钢筋混凝土支撑的绿色拆除工艺初探

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

0 引言

随着中国城镇化进程的加快，城市地下空间被大量开发，使得基坑工程越来越深、越来越大，带来的基坑支撑拆除问题也越来越多。而现有的钢筋混凝土支撑拆除方法带来了大量的问题，或资源浪费，粗放式施工，效率低下；或价格昂贵，性价比低；或施工要求严格，环境制约多。如何在现有钢筋混凝土支撑拆除方法的基础上对比分析施工工艺，探索研究新型绿色环保的施工方法是技术发展和市场的必然要求。

1 现有混凝土支撑拆除法

目前，施工建设市场上，钢筋混凝土支撑的拆除方法根据施工的不同要求主要分为3类：机械破碎拆除法、爆破拆除法以及切割拆除法。机械破碎拆除法主要以人工操作风镐机和镐头机拆除为主；爆破拆除法主要是火药爆破拆除法和化学静力破碎法；切割拆除方法则分为碟锯切割、绳锯切割和排孔切割。另外随着科学技术的发展，新型的拆除方法也出现在工程实践中，日立造船株式会社发展的放电破碎施工法在不同工程中进行试验测试，效果良好。

1.1 火药爆破拆除法

火药爆破拆除法的优缺点十分明显，其施工速度快、效率高、破碎效果彻底，是许多施工方案选择的最重要原因，但火药爆破引起的飞尘、噪声污染非常严重，爆破产生的振动对周围建筑环境安全影响也非常大，许多城市就规定闹市区施工禁止使用火药爆破，再者火药爆破的安全问题和火药爆破施工的审批手续问题也影响着施工方案的选择。

1.2 化学静力破碎法

化学静力破碎法就是在混凝土构筑物中灌注化学膨胀药剂，利用化学膨胀药剂产生的膨胀力，挤碎混凝土构筑物，达到实现破碎拆除混凝土构筑物的目的。

静力破碎安静无污染、施工方便，但是静力破碎法需要一定的时间（8～12 h）让膨胀剂产生膨胀作用力，而且在静力破碎之前还需割断剔除面筋、箍筋，静力胀裂过后还需用小风镐人工破碎清理，重复产生工作量，耗费大量时间，影响工期。

1.3 切割拆除法

钢筋混凝土切割是利用镶有金刚石的碟锯、绳锯或钻筒对准混凝土构件需要拆除的部位不断重复切割，利用金刚石超高的强度将钢筋混凝土切断，直至该部位切透为止。与此同时采用水进行冷却，既是切割设备降温需要又是防粉尘、降低噪声的有力措施。

1.3.1 碟锯切割

碟锯切割广泛应用于各类大型建筑的结构改建，门窗、楼梯、电梯、通风井等的墙体切割开口，如图1所示。业内钢筋混凝土结构的最大切割厚度可达到1 000 mm，目前国内常用的是φ1 200 mm的锯片切割地坪或基础，切割厚度可达500 mm。

图1 碟锯切割混凝土支撑过程

碟锯切割混凝土支撑的方法来源于金刚石锯片切割钢材和石料，但混凝土是一种特殊的复合材料，主要由粗骨料石、细骨料砂、水泥等硬相和软相材料组成，其抗拉强度低，存在裂缝和不连续点等结构缺陷，常用的金刚石锯片在锯切混凝土的过程中，易产生金刚石非正常磨损和过早脱落，以及锯片基体变形等问题。

1.3.2 绳锯切割

绳锯切割通过变换传动定位滑轮的组合安装，可适应各种不同环境的切割施工，灵活性大，适用于不规则造型物体、大面积物体、水下切割等，多用于墩柱、帽梁等大截面的横向切割。其切割速度是碟锯切割的 6倍，且施工所产生的噪声更低（图2）。

图2 绳锯无损切割原理及设备

绳锯切割机主要由机架、切割金刚链、液压工作站组成。具有快捷、低噪声、无振动、切割口平直易修等优点。单刀切割截面积可达4～8 m2。当切割范围超出碟式切割机要求时，由绳锯切割工艺替代，被切割物的面积越大，厚度越深，越能显示其优点。在钢筋混凝土切割工程中，仅用约1 h便能完成1.2 m2的工作量。

1.3.3 排孔切割

排孔切割利用钻筒钻出一排连续的孔洞实现切割的效果，钻筒相当于放大版的钻头，在混凝土构件上连续钻孔，如图3所示。

排孔钻孔机由机架、金刚钻筒、液压油泵等组成。具有施工精度高、速度快、表面光洁、无粉尘污染等优点。真空盘钻孔机能牢固吸附在平整的建筑物上，无须其他的固定装置，所以对建筑物表面丝毫无损。

图3 支撑排孔切割

切割方法的施工效率仍然相对较低，支承排架搭设更是占用大量的施工工期，目前在项目施工过程中，切割方法往往与人工镐机破碎拆撑方法相结合，以机械破碎辅助切割拆除施工，效率较高，在工程中得到广泛应用。

1.4 放电破碎拆除法

放电冲击破碎的理论来源于1955年俄罗斯的尤特金提出的高压放电脉冲破碎理论，其系统电路原理如图4所示。

图4 放电冲击破碎系统电路原理

该理论主要利用RC电路的充电放电功能实现高电压的瞬间释放，在有限的空间内形成强大的能量冲击波，实现岩体的冲击破碎[1-3]。

该理论开始主要应用于采矿业，在1997年～2001年，波兰克拉科夫矿业与冶金学院根据该理论，按照系统输出的能量不同制造了EHD-4、EHD-5（ELECTRO-HYDRO DYNAMICS，电流体动力学）系列装置，如图5所示。

图5 EHD系列破碎装置

EHD-4、EHD-5装置输出能量分别为100 kJ和150 kJ，并在矿山现场做了相关的实验，爆破效果明显，几乎无飞石，无化学残留物。英国的帝国理工学院也在这方面做了深入的研究，试验了输出电压、电极距离对破碎效果的影响曲线。国内的矿业专家学者在很早的时候就关注过这方面的研究，陈广生在20世纪七八十年代就通过翻译这方面的论文，指出了该种方法用于破矿和凿岩的先进性和安全性，张可能在1999年摘译了苏联的相关文章，介绍了放电冲击破碎的方法可用于破碎岩石和结构建筑物的破碎拆除。目前国内的大部分专家学者主要还是关注该种方法在矿业方面的应用可能性，包括重庆大学机械工程学院的廖振方，吉林省区域地质矿产调查所的赵秉成和吉林大学建筑工程学院的陈晨等。将该种方法应用于市政建筑工程的先例是日本日立造船株式会社。2010年，日立造船株式会社制造了型号为ESG-7K2 的放电冲击发生装置，如图6所示，并命名为Electric Discharge Impulse Crushing System，简称为Flash Blaster。将之应用于城市结构物的施工拆除、城市道路桥梁的维护、隧道开挖和深基础开挖的岩层破碎、水下水工结构物的清理、岩质边坡的削坡等工程实践中，得到了很好的效果。

图6 放电破碎的机械设备与破碎效果

放电破碎拆除基坑支撑综合了火药爆破拆除的快速施工和静力破碎拆除的安全、无污染，其初步的工艺流程为：利用预埋孔或按照破碎效果要求设计布置钻孔→搭设防护架→清孔，装入药剂→连线，堵塞孔眼、覆盖防护垫→通电，放电破碎→断电，吊离防护垫→清理碎块、切割钢筋→渣土吊装外运。

在设计布置钻孔和破碎施工先后顺序时应注意基坑支撑应力释放的安全性，做好监测；钻孔不能钻穿且待连线稳定后才能堵塞孔眼，以确保电线能够激发破碎药剂；防护垫的覆盖主要为防止电线和少量石块飞出；确保一切准备工作就绪后才能给电源通电，破碎后直接断电，即使出现哑孔也不会有安全问题；可根据破碎效果和工期的要求来选择钻孔的疏密。

放电破碎拆除法由于破碎区功率释放速度低而破碎时不产生飞石，故破碎人员不必隐蔽；电能无过早释放的危险；没有毒性物质排出，破碎的耗电量为0.1～0.2 kW·h/m3；破碎能力为70～80 m3/组。具体的根据实际情况的不同而不同，相比常规破碎方法更为节能。

日本日立造船株式会社将目前现有的破碎装置和工法，主要包括油压式电钻、风镐机、镐头机等常规破碎工法与放电破碎工法的公害性和能效进行比较，结果表明，风镐机在10 m范围内的噪声达到80～100 dB，镐头机的10 m内噪声为90～110 dB，缺点表现在噪声大、灰尘多、连续的振动和噪声对作业人员的身体伤害大，对周围的环境影响明显；而放电破碎工法在冲击破碎时10 m范围内的噪声为60～80 dB，采用覆盖和洒水的方式可解决灰尘问题，没有连续振动和噪声，不扰民、无公害、环境亲和性好。风镐机每台每日的能效为5～20 m3，镐头机达到10～50 m3，而放电破碎工法每条线每日达到70～80 m3，具体情况有所不同，但整体效率更高，可节约大量时间。

2 结语

人工机械凿除基坑支撑在目前的工程施工中应用非常广，施工灵活性高，被广大工程人员所接受。

爆破拆除基坑支撑方法的优点主要在于其高效快速的施工效果，但其影响性、污染性和危险性也是最大的。

静力破碎方法是近年来随着人们环保意识越来越强，城市施工要求越来越严格而发展起来的，但破碎效果往往达不到要求，需要重复破碎，浪费大量人力、物力，且耗时长，影响工期。

切割拆除方法高效、快捷、无污染，但是切割和吊装的配合、场地的限制、费用的高昂使得切割拆除的方法难以大面积的推广。

放电破碎方法是近几年国外发展起来的绿色、环保、高效的基坑支撑破碎方法，目前在国内还没有应用，但其可观的前景值得期待[4-6]。