復(fù)雜環(huán)境下機(jī)械拆除120 m高鋼筋混凝土煙囪的安全實(shí)施

謝少凱 張智宇,* 黃永輝

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650093; 2.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,昆明 650500)

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,高污染、高耗能、高排放企業(yè)正逐漸被淘汰,越來(lái)越多的煙囪需要進(jìn)行拆除。煙囪拆除一般根據(jù)伐樹原理,破壞底部基座使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)傾倒,煙囪的拆除方法有人工、爆破、靜力破碎劑和機(jī)械拆除等[1]。爆破拆除是目前常用的拆除方法,但也存在一些缺點(diǎn):①炸藥量不足,煙囪不會(huì)倒塌;②炸藥量過(guò)多,爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊力有可能改變煙囪倒塌方向;③爆破時(shí)不可避免的產(chǎn)生飛石、振動(dòng)、空氣沖擊波及噪音危害[2];④復(fù)雜環(huán)境下爆破需要進(jìn)行較大范圍的交通管制。近年來(lái)發(fā)生了諸如昆明某廠煙囪拆除爆破倒塌方向偏差達(dá)120°、淮北市某廠煙囪爆破拆除時(shí)原地下坐未倒、貴州省某廠煙囪爆破拆除前沖[3-4]等安全事故。

機(jī)械拆除是目前應(yīng)用比較多的方法,它具有很多優(yōu)點(diǎn):①拆除工期短,施工工藝簡(jiǎn)單、效率高;②可以按照預(yù)先設(shè)定的方向開孔擴(kuò)展,控制性較好;③定向比較準(zhǔn)確,具有良好的可操作性,特別是拆除鋼筋混凝土煙囪優(yōu)勢(shì)比較明顯;④成本僅為爆破拆除的1/10左右,同時(shí)無(wú)須復(fù)雜審批手續(xù)[5]。近年來(lái)隨著大型機(jī)械設(shè)備的普及,煙囪的機(jī)械拆除已日漸增多。

1 工程概況

1.1 周圍環(huán)境

本論文所述拆除的煙囪位于云南省安寧市某公司廠區(qū)內(nèi),該煙囪建于1966年,實(shí)際測(cè)量煙囪距南邊篩焦樓、鐵路分別為23 m、53 m,距西邊澡堂、機(jī)修倉(cāng)庫(kù)為95 m,與其他需要保留的建(構(gòu))筑物距離在100 m左右,詳見圖1。綜合考慮煙囪周圍復(fù)雜的環(huán)境與緊張的施工工期本次采用機(jī)械拆除方法。

圖1 周邊環(huán)境及倒塌中心線示意圖Fig.1 Schematic diagram of the surrounding and collapse center line

1.2 煙囪結(jié)構(gòu)

該煙囪基礎(chǔ)為150#(新標(biāo)準(zhǔn)為C13)現(xiàn)澆鋼筋混凝土,總結(jié)構(gòu)高度+127.49 m,基礎(chǔ)底部標(biāo)高-7.12 m、直徑9.12 m,上有兩個(gè)主煙道口和一個(gè)出灰口。筒體為200#(新標(biāo)準(zhǔn)為C18)耐熱混凝土,底標(biāo)高+1.25 m、頂高+120 m、內(nèi)襯磚頂高+120.37 m;筒體下口外徑9.12 m、內(nèi)徑8.4 m,上口內(nèi)徑4.44 m,厚度為0.360～0.180 m;筒體的內(nèi)襯為75#紅磚,襯壁厚0.24～0.12 m,筒壁與襯壁間填0.15～0.1 m厚的水渣隔溫層。

2 機(jī)械拆除方案

煙囪的定向放倒原理是在煙囪的底部用爆破或機(jī)械方法做出具有一定寬度和高度的缺口,使余留支撐體的極限抗彎力矩小于由重力對(duì)余留支撐體偏心引起的傾覆力矩。此外,在切口閉合時(shí)重心偏移的距離應(yīng)大于切口處煙囪的外半徑[6]。

2.1 確定倒塌中心線

煙囪機(jī)械拆除定向倒塌方式,要求在其倒塌方向必須具備一定寬度的狹長(zhǎng)場(chǎng)地,長(zhǎng)度即倒塌方向安全距離自煙囪的中心點(diǎn)算起不得小于其高度的1.0～1.2倍,垂直于倒塌中心線的橫向?qū)挾炔坏眯∮跓焽枨锌诓课煌鈴降?.0～3.0倍[7]。對(duì)于鋼筋混凝土煙囪等剛度好的結(jié)構(gòu),其倒塌的水平距離要求大一些。

據(jù)此要求,此煙囪在其倒塌方向需要144 m長(zhǎng)、27.36 m寬的作業(yè)場(chǎng)地。該120 m煙囪機(jī)械拆除場(chǎng)地滿足計(jì)算結(jié)果要求,因此確定傾倒方向?yàn)楸逼珫|的硫銨廠房區(qū)域,即傾倒中心線為此場(chǎng)地中線,詳見圖1。

2.2 切口形狀和位置

1) 切口形狀

實(shí)踐證明,切口形狀應(yīng)以梯形與矩形組合為宜。這樣煙囪在初始倒塌過(guò)程中,原切口緩慢閉合,煙囪承壓區(qū)逐漸增大,相應(yīng)保證了壓縮破壞過(guò)程在倒塌中心線上的對(duì)稱,從而控制了煙囪倒塌的定向性[8]。

2) 切口位置及尺寸

對(duì)鋼筋混凝土煙囪而言,應(yīng)考慮切口形成后裸露的豎向鋼筋必須失穩(wěn);同時(shí),還應(yīng)保證煙囪在未傾倒至與豎直方向夾角25°以上時(shí),切口的上下沿不會(huì)閉合,以防止相撞使傾倒方向發(fā)生偏離。考慮到煙道、出灰口等對(duì)煙囪失穩(wěn)影響,切口底部由距地表2.5 m位置開始。

(1) 切口角度

切口處弧長(zhǎng)一般不宜小于筒體外徑周長(zhǎng)的1/2,宜取L=(1/2-2/3)πD(D為切口部位煙囪筒體的外直徑),這才能夠滿足初始定向傾倒失穩(wěn)條件。根據(jù)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè),煙囪待拆切口部位筒體外徑9.12 m,則切口弧長(zhǎng)L=9.12×π×(1/2-2/3)=14.33 m～19.10 m,現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)具體情況L=16 m,開口角度201°。

(2) 切口高度

切口高度Hp按照下式計(jì)算:

(1)

式中,σT為鋼筋的抗拉強(qiáng)度,待拆煙囪為A3鋼σT=3 800 kgf/cm2(1 kgf/cm2=98.07 kPa);P為煙囪切口以上的質(zhì)量,2 782×103kg;S為余留區(qū)鋼筋的總橫截面積,306 cm2;D為切口處煙囪的外徑,9.12 m;Zc為煙囪切口以上的重心高度,46.8 m。

計(jì)算得HP=1.52～2.28 m。

考慮到機(jī)械遠(yuǎn)程操作的可控性并根據(jù)計(jì)算結(jié)果,120 m煙囪切口高度取3 m。

2.3 內(nèi)襯處理

煙囪內(nèi)襯為0.24 m厚的耐火磚組成,強(qiáng)度較大,為了確保倒塌方向的準(zhǔn)確性,在機(jī)械破碎切口時(shí),同時(shí)將內(nèi)襯耐火紅磚破碎。

3 機(jī)械拆除安全校核

3.1 切口高度的失穩(wěn)校核

1) 切口部位鋼筋支撐失穩(wěn)校核

失穩(wěn)高度按底端固定、頂端不能轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉壓桿公式[9],其失穩(wěn)高度為

(2)

式中,N為切口范圍內(nèi)鋼筋根數(shù),N=l28;Prc為臨界荷載,Prc=P/2,kg,1 391×103kg;φ為立筋直徑,mm,19 mm;E為彈性模量,MPa,2.2×105MPa。

計(jì)算得h=1.13 m。實(shí)際高Hp=3 m,能確保煙囪失穩(wěn)。

2) 切口閉合重心失穩(wěn)校核

切口閉合時(shí),煙囪重心偏移距離如圖2所示,此時(shí)煙囪重心的偏移距離:

S1=Zctanβ=Zctan[arctan(Hp/S2)]=ZCHp/S2

(3)

式中:

S2=R1+R1sin10.5°

(4)

式中,R1為煙囪底部外半徑,m,4.563 m,計(jì)算得S1=26 m>4.563 m。

3.2 煙囪塌落振動(dòng)校核

由于煙囪高達(dá) 120 m,倒地會(huì)產(chǎn)生較大觸地沖擊振動(dòng),集中質(zhì)量(沖擊或塌落)作用于地面造成的塌落振動(dòng)速度可用下式[10]確定:

Vt=Kt[R/(M·g·H/σ)1/3]β

(5)

圖2 切口閉合時(shí)煙囪重心偏移距離Fig.2 Shifting distance between the barycenter of the chimneywhile the incision closed

式中,Vt為塌落振動(dòng)速度,cm/s;Kt為衰減系數(shù),Kt=3.37/3=0.842 5(注:當(dāng)在地面開挖溝槽或壘筑土墻改變煙囪觸地狀況時(shí),塌落振動(dòng)將明顯減小,衰減系數(shù)Kt僅為原狀地面的1/4～1/3[11]);σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度,一般取σ=10 MPa;β為衰減指數(shù),β=-1.66;R為觀測(cè)點(diǎn)至撞擊中心的距離,m;M為下落構(gòu)件的質(zhì)量,2 782 t;H為構(gòu)件重心高度,46.8 m。

R分別為距倒塌部位重心50 m、80 m、100 m、150 m、200 m的距離。將有關(guān)參數(shù)代入,計(jì)算的各距離處塌落振動(dòng)見表1,均小于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]。

表1塌落振動(dòng)計(jì)算結(jié)果表

Table 1 Calculation results of collapse vibration

3.3 風(fēng)力對(duì)煙囪塌落影響校核

根據(jù)該地區(qū)氣象條件資料:一般風(fēng)力2～3級(jí),常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),有利于煙囪倒塌方向,因此選擇無(wú)風(fēng)或西南風(fēng)時(shí)施工。施工當(dāng)天現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量風(fēng)速,西南風(fēng)風(fēng)力不宜超過(guò)3級(jí),如果逆風(fēng)或側(cè)風(fēng)風(fēng)力超過(guò)2級(jí)時(shí)應(yīng)立即停止施工。

4 施工步驟及安全措施

4.1 施工步驟

(1) 沿倒塌中心線對(duì)稱布置施工切口。先沿?zé)焽璧顾臇|北方向地腳向上2.5 m起,以倒塌方向正中為中心點(diǎn)向左右各量8 m標(biāo)出長(zhǎng)16 m的拆除標(biāo)志線;再以拆除標(biāo)志線中心向左右各截取1 m為矩形的寬、向上3 m為矩形的長(zhǎng)標(biāo)記出定向窗即拆除單元1;然后沿定向窗向左每隔1 m下降0.2 m高度標(biāo)出單元2～12,14單元為矩形,其高度不再下降;同理,最后作出右邊3～15拆除單元標(biāo)記,14、15單元即為定位口(注:14、15單元在煙囪筒體背側(cè)),如圖3所示。

圖3 施工切口布置Fig.3 Arrangement of construction incisions

(2) 用挖掘機(jī)破碎頭逐步開鑿拆除單元,作業(yè)順序?yàn)?141512345678910111213。在處理完12單元后余下的13單元承受著煙囪自身巨大壓力,此時(shí)煙囪隨時(shí)有倒塌的可能。再將挖掘機(jī)置于右邊缺口的安全地帶,用破碎頭點(diǎn)打最后的13單元,此單元的承壓能力逐漸減小直至最后煙囪失穩(wěn)倒塌。

在施工過(guò)程中挖掘機(jī)只能從開孔背后繞行移動(dòng),嚴(yán)禁從開口側(cè)移動(dòng),組織專人實(shí)施遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)結(jié)合目測(cè),確定其有無(wú)傾斜變形或其他異常,并及時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)挖掘機(jī)操作人員及其他人員發(fā)出撤退信號(hào)。

4.2 塌落振動(dòng)及飛散物的安全防護(hù)措施

鋼筋混凝土煙囪落地撞擊地面時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)危害效應(yīng),并濺起大量飛散物。為防止或避免出現(xiàn)煙囪落地飛散物飛濺傷人傷物事故,采取以下安全防護(hù)措施:

(1) 沿東北倒塌方向鋪設(shè)減振緩沖帶。在倒塌方向上距離煙囪90 m以內(nèi)倒塌中線15°的扇形區(qū)域,鋪設(shè)2個(gè)沙堆作為緩沖層,以化解煙囪倒塌觸地時(shí)的部分能量及減少倒塌觸地時(shí)沖擊產(chǎn)生的碎物飛濺,見圖4。

圖4 減震防護(hù)措施Fig.4 Shocking absorption measure

(2) 在煙囪倒塌方向及兩側(cè)被保護(hù)對(duì)象懸掛竹笆或草席,對(duì)個(gè)別飛散物進(jìn)行防護(hù)。

(3) 施工范圍的安全半徑以及人員參觀點(diǎn)和警戒人員所處的位置,應(yīng)大于正常所需的安全距離,取300 m。

5 拆除效果

在對(duì)第13單元進(jìn)行機(jī)械點(diǎn)打破碎時(shí)該單元剩余部分被壓碎隨后煙囪發(fā)生傾倒,倒塌方向與設(shè)計(jì)方向基本一致,倒塌過(guò)程中未產(chǎn)生后座、前沖現(xiàn)象。煙囪從8 m 處摔成扁平狀,10 m 以上部分筒身混凝土破碎,濺起的飛散物范圍為25～40 m,距倒塌中心最近的機(jī)修倉(cāng)庫(kù)處振動(dòng)速度為0.49 cm/s,符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。挖掘機(jī)及操作人員在安全區(qū)域未受到損害,防護(hù)措施達(dá)到預(yù)想效果未對(duì)周圍建筑物及人員造成較大影響,本次拆除取得了圓滿成功。

6 結(jié) 論

(1) 采用機(jī)械方式拆除煙囪,能避免復(fù)雜環(huán)境下爆破拆除可能會(huì)出現(xiàn)的一些風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 對(duì)煙囪劃分機(jī)械破碎單元,沿?zé)焽璧顾行木€交替對(duì)稱作業(yè)可以更好的控制倒塌方向。

(3) 在煙囪倒塌方向地面鋪設(shè)緩沖墊層有助于顯著降低坍落振動(dòng)。

(4) 大型機(jī)械的普及使得機(jī)械拆除施工周期短、費(fèi)用低,因此機(jī)械拆除高煙囪具有一定的推廣價(jià)值。

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