86 m高危冷却塔拆除爆破振动危害研究*

何　松　张义平　池恩安，3　李　勇　何兴贵

(1.贵州大学矿业学院；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室；3.贵州新联爆破工程集团有限公司)



86 m高危冷却塔拆除爆破振动危害研究*

何松1，2张义平1，2池恩安1，2，3李勇1，2何兴贵1，2

(1.贵州大学矿业学院；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室；3.贵州新联爆破工程集团有限公司)

摘要冷却塔类高耸构筑物由于结构的特殊性，拆除爆破振动危害很大，必须采取有效措施加以控制，保障周边受保护对象安全。通过研究拆除爆破振动特性，采取设置减振沟、减振堤、防护墙等防护措施，并通过振动监测和波形分析的方法验证振动防护措施的安全有效性，为类似拆除爆破振动危害防治工作提供参考。

关键词冷却塔拆除爆破微差控制爆破技术减振沟振动监测

自70年代国内拆除爆破技术兴起以来，建(构)筑物拆除爆破的振动危害产生机理、防护手段一直是爆破工程行业长期探讨的课题。中国科学院力学所周家汉最先基于冲量定理提出了的建筑物塌落振动公式雏形，并最终基于能量守恒综合回归分析方法提出了目前被广泛采用的塌落振动速度计算公式[1];张世平等对高大建筑物拆除爆破振动危害及减振方法做了研究[2]；朴志友等对120 m 混凝土烟囱爆破拆除的振动测试做了研究[3]；蒋耀港等对构筑物爆破拆除振动规律做了分析研究[4]。本文以复杂环境下高危冷却塔爆破拆除为实例，通过现场振动监测数据及波形图分析，对爆破拆除冷却塔振动危害的产生机理、传播规律及防治措施进行分析研究。

1工程概况

贵阳电厂废弃的2#冷却塔因城市建设用地需拆除。其部分人字柱、圈梁及塔壁已被机械拆除破坏，周边存在聚居民房、厂房及铁路高架桥等受保护对象，环境十分复杂，故已成为急需进行拆除处理的高危建筑。

冷却塔塔身距地面高度为86 m，底部直径为60 m，喉部直径为30 m，上部直径为38 m，平均壁厚0.2 m；圈梁高1 m，厚0.5 m；人字柱横截面尺寸为0.4 m×0.4 m，高5.5 m，共计80根。待拆除冷却塔见图1。

图1　待拆除冷却塔

2减振技术

2.1拆除爆破振动特性

拆除爆破振动主要包括爆破振动、后座振动、切口闭合振动和主体塌落触地振动4部分。

根据爆破拆除冷却塔的装药特点，药包位于地表之上的人字柱及圈梁上，且单孔装药量小，临空面多，炸药爆炸产生的能量，除了用于破坏炮孔周边结构之外，大部分能量以高能的爆生气体形式向四周传播，剩下的小部分能量通过塔体再向地面传播，产生的爆破振动较小。而冷却塔塌落触地过程中，由于塔体重量大、倒塌高差大，因而重力势能很大，倒塌触地振动也就较大[5]。

工程研究证明[2]，爆破振动频率大都在10～50 Hz，且作用时间短，振幅衰减快，对周围建筑物危害较小；塌落触地振动频率与建筑物自振频率接近(3～10 Hz)，且作用时间长，对周围建筑物危害较大。

2.2减振方案设计

爆破振动及塌落振动以机械波的形式传播，分别是炸药爆炸能量和建(构)筑物塌落动能在介质中传递过程的表现形式，通过有效措施干预能量释放和机械波的传播即可达到降低振动的目的。

2.2.1能量释放干预

工程实践证明，根据“微分原理”采取多打孔、少装药、减少同段齐爆药量等方式，可以有效降低爆破振动。此外，根据中科院力学研究所给出的建筑物拆除时的塌落振动速度计算公式：

(1)

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,t;g为重力加速度,9.8m/s2;H为构件的高度,m;σ为地面介质的破坏强度,一般取10 MPa;R为观测点至冲击地面中心的距离,m;Kt、β为塌落振动速度衰减系数和指数。

因此，可通过微差控制爆破技术手段，使构筑物在空中发生扭曲变形、碰撞解体以分散下落物质量M，还可使用细砂铺设减振堤以降低地面介质的破坏强度σ，从而达到降低塌落振动速度Vt的目的。

2.2.2机械波传播干预

利用机械波的传递特点：当波传递到2种波阻抗不同的介质边时，机械波将在边界位置发生折射，从而被削弱。采取在震源与受保护对象之间开挖减振沟槽，在倒塌区域铺设减振堤等方式可有效降低塌落触地振动。相关实例监测数据表明，高大的烟囱类构筑物爆破拆除时采用开挖减振沟槽、铺设减振堤等方式的减振效果可达到70%以上[1,6]。

根据拆除爆破振动特性及上述减振原理，结合工程周边环境情况，采取以下减振防护措施：

(1)采用微差控制爆破，减少同段齐爆药量，降低爆破振动，同时使得冷却塔塔体在倒塌过程中扭曲解体，分散塔体触地质量。

(2)在临近铁路高架桥一侧平行挖设2条减振沟，一条长120 m，宽3 m，深 2.5 m；另一条加强减振沟长110 m，宽3 m，深4.5 m。

(3)使用松软细砂在倒塌触地方向铺设长55 m，高 2 m，宽4 m减震堤3条，紧邻第三条减振堤后设置50°，长40 m，高6.5 m，底宽12 m的梯形缓冲防护墙。

(4)利用自然条件，设计倒塌方向东偏南42°，倒塌正前方与民房聚居点之间被24 m宽、3.5 m深的河流隔断，削弱振动波的传播。

3振动监测

3.1监测方法及测点布置

测点布置按照突出重点原则及距离最近原则，测试系统设备选用4台Instantel Series IV高级振动和过压监测仪分别布置在铁路高架桥距离倒塌中心最近的9#、8#、7#桥墩及旁边的金桂园小区楼基础，6台TC-4850N型爆破测振仪分别布置在图2所示的6个测点位置，共计10个测点。

图2　测点布置示意

3.2振动监测结果

本次冷却塔拆除爆破从起爆到完全塌落触地共历时10 s，读取10个振动测点0～10 s监测到的数据，统计结果见表1。其中， 1#、7#测点因仪器传感器受到外界异物触碰导致主振频率误差， 5#测点因仪器故障不能传输振动数据。

通过矢量合成分析方法，得到三轴振动矢量合成最大振速，所有测点位置最大振动速度都在0.2 cm/s以下，远低于《爆破安全规程》(GB 6722—2014)安全允许标准2 cm/s[7]，周边受保护建筑物处于安全状态。位于铁路高架桥桥墩的7#、8#、9#测点中，8#测点振动速度峰值小于最小触发值0.02 cm/s，7#测点三轴振动矢量合成最大振速为0.124 cm/s，9#测点为0.069 cm/s，均小于火车通过铁路桥时桥墩振动速度实测值0.3 cm/s，故铁路高架桥未受到本次拆除爆破振动破坏影响，处于安全状态。

表1　各测点振动监测结果

注：“/”表示实测质点振动速度峰值小于监测仪器触发值0.02 cm/s；“-”表示测振过程中仪器受外界干扰或故障出现误差。

4振动分析

(1)1#测点位于塌落触地振动最大传播方向，三轴矢量合成最大峰值振速值仅为0.046 cm/s，其余各测点最大值都在0.2 cm/s以下；以7#测点位置为例，用式(1)估算该测点理论塌落振动速度值Vt=2.365 cm/s，而7#测点实测数据的三轴矢量合成最大值仅为0.124 cm/s，说明采取的减振措施达到了较好的减振效果。

(2)观察分析测点矢量合成图(图3)，在3个时间区域集中出现振动峰值：0～0.8 s出现爆破振动峰值；2～3 s出现后座振动、爆破切口闭合振动峰值；7～8 s出现塔体触地振动峰值。存在明显变化规律：倒塌方向正方向、侧前方测点(1#、2#、3#)最大振动峰值出现在7～8 s的第三区域；倒塌方向反方向、侧后方测点(4#、6#)最大振动峰值出现区域向第一、第二区域过渡，其中4#测点3个区域内的振动峰值大小相差不大，6#测点的最大峰值出现在0～0.8 s的第一区域。

图3　2#、3#、4#、6#测点三轴振动矢量合成图

(3)选用布拉克曼窗函数提高主频幅值精度，对2#、3#、4#、6#测点监测数据进行FFT转换，得到FFT幅度谱图(图4)。观察分析各测点振动频率在20 Hz以内，相比一般爆破振动频率20～50 Hz，拆除爆破振动频率与建筑物自振频率(3～10 Hz)相近，因此，采取有效的减振措施具有重要意义。

图4　2#、3#、4#、6#测点FFT幅度谱图

5结论

(1)通过分析冷却塔拆除爆破的振动特性以及振动的能量来源和机械波传播方式，采取在临近重点保护对象一侧平行开挖2条减振沟以及使用细砂在倒塌区域铺设减振堤、缓冲防护墙的减振措施，经验证能够有效降低振动速度。

(2)由于构筑物质量是影响其塌落振动速度的重要因素，采用微差控制爆破技术，使冷却塔塔体在倒塌过程中发生扭曲撕裂变形而相互碰撞，从而分散了塔体塌落触地质量，减小了塔体触地最大段质量，对于降低塌落触地振动具有积极作用。

(3)使用振动监测仪器，合理布置监测点，通过振动监测和振动波形图分析评价爆破振动危害对于周边建筑物影响。本次冷却塔爆破拆除工程各方位测点振动速度最大值均未超过0.2 cm/s，远低于国家安全允许标准2 cm/s；此外铁路高架桥桥墩处振动速度最大值为0.124 cm/s，低于火车驶过高架桥时桥墩处振动速度0.3 cm/s，证明了拆除爆破振动防护方案的安全有效性，为类似构筑物的拆除爆破设计提供了一定的参考依据。

参考文献

[1]周家汉．爆破拆除塌落振动速度计算公式的讨论[J].工程爆破，2009，15(1)：1-4，40．

[2]张世平，阎晋文．爆破拆除高大建筑物产生的震动危害与减震方法[J].太原理工大学学报，2006，37(6)：685-687．

[3]朴志友，崔正荣，赵明生，等．120m混凝土烟囱爆破拆除振动测试与分析[J].爆破，2008，25(1)：79-81,85．

[4]蒋耀港，沈兆武，龚志刚，等．构筑物爆破拆除振动规律的研究[J].振动与冲击，2012，31(5)：36-41．

[5]王瑞贵，建筑物爆破拆除塌落触地震动效应研究[D].武汉:武汉大学，2005.

[6]汪旭光.爆破设计与施工[M].北京:冶金工业出版社，2011．

[7]中国爆破工程协会.GB 6722—2014爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社，2014.

(收稿日期2016-01-18)

国家自然科学基金项目(编号：50764001)。

何松(1991—)，男，硕士研究生，550003 贵州省贵阳市花溪区。