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第 32 卷 第 1 期 2015 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 021 2 座 105 m 高双曲线冷却塔控制爆破拆除 赵明生 1， 2， 池恩安1， 宋芷军1， 乐 松1， 王丹丹1， 3， 刘 强1， 赵 飞1 （1. 贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵阳 550002； 2. 中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院， 北京 100083； 3. 武汉理工大学 资源与环境工程学院， 武汉 430070） 摘 要 针对复杂环境下 2 座 105 m 高冷却塔的结构特点和周围环境情况， 采用了机械开设定向窗和减荷 槽的预处理方案， 之后对圈梁和人字立柱进行爆破。采用了交叉复式网路多段微差爆破， 通过延期增加冷却 塔倒塌时扭转撕裂时间， 来减小冷却塔的塌落块度； 采用双层胶皮网和草垫结合的方法有效的控制了飞石； 采用开挖减震沟、 敷设减震缓冲提有效降低了塌落冲击振动； 特别是针对冷却塔爆破粉尘污染严重的现象， 在冷却塔基础处灌入 1 m 高的水， 采用单药量分散小药包进行水耦合爆破， 有效的降低了粉尘的危害。最后 利用高速摄影分析了冷却塔倒地冲击气浪造成周边民宅受损的原因。 关键词 爆破拆除；冷却塔；水耦合；倒塌过程分析 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0106 -05 Controlled Explosive Demolition of Two 105 m Hyperbolic Cooling Towers ZHAO Ming-sheng1， 2， CHI En-an1， SONG Zhi-jun1， YUE Song1， WANG Dan-dan1， 3， LIU Qiang1， ZHAO Fei1 （1. Guizhou Xinlian Blasting Engineering Group Co Ltd， Guiyang 550002， China； 2. Faculty of Resource and Safety Engineering， China University of Mining Technology， Beijing 100083， China； 3. School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430070， China） Abstract Based on the construction features of the two 105 m cooling tower and the surroundings， directional win- dows and load-reducing grooves were opened by machine firstly， and then the demolition blasting was used to ring beams and zig-zag uprights. Millisecond delay blasting with cross duplex network was applied， which increased the cool- ing towers reversing and tearing time， finally the falling lumpiness was reduced. Double layer rubber nets and straw mattresses were used to reduce fly rocks. Damping ditches and cushioning dykes were arranged to effectively reduce vi- bration from falling shock. Water coupling blasting with scattered small charges and 1m high water at the bottom of the cooling towers was designed for the dust pollution in the cooling towers blasting， which greatly reduced the dust dam- age. High-speed photography was applied to analyze the reason for the huge air billows in the towers collapse. Key words explosive demolition；cooling tower；water coupling；falling progress analysis 收稿日期 2015 -01 -21 作者简介 赵明生 （1982 - ） ， 男， 博士后在站人员， 黑龙江省双城市 人， 高级工程师， 主要从事工程爆破及安全技术研究，（E- mail） mingshengzhao126. com。 1 工程背景 需要拆除的 2 座冷却塔位于贵州省 黔北发电 厂内， 2 座冷却塔并立， 间距 43 m， 1冷却塔北侧 30 m 处有机修间和材料间， 100 m 处有两栋办公 楼； 南侧 30 m 处电厂围墙外面有一排民房； 西侧 25 m 处有综合水泵房、 生活水池和 1、 2澄清池。 2冷却塔的北侧 25 m 处有循环水泵房、 加药间和危 险品库， 60 m 处有配电室和空压机房； 东南侧 20 m 处山坡上有一架高管线， 距离南侧30 m 处电厂围墙 外面有民房。两座冷却塔东南侧 200 m 处有 3 组 2500 kW 的冷却塔在正常作业， 1、 2冷却塔周围环 境具体情况见图 1 所示。 图 1 冷却塔周边环境示意图 （单位 m） Fig. 1 Surrounding of cooling tower （unit m） 2 结构特点 冷却塔属于薄壁双曲线双层钢筋网混凝土结 构， 由环形基础、 人字形柱、 环形梁和通风筒四部分 构成。冷却塔总高自地面标高 0. 00 m 计为 105. 25 m， 基础地面直径为 80 m， 基础最外面 直径 82. 058 m。人字形立柱横截面尺寸是 0. 60 m 的正方形， 由 C30 混凝土浇注而成， 柱内有 4 根  12、 8 根  18、 4 根  22 的竖筋和  8 箍筋， 共 40 对人字形立柱， 共计 80 根； 人字柱上部是高 1. 2 m、 厚0. 7 m 的钢筋混凝土圈梁。通风筒高自地 面标高 7. 3 m 至 105. 25 m， 筒壁设计为双 曲线 形。底 部 直 径 为 82. 058 m， 最 顶 部 直 径 48. 942 m， 筒身高程 78. 75 m 处圆周位于双曲 线的顶点， 该处半径最小， 中心半径是 22. 788 m。 通风筒的底部壁厚 0. 7 m， 筒体最薄处壁厚0. 16 m。 3 难点分析 （1） 从周围环境考虑， 需保护的建 （构） 筑物离 待爆冷却塔距离较近， 并且距冷却塔西南围墙外 30 m 处为居民区， 民房大多为自建， 结构强度基本 都未达到国家标准， 且最近民房距离冷却塔仅有 25 m， 需准确控制倒塌方向， 控制爆破飞石的安全 距离以及冷却塔倒塌触地振动的大小， 确保周围建 筑物的安全。 （2） 从结构分析考虑， 待爆破的 1、 2两座冷却 塔， 高 105. 25 m， 底部直径 82. 058 m， 高细比为 1. 28， 在爆破时要防止爆而不倒或爆后解体不充分 的情况。 （3） 从倒塌分析考虑， 待拆除的 1、 2冷却塔均 为双曲线型薄壁双层钢筋网混凝土结构， 105. 25 m 的高度和 82. 058 m 的底部直径使得倒塌重量和空 气气浪相对较大， 因此在倒塌触地过程极易产生较 大触地振动和强烈的空气气浪。 4 爆破方案 采用机械冷作的预处理方式开设定向窗和减荷 槽 ［1］， 之后对圈梁和人字立柱进行爆破的定向倒塌 方案； 冷却塔倒塌方向定为对向倒塌。 4. 1 预处理 4. 1. 1 预处理目的 预处理的目的主要在以下几个方面 （1） 有效的控制建 （构） 筑物的倒塌模式、 倒塌 顺序和倒塌方向。 （2） 对建 （构） 筑物承重部位或某些特殊部位， 如圈梁、 混凝土梁、 进行必要的削弱， 可以降低建筑 物的整体刚性或局部刚性， 保证建 （构） 筑物在爆破 时的顺利解体， 改善破碎效果， 降低爆堆高度。 （3） 简化爆破部位， 减少钻孔作业量和装药量。 对部分切口范围内的塔壁预先处理， 不仅可以减少 爆破时的炮孔数、 装药量， 有利于安全防护， 而且对 建 （构） 筑物的顺利倒塌有积极的意义。 4. 1. 2 预处理部位及施工方法 爆破缺口边界范围进行一定的预拆除处理， 以 减少爆破施工量， 同时能确保塔体稳定。具体的部 位与施工处理方法为 （1） 预开窗口 在爆破切口区域内， 环状圈梁上 面的壁体开设卸荷槽， 由倒塌中心线向两侧对称设 置 13 个4 m X2 m 卸荷槽， 正中间一个为导向窗， 两 端两个为定向窗， 窗口内部混凝土全部破碎， 钢筋割 断， 见图 2 所示。 （2） 淋水系统的梁、 柱是预制构件， 与塔身不是整 体相连的， 这些构件爆前全部预拆除。实物见图3。 4. 1. 3 预拆除稳定校核 冷却塔筒壁混凝土体积 5260. 13 m3， 按混凝土 密度 2. 8 t/ m3计算， 总重为 14 728. 36 t。减荷槽总 宽度 13 X 2 26 m， 预拆除后保留筒壁部分长 l 251. 2 -26 225. 2 m， 取平均壁厚 0. 6 m， 混凝土 701第 32 卷 第 1 期 赵明生， 池恩安， 宋芷军， 等 2 座 105 m 高双曲线冷却塔控制爆破拆除 抗压强度 20 MPa （考虑到混凝土老化， 原混凝土强 度 30 MPa， 现取保守数字） ， 支撑总重 混凝土抗压 强度 X 支撑面积 225. 2 X 0. 6 X 20 270 240 t， 大 于筒壁总重， 可确保结构稳定 ［2］。 图 2 爆破切口示意图 （单位 m） Fig. 2 Layout of blasting cut （unit m） 图 3 预处理示意图 Fig. 3 Layout of pretreatment 4. 2 爆破参数 冷却塔布孔部位为人字形立柱和减荷槽下方环 形圈梁部位 （如图 4 右） ， 具体参数如下。 4. 2. 1 爆破切口 采用正梯形爆破切口， 爆破切口圆心角为 220， 切口高度 13. 5 m， 缺口范围内每隔 18 m 预处 理一个减荷槽， 减荷槽高 4 m， 宽2 m， 共13 个， 切口 内待爆破人字柱 24 对 ［3］。 图 4 网路示意图 Fig. 4 Layout of blasting network 4. 2. 2 爆破参数 （1） 环形梁切口 圈梁为1.2 m X0.7 m 的钢筋混凝土结构。孔深 按 L 2/3δ 设计孔深， 爆破部位的壁厚 δ 0.7 m， 钻孔 深度 L （0. 6 0. 8） δ， 取 L 0. 47 m； 炮孔间距 a 30 mm； 炮孔排距 b a 30 mm； 单孔装药量按体积公 式 Q qabδ， 式中 q 取1500 kg/ m3， 单孔装药量为 Q 95 g， 爆破前根据试爆结果调整药量 ［4］。 为有效增加塔身的下落高度， 加强冷却塔触地 时充分解体， 对爆破缺口内的支撑柱布置炮孔， 该冷 却塔立柱截面为 0. 6 m X0. 6 m 的钢筋混凝土人字 柱。孔深 L （0. 6 0. 8） δ， L 0. 4 m， 孔距 0. 5 m 单孔 装 药 量 按 体 积 公 式 Q qabδ，式 中 q 取 1200 kg/ m3， 单孔装药量为 Q 90 g， 爆破前根据试 爆结果调整药量。 4. 3 起爆网路 网路采用非电导爆管微差延期起爆网路， 切口 内环形梁和人字柱孔内均采用 MS10 段导爆管， 每 对人字柱和对应的环形梁切口簇联， 区间采用 MS5 段导爆管连接 （区间划分如图 4 所示） ［5-7］， 由两侧 向倒塌中心敷设， 交叉复式连接， 两个冷却塔之间延 时 3 s。两个冷却塔共用 330 kg 2 号岩石乳化炸药， 单段最大药量为 20 kg。 5 安全防护措施 （1） 采用双层胶皮网和草垫结合的方法对爆破 飞石进行控制。具体布设方法 首先用胶皮网对环 形梁切口和人字立柱布孔位置包裹捆扎， 然后在胶 皮网防护结构上悬挂柔性草垫 （如图 5 所示） ， 以阻 挡穿过第一道胶皮防护的飞石。 801爆 破 2015 年 3 月 图 5 胶皮网、 草垫双层覆盖防护示意图 Fig. 5 Layout of double layer rubber nets and straw mattresses （2） 在冷却塔西南侧 （即靠近居民区一侧） 围墙 内开挖了减震沟， 减震沟宽 2 m、 深 1. 5 m、 长100 m， 见图6； 在两塔之间倒塌方向敷设了3 条减震缓冲堤， 靠近两个冷却塔 8 m 处各设置一条长 80 m、 宽2 m、 高2.5 m 缓冲堤， 在两个冷却塔倒塌方向中间位置设 置一条80 m、 宽2 m、 高2 m 缓冲堤 （见图 6） ， 缓冲堤 材料为回收冷却塔淋水系统的轻质材料冷却瓦， 以减 缓筒体触地速度， 降低了塌落冲击振动 ［8， 9］。 图 6 减震沟、 减震缓冲堤示意图 （单位 m） Fig. 6 Damping ditch and flexible material buffer （unit m） （3） 针对冷却塔爆破伴随大量粉尘产生现象， 为对其进行有效控制， 在冷却塔基础处灌入 1 m 高 的水， 在距冷却塔环形圈梁内侧 3 m、 6 m 圆周上布 设 2 圈分散小药包， 药包沉入水底， 采用单药量 0. 1 kg 分散小药包进行水耦合爆破， 药包间距 5 m （具体布设见图 7） ， 水耦合药包延时大于切口主药 包延时， 致使切口爆破产生大量粉尘时水幕帘刚好 形成， 以降低粉尘危害 ［10］。 图 7 分散水耦合小药包布置图 （单位 m） Fig. 7 Layout of decentralized water occasionally charge （unit m） 901第 32 卷 第 1 期 赵明生， 池恩安， 宋芷军， 等 2 座 105 m 高双曲线冷却塔控制爆破拆除 6 爆破结果与分析 （1） 采用高速摄影仪对整个爆破过程进行了记 录 （如图 8） ， 10. 7 s 塔壁出现初始裂纹， 11. 7 s 充分 扭转撕裂， 爆后两座塔体大体摔碎成扁平或碎块， 基 本都在水池坑内； 通过现场测量， 在倒塌中心线上， 1冷却塔前倾距离为 21. 4 m， 2冷却塔前倾距离为 15. 1 m。爆堆高度 3. 5 m， 较为集中。未爆人字柱 全部被拉倒折断。 图 8 高速摄影仪拍摄冷却塔倒塌过程 Fig. 8 Collapse process of cooling tower photoed by high speed camera （2） 爆破产生的飞石对冷却塔南侧 30 m 处电 场围墙外民房造成了损坏， 多处民宅窗户玻璃被散 热瓦碎块砸破。通过分析高速摄影仪记录照片， 主 要原因有以下几点。 首先微差时间过短， 冷却塔倒塌时扭转撕裂不 充分， 塔身整体性未被完全破坏； 其次环形圈梁切口 较少， 圈梁破坏不充分， 切口部位圈梁局部整体性未 被完全破坏， 造成了冷却塔切口上部结构完整性较 好， 倒塌触地时塔腔内大量空气瞬间被挤出， 形成高 压气浪。另外减震缓冲堤的材料为回收冷却塔淋水 系统的轻质散热瓦， 冷却塔爆后砸落到缓冲堤上， 飞 溅起的散热瓦碎块变成另一种形式的 “爆破飞石” ， 倒塌触地形成的高压气浪加速了飞溅散热瓦碎块并 将其抛向四周， 形成飞散散热瓦碎片危害， 之前未对 冷却塔南侧 30 m 处电厂围墙外较近的民房采取近 体防护措施， 如搭设防护排架等， 所以飞散散热瓦碎 片对南侧民房造成了损害 ［11， 12］。 （3） 在冷却塔西南围墙外 30 m 民房处经振动 监测， 取垂直方向质点振动速度观测 （如图 9） ， 最大 峰值 质 点 振 动 速 度 为 0. 215 cm/ s，主 振 频 率 66. 7 Hz， 爆破安全规程规定一般砖房、 非抗震的大 型砌块建筑物最大安全峰值质点振动速度 ［13］ 50 100 Hz， 2. 7 3. 0 cm/ s， 爆破振动波和触地地震波 均小于爆破安全规程允许的安全速度， 未对其造成 损害。 图 9 30 m 民房处测点波形图 Fig. 9 Wave diagram of measuring points （4） 通过爆后现场观测以及高速摄影仪照片记 录， 冷却塔倒塌过程中水耦合药包形成的水幕帘捕 捉了切口处产生的大量粉尘， 对降低塔基底部粉尘 起到良好效果。 7 结语 （1） 采用胶皮网捆扎、 草垫覆盖双层防护方法， 有效地控制了环形梁和人字立柱处爆破飞石的产生。 （下转第 120 页） 011爆 破 2015 年 3 月 folded explosive demolition of 10-storey framed building ［J］ . Blasting， 2013， 30 （1） 79-81. （in Chinese） ［7］ 唐春海， 张永哲， 梁向前. 150 m 高烟囱爆破拆除振动 测试 ［J］ . 爆破， 2013， 30 （2） 131-133. ［7］ TANG Chun-hai， ZHANG Yong-zhe， LIANG Xiang-qian. Monitoring on vibration caused by explosive demolition of 150 meters height chimney ［J］ . Blasting， 2013， 30 （2） 131-133. （in Chinese） （上接第 110 页） （2） 在水池中安放分散药包的水耦合爆破方法 有效的控制了爆破粉尘的产生。 （3） 利用高速摄影分析了冷却塔倒地冲击气浪 大造成周边民宅受损的原因， 可为类似的工程提供 借鉴。 参考文献 （References） ［1］ 吕小师， 龚 健， 朱运华. 2 座 100 m 高钢筋混凝土冷 却塔控制爆破拆除 ［J］ . 辽宁工程技术大学学报 （自然 科学版） ， 2014， 33 （2） 218-221. ［1］ LV Xiao-shi， GONG Jian， ZHU Yun-hua. Control explo- sive demolition of two 100 m reinforced concrete cooling towers ［J］ . Journal of Liaoning Technical University （Nat- ural Science） ， 2014， 33 （2） 218-221. （in Chinese） ［2］ 付天杰， 王全杰， 刘 刚. 123 m 双曲线冷却塔控制爆 破拆除 ［J］ . 爆破， 2012， 29 （3） 82-85. ［2］ FU Tian-jie， WANG Quan-jie， LIU Gang. 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