趙明生，魏麗麗，李 杰，余紅兵，周建敏，羅 亮，徐 源，王 毅

(1.保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴陽 550025；3.中國知識產(chǎn)權(quán)培訓(xùn)中心，北京 100000；4.國網(wǎng)四川電力送變電建設(shè)有限公司，成都 610051)

輸電線高壓線鐵塔均采用鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)，高壓線鐵塔常規(guī)拆除都是以人工和機械拆除為主，對于因山體滑坡外界因素導(dǎo)致高壓線鐵塔產(chǎn)生傾斜變成危塔，目前還沒有人工和機械拆除先例。

待拆除對象為220 kV孟汶一二線11#輸電鐵塔，位于阿壩州理縣下孟鄉(xiāng)樓若村境內(nèi)。因連續(xù)強降雨導(dǎo)致地質(zhì)滑坡造成鐵塔基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)不同程度的沉降滑移裂縫，鐵塔主材及部分輔材斷裂，塔身扭曲變形，原廢棄C腿基礎(chǔ)立柱傾斜且已滑移至懸崖邊緣懸空(見圖1)。經(jīng)第三方檢測山體滑坡還在繼續(xù)，截止拆除前邊坡又沉降滑移了3.5 m?；麦w面積估算約4.2萬m2，滑坡體正下方沿薛孟路有2個村莊，存在重大安全隱患，如若不及時對該鐵塔進行處理造成山體滑坡，將產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害事故，所帶來的后果不可估量。為確保周邊人民生命財產(chǎn)安全，亟需對鐵塔進行拆除。電力部門委托評估單位對該鐵塔穩(wěn)定進行評估，該鐵塔已成為高危塔，無法采用人工和機械拆除，經(jīng)多次組織專家現(xiàn)場踏勘和討論，只能采用定向控制爆破對其進行拆除。

圖1 待拆除高壓線鐵塔

1 工程概況

11#鐵塔高56.5 m，質(zhì)量34.1 t，角鋼鋼材為厚18 mm，寬20 cm，材質(zhì)Q235B，抗拉強度和彎曲強度分別為375、235 MPa，受10#、13#鐵塔之間聯(lián)結(jié)線纜及傾斜反方向的6根加固鋼索三方拉力作用下處于平衡狀態(tài)，線纜直徑30 mm，外部為鋁材包裹，內(nèi)部為鋼絲，鋼絲直徑5 mm。線纜與鐵塔聯(lián)結(jié)處通過U型環(huán)金具聯(lián)結(jié)，其橫切面直徑30 mm，材質(zhì)Q235，屈服強度235 MPa，抗拉強度約375～460 MPa。13#鐵塔位于山底與11#鐵塔之間垂直落差約500 m，兩鐵塔之間斜坡傾角大于80°。

2 總體拆除方案

拆除對象為典型的鋼結(jié)構(gòu)鐵塔，根據(jù)待拆除鐵塔周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，對拆除對象采用定向控制爆破倒塌拆除。待拆除11#鐵塔C腿支柱已懸空處于失穩(wěn)狀態(tài)，其受10#、13#鐵塔之間聯(lián)結(jié)線纜及傾斜反方向的6根加固鋼索三方拉力作用下處于平衡狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場勘查鐵塔位于坡頂邊緣，該斜坡傾角大于80°，為便于爆破后鋼結(jié)構(gòu)殘值處理，鐵塔只能沿著10#鐵塔方向倒塌，因此需對11#鐵塔底部角鋼爆破切割形成傾倒切口以及11#鐵塔和13#鐵塔之間聯(lián)結(jié)線纜進行拆除。如果提前對11#鐵塔和13#鐵塔之間聯(lián)結(jié)線纜進行預(yù)拆除，11#鐵塔將會失去三方拉力平衡，產(chǎn)生失穩(wěn)隨時都有倒塌可能性，因此需對聯(lián)結(jié)線纜兩頭的11#鐵塔連接處或13#鐵塔連接處U型環(huán)金具進行爆破切割。11#鐵塔經(jīng)評估已成危塔禁止人員攀爬，因此只能對13#鐵塔聯(lián)結(jié)線纜處U型環(huán)金具進行爆破切割。經(jīng)過多次踏勘和技術(shù)討論，最終確定采用聚能爆破法切割11#鐵塔底部角鋼形成設(shè)計切口以及切割11#塔線纜與13#塔聯(lián)結(jié)的U型環(huán)金具，使其在自重作用下產(chǎn)生傾覆力矩并沿設(shè)計方向倒塌。

3 線性切割器設(shè)計

3.1 線性切割器結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

為便于加工，選用聚能切割器(見圖2)由裝藥筒及楔形罩組成，裝藥筒為圓筒，水平放置的裝藥筒下部沿軸向設(shè)通長的開口，開口處嵌裝楔形罩；楔形罩具有向裝藥筒中心突出的楔形結(jié)構(gòu)。裝藥筒采用PVC材料制作，裝藥筒的半徑50 mm，長200 mm，壁厚3 mm。

注：1-裝藥筒；2-楔形罩；3-半球形聚能腔；4-三角形聚能穴。b-楔形罩厚度；α-楔形罩頂角；d-楔形罩底寬；H-最佳裝藥高度；D′-炸高圖2 聚能切割器

要使線性切割器爆炸后形成的平面射流具有切割鐵塔角鋼和U型環(huán)金具的能力，確保鐵塔順利倒塌，就必須合理地選擇聚能切割器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括炸藥的選擇、藥型罩設(shè)計、炸高確定、切割器外殼設(shè)計等，其中藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計最為重要[1-9]，本次線性切割器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 線性切割器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 線性切割器侵徹深度計算

應(yīng)用爆炸流體動力學(xué)理論，推導(dǎo)建立了適用于線性切割器聚能裝藥的半經(jīng)驗半理論公式，作為侵徹深度計算的依據(jù)。

3.2.1 壓垮速度計算

楔形罩微元壓垮速度voi計算公式[1-5]：

(1)

3.2.2 變形角計算

當(dāng)爆轟產(chǎn)物作用在楔形罩微元上時，因爆轟波方向不同，并非垂直作用于罩表面，因此楔形罩微元獲得壓垮速度后并非垂直罩表面運動，而是與罩表面有個流動偏角或者變形角δi[1-5]。

(2)

(3)

式中：X0為起爆位置至罩頂?shù)木嚯x，mm；x為以罩頂為原點，罩微元在面對稱方向的坐標(biāo)，其他參數(shù)同前。

3.2.3 壓垮角計算

楔形罩微元面運動至軸線時與軸線的夾角βi的計算公式為[1-5]

tgβi=

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：βi為罩微元軸向壓垮角，°；T′為爆轟波由起爆點傳至罩微元處的時間，s。

3.2.4 射流速度計算

射流速度計算公式為[1-5]

(8)

式中：vji為罩微元的射流速度，m/s；voi為罩微元壓垮速度，m/s；δi為罩微元變形角。

3.2.5 射流微元初始長度計算

射流微元初始長度計算公式為[1-5]：

(9)

式中：lo為罩微元的初始長度，mm；vja為罩微元頭部射流速度，m/s；vob為罩微元尾部壓跨速度，m/s。

3.2.6 射流罩微元侵徹前的有效長度計算

下一步，安墾農(nóng)場要利用好低緯度、高海拔、寡日照兼具的原生態(tài)環(huán)境，利用好甲級旅游城市和最佳避暑旅游城市的生態(tài)優(yōu)勢，打造“香氣濃郁、滋味醇厚、鮮爽”的茶葉好品質(zhì)。

射流微元侵徹前的有效長度計算公式為[1-5]

(10)

式中：εi為射流初始長度頭部至罩底距離，mm，以罩底為坐標(biāo)原點，左為負值，右為正值；∑Li為所計算射流微元以前的微元侵徹深度總和，mm；vj1、vj2分別為射流微元頭部和尾部速度，m/s。

3.2.7 射流微元侵徹深度計算

當(dāng)射流速度較低時，靶板強度明顯起作用了，就不能不考慮靶板的強度。為此提出了射流臨界侵徹速度vk，以表示靶板強度對侵徹的影響。對于線性聚能裝藥，其vj通常小于2.6值vk，故侵徹深度計算公式為[1-5]

(11)

式中：Pi為射流微元侵徹深度，mm；Li為射流微元侵徹前有效長度，mm；ρi和ρj分別為靶板和罩的材料密度，g/cm3；vk為射流的臨界速度，m/s；vji為射流微元平均速度，m/s；k為實驗確定的系數(shù)，基于經(jīng)驗取k=0.905。

由以上公式計算出線性切割器的侵徹深度如表2所示，從理論計算中看出壁厚1.5 mm和2.0 mm藥型罩切割器侵徹深度都已經(jīng)達到切割要求。

表2 切割器侵徹深度

4 聚能切割試驗

4.1 爆速測試

采用ZBS9601B多段爆速智能測試儀對乳化炸藥爆速進行3次測試(見圖3)，測得3次爆速分別為4 150、4 260、4 130 m/s，平均爆速4 180 m/s。

圖3 爆速測試

4.2 試驗方案

將試驗角鋼和U型環(huán)金具平鋪在地面上，在聚能切割器上捆扎上炸藥，每個切割器上捆綁2 kg乳化炸藥，將聚能切割器固定在角鋼和U型環(huán)金具上進行爆破(見圖4)。每次爆破采用70 mm乳化炸藥和工業(yè)電子雷管進行起爆。

圖4 切割試驗

4.3 試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果看出藥型罩壁厚1.5 mm和2.0 mm聚能切割器爆破產(chǎn)生的聚能射流均能將角鋼和U型環(huán)金具炸透(見圖5)，采用夾角90°厚度2.0 mm的聚能切割爆破效果最好。因本次是緊急搶險拆除爆破高壓線鐵塔，無相關(guān)案例進行參考，為保證鐵塔順利爆破拆除，選用夾角90°厚度2.0 mm的聚能切割器進行拆除爆破。

圖5 聚能切割器切割爆破效果

5 爆破方案設(shè)計

5.1 切口設(shè)計

11#鐵塔4條腿部高度不一，根據(jù)設(shè)計圖可知：A腿高約6 m，B腿高約9 m，C腿高約13.5 m，D腿高約7.5 m。其中B腿、C腿臨近懸崖，A腿、D腿遠離懸崖。由于近期滑坡體已經(jīng)發(fā)生進一步失穩(wěn)，作業(yè)條件惡化C腿已全部懸空。現(xiàn)場可以采用的作業(yè)方式限制了可以施工的炸高，因此具體的炸藥設(shè)計為：B腿炸高均為自腿底部水平0.5～1.5 m，A腿、D腿炸高為自腿底部水平0.5～3.0 m。采用聚能切割爆破，在各個腿部炸高的爆破切口部位采用聚能裝藥同時起爆切斷，從而使11#鐵塔底部形成缺口，在自重力作用下向塌落解體破壞[10-14]。

5.2 U型環(huán)金具切割設(shè)計

11#塔上線纜分別聯(lián)結(jié)10#塔與13#塔。13#塔位于11#塔下方，與11#塔聯(lián)結(jié)線纜不利于11#塔拆除爆破。聯(lián)結(jié)線纜質(zhì)量高達20 t左右，為減少13#塔方向線纜自重的不利影響，由于11#塔處于不穩(wěn)定狀態(tài)無法登塔作業(yè)，因此在13#鐵塔處登塔頂采用聚能切割爆破處理所有與11#塔間聯(lián)結(jié)線纜的U型環(huán)金具(見圖6)?？紤]到線纜落地后會與地面產(chǎn)生摩擦力或是鉤掛纏繞地面結(jié)構(gòu)，顯然會對11#塔傾倒產(chǎn)生不利影響，因此設(shè)計線纜爆破時間略早于11#塔底部切口爆破0.5 s，以避免線纜落地后對11#塔爆破傾倒的不利影響。

圖6 現(xiàn)場裝藥作業(yè)

本次搶險拆除爆破11#鐵塔角鋼安裝32個聚能切割藥包，13#鐵塔U型環(huán)金具安裝8個聚能切割藥包，共計40個聚能切割藥包，使用炸藥80 kg，工業(yè)電子雷管80發(fā)。

5.3 安全監(jiān)測

本次搶險拆除爆破11#鐵塔位于山頂邊緣，周邊水平2 km內(nèi)無需保護對象，本次搶險最主要有害效應(yīng)是爆破振動，防止爆破振動和觸地振動造成滑坡體滑坡引起地質(zhì)災(zāi)害事故。因此，針對現(xiàn)場采用了一體化裂縫位移自動監(jiān)測、一體化GNSS地表位移監(jiān)測和視頻監(jiān)控等24小時綜合監(jiān)控手段(見圖7)，在拆除爆破特定區(qū)域選定了9個邊坡變形監(jiān)測點布設(shè)位置，用于本拆除項目爆破邊坡變形監(jiān)測。本項目監(jiān)測頻率為每天監(jiān)測1次，直到搶險拆除爆破結(jié)束監(jiān)測共計12次。監(jiān)測完成后，監(jiān)測人員對各監(jiān)測點累計變形及平均變形速率進行計算分析，結(jié)果如表3所示。

圖7 綜合監(jiān)控手段

表3 監(jiān)測點累計變形及平均變形速率

在整個監(jiān)測周期中，邊坡水平方向及垂直方向累計變形位移量均未超過《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)程》(GB 50330-2013)[15]中規(guī)定的20 mm最大位移監(jiān)測預(yù)警值，且平均變形量較小，故邊坡總體趨于穩(wěn)定。

5.4 爆破效果

2020年10月25日18∶30對高壓線鐵塔進行拆除爆破。起爆后，成功聚能切割11#塔角鋼和13#塔U型環(huán)金具，整個高壓線鐵塔失穩(wěn)傾斜，按預(yù)定方向傾覆并倒塌觸地(見圖8)，爆破產(chǎn)生的振動未造成滑坡體產(chǎn)生位移。

圖8 爆破效果

6 結(jié)語

2020年10月25日18∶30準(zhǔn)時起爆，隨著高56.5 m、質(zhì)量34.1 t的高壓鐵塔緩緩倒向預(yù)定區(qū)域，搶險爆破取得圓滿成功。此次爆破為國內(nèi)高壓線鐵塔搶險爆破的首個成功案例，且爆破過程中全部使用了工業(yè)電子雷管。同時，針對本項目采用的先進技術(shù)，為統(tǒng)籌推進知識產(chǎn)權(quán)強國建設(shè)，全面提升知識產(chǎn)權(quán)創(chuàng)造、運用、保護、管理和服務(wù)水平，充分發(fā)揮知識產(chǎn)權(quán)制度在社會主義現(xiàn)代化建設(shè)中的重要作用，按照《知識產(chǎn)權(quán)強國建設(shè)綱要(2021-2035年)》要求申請了相關(guān)專利，注重了知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)保護。