申文胜  李清明  刘少帅

(上海消防技术工程有限公司，上海，200080)

摘要：本文介绍了复杂环境下105m冷却塔定向爆破拆除技术特点，通过冷却塔筒体切口和切缝的处理，爆破切口形状等主要爆破参数的合理选择，对爆破飞石、爆破振动、爆破塌落范围等进行了安全性分析并提出具体安全措施，工程实践表明爆破效果非常好，不仅达到了安全拆除的目的，同时确保电厂内拆除区域3m处的供暖管线及循环水管道系统的安全，同时对同类工程的设计和施工具有参考价值。

关键词：冷却塔；拆除爆破；爆破参数

1.引言

为了充分响应国家“上大压小、节能减排”政策，根据河北省邯郸市马头电厂要求对3～4号(90m)、5～6号(105m)四座冷却塔进行爆破拆除，其中5号冷却塔的环境最为复杂，其爆破技术要求和施工要求都非常高，本文将着重介绍5号(105m)冷却塔爆破拆除过程。

2  工程概况

2．1  工程环境

北侧：7号冷却塔，其距离5号冷却塔为37．2m。

东侧：供热管线，其距离5号冷却塔最近距离为3．5m，管道走向为南北向；东侧主变厂房距离5号塔为58．1m。

南侧：管道架(复合管道电缆管及水管)，距离5号冷却塔边沿为7．Om，管道架南侧为化学品仓库，距离5号冷却塔最近距离为30．8m。

西侧：自来水管，距离5号塔为31．5m，水管西侧为4号冷却塔，距离5号冷却塔为38．4m。

冷却塔周边环境如图1所示。

2．2冷却塔结构特点

5号冷却塔建于1977年，为厂区三期改造项目，均为双曲线型钢筋混凝土薄壳结构，壁厚由下部的550mm向上逐渐减薄至160mm，高度为105m，混凝土标号为300号，水平筋Ф10在竖向筋Ф12的外侧，水平筋保护层为25mm。冷却塔出口(顶部)直径为53．2m；冷却塔喉部(标高80．00m处)直径为42.8m，底部（+0.7800mm处）直径为77.200m,在道0．6m×1．Om的混凝土圈梁，底部（+0.00m处）直径为85.2m。冷却塔下部±0.000~7.800m处采用44对人字形钢筋混凝土支柱撑，立柱规格550mm×550mm，支柱和支柱环梁及环形基础为钢性连接。

3爆破拆除方案设计

3．1周边环境及保护目标

(1)冷却塔周边环境复杂。电厂内运行中的管线设施密布，且贯穿塔基四周，5号冷却塔东侧3．5m处为供热管线(供应邯郸市60％以上的供热)，5号冷却塔南侧7m处为管道架(复合管道电缆管及循环水管)，管道架南侧为化学品仓库，其距离5号冷却塔最近距离为30．8m。

(2)由于电厂厂内部分设施无法停止，且要求冷却塔爆破的倒塌方向准确；严禁出现冷却塔后坐的现象；尽量减少塌落范围；严格控制爆破振动、爆破飞石、塌落振动，不能对运行的设备造成破坏。

(3)安全防护技术要求高。确保周边供热管线、循环水复合管道、化学品仓库和氢站的安全。

3．2总体拆除方案

冷却塔爆破通过预处理与爆破相结合的方式破坏冷却塔底部的人字立柱、支柱环梁和一定高度的筒壁，在自重作用下使冷却塔失稳、倾倒，塔身扭曲变形、塌落。5号冷却塔东侧为供热管，南侧为复合管道架，则其倒塌方向为西偏北32°。

鉴于待拆除冷却塔高度、结构尺寸以及环境条件和安全等要求，本次爆破冷却塔总体方案是在塔体下方形成一个切口，自重作用下使冷却塔倒塌。在人字形立柱、环梁上钻孔、装药、防护、爆破，使切口内的支撑瞬间破坏，达到倒塌的目的。本工程爆破实施过程中，采用3~5号三个冷却塔一次起爆、延时倒塌的方案。

3．3切口预处理

(1)机械将倒塌方向中央的人字形立柱打开，进入到塔体下方，拆除填充料和淋水立柱。

(2)开设定向窗及减荷槽，为了确保倒塌效果和减少爆破的总装药量，爆破前，在倒塌中心位置开设定向窗、在环梁和塔身上对称倒塌中心线两侧开设共减荷槽、在切口边沿开设两个对称的定位窗，如图2所示。

3．4爆破切口设计

3．4．1  切口长度

切口长度的大小决定切口形成以后冷却塔能否实现偏心失稳，如果切口过大可能导致余留部分没有足够的支撑力而使冷却塔倒塌方向失去控制，甚至出现反向倒塌，反之可能出现倾而不倒的情况。根据该冷却塔的结构和受力情况，结合以往的成功经验，人字形立柱、立柱环以及塔身分别选择不同的切口长度，分别为：

人字立柱：                                    

立柱环：                                       

塔身：                                           

3．4.2爆破切口高度

对钢筋混凝土冷却塔而言，应考虑切口形成后，切口内裸露的竖向钢筋必须失稳。同时，还应使冷却塔在倾倒至较大角度时，切口的上下沿闭合相撞，防止相撞时使倾倒方向发生偏离。切口高度H_p包括人字形立柱高度h₁、支柱环高度h₂以及塔身高度h₃三部分(见式(1))。

H_p=h₁+h₂+h₃    (1)

3．4．3爆破切口参数

105m冷却塔(5号)采用倒梯形切口，两侧边角度为45°。切口高度中间高，两侧低，共开窗15个，宽4．Om，高4．0～9．Om，中间窗底宽6．Om，高9．Om，在中间窗上部至+22．Om位置开一条宽50cm的切割缝^[1]，对应切口长度为27对人字撑，地面切口22l°，筒壁切口标高5．0m处圆心角为236°，切口长度为233．5°，每个切口对应圈梁处采用爆破方式切断圈梁，如图2所示。

3．5爆破参数

(1)最小抵抗线w：取切口处冷却塔壁厚的一半，即w=δ/2(δ为缺口位置壁厚或立柱最小边长)；

(2)药孔间距a：a=1．5～1．8w或a=(0．9～O．95)L；

(3)药孔排距b：b=(0．85～0．9)a；

(4)药孔孔深，L：L：(0．67～0．7)δ；

(5)单孔药量Q1：Q1=qabδ。

式中，Q₁为单个装药量，g；q为单位体积耗药量，g／m³，一般取1000～1200g／m³，但对于位置较低的人字形立柱，该单耗可适当增加(1300～1600g／m³)，以确保冷却塔内的主筋产生大变形，有利于冷却塔失稳倾倒；δ为塔体壁厚，m；a、b为药孔的孔距及排距，m。具体参数见表1。

3．6起爆网路

3．6．1爆区划分及起爆顺序

为了控制炸药爆炸产生的爆破振动，可以倾倒中心线为对称轴，对称分10段(5个区)进行爆破。相邻段之间采用毫秒延期时间间隔为Ms-3、Ms-5和Ms-7段雷管，段别分区示意如图2所示。

3．6．2起爆网路形式及连接方法

采用非电簇联法复式导爆管孔内延期雷管构成的网路起爆。每个装药孔设置两发非电延期导爆管雷管，同一药孔的双发雷管导爆管应分开在两个网路里(以每个窗对应其下2～4根梁为一单元进行连网，共分成13个单元，见图3)。

3．6．3起爆方式选择

为避免杂散电流、射频电流对起爆网路的影响，防止草爆或误爆事故发生，所有雷管均采用非电导爆管雷管，起爆网路采用复式非电导爆管网路，最后用起爆导爆管专用起爆器起爆。

4爆破安全校核和防护

4.1振动控制

4．1．1爆破振动

爆破时产生的地震波振动速度可根据《爆破安全规程》(GB 6722一-2003)给出的质点垂直振速公式(萨道夫斯基公式)进行计算，考虑到此次爆破为内部装药多点分布的控制爆破，不同距离R处允许的最大一段(次)起爆药量Q_max计算式见式(2)：

式中  Q_max——最大一段(次)起爆的炸药量(20kg)；

v_c——爆破产生的质点振动速度，cm／s；

R——爆点中心至被保护目标的距离，m，其中冷却塔的半径为42．6m，对于凉水塔倒塌方向背向的管线及建(构)筑物而言可以按照半径距离来计算；

K，a——与地形、地质条件有关的系数和衰减系数，对于传播介质为软岩石时，K=250～350，α=1．8～2．0；

K′——拆除爆破装药分散系数。

此次爆破最大一次齐爆药量在20kg以内，根据式(2)，K，α取中间值，计算得该药量在不同距离上的爆破振动速度见表2。

4．1．2爆破塌落振动安全校核

根据中国科学院力学研究所周家汉研究员提出的高大建(构)筑物倒塌落地振动公式^[2](见式(3))：

式中，v_t为塌落引起的地面振动速度，cm／s；M为下落建(构)筑物的质量，2500t；g为重力加速度，9．8m／s²；H为建(构)筑物的高度，105m；σ为地面介质的破坏强度，一般取10MPa；R为观测点至冲击地面中心的距离，取R=35m，125m；K_t，β为塌落振动速度衰减系数和指数，K_t=3．37～4．09，β=-1．80~- 1．66，本工程计算时取K_t=3．5×l／3=1．16，β=-I．66。

根据以上数据带入公式(3)，可得距冷却塔塌落点最近的供热管道和10号主变电室的振动速度分别为v_t1=2．12cm/s，v_t2=0．25cm/s。振动速度低于安全允许振速标准，满足《爆破安全规程》的要求。

4．2  防护措施

(1)由于冷却塔圈梁和底部支撑梁均属于小界面混凝土块体，为了确保爆破安全，在每个待爆圈梁和支撑梁外部均包裹两张长2．5m、宽l.8m的防护毯，防护毯是采用5层强力安全网和4层强力钢丝网交叉覆盖而成，防护毯外侧用粗铁丝绑紧。

(2)为降低触地振动，冷却塔倾倒落地处用沙袋堆一带状缓冲垫层，垫层上覆盖一层强力安全网，减少二次飞溅。在冷却塔四周开挖一深3．5m的减振沟。

(3)为减少爆破飞石及冲击波对东侧供热管道、10号主变电室、厂房和南侧管道架的影响，在冷却塔东侧和南侧紧贴管道搭设一个高15m的双排防护排架(见图4)。

5爆破效果和探讨

三座冷却塔于2011年7月26日15：58时一起爆破，依次间隔1s相继倒塌，按照设计方向倒塌，倒塌范围仅超出冷却塔底部边缘5～10m，基本属于原地坍塌，5号冷却塔东侧和南侧的保护管线均完好无损，取得了很好的爆破效果（见图5和图6）。

采用TC-4850爆破测振仪实测的振动速度见表3。

《爆破安全规程》规定钢筋混凝土结构房屋安全振动速度最小为3cm/s，由表3可见爆破塌落振速均在安全范围内。

通过爆破视频分析，爆破飞石没有对周边建(构)筑物造成损坏，采用倒梯形切口方式使5号冷却塔形成弧形的牢固支撑体系，避免因后部支撑不稳而造成后坐或背向倒塌的可能性^[3]，确保了冷却塔东侧供热管线和复合管架的安全，达到了预期效果。

参考文献

[1]付天杰，赵超群，等．竖向切缝在高大冷却塔拆除爆破中的作用[J]．工程爆破，2011，17(4)： 58～62．

[2]周家汉．爆破拆除塌落振动速度计算工时的讨论[J]．工程爆破，2009，15(1)：1～4．

[3]申文胜．冷却塔爆破拆除切口定向窗形状选取的探讨[C]／／中国爆破新技术Ⅲ．北京：冶金工业出版社，2012： 709～715．

摘自《中国爆破新进展》