鋼筋混凝土支撐的綠色拆除工藝初探

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

0 引言

隨著中國城鎮(zhèn)化進程的加快，城市地下空間被大量開發(fā)，使得基坑工程越來越深、越來越大，帶來的基坑支撐拆除問題也越來越多。而現(xiàn)有的鋼筋混凝土支撐拆除方法帶來了大量的問題，或資源浪費，粗放式施工，效率低下；或價格昂貴，性價比低；或施工要求嚴格，環(huán)境制約多。如何在現(xiàn)有鋼筋混凝土支撐拆除方法的基礎(chǔ)上對比分析施工工藝，探索研究新型綠色環(huán)保的施工方法是技術(shù)發(fā)展和市場的必然要求。

1 現(xiàn)有混凝土支撐拆除法

目前，施工建設(shè)市場上，鋼筋混凝土支撐的拆除方法根據(jù)施工的不同要求主要分為3類：機械破碎拆除法、爆破拆除法以及切割拆除法。機械破碎拆除法主要以人工操作風(fēng)鎬機和鎬頭機拆除為主；爆破拆除法主要是火藥爆破拆除法和化學(xué)靜力破碎法；切割拆除方法則分為碟鋸切割、繩鋸切割和排孔切割。另外隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型的拆除方法也出現(xiàn)在工程實踐中，日立造船株式會社發(fā)展的放電破碎施工法在不同工程中進行試驗測試，效果良好。

1.1 火藥爆破拆除法

火藥爆破拆除法的優(yōu)缺點十分明顯，其施工速度快、效率高、破碎效果徹底，是許多施工方案選擇的最重要原因，但火藥爆破引起的飛塵、噪聲污染非常嚴重，爆破產(chǎn)生的振動對周圍建筑環(huán)境安全影響也非常大，許多城市就規(guī)定鬧市區(qū)施工禁止使用火藥爆破，再者火藥爆破的安全問題和火藥爆破施工的審批手續(xù)問題也影響著施工方案的選擇。

1.2 化學(xué)靜力破碎法

化學(xué)靜力破碎法就是在混凝土構(gòu)筑物中灌注化學(xué)膨脹藥劑，利用化學(xué)膨脹藥劑產(chǎn)生的膨脹力，擠碎混凝土構(gòu)筑物，達到實現(xiàn)破碎拆除混凝土構(gòu)筑物的目的。

靜力破碎安靜無污染、施工方便，但是靜力破碎法需要一定的時間（8～12 h）讓膨脹劑產(chǎn)生膨脹作用力，而且在靜力破碎之前還需割斷剔除面筋、箍筋，靜力脹裂過后還需用小風(fēng)鎬人工破碎清理，重復(fù)產(chǎn)生工作量，耗費大量時間，影響工期。

1.3 切割拆除法

鋼筋混凝土切割是利用鑲有金剛石的碟鋸、繩鋸或鉆筒對準(zhǔn)混凝土構(gòu)件需要拆除的部位不斷重復(fù)切割，利用金剛石超高的強度將鋼筋混凝土切斷，直至該部位切透為止。與此同時采用水進行冷卻，既是切割設(shè)備降溫需要又是防粉塵、降低噪聲的有力措施。

1.3.1 碟鋸切割

碟鋸切割廣泛應(yīng)用于各類大型建筑的結(jié)構(gòu)改建，門窗、樓梯、電梯、通風(fēng)井等的墻體切割開口，如圖1所示。業(yè)內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大切割厚度可達到1 000 mm，目前國內(nèi)常用的是φ1 200 mm的鋸片切割地坪或基礎(chǔ)，切割厚度可達500 mm。

圖1 碟鋸切割混凝土支撐過程

碟鋸切割混凝土支撐的方法來源于金剛石鋸片切割鋼材和石料，但混凝土是一種特殊的復(fù)合材料，主要由粗骨料石、細骨料砂、水泥等硬相和軟相材料組成，其抗拉強度低，存在裂縫和不連續(xù)點等結(jié)構(gòu)缺陷，常用的金剛石鋸片在鋸切混凝土的過程中，易產(chǎn)生金剛石非正常磨損和過早脫落，以及鋸片基體變形等問題。

1.3.2 繩鋸切割

繩鋸切割通過變換傳動定位滑輪的組合安裝，可適應(yīng)各種不同環(huán)境的切割施工，靈活性大，適用于不規(guī)則造型物體、大面積物體、水下切割等，多用于墩柱、帽梁等大截面的橫向切割。其切割速度是碟鋸切割的 6倍，且施工所產(chǎn)生的噪聲更低（圖2）。

圖2 繩鋸無損切割原理及設(shè)備

繩鋸切割機主要由機架、切割金剛鏈、液壓工作站組成。具有快捷、低噪聲、無振動、切割口平直易修等優(yōu)點。單刀切割截面積可達4～8 m2。當(dāng)切割范圍超出碟式切割機要求時，由繩鋸切割工藝替代，被切割物的面積越大，厚度越深，越能顯示其優(yōu)點。在鋼筋混凝土切割工程中，僅用約1 h便能完成1.2 m2的工作量。

1.3.3 排孔切割

排孔切割利用鉆筒鉆出一排連續(xù)的孔洞實現(xiàn)切割的效果，鉆筒相當(dāng)于放大版的鉆頭，在混凝土構(gòu)件上連續(xù)鉆孔，如圖3所示。

排孔鉆孔機由機架、金剛鉆筒、液壓油泵等組成。具有施工精度高、速度快、表面光潔、無粉塵污染等優(yōu)點。真空盤鉆孔機能牢固吸附在平整的建筑物上，無須其他的固定裝置，所以對建筑物表面絲毫無損。

圖3 支撐排孔切割

切割方法的施工效率仍然相對較低，支承排架搭設(shè)更是占用大量的施工工期，目前在項目施工過程中，切割方法往往與人工鎬機破碎拆撐方法相結(jié)合，以機械破碎輔助切割拆除施工，效率較高，在工程中得到廣泛應(yīng)用。

1.4 放電破碎拆除法

放電沖擊破碎的理論來源于1955年俄羅斯的尤特金提出的高壓放電脈沖破碎理論，其系統(tǒng)電路原理如圖4所示。

圖4 放電沖擊破碎系統(tǒng)電路原理

該理論主要利用RC電路的充電放電功能實現(xiàn)高電壓的瞬間釋放，在有限的空間內(nèi)形成強大的能量沖擊波，實現(xiàn)巖體的沖擊破碎[1-3]。

該理論開始主要應(yīng)用于采礦業(yè)，在1997年～2001年，波蘭克拉科夫礦業(yè)與冶金學(xué)院根據(jù)該理論，按照系統(tǒng)輸出的能量不同制造了EHD-4、EHD-5（ELECTRO-HYDRO DYNAMICS，電流體動力學(xué)）系列裝置，如圖5所示。

圖5 EHD系列破碎裝置

EHD-4、EHD-5裝置輸出能量分別為100 kJ和150 kJ，并在礦山現(xiàn)場做了相關(guān)的實驗，爆破效果明顯，幾乎無飛石，無化學(xué)殘留物。英國的帝國理工學(xué)院也在這方面做了深入的研究，試驗了輸出電壓、電極距離對破碎效果的影響曲線。國內(nèi)的礦業(yè)專家學(xué)者在很早的時候就關(guān)注過這方面的研究，陳廣生在20世紀七八十年代就通過翻譯這方面的論文，指出了該種方法用于破礦和鑿巖的先進性和安全性，張可能在1999年摘譯了蘇聯(lián)的相關(guān)文章，介紹了放電沖擊破碎的方法可用于破碎巖石和結(jié)構(gòu)建筑物的破碎拆除。目前國內(nèi)的大部分專家學(xué)者主要還是關(guān)注該種方法在礦業(yè)方面的應(yīng)用可能性，包括重慶大學(xué)機械工程學(xué)院的廖振方，吉林省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所的趙秉成和吉林大學(xué)建筑工程學(xué)院的陳晨等。將該種方法應(yīng)用于市政建筑工程的先例是日本日立造船株式會社。2010年，日立造船株式會社制造了型號為ESG-7K2 的放電沖擊發(fā)生裝置，如圖6所示，并命名為Electric Discharge Impulse Crushing System，簡稱為Flash Blaster。將之應(yīng)用于城市結(jié)構(gòu)物的施工拆除、城市道路橋梁的維護、隧道開挖和深基礎(chǔ)開挖的巖層破碎、水下水工結(jié)構(gòu)物的清理、巖質(zhì)邊坡的削坡等工程實踐中，得到了很好的效果。

圖6 放電破碎的機械設(shè)備與破碎效果

放電破碎拆除基坑支撐綜合了火藥爆破拆除的快速施工和靜力破碎拆除的安全、無污染，其初步的工藝流程為：利用預(yù)埋孔或按照破碎效果要求設(shè)計布置鉆孔→搭設(shè)防護架→清孔，裝入藥劑→連線，堵塞孔眼、覆蓋防護墊→通電，放電破碎→斷電，吊離防護墊→清理碎塊、切割鋼筋→渣土吊裝外運。

在設(shè)計布置鉆孔和破碎施工先后順序時應(yīng)注意基坑支撐應(yīng)力釋放的安全性，做好監(jiān)測；鉆孔不能鉆穿且待連線穩(wěn)定后才能堵塞孔眼，以確保電線能夠激發(fā)破碎藥劑；防護墊的覆蓋主要為防止電線和少量石塊飛出；確保一切準(zhǔn)備工作就緒后才能給電源通電，破碎后直接斷電，即使出現(xiàn)啞孔也不會有安全問題；可根據(jù)破碎效果和工期的要求來選擇鉆孔的疏密。

放電破碎拆除法由于破碎區(qū)功率釋放速度低而破碎時不產(chǎn)生飛石，故破碎人員不必隱蔽；電能無過早釋放的危險；沒有毒性物質(zhì)排出，破碎的耗電量為0.1～0.2 kW·h/m3；破碎能力為70～80 m3/組。具體的根據(jù)實際情況的不同而不同，相比常規(guī)破碎方法更為節(jié)能。

日本日立造船株式會社將目前現(xiàn)有的破碎裝置和工法，主要包括油壓式電鉆、風(fēng)鎬機、鎬頭機等常規(guī)破碎工法與放電破碎工法的公害性和能效進行比較，結(jié)果表明，風(fēng)鎬機在10 m范圍內(nèi)的噪聲達到80～100 dB，鎬頭機的10 m內(nèi)噪聲為90～110 dB，缺點表現(xiàn)在噪聲大、灰塵多、連續(xù)的振動和噪聲對作業(yè)人員的身體傷害大，對周圍的環(huán)境影響明顯；而放電破碎工法在沖擊破碎時10 m范圍內(nèi)的噪聲為60～80 dB，采用覆蓋和灑水的方式可解決灰塵問題，沒有連續(xù)振動和噪聲，不擾民、無公害、環(huán)境親和性好。風(fēng)鎬機每臺每日的能效為5～20 m3，鎬頭機達到10～50 m3，而放電破碎工法每條線每日達到70～80 m3，具體情況有所不同，但整體效率更高，可節(jié)約大量時間。

2 結(jié)語

人工機械鑿除基坑支撐在目前的工程施工中應(yīng)用非常廣，施工靈活性高，被廣大工程人員所接受。

爆破拆除基坑支撐方法的優(yōu)點主要在于其高效快速的施工效果，但其影響性、污染性和危險性也是最大的。

靜力破碎方法是近年來隨著人們環(huán)保意識越來越強，城市施工要求越來越嚴格而發(fā)展起來的，但破碎效果往往達不到要求，需要重復(fù)破碎，浪費大量人力、物力，且耗時長，影響工期。

切割拆除方法高效、快捷、無污染，但是切割和吊裝的配合、場地的限制、費用的高昂使得切割拆除的方法難以大面積的推廣。

放電破碎方法是近幾年國外發(fā)展起來的綠色、環(huán)保、高效的基坑支撐破碎方法，目前在國內(nèi)還沒有應(yīng)用，但其可觀的前景值得期待[4-6]。