1 工程概況
111 周邊環境
山東黃臺火力發電廠“上大壓小”熱電聯產工程,因工程建設要求,需對1 # 、2 # 冷卻塔進行拆除。兩座冷卻塔建于1959 年,隨著城市建設的發展,冷卻塔周邊建成了居民區,環境非常復雜。兩座冷卻塔南北距離27m ;冷卻塔東側距黃臺電廠四座宿舍樓25m ; 1 # 冷卻塔北側916m 處為一管材庫房,3116m 為山東魯能鋁塑管有限公司辦公室;東北側611m 的地下115m 埋有煤氣管道,66m 處為一加油站; 西側25m 為溫室和辦公室; 2 # 冷卻塔南側1917m 為宿舍配套房, 33m 處為居民樓; 西側1418m 為一游泳館,西北側2516m 處為化學水處理機房;5915m 處為硫酸儲罐;9113m 和110m 處為另兩座90m 高冷卻塔。環境的復雜程度在全國同類工程中是很少見的,對爆破安全提出了很高的要求。環境示意圖如圖1 所示。
112 結構特點
1 # 、2 # 冷卻塔結構相同,高70115m ,占地面積2830m2 ,底部直徑59104m、喉部直徑29150m、頂部出口直徑30114m , 底部壁厚400mm、頂部壁厚100mm。冷卻塔人字支柱40 對,其斷面為內接圓直徑400mm 的正八角形。通風筒鋼筋砼體積05419m3 ,總重量25845105kN。筒身混凝土標號C20 ,筒體豎向鋼筋直徑分別為Ф8 、Ф10 、Ф12 、Ф14 、Ф16 ,支柱配筋為4 Ф22 + 6 Ф25 , 支柱環高度210m ,主筋為13 Ф18 ,環筋為<18 @150 。
2 方案選擇
211 方案選取原則因爆破環境復雜,必須采取合理的爆破方案并采取必要的技術措施,確保爆破網路可靠起爆、冷卻塔按預定方向倒塌,并避免爆破振動、沖擊波、爆破飛石等有害效應對周圍設施的影響。復雜環境下兩座冷卻塔爆破拆除
212 總體方案
采用“預開定向窗,預處理部分塔壁板塊,預留部分塔體支撐板塊”的定向爆破方案。對兩個塔體內部塔芯、支柱等結構提前用機械拆除。倒塌方向:冷卻塔結構對稱,主要根據周圍環境確定倒塌方向。1 # 冷卻塔倒塌方向為西偏南30°,2 # 冷卻塔因南邊、東邊、西邊都有需要保護的建筑物,倒塌方向為北偏西15°。
3 爆破參數設計
311 爆破切口設計
31111 冷卻塔爆破失穩傾倒機理采用控制爆破方法,在塔體底部某一部位爆破形成一定尺寸的切口,上部筒體在重力與支座反力形成的傾覆力矩作用下失穩、扭曲變形、偏轉而最終倒塌落地破碎〔1〕。
31112 爆破切口
(1) 切口形式:在冷卻塔爆破拆除中,常用的爆破切口有正梯形、倒梯形、矩形、三角形等形式〔2〕。經過對比論證,本工程采用倒梯形復合切口,爆破切口展開圖如圖2 所示。既能保證冷卻塔順利扭曲倒塌,人字柱也能保持底部足夠的支撐,并且有較小的倒塌距離。
(2) 切口高度:切口高度包括人字支柱高度h1 、支柱環高度h2 、塔身切口高度h3 三部分。為保證冷卻塔在爆破切口形成后整體失穩和倒塌后能充分解體破碎,取h1 = 4m、h2 = 2m、h3 = 6m ,總切口高度h = 12m。
(3) 切口長度:爆破切口的角度是影響冷卻塔倒塌的關鍵因素。切口角度過小,影響倒塌方向的準確性,切口角度過大則會在爆破切口形成瞬間保留部分塔壁支撐力不足而產生后坐現象。倒梯形爆破切口,一般取筒壁L1 ≤(2/ 3) S1 、人字支柱切口范圍L2 ≥(1/ 2) S2 ,式中S1 為高度12m 處冷卻塔周長、S2 為地面處冷卻塔周長。根據計算,選取倒梯形切口上邊長為100m ,人字支柱共40 對拆除22 對。
31113 爆破切口預處理
為減少鉆孔數量和降低一次起爆藥量,同時為了保證冷卻塔能夠按照設計方向準確傾倒,需采取部分預處理:
(1) 用機械拆除冷卻塔內部涼水平臺次梁、導水槽及其它結構,將廢碴破碎后清運出冷卻塔,以免影響倒塌效果。
(2) 在確保冷卻塔不失穩的前提下,爆破前用機械方法在筒體上對稱于傾倒中心線兩側開設13 個窗口,其中最外側兩個為定向窗口。中間預留12 個支撐板塊,每個支撐板塊的寬度為3～4m ,這種方法稱為“開窗口、斷鋼筋、預留支撐板塊”。
(3) 為方便機械進入筒體內部進行預處理,在需要的部位拆除一對人字柱。爆破前,在支柱環梁兩側定向窗和中間預開窗口下方開3 個長1m、高1m的斷口。
312 爆破參數
(1) 筒壁爆破參數。根據筒壁配筋情況和壁厚,冷卻塔筒壁一區4 個支撐板塊鉆孔范圍為1018～1118m ,每個支撐墻縱向5 孔、橫向20 孔。二區、三區的支撐板塊,鉆孔范圍為810～910m ,每個支撐墻縱向5 孔、橫向12～16 孔。
(2) 人字支柱爆破參數。需要拆除的人字支柱為22 對,機械預拆除1 對后,還剩21 對。每根立柱單排布孔,下部5 個、上部5 個。
(3) 支柱環梁爆破參數。筒壁窗口開好后,除預拆除的支柱環梁切口外,在每個爆區邊緣位置機械處理厚度015m、長度110m 左右的板塊,向下打一排5 個豎孔。爆破參數匯總如表1 所示。
313 爆破網路
(1) 起爆網路基本要求。起爆網路是爆破成敗的關鍵,網路設計必須保證每個藥包能夠按設計的起爆順序和預定的延時全部準爆,因此起爆網路應遵循: ①起爆網路設計必須能保證每個藥包均能起爆; ②網路在傳爆過程中,必須保證分段藥包起爆時間不發生重疊甚至跳段現象; ③在起爆網路設計和施工中,力求標準化,以便實際聯網時操作簡單、避免發生差錯。
(2) 起爆網路設計。由于冷卻塔爆破施工中爆破面積大、鉆孔多,保證每個藥包均能起爆是爆破成敗的關鍵〔3〕。本次爆破采用非電毫秒導爆管雷管起爆網路。將爆破切口分為一、二、三區。1 # 冷卻塔分別用MS3 、MS5 、MS7 段, 2 # 冷卻塔分別用MS11 MS12 、MS13 段導爆管雷管,采用“大把抓”和四通連接的爆破網路。先將塔壁、人字柱、支柱環內炮孔導爆管雷管每15 到20 發捆扎成一束,再綁上2 發MS5 段導爆管雷管,導爆管雷管用四通和導爆管連成閉合回路。閉合網路之間多次搭接,形成閉合復式交叉網路,用電雷管起爆。
4 安全防護措施
411 振動安全校核
(1) 爆破振動。大量的工程實踐證明,對于高聳建筑(構筑) 物的爆破而言,炸藥爆炸產生的爆破振動,由于單段起爆的最大藥量不大,總炸藥量相對較小,藥包分散布置在地面以上的介質中,因此形成的爆破振動對周圍環境的影響很小〔4〕。裝藥爆炸引起的垂直振動速度計算公式為:v = K′K (3Q/ R)α式中: v 為垂直振動速度, cm/ s ; K、α為與地形、地質有關的系數,取K = 3316 、α= 116 ; K′為拆除爆破
衰減系數,取0125 ; Q 為單響最大藥量,取1916kg ;R 為測點到爆源的距離,取15m。將以上數據代入公式計算得振動速度v = 0154cm/ s。《爆破安全規程》中規定爆破振動安全允許標準:磚砼結構樓房的抗震能力為218cm/ s。以上計算說明,按此設計對相鄰建筑是安全的。
(2) 冷卻塔倒蹋落地沖擊振動。由于冷卻塔的結構特點,其倒塌過程不像煙囪和水塔等高聳建筑物那樣整體落地,而是在倒塌過程中發生扭曲變形后落地,其落地沖擊振動比同等質量的煙囪等建筑小。現按照地面沒有任何緩沖設施,整體落地的極端情況進行驗算。目前建筑物塌落振動,按照周家漢教授總結的計算公式〔5〕:
vt = KtR( Mg H/σ) 1/ 3β式中: vt 為塌落引起的地面振動速度,cm/ s ; M 為下落構件的質量,1740t ; g 是重力加速度918m/ s2 ;H 為構件的高度,70115m ; R 為觀測點至沖擊地面中心的距離,50m ;σ為地面介質的破壞強度,一般取10MPa ; Kt 、β分別為塌落振動速度衰減系數和指數。按照高聳煙囪的分析數據,在地面采取減振溝、壘筑土墻減振措施時, Kt 取1/ 3 ×4109 = 1136 、β取- 1180 ,經計算vt = 1132cm/ s 。理論計算結果符合規程要求。為確保萬無一失采取以下技術措施降低塌落振動:將塔體塌落區域內混凝土地面打碎,并覆蓋1m厚松軟土層; 在冷卻塔與煤氣管道之間開挖一條115m 寬、2m 深的減振溝,在煤氣管道上覆蓋115m厚的松土,爆破前停氣并排空,以保護管道;自來水管道停水處理;附近居民樓、加油站等重點對象,安排測點進行爆破振動監測。
412 爆破沖擊波及噪音
本次爆破采用多點分散裝藥,單孔藥量不大,周邊空間比較有利于空氣沖擊波和噪音的衰減。為了降低沖擊波和噪音對周邊居民和環境的影響,采取孔口嚴密填塞、加強防護、控制單響起爆藥量,達到爆破安全規程對噪聲的要求。
413 爆破飛石
本次爆破在人員、建筑密集地區進行,對爆破飛石的防護是重中之重。因此采取以下安全技術措施: ①保證炮孔的填塞長度和填塞質量,控制單孔裝藥量; ②用3 層濕草簾直接纏繞在各裝藥板塊上,用鐵絲綁牢; ③距筒壁爆破板塊1m 架設5m 寬、215m高的懸挑式腳手架,掛竹膠板防護; ④預拆除窗口用編織布覆蓋,防止個別飛石從中飛出; ⑤人字柱及環梁位置覆蓋廢舊輪胎編成的炮被; ⑥對重點防護部
位采用近體防護措施,防止個別飛石危害。
414 爆破揚塵控制
在居住區附近進行爆破施工,必須采取一定措施,盡量降低爆破揚塵對周圍環境的影響。采取以下技術措施:圍蔽施工場地,把粉塵的擴散范圍盡量減小;將防護用的草簾子打濕,作為降塵帷幕。爆破前,清理建筑物和建筑倒塌場地上的積塵,往建筑物上灑水,沖洗建筑物上的浮塵,減少揚塵源;爆破當日,安排灑水降塵和沖洗地面,爆破后立即用水槍噴水降塵。
415 安全警戒
為了保證爆破安全,在爆破現場周圍布置了12個警戒點,為了減小爆破對交通限制的壓力,爆破時間選擇車流量較小的早晨進行。提前向周圍的居民進行了宣傳,對有關人員進行了撤離。
5 爆破效果
黃臺電廠兩座冷卻塔于2009 年3 月22 日早6時實施爆破,起爆后僅3s 就轟然倒塌。1 # 冷卻塔完全倒塌,傾倒方向較設計方向向北偏離5°左右,倒塌距離12m。2 # 冷卻塔完全按照設計方向倒塌,倒塌距離21m。冷卻塔保留人字柱未倒,其上部筒壁從爆破切口處斷開,留下部分殘壁,這種現象在冷卻塔的拆除中是常見的,利用機械設備很快就進行了拆除。倒塌效果比較理想,大部分爆破殘體落于中央水池中。對距離最近的居民樓、加油站等處進行的爆破振動測試結果不大于115cm/ s。煤氣管道、水管道等設施,恢復后未發現異常,爆破取得圓滿成功。
