電廠建筑群大解體式控制爆破實(shí)踐

李玉景，張寶亮，趙 文，王付景，倪吉倫，沈國(guó)權(quán)

(貴州開(kāi)源爆破工程有限公司，貴陽(yáng) 551400)

大型火力發(fā)電系統(tǒng)由組裝的機(jī)組設(shè)備及鋼筋混凝土澆筑的附屬結(jié)構(gòu)等共同構(gòu)成，拆除、改造中常用機(jī)械拆除方式拆除機(jī)組等組裝設(shè)備，而對(duì)于高聳鋼混附屬設(shè)施，機(jī)械拆除則顯得高危、低效。

環(huán)境條件允許時(shí)常采用爆破方式拆除高聳建(構(gòu))筑物及大型廠房[1-3]，爆破方式雖然高效，但要求設(shè)計(jì)、施工中必須根據(jù)工程實(shí)際情況，采取嚴(yán)格的控制手段，選擇安全的施工方法。首先，控制建筑物的倒塌方向與塌落范圍，避免損毀鄰近建筑和設(shè)施；其次，控制危害效應(yīng)，重點(diǎn)控制對(duì)象為爆破振動(dòng)與爆破飛散物。充分利用倒塌過(guò)程中建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)間的拉、壓、剪作用，盡量使其在倒塌過(guò)程中解體，避免大結(jié)構(gòu)剛性著地造成過(guò)大沖擊和振動(dòng)。

目前國(guó)內(nèi)外有許多的建筑群控制爆破實(shí)例，在理論與實(shí)踐上均提供了大量的經(jīng)驗(yàn)。張英才[4]在應(yīng)用大解體式拆除爆破電廠大型廠房過(guò)程中，采用雙向多回路的起爆網(wǎng)路，爆后爆堆小且爆破振動(dòng)小；陳順祿等[5]在復(fù)雜環(huán)境下大型鋼筋混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的拆除爆破過(guò)程中，采用大孔徑鉆爆法并對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波分析，避免了共振效應(yīng)的危害；雷振等[6]在電廠綜合樓的拆除爆破過(guò)程中，針對(duì)無(wú)縱梁連接結(jié)構(gòu)的橫跨，使用施加預(yù)應(yīng)力的鋼絲繩進(jìn)行跨間牽引，確保后排立柱的傾覆力矩。

相對(duì)一般控制爆破而言，對(duì)較大規(guī)模的框架結(jié)構(gòu)實(shí)施解體式爆破，則是根據(jù)建(構(gòu))筑物特征，通過(guò)較小的工作量破壞其穩(wěn)定狀態(tài)，充分利用結(jié)構(gòu)跨間拉、壓作用實(shí)現(xiàn)建(構(gòu))筑物大規(guī)模解體，解體形式通常為逐跨解體。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外建筑群控制爆破的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大型電廠改建工程在機(jī)械拆除機(jī)組設(shè)備后，余留的承重框架、電梯井、煤倉(cāng)過(guò)道以及汽機(jī)房單排墻柱等高聳建(構(gòu))筑物，進(jìn)行大解體式拆除爆破的過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

待拆除的建筑物位于貴州省六盤水市，是由鍋爐房及其附屬電梯井、煤倉(cāng)過(guò)道和單面墻體組成的框架結(jié)構(gòu)建(構(gòu))筑物，其中2座鍋爐房高55 m，電梯井高60 m，煤倉(cāng)過(guò)道高45 m。待拆除建筑物附近環(huán)境復(fù)雜，鍋爐房北側(cè)35 m處有待保護(hù)的煤氣管道，100 m處有電廠煤炭鐵路運(yùn)輸線路；鍋爐房A東側(cè)3 m處有保留的廠房墻面，6 m處有正在運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備；煤倉(cāng)過(guò)道東側(cè)3.8 m處有正在運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備；單面墻體南側(cè)3.2 m處有變壓器管道，61 m處為在用高壓線網(wǎng)，周圍環(huán)境如圖1所示。

圖1 周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment

2 爆破方案

2.1 工程難點(diǎn)分析

1)待拆煤倉(cāng)過(guò)道和鍋爐房周邊分布多個(gè)保留建筑物、管道、變電站、升壓站以及其他正在運(yùn)行的設(shè)備(見(jiàn)圖2)，爆破后倒塌區(qū)域極為有限，因此需要精確控制待拆建筑物的爆破順序及倒塌方向。

圖2 待拆建筑物現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Site of the buildings to be demolished

2)爆破區(qū)域北側(cè)35 m處為重點(diǎn)保護(hù)的煤氣管道；南側(cè)地下有循環(huán)水管，地面緊鄰輸煤棧道和升壓站，爆破時(shí)必須確保這些建(構(gòu))筑物設(shè)施和電力設(shè)備的安全。

2.2 起爆順序及切口參數(shù)設(shè)計(jì)

1)起爆順序設(shè)計(jì)。根據(jù)待拆建(構(gòu))筑物群的分布特點(diǎn)及周圍的環(huán)境條件，應(yīng)用建(構(gòu))筑物傾覆失穩(wěn)原理，采用定向控制爆破的拆除方式，使建(構(gòu))筑物朝著指定方向坍塌在安全允許的范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)遵循先倒建(構(gòu))筑物為后倒建(構(gòu))筑物坍塌提供更大傾倒空間的原則，待拆除建(構(gòu))筑物倒塌先后順序(見(jiàn)圖3)分3步實(shí)現(xiàn):

①首先對(duì)電梯井和鍋爐房A、B實(shí)施控制爆破，使其向西側(cè)倒塌；

②然后對(duì)煤倉(cāng)過(guò)道進(jìn)行控制爆破，使煤倉(cāng)過(guò)道也向西倒塌；

③最后對(duì)單面墻實(shí)施爆破，使其向北倒塌。

注：①～③表示倒塌順序圖3 建筑物拆除爆破順序Fig.3 Demolition blasting sequence of buildings

根據(jù)倒塌順序分3次起爆，首先對(duì)電梯井、鍋爐房A、B進(jìn)行起爆，因鍋爐房B同電梯之間有橫梁連接，所以三者一起起爆，鍋爐房A、B間利用延時(shí)雷管控制起爆時(shí)差；其后對(duì)煤倉(cāng)過(guò)道進(jìn)行爆破，同樣采用延時(shí)爆破原理，自西向東依次向西定向坍塌；隨后單面墻體向北定向倒塌。

2)切口高度。在通常情況下，爆破切口斷面越大，其傾覆力矩越大，待拆除建筑物越容易坍塌。對(duì)于待拆鍋爐房，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破施工條件及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鍋爐房A、B第1排立柱1層炸高均取4.5 m，2層炸高均取2.0 m；為使2座鍋爐房按設(shè)計(jì)倒塌，第2排立柱實(shí)施弱松動(dòng)爆破，爆破后形成塑性鉸支撐。鍋爐房A第2排立柱炸高取1.2 m，鍋爐房B第2排立柱炸高僅取0.5 m(見(jiàn)圖4)。

注：1～2表示排數(shù)圖4 鍋爐房爆破切口Fig.4 Blasting notch in the boiler room

注：1～2表示排數(shù)圖5 煤倉(cāng)過(guò)道爆破切口(側(cè)視)Fig.5 Coal bunker aisle blasting notch(side view)

電梯井及剪力墻均為承重結(jié)構(gòu)，配筋率高，有較強(qiáng)的抗拉、抗壓性能，為確保其順利傾倒，電梯井的前排立柱和剪力墻炸高都取4.5 m，后排立柱炸高取0.5 m，以形成塑性鉸；煤倉(cāng)過(guò)道爆破切口如圖5所示，第1排立柱爆破2層，第1層炸高取5.0 m，第2層炸高取4.0 m；第2排立柱僅對(duì)第1層進(jìn)行爆破，炸高取2.0 m。

2.3 預(yù)處理

為減少鉆孔作業(yè)量，確保待拆建(構(gòu))筑物順利倒塌，需對(duì)電梯井和煤倉(cāng)過(guò)道進(jìn)行爆前預(yù)處理。采用風(fēng)鎬或搗機(jī)對(duì)電梯井每個(gè)端面中間部分的剪力墻進(jìn)行預(yù)處理破壞，化墻為柱，端面預(yù)處理高、寬均為2 m，電梯井剪力墻預(yù)處理情況如圖6所示。

圖6 電梯井預(yù)處理結(jié)果Fig.6 Elevator shaft pretreatment result

2.4 爆破參數(shù)及起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

1)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。待拆除鍋爐房包括電梯井剪力墻和立柱，其中電梯井長(zhǎng)4 m，寬3.3 m，剪力墻厚30 cm，立柱截面尺寸為0.5 m×0.5 m；待拆煤倉(cāng)過(guò)道長(zhǎng)200 m，寬15 m，高53 m，由2排共56根截面尺寸為1.8 m×0.6 m的鋼筋混凝土立柱支撐組成；單排墻柱立柱截面積均為1.2 m×0.6 m，立柱間距為6 m；煤倉(cāng)過(guò)道整體結(jié)構(gòu)較為完整，由裝配和澆筑兩個(gè)部分組成，單排墻柱立柱截面積均為1.2 m×0.6 m，立柱間距為6 m，共7根。由于緊靠變壓管網(wǎng)和廠房，需要確保倒塌方向，爆破前使用鋼筋朝倒塌方向固定、拉緊，并施加一定預(yù)應(yīng)力。各部分詳細(xì)爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Parameter for blasting

2)起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)。對(duì)于鍋爐部分，拆除爆破所采用的導(dǎo)爆管雷管段別有MS1、MS3、MS7、MS10、MS15，其中孔外采用MS1段雷管綁扎；電梯井前排孔內(nèi)使用MS10段雷管，后排裝填MS15段雷管。

對(duì)于煤倉(cāng)過(guò)道，采用的電雷管有MS1、MS3、HS2、HS3，第1排立柱孔內(nèi)統(tǒng)一使用HS2段雷管，孔外采用MS1段雷管綁扎；第2排立柱孔內(nèi)統(tǒng)一裝填HS3段雷管，孔外采用MS1段雷管綁扎，每跨立柱之間采用MS3段雷管延時(shí)，前后排間立柱延時(shí)半秒，第1排對(duì)第2排立柱傳遞拉應(yīng)力形成一定力矩后，第2排立柱起爆，避免延時(shí)過(guò)短造成第2排立柱傾倒轉(zhuǎn)向(見(jiàn)圖7)。

圖7 煤倉(cāng)過(guò)道爆破網(wǎng)路Fig.7 Coal bunker aisle blasting network

單排墻柱由于立柱自重較小，采用同段一次爆破網(wǎng)路，所有立柱孔內(nèi)統(tǒng)一裝填MS3段雷管，孔外統(tǒng)一使用MS1段雷管綁扎并聯(lián)網(wǎng)路。

3 振動(dòng)校核及相關(guān)保護(hù)措施

拆除爆破主要涉及到的安全問(wèn)題有爆破振動(dòng)、塌落振動(dòng)、爆破飛散物和觸地飛濺，應(yīng)對(duì)這些爆破危害效應(yīng)進(jìn)行安全校核并采取必要的保護(hù)措施。

3.1 爆破振動(dòng)

整個(gè)拆除爆破過(guò)程中，鍋爐房A第1排立柱采用分散裝藥結(jié)構(gòu)，最大單響藥量達(dá)28 kg，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[7]推薦的薩道夫斯基公式，計(jì)算爆破振速：

(1)

式中：v為地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；K、α為與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)；Q為最大單響藥量；R為監(jiān)測(cè)點(diǎn)到爆源的最近距離。

因?yàn)樾枰Ｗo(hù)的建(構(gòu))筑物距離爆破中心水平距離R最近為6 m，最遠(yuǎn)為42 m，所以加權(quán)平均距離取25 m，最大單響藥量Q取28 kg；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，系數(shù)K取40，α取1.8，計(jì)算得v=2.47 cm/s，小于文獻(xiàn)[7]規(guī)定的保護(hù)建(構(gòu))筑物所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速2.5 cm/s。

3.2 塌落振動(dòng)

拆除爆破煤倉(cāng)過(guò)道時(shí)，由于煤倉(cāng)過(guò)道距離被保護(hù)建筑較近，且因煤倉(cāng)的存在，使得其質(zhì)量較大，重心較高。本工程塌落振動(dòng)校核公式使用中科院力學(xué)所周家漢等[8]提出的塌落振動(dòng)計(jì)算公式：

(2)

式中：vt為塌落振動(dòng)引起的地面質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；M為建構(gòu)筑物質(zhì)量，約1 000 t(逐跨倒塌，實(shí)際觸地沖擊結(jié)構(gòu)質(zhì)量遠(yuǎn)小于1 000 t)；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為重心高度，40 m；σ為地面介質(zhì)破壞強(qiáng)度，取10 MPa；R為監(jiān)測(cè)點(diǎn)與地面沖擊中心的水平距離，取35 m；Kt、β分別是塌落振動(dòng)衰減系數(shù)和指數(shù)，分別取3.37、1.64。

經(jīng)校核vt=2.1 cm/s，符合相關(guān)要求。因采用多種防護(hù)措施以及在地表設(shè)置堆渣等緩沖墊層，實(shí)際爆破時(shí)的塌落振動(dòng)小于計(jì)算值。

3.3 飛散物防護(hù)措施

拆除爆破時(shí)需對(duì)爆破切口內(nèi)的混凝土進(jìn)行粉碎性破壞，爆破時(shí)用膠皮、竹耙或竹跳板等韌性材料對(duì)立柱炮孔部位進(jìn)行包覆，并用鋼筋綁扎牢固，并對(duì)重點(diǎn)部位用多層膠皮、竹耙進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖8所示。為避免大量塊狀鋼筋混凝土沖擊硬質(zhì)地面，爆破前，在構(gòu)筑物倒塌方向堆積高度約為1.5～2.5 m的柔性松軟層。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)措施Fig.8 Site protection measures

4 爆破效果

合理的爆破切口和梁柱間的起爆時(shí)差設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)大解體式拆除爆破的關(guān)鍵。首先合理的爆破切口控制著倒塌方向和倒塌范圍，可減小對(duì)周邊建(構(gòu))筑物及設(shè)施的影響；合理的起爆時(shí)差可控制建(構(gòu))筑物的起爆順序，充分利用縱梁、橫梁結(jié)構(gòu)間的拉應(yīng)力，對(duì)后起爆建(構(gòu))筑物倒塌方向的控制具有重要作用，同時(shí)可調(diào)整建(構(gòu))筑物倒塌沖能在時(shí)間上的分布。通過(guò)對(duì)爆破缺口、起爆時(shí)差的合理設(shè)計(jì)，取得了良好的爆破效果，建(構(gòu))筑物解體爆破效果如圖9所示。

圖9 爆破效果Fig.9 Blasting effect

5 結(jié)論

1)針對(duì)高配筋率剪力墻、電梯井等承重結(jié)構(gòu)，采用預(yù)處理“化墻為柱”方式可大幅減小鉆孔工作量，有助于提高施工效率。

2)框架結(jié)構(gòu)建(構(gòu))筑物拆除爆破時(shí)，在確保最后排立柱孔內(nèi)起爆系統(tǒng)不受破壞的前提下，最后排立柱可選擇較長(zhǎng)延時(shí)，在前排形成拉應(yīng)力后，后排立柱底部進(jìn)行弱松動(dòng)爆破形成塑性鉸，有助于最后排立柱按設(shè)計(jì)方向傾倒。

3)塌落區(qū)設(shè)置柔性緩沖層避免了高速度、大體量鋼筋混凝土直接沖擊硬質(zhì)剛性地面，但飛濺物仍然不可避免，應(yīng)在重點(diǎn)保護(hù)設(shè)施外搭設(shè)保護(hù)措施。