1 工程概况
111 周边环境
山东黄台火力发电厂“上大压小”热电联产工程,因工程建设要求,需对1 # 、2 # 冷却塔进行拆除。两座冷却塔建于1959 年,随着城市建设的发展,冷却塔周边建成了居民区,环境非常复杂。两座冷却塔南北距离27m ;冷却塔东侧距黄台电厂四座宿舍楼25m ; 1 # 冷却塔北侧916m 处为一管材库房,3116m 为山东鲁能铝塑管有限公司办公室;东北侧611m 的地下115m 埋有煤气管道,66m 处为一加油站; 西侧25m 为温室和办公室; 2 # 冷却塔南侧1917m 为宿舍配套房, 33m 处为居民楼; 西侧1418m 为一游泳馆,西北侧2516m 处为化学水处理机房;5915m 处为硫酸储罐;9113m 和110m 处为另两座90m 高冷却塔。环境的复杂程度在全国同类工程中是很少见的,对爆破安全提出了很高的要求。环境示意图如图1 所示。
112 结构特点
1 # 、2 # 冷却塔结构相同,高70115m ,占地面积2830m2 ,底部直径59104m、喉部直径29150m、顶部出口直径30114m , 底部壁厚400mm、顶部壁厚100mm。冷却塔人字支柱40 对,其断面为内接圆直径400mm 的正八角形。通风筒钢筋砼体积05419m3 ,总重量25845105kN。筒身混凝土标号C20 ,筒体竖向钢筋直径分别为Ф8 、Ф10 、Ф12 、Ф14 、Ф16 ,支柱配筋为4 Ф22 + 6 Ф25 , 支柱环高度210m ,主筋为13 Ф18 ,环筋为<18 @150 。
2 方案选择
211 方案选取原则因爆破环境复杂,必须采取合理的爆破方案并采取必要的技术措施,确保爆破网路可靠起爆、冷却塔按预定方向倒塌,并避免爆破振动、冲击波、爆破飞石等有害效应对周围设施的影响。复杂环境下两座冷却塔爆破拆除
212 总体方案
采用“预开定向窗,预处理部分塔壁板块,预留部分塔体支撑板块”的定向爆破方案。对两个塔体内部塔芯、支柱等结构提前用机械拆除。倒塌方向:冷却塔结构对称,主要根据周围环境确定倒塌方向。1 # 冷却塔倒塌方向为西偏南30°,2 # 冷却塔因南边、东边、西边都有需要保护的建筑物,倒塌方向为北偏西15°。
3 爆破参数设计
311 爆破切口设计
31111 冷却塔爆破失稳倾倒机理采用控制爆破方法,在塔体底部某一部位爆破形成一定尺寸的切口,上部筒体在重力与支座反力形成的倾覆力矩作用下失稳、扭曲变形、偏转而最终倒塌落地破碎〔1〕。
31112 爆破切口
(1) 切口形式:在冷却塔爆破拆除中,常用的爆破切口有正梯形、倒梯形、矩形、三角形等形式〔2〕。经过对比论证,本工程采用倒梯形复合切口,爆破切口展开图如图2 所示。既能保证冷却塔顺利扭曲倒塌,人字柱也能保持底部足够的支撑,并且有较小的倒塌距离。
(2) 切口高度:切口高度包括人字支柱高度h1 、支柱环高度h2 、塔身切口高度h3 三部分。为保证冷却塔在爆破切口形成后整体失稳和倒塌后能充分解体破碎,取h1 = 4m、h2 = 2m、h3 = 6m ,总切口高度h = 12m。
(3) 切口长度:爆破切口的角度是影响冷却塔倒塌的关键因素。切口角度过小,影响倒塌方向的准确性,切口角度过大则会在爆破切口形成瞬间保留部分塔壁支撑力不足而产生后坐现象。倒梯形爆破切口,一般取筒壁L1 ≤(2/ 3) S1 、人字支柱切口范围L2 ≥(1/ 2) S2 ,式中S1 为高度12m 处冷却塔周长、S2 为地面处冷却塔周长。根据计算,选取倒梯形切口上边长为100m ,人字支柱共40 对拆除22 对。
31113 爆破切口预处理
为减少钻孔数量和降低一次起爆药量,同时为了保证冷却塔能够按照设计方向准确倾倒,需采取部分预处理:
(1) 用机械拆除冷却塔内部凉水平台次梁、导水槽及其它结构,将废碴破碎后清运出冷却塔,以免影响倒塌效果。
(2) 在确保冷却塔不失稳的前提下,爆破前用机械方法在筒体上对称于倾倒中心线两侧开设13 个窗口,其中最外侧两个为定向窗口。中间预留12 个支撑板块,每个支撑板块的宽度为3～4m ,这种方法称为“开窗口、断钢筋、预留支撑板块”。
(3) 为方便机械进入筒体内部进行预处理,在需要的部位拆除一对人字柱。爆破前,在支柱环梁两侧定向窗和中间预开窗口下方开3 个长1m、高1m的断口。
312 爆破参数
(1) 筒壁爆破参数。根据筒壁配筋情况和壁厚,冷却塔筒壁一区4 个支撑板块钻孔范围为1018～1118m ,每个支撑墙纵向5 孔、横向20 孔。二区、三区的支撑板块,钻孔范围为810～910m ,每个支撑墙纵向5 孔、横向12～16 孔。
(2) 人字支柱爆破参数。需要拆除的人字支柱为22 对,机械预拆除1 对后,还剩21 对。每根立柱单排布孔,下部5 个、上部5 个。
(3) 支柱环梁爆破参数。筒壁窗口开好后,除预拆除的支柱环梁切口外,在每个爆区边缘位置机械处理厚度015m、长度110m 左右的板块,向下打一排5 个竖孔。爆破参数汇总如表1 所示。
313 爆破网路
(1) 起爆网路基本要求。起爆网路是爆破成败的关键,网路设计必须保证每个药包能够按设计的起爆顺序和预定的延时全部准爆,因此起爆网路应遵循: ①起爆网路设计必须能保证每个药包均能起爆; ②网路在传爆过程中,必须保证分段药包起爆时间不发生重叠甚至跳段现象; ③在起爆网路设计和施工中,力求标准化,以便实际联网时操作简单、避免发生差错。
(2) 起爆网路设计。由于冷却塔爆破施工中爆破面积大、钻孔多,保证每个药包均能起爆是爆破成败的关键〔3〕。本次爆破采用非电毫秒导爆管雷管起爆网路。将爆破切口分为一、二、三区。1 # 冷却塔分别用MS3 、MS5 、MS7 段, 2 # 冷却塔分别用MS11 MS12 、MS13 段导爆管雷管,采用“大把抓”和四通连接的爆破网路。先将塔壁、人字柱、支柱环内炮孔导爆管雷管每15 到20 发捆扎成一束,再绑上2 发MS5 段导爆管雷管,导爆管雷管用四通和导爆管连成闭合回路。闭合网路之间多次搭接,形成闭合复式交叉网路,用电雷管起爆。
4 安全防护措施
411 振动安全校核
(1) 爆破振动。大量的工程实践证明,对于高耸建筑(构筑) 物的爆破而言,炸药爆炸产生的爆破振动,由于单段起爆的最大药量不大,总炸药量相对较小,药包分散布置在地面以上的介质中,因此形成的爆破振动对周围环境的影响很小〔4〕。装药爆炸引起的垂直振动速度计算公式为:v = K′K (3Q/ R)α式中: v 为垂直振动速度, cm/ s ; K、α为与地形、地质有关的系数,取K = 3316 、α= 116 ; K′为拆除爆破
衰减系数,取0125 ; Q 为单响最大药量,取1916kg ;R 为测点到爆源的距离,取15m。将以上数据代入公式计算得振动速度v = 0154cm/ s。《爆破安全规程》中规定爆破振动安全允许标准:砖砼结构楼房的抗震能力为218cm/ s。以上计算说明,按此设计对相邻建筑是安全的。
(2) 冷却塔倒蹋落地冲击振动。由于冷却塔的结构特点,其倒塌过程不像烟囱和水塔等高耸建筑物那样整体落地,而是在倒塌过程中发生扭曲变形后落地,其落地冲击振动比同等质量的烟囱等建筑小。现按照地面没有任何缓冲设施,整体落地的极端情况进行验算。目前建筑物塌落振动,按照周家汉教授总结的计算公式〔5〕:
vt = KtR( Mg H/σ) 1/ 3β式中: vt 为塌落引起的地面振动速度,cm/ s ; M 为下落构件的质量,1740t ; g 是重力加速度918m/ s2 ;H 为构件的高度,70115m ; R 为观测点至冲击地面中心的距离,50m ;σ为地面介质的破坏强度,一般取10MPa ; Kt 、β分别为塌落振动速度衰减系数和指数。按照高耸烟囱的分析数据,在地面采取减振沟、垒筑土墙减振措施时, Kt 取1/ 3 ×4109 = 1136 、β取- 1180 ,经计算vt = 1132cm/ s 。理论计算结果符合规程要求。为确保万无一失采取以下技术措施降低塌落振动:将塔体塌落区域内混凝土地面打碎,并覆盖1m厚松软土层; 在冷却塔与煤气管道之间开挖一条115m 宽、2m 深的减振沟,在煤气管道上覆盖115m厚的松土,爆破前停气并排空,以保护管道;自来水管道停水处理;附近居民楼、加油站等重点对象,安排测点进行爆破振动监测。
412 爆破冲击波及噪音
本次爆破采用多点分散装药,单孔药量不大,周边空间比较有利于空气冲击波和噪音的衰减。为了降低冲击波和噪音对周边居民和环境的影响,采取孔口严密填塞、加强防护、控制单响起爆药量,达到爆破安全规程对噪声的要求。
413 爆破飞石
本次爆破在人员、建筑密集地区进行,对爆破飞石的防护是重中之重。因此采取以下安全技术措施: ①保证炮孔的填塞长度和填塞质量,控制单孔装药量; ②用3 层湿草帘直接缠绕在各装药板块上,用铁丝绑牢; ③距筒壁爆破板块1m 架设5m 宽、215m高的悬挑式脚手架,挂竹胶板防护; ④预拆除窗口用编织布覆盖,防止个别飞石从中飞出; ⑤人字柱及环梁位置覆盖废旧轮胎编成的炮被; ⑥对重点防护部
位采用近体防护措施,防止个别飞石危害。
414 爆破扬尘控制
在居住区附近进行爆破施工,必须采取一定措施,尽量降低爆破扬尘对周围环境的影响。采取以下技术措施:围蔽施工场地,把粉尘的扩散范围尽量减小;将防护用的草帘子打湿,作为降尘帷幕。爆破前,清理建筑物和建筑倒塌场地上的积尘,往建筑物上洒水,冲洗建筑物上的浮尘,减少扬尘源;爆破当日,安排洒水降尘和冲洗地面,爆破后立即用水枪喷水降尘。
415 安全警戒
为了保证爆破安全,在爆破现场周围布置了12个警戒点,为了减小爆破对交通限制的压力,爆破时间选择车流量较小的早晨进行。提前向周围的居民进行了宣传,对有关人员进行了撤离。
5 爆破效果
黄台电厂两座冷却塔于2009 年3 月22 日早6时实施爆破,起爆后仅3s 就轰然倒塌。1 # 冷却塔完全倒塌,倾倒方向较设计方向向北偏离5°左右,倒塌距离12m。2 # 冷却塔完全按照设计方向倒塌,倒塌距离21m。冷却塔保留人字柱未倒,其上部筒壁从爆破切口处断开,留下部分残壁,这种现象在冷却塔的拆除中是常见的,利用机械设备很快就进行了拆除。倒塌效果比较理想,大部分爆破残体落于中央水池中。对距离最近的居民楼、加油站等处进行的爆破振动测试结果不大于115cm/ s。煤气管道、水管道等设施,恢复后未发现异常,爆破取得圆满成功。
