邓志勇^1，2    张志毅^1，2

（1．中国铁道科学研究院，北京，100081；

2．深圳市和利爆破技术工程有限公司，广东深圳，518040)

摘要：本义介绍了双曲线冷却塔爆破拆除技术和成功实例。通过合理选择冷却塔爆破拆除的爆破切口尺寸、爆破孔网参数和起爆网路，以及优化爆破施工工序等，使该冷却塔结构的爆破拆除达到了预期效果。结合对倒塌过程的观测以及通过对测试数据的分析，得到了冷却塔塔体的倒塌位移与时间的关系，以及冷却塔爆破切口的闭合过程。论文研究结果对于电厂冷却塔的爆破拆除设计具有指导意义和应用价值。

关键词：双曲线冷却塔；爆破拆除；爆破切口；爆破参数

双曲线冷却塔一般为钢筋混凝土圆筒形高大构筑物，其爆破拆除具有一定的难度，与其他高耸建筑物(烟囱、水塔等)有着不同的特点：(1)冷却塔结构直径下大上小、重心偏低、结构稳定；(2)冷却塔高细比小，其底部直径较大，爆破后结构失稳重心不易偏出，容易发生后坐或坐而不倒现象；(3)冷却塔为薄壁结构，爆破过程中筒身容易发生扭曲现象，扭曲是导致其顺利倒塌的重要环节；(4)冷却塔属于薄壁结构，其钻孔数量多、炮孔浅，装药填塞困难，因此必须严格控制单响药量，加强安全防护。为此，必须根据冷却塔的结构特点，科学设计爆破切口、爆破参数等，保证爆破施工安全及爆破效果。

本文以广东省茂名市热电厂两座双曲线冷却塔的爆破拆除为工程背景，详细说明了其技术和设计方法，通过观测数据的分析给出了塔体倒塌位移与时间的关系以及爆破切口的闭合过程，可为类似工程提供参考。

1  工程概况

广东省茂名市热电厂待拆除的有l号、2号两座冷却塔，高度和底部直径分别为123．2m、90．7m，和90m、71．8m，由于两塔的结构基本相同，本文只针对l号冷却塔加以介绍，其结构为：l号冷却塔为钢筋混凝土结构(标号为300号)，塔筒人字柱底部直径90．7m、顶部直径54．1m、高度123．2m。塔基础为环形基础，基础以上均匀分布44对直径70cm钢筋混凝土人字柱，底面标高为+0．OOm，柱顶端标高为+8．15m，此标高处通风筒直径85．5m，壁厚800mm，自+8．15～+20．5m壁厚渐次缩小为200mm，而从+20．5～+l15．8m壁厚稳定为200mm，+92．4标高处为塔筒细腰处，最小直径50．6m。冷却塔内部设有淋水平台，其与塔筒没有结构性的连接。

周围环境十分复杂，l号冷却塔南侧150m为正在运营铁路线，北侧46m为待拆除的2号冷却塔，东侧15m地面有输油管道，20m以远为生产厂区，西侧67m以远为民房；2号冷却塔南侧46m为待拆除的l号冷却塔，北侧20m为电厂煤灰场，东侧15m地面有输油管道，东侧20m以远为生产厂区，西侧30m为正在运行的一座冷却塔。1号、2号冷却塔之间地下1m处有正在使用中的排水箱涵。1号、2号冷却塔周围环境如图l所示。

2方案选择

2．1  倒塌原理

冷却塔爆破失稳倾倒的原理是：采用控制爆破方法，在塔体下部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，同时，在强大的重力作用下，切口上部的筒体会发生剪切破坏。随后，人字柱首先发生压弯破坏、失稳，塔体下坐。此后在剪切和倾覆力矩的作用下，塔体发生大面积扭曲变形，触地部分形成铰接支点，塔体最终完全倒塌。

2．2  方案选择

依据冷却塔爆破失稳倾倒原理，选择“预开定向窗，预处理部分塔壁板块、预留部分塔壁支撑板块”的定向爆破方案，并根据周围环境条件确定，1号冷却塔倒塌方向为北偏东8°,2号冷却塔倒塌方向确定为正南方向，如图1所示。2号冷却塔先爆破，1号冷却塔延后150ms起爆。冷却塔筒内淋水平台结构在筒体实施爆破前采用机械方式进行拆除。 

3爆破切口设计

冷却塔失稳倾倒须满足的条件：(1)爆破后塔体倾倒初期支撑体截面有一定的强度，使其不至于立即受压破坏而使简体提前下坐；(2)切口形成后，重力引起的倾覆力矩必须大于支撑体截面的极限抗弯力矩。因此，爆破切口是影响结构失稳倾倒的关键因素。

科学合理选择爆破切口形式、长度和高度是冷却塔爆破成功的关键。目前，国内爆破拆除冷却塔所采用的爆破切口形状基本上可分为三类：正梯形、倒梯形和复合型。本工程经对比论证采用倒梯形爆破切口形式。

3．1爆破切口长度

根据冷却塔失稳倾倒原理，爆破切口长度计算有材料抗弯曲强度法和应力分析检验法。

 (1)材料抗弯曲强度法。上部筒体自身重力对预留支撑体偏心引起的倾覆力矩M_G。应大于或等于预留支撑体截面的极限抗弯力矩M_R。

(2)应力分析检验法。爆破切口形成瞬间，上部筒体自重造成支座部分偏心受压，应力瞬时重新分布，根据结构力学原理计算出切口角度大小与支座部分应力分布的关系，从而可以判断所选切口角度下高耸筒式结构能否顺利倒塌。

在实际设计施工中，一般采取半理论半经验的方法。冷却塔爆破切口按重心偏出原理计算，并结合经验设计方法选取。切口长度可由式(1)计算选取。

根据资料显示，大部分的冷却塔爆破选取的切口圆心角度在190°～240°，即切口长度为(见式(2))：

式中，L为爆破切口长度，m；L_h为合理切口长度，m；D为切口处筒壁外直径，m。

经计算和实践经验类比确定1号冷却塔爆破切口圆心角为240°、切口长度180．15m、人字、支柱爆破27对，如图2所示。

3．2爆破切口高度

冷却塔底部直径达到90．7m，其高细比只有1．36，爆破后塔体重心不可能偏出新支撑点外，因此，其倒塌的后部分为塔体触地后筒身扭曲变形而引起。爆破切口高度应满足塔体触地后由重力G、惯性力F和支撑力N共同作用发生筒身的扭曲变形，一般由人字支柱高度、圈梁高度、塔身切口高度三部分组成。

整体切口高度必须超过圈梁并延伸至塔身，但过高的切口高度不仅浪费大量的人力物力，而且也不是塔体倒塌解体必须。经过反复比选和计算确定，1号冷却塔切口高度为15．73m，如图3所示。

3．3爆破切口预处理

如图2所示，在确保塔体稳定的前提下，对爆破切口范围内进行预拆除处理，环状圈梁的上面开设卸荷窗口，顺序上应先开中间、再开两侧，最后的两个窗口为定向窗。窗口内部的混凝土必须破碎，钢筋割断。保留筒壁应在人字立柱顶端上部。

1号冷却塔预拆除部分为28个3．11m×5．68m的窗口和2个3×5．68m三角形定向窗口，均匀分布在倾倒中心线两侧。冷却塔圈梁上选5个部位截断，截断部位钢筋同时切断。

4爆破参数和起爆网路设计

4．1爆破参数设计

针对切口内保留筒壁和人字支撑立柱进行爆破，l号冷却塔总炮孔数为1758个，总装药量332．96kg，具体爆破参数见表1和表2。

4．2起爆网路设计

采用非电起爆网路，孔内、孔外全部采用导爆管毫秒雷管，按设计要求顺序延时起爆。

冷却塔各部位起爆时差为：人字立柱孔内全部使用ms-8段导爆管毫秒雷管，筒壁孔内全部使用ms-6段导爆管毫秒雷管，孔外连接雷管使用ms-l段导爆管毫秒雷管。同一冷却塔形成网格式闭合起爆网路，l号冷却塔延后150ms起爆，由ms-6段导爆管雷管联动起爆。

5爆破安全

设计中对爆破振动和塌落振动均进行了安全校核。在实际爆破时根据现场情况布置了10个振动监测点，记录得到最大垂直振动速度为1．4lcm／s。结果表明，爆破振动和塌落振动对周边建(构)筑物安全未产生危害。

针对爆破飞石，本次爆破采取的措施主要是在爆破部位直接覆盖2～3层竹笆，并用铁丝贴壁捆绑。爆破后基本控制了爆破飞石，未对周边建构筑物产生影响。

6爆破效果分析

6．1塔体倒塌位移-时间曲线分析

将现场拍摄的录像按分帧数以图片的形式保存，在电脑上用图像处理软件进行分析。每帧之间的时间间隔是40ms，按没5帧保存一幅图片，转存结果如图4所示，每幅图之间的时间间隔为200ms。

在图像上长度是由像素来表示的，要将像素转换成实际长度，需要实际尺寸比例进行换算，换算公式见式(3)：

L=k·S_c (3)

式中，L为换算后的长度，  m；k为换算系数，k=R/S_y；R为原型已知的尺寸，m；S_y为已知原型尺寸R对应的像素数，即k表示每个像素代表的实际长度，此处R可以用l号冷却塔的顶部直径54．1 m，S_y为其对应的像素数172，因此k=0．315；S_c为需要换算的像素数。由于筒体倒塌时上部整体性保持得较好，而且在拍摄角度观察最清晰，所以在塔顶最右侧筒体上选取一点观察筒体的运动情况，如图5所示。将每幅图中跟踪点的像素坐标记录下来，换算成实际长度坐标，给出其位移-时间曲线，如图6和图7所示。

由图6竖直方向位移可以看出，爆后塔体在垂直方向并未出现马上移动，而是从1s处开始倾倒，竖向位移曲线的斜率开始增加，表明塔体的转动角速度是稳步增加的，至4s时出现一个拐点，曲线斜率由增加变为减小，表明塔体在此时触地；6s时，曲线再次出现拐点，表明触地的减速作用期已过，速度重新增加，塔体加速倾倒；至9s时，位移曲线趋于一条与x轴平行的直线，表明位移不再增加，塔体倒塌完毕。

从图7水平方向位移曲线可以看出，爆后，塔体绕着支撑点开始倾倒，位移逐渐增加；4s时出现拐点，说明此时切口、圈梁触地，塔体开始以新的支撑点倾倒，位移增速由缓慢逐渐增大。6s后一直到结束阶段，位移曲线的斜率有微小的变化，表明塔体水平速度在初始阶段开始增大，结束阶段由于摩擦力作用，速度减小到零；中间很大一段时间，位移曲线的斜率变化很小，表明塔体前冲时，一直是以恒定的速度向前运动，塔体并未发生后坐和下坐现象。

6．2切口闭合过程分析

为了研究塔体倾倒时切口闭合的过程，爆破时在塔体倒塌向的侧面布设了相机，专门对爆破切口进行了跟踪拍摄，将快速的变化过程记录下来，以图像的形式在电脑上进行分析，图8所示为选拍的切口闭合照片。

从图8中可以看出，在爆破切口形成后，紧贴定向角的保留体部位先出现裂缝，如图8(c)所示，随后裂缝逐渐向后上方扩展，直至与另一侧的裂缝贯通，随后裂缝加深，此部分混凝土虽然破坏，但钢筋并为断裂，因此后期随着塔体的倒塌，将人字支柱拉倒。

同时从图8中也可看出，在爆破后1．0s时，切口上部塔体开始出现变形(见图8（c）)，在1．125s时，塔体出现裂缝，之后变形加大，裂缝加深。而裂缝的底端正好为定向角所在的位置，说明塔体出现裂缝的位置与切口的大小有很大关系。

在这种切口参数情况下，爆破切口形成瞬间，预留截面内最大压应力首先大于钢筋混凝土的动载抗压强度，该处混凝土被压碎，塔体开倾倒。随着塔体的倾斜，倾覆力矩逐渐增加，切口外塔体保留部分受到的最大拉应力和最大压应力也逐渐增大，致使裂缝逐渐增大加深。因此，认为切口从形成到最终破坏可以分为三个阶段。

第一阶段：爆破切口形成瞬间，受塔体自身作用，结构以中性轴为界分为受拉区和受压区，由于受压区范围较小，受压区的最大压力首先大于钢筋混凝土的极限抗压强度，该处混凝土被压碎，出现裂缝，冷却塔开始倾倒，且承压区扩大。

第二阶段：随着塔体的倾倒，弯矩增加，因裂缝的扩展使中性轴向后移，而在新受拉区承受的拉应力增大，受拉区最大拉应力超过混凝土的极限抗拉强度，塔体保留部分截面上开始出现裂缝，即裂缝扩展至贯通，此时全部拉力由钢筋承担，钢筋拉应力突然增大。

第三阶段：为破坏阶段。当弯矩继续增加，由于钢筋的屈服，钢筋的应力保持不变而应变骤增，裂缝宽度明显增大并很快延伸，此后钢筋在塔体倾覆力矩的作用下受拉并产生颈缩断裂。此时塔体倾倒使爆破切口闭合，塔体绕支撑面旋转并最终倾倒，落地破碎。

7结论

(1)冷却塔高细比小、重心偏低，在倒塌过程中重心很难移出底部直径以外，其破坏形式以定向倾倒结合原地塌落为主。冷却塔失稳倒塌或坍塌破碎、解体是自身重力作用的结果，爆破只是使其结构失去稳定性的手段，爆破切口形式、切口高度、切口长度等参数是冷却塔定向爆破拆除的关键技术。

(2)冷却塔倒塌过程，首先切口形成瞬间，塔体在自身重力矩作用下开始定向倾倒；在切口闭合后，塔体受重力、惯性力和地面支撑力共同作用下开始发生变形、扭曲，结构破坏最终倒塌。扭曲是高大、薄壁冷却塔坍塌的一个必要过程，也是爆破成功的关键所在。

(3)爆破切口范围内合理预拆除，不仅可以减少爆破工作量，而且可以实现理想的爆破效果。

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摘自《中国爆破新进展》