体围网防护。其中,源头覆盖防护是对爆破部位加强防护,使用竹笆、稻草、棉被或旧麻袋进行包裹,用铁丝捆扎结实。所谓爆破部位指爆破切口内装填炸药的部位,主要包括立柱、剪力墙、梁等。源头覆盖防护如图4所示。

图4 源头覆盖防护

此外,为切断飞石飞溅路径布设近体围网防护,在爆破切口外围靠近高压线一侧,挂20层密目安全网,并连接成为整体,防止个别飞石损坏高压线。近体围网防护如图5所示。

图5 近体围网防护

源头覆盖防护和近体围网防护的材料在阻挡飞石运动中被砸碎、破坏和击倒,通过吸收碎块动能,有效降低碎块飞出速度,减小碎块飞散距离。

3.2.2 触地飞石防护

在以往拆除爆破实践案例中,拆除物倒塌后触地引发飞石飞溅也会损坏高压线。在倒塌方向正前方砌筑减振土堤、在地面铺满黑网,可控制飞石触地飞溅。触地飞石防护如图6所示。

图6 触地飞石防护

3.3 灰尘防护

目前,常用比较有效的灰尘防护措施为爆破后立即洒水降尘。通过降低空中扬尘量减少电力设施本体上积尘量,待自然风吹拂或雨水冲刷消除积污效应。若为梅雨潮湿天气,可采用带电水冲洗消除污垢,防止污闪发生。

4 实施效果

4.1 倒塌情况

爆破项目在2018年8月30日15时59分3秒开始实施,爆破过程持续时间约5 s,大楼定向爆破拆除效果如图7所示。经排查,未对周边防护物产生破坏或形成隐患。

图7 大楼定向爆破拆除效果图

4.2 振动效果

项目监测点布设在距爆破区域水平距离约77 m的大楼西南侧110 kV高压线塔处,以及大楼东侧约300 m的220 kV变电站巡维中心站处。由于北侧10 kV电缆为埋地敷设,振动波经大地衰弱效应显著,所以未独立进行在线监测。振动监测结果见表5。

表5 定向爆破拆除过程中振动最大值统计表

其中,大楼南面110 kV高压线塔振动速度最大值波形图如图8所示。

图8 大楼西南面110 kV高压线塔振动速度波形图

此外,大楼东侧220 kV变电站巡维中心站振动速度最大值波形图如图9所示。

图9 大楼东侧220 kV变电站巡维中心站振动速度最大值波形图

监测结果表明爆破涉及到的高压电塔和变电站设施的有害振动效应均控制在安全范围内[7-8]。

经现场检查,爆破区域西南侧110 kV高压线塔无飞石击伤情况,塔基无异常,塔身、绝缘子和导线飘积部分灰尘,在稍后的雨水冲刷下恢复正常;东侧220 kV变电站变电设备本体无异常,附属建构筑物无异常;北侧10 kV埋地电缆无异常。

5 结 语

结合爆后仪器监测参数和设备现场核查情况,表明定向爆破拆除楼房项目对周边电力设施安全的管控策略是有效的,达到了预期的保护和防护效果。供电企业在严格管控拆除爆破危险因素之外,还应该严格落实法定程序和管理要求,配合施工单位做好爆前电力设施地理位置分布摸查,结合现场设备情况针对性提出防范技术措施。此外,必要时供电企业应要求施工单位组织爆破类危大项目专家评审论证会,对爆破设计方案、第三方论证报告、第三方振动监测和第三方水平位移监测方案进行审定。在爆破施工过程中,若出现异常和危及到电力设施安全运行的情形,供电企业应立即向公安机关报告并暂停爆破作业,待异常排除后方允许继续施工。