孫向陽,謝續(xù)文

(湖南中人爆破工程有限公司, 湖南長沙 410005)

四座冷卻塔同時定向爆破拆除

孫向陽,謝續(xù)文

(湖南中人爆破工程有限公司, 湖南長沙 410005)

采用定向傾倒控制爆破技術(shù),在復(fù)雜的環(huán)境下同時拆除高 60～90 m的 4座冷卻塔。詳細(xì)論述了爆破方案的選擇、爆破缺口的設(shè)計、爆破參數(shù)的設(shè)計、起爆網(wǎng)路的設(shè)計及安全防護措施的運用。實踐證明,本工程的設(shè)計方案和施工組織是合理的,為同類工程提供了有益的經(jīng)驗。

冷卻塔;定向爆破;爆破切口;爆破振動;爆破效果

1 工程概況

天津華能楊柳青熱電有限責(zé)任公司在節(jié)能減排的改建中 ,將原有的 1#、2#、3#、4#機組的冷卻塔采用控制爆破技術(shù)拆除。4座冷卻塔均為薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),拆除鋼筋混凝土方量約 12000 m3,爆破施工工期 20 d。

1.1 工程結(jié)構(gòu)

1#冷卻塔筒底支撐結(jié)構(gòu)為 36對八邊形斷面人字型組合立柱,柱體長為 4.6 m。人字立柱的上部為圈梁,圈梁厚為 35 cm,垂直高度 140 cm。圈梁以上為通風(fēng)筒身,筒身是變厚度的薄殼結(jié)構(gòu),厚度由35 cm向上逐漸減薄至 10 cm,筒身底部直徑為 50.8 m,筒頂直徑為 28 m,地面以上筒身高為 60 m。

2#冷卻塔筒底支撐結(jié)構(gòu)為 36對圓斷面人字型組合立柱,柱體長為 4.9 m。圈梁厚為 40 cm,垂直高度 150 cm。筒身厚度由 40 cm向上逐漸減薄至12 cm,筒身底部直徑為 56.4 m,筒頂直徑為 31 m,地面以上筒身高為 70 m。

3#、4#冷卻塔筒底支撐結(jié)構(gòu)為 40對正方形斷面人字型組合立柱,柱體長為 6.3 m。圈梁厚為 50 cm,垂直高度 180 cm。筒身厚度由 50 cm向上逐漸減薄至 14 cm,筒底部直徑為 73.5 m,筒頂直徑為43.1 m,地面以上筒身高為 90 m。

1.2 周圍環(huán)境

4座冷卻塔占地面積大,周邊臨近的建筑物和各種管線較多,如圖1所示,重要的建筑和設(shè)施有:40萬 kW變電站 (距 2#塔 70 m),二級泵房 (距 2#塔16 m),制水站 (距 1#塔 25 m),污水泵房 (距 1#塔 15 m),危險品庫 (距 3#塔 20 m),深井泵在 3#、4#塔之間 (距 4#塔 10 m)。2條直埋的 380 V動力電纜,沿2#、3#、4#冷卻塔邊緣敷設(shè),近處距冷卻塔只有 3 m,燃油管道距 1#塔 18 m,在距冷卻塔 50～100 m間有2組高壓輸電線。

圖1 冷卻塔爆破周圍環(huán)境示意

2 拆除方案的確定

(1)4座冷卻塔地面以上塔體部分采取定向爆破的方法進行拆除。由于 4座冷卻塔周圍有較多的建筑物和管線,為避開保護目標(biāo),其倒塌方向選擇在可利用的空地方向,因此倒塌方向確定為:1#倒塌方向為北偏東 50°方向,2#倒塌方向為東偏南 60°方向,3#倒塌方向為南偏西 45°方向,4#倒塌方向為東偏南 10°方向。

(2)對冷卻塔塔體爆破采取開窗口、斷鋼筋、預(yù)留支撐板塊、定向控制爆破的方法施工。

(3)對塔內(nèi)的淋水裝置保留爆破切口位置的支撐柱和橫梁,用以作為施工平臺,其它部分用機械破碎錘提前拆除。

(4)為減少爆破次數(shù),對 4個冷卻塔采取一次性定向爆破拆除。按 1#、2#、3#、4#冷卻塔的順序 (由低到高)依次起爆倒塌,各冷卻塔間起爆延時為200～350 ms。

3 爆破設(shè)計

3.1 技術(shù)難點

(1)爆破工程量大。本次爆破拆除的冷卻塔具有單體冷卻塔高大 (最高的冷卻塔高 90 m)、拆除數(shù)量多的 (一次性爆破拆除 4座冷卻塔)特點。一次性爆破拆除 4座冷卻塔,使裝藥、網(wǎng)路連接、防護工作量在有限的時間內(nèi)完成難度增大,況且周邊環(huán)境較為復(fù)雜,對爆破設(shè)計和施工提出了更高的要求。

(2)冷卻塔結(jié)構(gòu)特殊。冷卻塔結(jié)構(gòu)具有薄壁、含筋率高、高寬比小 (冷卻塔高 90 m,底部直徑 73.5 m,比值僅 1.22)、重心低、塔壁厚度不同等特點,外形為雙曲線型,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此要使冷卻塔按設(shè)計方向準(zhǔn)確傾倒,技術(shù)難度較大。

(3)薄壁結(jié)構(gòu),飛石難控制。冷卻塔壁厚較薄,爆破缺口部位筒壁最大為 40 cm,最小為 23 cm,因此最小抵抗線較小,爆破時容易產(chǎn)生飛石,安全防護要求高。

3.2 爆破切口設(shè)計

(1)切口形式。爆破切口形狀有多種形式,根據(jù)本次冷卻塔高大的特點,切口采用倒梯形,以利于順利倒塌。

(2)切口高度 (H)設(shè)計。切口高度大小是保證冷卻塔倒塌變形的重要參數(shù),切口總高度包括人字柱高度 h1、圈梁高度 h2、塔身切口高度 h33部分組成,即 H=h1+h2+h3。本次爆破的 4座冷卻塔切口高度分別為:

1#冷卻塔 H1=4.2+1.4+2.2=7.8 m;

2#冷卻塔 H2=4.5+1.5+2.1=8.1 m;

3#、4#冷卻塔 H3=H4=5.8+1.8+1.5=9.1 m。

(3)切口長度(L)設(shè)計。爆破切口的長度的大小對冷卻塔順利倒塌和倒塌方向的準(zhǔn)確性,起著至關(guān)重要的作用,根據(jù)以往的成功經(jīng)驗和理論計算,為保證冷卻塔爆破后的倒向準(zhǔn)確,防止產(chǎn)生后座現(xiàn)象,要保證預(yù)留的支撐體短時間內(nèi)的支撐強度和穩(wěn)定性,爆破切口長度均按 4座冷卻塔各自底部圓周長的 50%設(shè)計。

(4)預(yù)切口設(shè)計。為了減少爆破鉆孔數(shù)量和降低一次起爆藥量,同時為保證冷卻塔能夠準(zhǔn)確按設(shè)計方向傾倒,并減小倒塌觸地振動,在爆破拆除前對冷卻塔筒壁切口部分用液壓錘機械破碎方法進行預(yù)拆除,拆除范圍有:

塔身部分預(yù)處理,將爆破切口部位內(nèi)的 50%～55%用機械預(yù)先拆除,拆除的窗口內(nèi)的鋼筋切割清除,預(yù)留的支撐壁在人字柱上方,拆除高度高于筒壁上的爆破切口高度;

圈梁上的預(yù)處理,將切口長度上的圈梁平均分為三等份,在等分線上使用機械切斷 4個缺口,使其失去水平方向的連接作用;

定向窗預(yù)處理,為確保定向傾倒的準(zhǔn)確性,在筒體切口兩端預(yù)先用機械開設(shè)定向窗,定向窗為直角三角形,底邊為 3 m,垂邊為 3 m;

淋水裝置處理,爆破前除保留與爆破切口相鄰的 2排塔內(nèi)淋水裝置的支撐柱和橫梁,作為鉆孔、裝藥的施工平臺,其它支撐柱全部使用液壓破碎錘將其破碎拆除。

3.3 爆破參數(shù)選擇

由于 4個冷卻塔的結(jié)構(gòu)形式不同,其爆破支撐柱的斷面尺寸和筒壁的厚度均不一致,因此爆破參數(shù)設(shè)計也有區(qū)別,按塔高 90,70,60 m 3種類型設(shè)計。

(1)筒壁。爆破部位筒壁厚為 25～40 cm,1#冷卻塔筒壁炸高 2.2 m,2#冷卻塔炸高 2.1 m,3#、4#冷卻塔炸高 1.5 m,炸藥單耗 1500～2000 g/m3。

(2)人字型組合立柱。人字型立柱爆破部位從底部向上 1.5 m和從圈梁處向下 1.5 m連續(xù)鉆孔爆破,中間部分不用爆破,每根支撐柱布孔 8個,單耗q=1200～1300 g/m3。

(3)淋水裝置支撐立柱。淋水裝置支撐柱斷面為正方形,爆破部位在 0.5～2 m處,炸高 1.5 m,單柱孔數(shù) 5個,單耗 q=1100～1200 g/m3。

4個冷卻塔詳細(xì)爆破參數(shù)見表1。

表1 4個冷卻塔爆破參數(shù)

3.4 起爆網(wǎng)路設(shè)計

(1)起爆器材全部采用非電起爆系統(tǒng)對冷卻塔進行爆破拆除。起爆元件使用毫秒塑料導(dǎo)爆管延期雷管;傳爆元件使用傳爆雷管、導(dǎo)爆管和四通聯(lián)接件組成;起爆使用起爆器。

(2)每個冷卻塔為 1個起爆區(qū)段,最大裝藥量76 kg,統(tǒng)一使用 1個段位的雷管起爆,各區(qū)段間由多條傳爆干線連接,整個網(wǎng)路連接用非電雷管和非電導(dǎo)爆管及“四通”元件把起爆網(wǎng)路連接成復(fù)式加強起爆網(wǎng)絡(luò)。

(3)4座冷卻塔按 1#、2#、3#、4#冷卻塔的先后順序依次起爆,各冷卻塔之間的起爆間隔用毫秒雷管控制,起爆全部采用孔內(nèi)延時設(shè)置,各冷卻塔延時時間見表2。

表2 4個冷卻塔爆破延時分段

4 爆破安全控制

4.1 爆破振動控制

本次爆破使用炸藥量最大的 3#冷卻塔,一次起爆的最大藥量為 76 kg。振動控制要求最高的目標(biāo)為距離最近的變電站控制室,距 2#冷卻塔邊緣 100 m(距該塔首次觸地點 157 m),允許安全質(zhì)點振動速度峰值 0.32 cm/s。

依據(jù)爆破振動速度計算公式 V=K(Q1/3/R)α,塌落振動速度計算公式 Vt=Kt[(M gH/σ)1/3/R]β,所得 4座冷卻塔在不同距離上爆破振動和塌落觸地振動速度見表3。

表3 不同距離上爆破和塌落觸地振動速度

根據(jù)計算結(jié)果分析,基本滿足周邊目標(biāo)防震的要求,但為確保保護目標(biāo)的安全,進一步減小振動強度,在 1#和 2#冷卻塔西側(cè)各開挖了 1條 2 m深的減振溝,在冷卻塔爆破切口下軸線兩側(cè)各 10 m處鋪墊建筑渣土,減緩冷卻塔首次觸地點的振動。

4.2 飛石控制

由于待爆冷卻塔周邊有許多正在運行的車間和機房,最近處只有 15 m,還有架空通信、輸油管線。對爆破飛石的防護要求較高,必須嚴(yán)密防護。采取的安全防護措施有:確保鉆孔深度 (筒壁上是從里向外鉆孔)的準(zhǔn)確性;嚴(yán)格按設(shè)計裝藥;使用 3 cm厚的草簾對爆破部位包裹或覆蓋 2層;對距爆破位置較近的建筑物或設(shè)施進行主動防護,在其防護部位覆蓋 1～2層草簾;爆破安全警戒距離為 200 m。

4.3 爆破振動安全監(jiān)測

爆破時建設(shè)單位請當(dāng)?shù)氐卣鹁脂F(xiàn)場布置了 3個測震點監(jiān)測爆破振動。3個監(jiān)測點距 4座冷卻塔外邊緣距離分別為 70,120,150 m,所測得的振動速度對應(yīng)為 0.58,0.42,0.26 cm/s,小于安全允許振動速度標(biāo)準(zhǔn),也小于理論計算值。

5 爆破效果

5.1 試爆效果

在爆破的前一天對 3種高度的冷卻塔的人字支撐柱和筒壁進行了試爆,試爆時嚴(yán)格按設(shè)計藥量裝藥,并按防護設(shè)計包裹或覆蓋兩層草簾,試爆后 2#、3#冷卻塔筒壁爆破部位鋼筋彎曲變形,混凝土完全脫離鋼筋,1#冷卻塔筒壁爆破部位 (壁厚 23 cm,單孔藥量 30 g)還有約 30%的混凝土塊未脫離鋼筋網(wǎng)(在實爆時將單孔藥量增加到 40 g)。試爆時爆破產(chǎn)生的飛散物飛散距離不遠(yuǎn),主要爆渣散落在 5～15 m范圍內(nèi)。個別飛石也控制在 30 m之內(nèi)。試爆證明爆破參數(shù)合理,防護有效。

5.2 實爆效果

2008年 11月 23日下午 14:10冷卻塔爆破起爆(中央電視臺現(xiàn)場直播),4個冷卻塔依次按設(shè)計的倒塌方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,然后加速塌落并解體,整個傾倒過程約 10 s。4座冷卻塔爆破倒地后,倒向準(zhǔn)確。倒塌物沿倒塌方向向前塌落 10～25 m,其它 3個方向均塌落在基礎(chǔ)水池內(nèi)。倒塌反方向的預(yù)留人字支撐柱全部倒塌,沒有產(chǎn)生任何后座現(xiàn)象,后部有個別殘壁聳立,最高處有 8 m左右。其它部位解體充分。爆破所產(chǎn)生的振動及飛石沒有對周邊被保護的建筑物和設(shè)施造成任何損壞。測震結(jié)果也證明了爆破產(chǎn)生的振動符合設(shè)計要求。

6 結(jié) 語

(1)冷卻塔為鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu),其倒塌過程與剛度強的鋼筋混凝土煙囪倒塌區(qū)別很大,煙囪是在爆破切口形成后,煙囪重心偏移、失穩(wěn),煙囪筒體成剛性整體倒塌,而冷卻塔倒塌主要是平衡力系受到破環(huán),而使筒體產(chǎn)生扭曲變形,導(dǎo)致筒體向下塌落,因此在選擇爆破切口長度時選擇周長的 50%左右為好,剩余的支撐體有足夠的支撐強度,能保障冷卻塔爆破后短時間內(nèi)后支撐的穩(wěn)定,使冷卻塔產(chǎn)生倒向方向的慣性,倒塌定位準(zhǔn)確,同時可避免后支撐區(qū)產(chǎn)生后座或向后倒塌。

(2)冷卻塔爆破缺口高度是保證冷卻塔倒塌的重要條件,在考慮減少鉆孔、裝藥等工程量因素時,一定要保證爆破缺口有足夠的高度,使冷卻塔首次觸地時產(chǎn)生足夠大的沖擊力,導(dǎo)致筒體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞而倒塌。根據(jù)同類冷卻塔成功爆破的經(jīng)驗,缺口高度應(yīng)保證在 8 m以上的高度為好,特別是對高度較低、質(zhì)量較小的冷卻塔更要注意其爆破切口應(yīng)有足夠的高度,近幾年發(fā)生的多起冷卻塔爆而不倒的情況其原因之一就是爆破切口高度過小 (只爆支撐柱)。

(3)冷卻塔的淋水裝置在爆破前使用液壓破碎錘預(yù)先處理,可有效地保證塔體的完全坍塌。但為了方便施工,減少搭建腳手架的材料和時間,可保留與爆破切口相鄰的部分淋水裝置支撐柱和橫梁,為鉆孔施工和裝藥提供施工平臺。

[1] 汪旭光,于亞倫.拆除爆破理論與工程實例[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] 史家堉,程貴海,鄭長青.建筑物爆破拆除理論與實踐[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3] 瞿家林,徐 剛,年鑫哲.電廠內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下兩座 90 m高冷卻塔爆破拆除[J].工程爆破,2011,(1).

2011-07-21)

孫向陽,男,副總經(jīng)理,從事爆破技術(shù)及管理工作。