复杂环境下机械拆除120 m高钢筋混凝土烟囱的安全实施

谢少凯 张智宇,* 黄永辉

(1.昆明理工大学国土资源工程学院,昆明 650093; 2.昆明理工大学电力工程学院,昆明 650500)

0 引 言

随着我国社会经济的不断发展,高污染、高耗能、高排放企业正逐渐被淘汰,越来越多的烟囱需要进行拆除。烟囱拆除一般根据伐树原理,破坏底部基座使结构失稳倾倒,烟囱的拆除方法有人工、爆破、静力破碎剂和机械拆除等[1]。爆破拆除是目前常用的拆除方法,但也存在一些缺点:①炸药量不足,烟囱不会倒塌;②炸药量过多,爆炸时产生的冲击力有可能改变烟囱倒塌方向;③爆破时不可避免的产生飞石、振动、空气冲击波及噪音危害[2];④复杂环境下爆破需要进行较大范围的交通管制。近年来发生了诸如昆明某厂烟囱拆除爆破倒塌方向偏差达120°、淮北市某厂烟囱爆破拆除时原地下坐未倒、贵州省某厂烟囱爆破拆除前冲[3-4]等安全事故。

机械拆除是目前应用比较多的方法,它具有很多优点:①拆除工期短,施工工艺简单、效率高;②可以按照预先设定的方向开孔扩展,控制性较好;③定向比较准确,具有良好的可操作性,特别是拆除钢筋混凝土烟囱优势比较明显;④成本仅为爆破拆除的1/10左右,同时无须复杂审批手续[5]。近年来随着大型机械设备的普及,烟囱的机械拆除已日渐增多。

1 工程概况

1.1 周围环境

本论文所述拆除的烟囱位于云南省安宁市某公司厂区内,该烟囱建于1966年,实际测量烟囱距南边筛焦楼、铁路分别为23 m、53 m,距西边澡堂、机修仓库为95 m,与其他需要保留的建(构)筑物距离在100 m左右,详见图1。综合考虑烟囱周围复杂的环境与紧张的施工工期本次采用机械拆除方法。

图1 周边环境及倒塌中心线示意图Fig.1 Schematic diagram of the surrounding and collapse center line

1.2 烟囱结构

该烟囱基础为150#(新标准为C13)现浇钢筋混凝土,总结构高度+127.49 m,基础底部标高-7.12 m、直径9.12 m,上有两个主烟道口和一个出灰口。筒体为200#(新标准为C18)耐热混凝土,底标高+1.25 m、顶高+120 m、内衬砖顶高+120.37 m;筒体下口外径9.12 m、内径8.4 m,上口内径4.44 m,厚度为0.360～0.180 m;筒体的内衬为75#红砖,衬壁厚0.24～0.12 m,筒壁与衬壁间填0.15～0.1 m厚的水渣隔温层。

2 机械拆除方案

烟囱的定向放倒原理是在烟囱的底部用爆破或机械方法做出具有一定宽度和高度的缺口,使余留支撑体的极限抗弯力矩小于由重力对余留支撑体偏心引起的倾覆力矩。此外,在切口闭合时重心偏移的距离应大于切口处烟囱的外半径[6]。

2.1 确定倒塌中心线

烟囱机械拆除定向倒塌方式,要求在其倒塌方向必须具备一定宽度的狭长场地,长度即倒塌方向安全距离自烟囱的中心点算起不得小于其高度的1.0～1.2倍,垂直于倒塌中心线的横向宽度不得小于烟囱切口部位外径的2.0～3.0倍[7]。对于钢筋混凝土烟囱等刚度好的结构,其倒塌的水平距离要求大一些。

据此要求,此烟囱在其倒塌方向需要144 m长、27.36 m宽的作业场地。该120 m烟囱机械拆除场地满足计算结果要求,因此确定倾倒方向为北偏东的硫铵厂房区域,即倾倒中心线为此场地中线,详见图1。

2.2 切口形状和位置

1) 切口形状

实践证明,切口形状应以梯形与矩形组合为宜。这样烟囱在初始倒塌过程中,原切口缓慢闭合,烟囱承压区逐渐增大,相应保证了压缩破坏过程在倒塌中心线上的对称,从而控制了烟囱倒塌的定向性[8]。

2) 切口位置及尺寸

对钢筋混凝土烟囱而言,应考虑切口形成后裸露的竖向钢筋必须失稳;同时,还应保证烟囱在未倾倒至与竖直方向夹角25°以上时,切口的上下沿不会闭合,以防止相撞使倾倒方向发生偏离。考虑到烟道、出灰口等对烟囱失稳影响,切口底部由距地表2.5 m位置开始。

(1) 切口角度

切口处弧长一般不宜小于筒体外径周长的1/2,宜取L=(1/2-2/3)πD(D为切口部位烟囱筒体的外直径),这才能够满足初始定向倾倒失稳条件。根据图纸和现场勘测,烟囱待拆切口部位筒体外径9.12 m,则切口弧长L=9.12×π×(1/2-2/3)=14.33 m～19.10 m,现场根据具体情况L=16 m,开口角度201°。

(2) 切口高度

切口高度Hp按照下式计算:

(1)

式中,σT为钢筋的抗拉强度,待拆烟囱为A3钢σT=3 800 kgf/cm2(1 kgf/cm2=98.07 kPa);P为烟囱切口以上的质量,2 782×103kg;S为余留区钢筋的总横截面积,306 cm2;D为切口处烟囱的外径,9.12 m;Zc为烟囱切口以上的重心高度,46.8 m。

计算得HP=1.52～2.28 m。

考虑到机械远程操作的可控性并根据计算结果,120 m烟囱切口高度取3 m。

2.3 内衬处理

烟囱内衬为0.24 m厚的耐火砖组成,强度较大,为了确保倒塌方向的准确性,在机械破碎切口时,同时将内衬耐火红砖破碎。

3 机械拆除安全校核

3.1 切口高度的失稳校核

1) 切口部位钢筋支撑失稳校核

失稳高度按底端固定、顶端不能转动的欧拉压杆公式[9],其失稳高度为

(2)

式中,N为切口范围内钢筋根数,N=l28;Prc为临界荷载,Prc=P/2,kg,1 391×103kg;φ为立筋直径,mm,19 mm;E为弹性模量,MPa,2.2×105MPa。

计算得h=1.13 m。实际高Hp=3 m,能确保烟囱失稳。

2) 切口闭合重心失稳校核

切口闭合时,烟囱重心偏移距离如图2所示,此时烟囱重心的偏移距离:

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

(3)

式中:

S2=R1+R1sin10.5°

(4)

式中,R1为烟囱底部外半径,m,4.563 m,计算得S1=26 m>4.563 m。

3.2 烟囱塌落振动校核

由于烟囱高达 120 m,倒地会产生较大触地冲击振动,集中质量(冲击或塌落)作用于地面造成的塌落振动速度可用下式[10]确定:

Vt=Kt[R/(M·g·H/σ)1/3]β

(5)

图2 切口闭合时烟囱重心偏移距离Fig.2 Shifting distance between the barycenter of the chimneywhile the incision closed

式中,Vt为塌落振动速度,cm/s;Kt为衰减系数,Kt=3.37/3=0.842 5(注:当在地面开挖沟槽或垒筑土墙改变烟囱触地状况时,塌落振动将明显减小,衰减系数Kt仅为原状地面的1/4～1/3[11]);σ为地面介质的破坏强度,一般取σ=10 MPa;β为衰减指数,β=-1.66;R为观测点至撞击中心的距离,m;M为下落构件的质量,2 782 t;H为构件重心高度,46.8 m。

R分别为距倒塌部位重心50 m、80 m、100 m、150 m、200 m的距离。将有关参数代入,计算的各距离处塌落振动见表1,均小于国家相关标准[12]。

表1塌落振动计算结果表

Table 1 Calculation results of collapse vibration

3.3 风力对烟囱塌落影响校核

根据该地区气象条件资料:一般风力2～3级,常年主导风向为西南风,有利于烟囱倒塌方向,因此选择无风或西南风时施工。施工当天现场测量风速,西南风风力不宜超过3级,如果逆风或侧风风力超过2级时应立即停止施工。

4 施工步骤及安全措施

4.1 施工步骤

(1) 沿倒塌中心线对称布置施工切口。先沿烟囱倒塌的东北方向地脚向上2.5 m起,以倒塌方向正中为中心点向左右各量8 m标出长16 m的拆除标志线;再以拆除标志线中心向左右各截取1 m为矩形的宽、向上3 m为矩形的长标记出定向窗即拆除单元1;然后沿定向窗向左每隔1 m下降0.2 m高度标出单元2～12,14单元为矩形,其高度不再下降;同理,最后作出右边3～15拆除单元标记,14、15单元即为定位口(注:14、15单元在烟囱筒体背侧),如图3所示。

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

(2) 用挖掘机破碎头逐步开凿拆除单元,作业顺序为:141512345678910111213。在处理完12单元后余下的13单元承受着烟囱自身巨大压力,此时烟囱随时有倒塌的可能。再将挖掘机置于右边缺口的安全地带,用破碎头点打最后的13单元,此单元的承压能力逐渐减小直至最后烟囱失稳倒塌。

在施工过程中挖掘机只能从开孔背后绕行移动,严禁从开口侧移动,组织专人实施远端监测结合目测,确定其有无倾斜变形或其他异常,并及时给现场挖掘机操作人员及其他人员发出撤退信号。

4.2 塌落振动及飞散物的安全防护措施

钢筋混凝土烟囱落地撞击地面时会产生振动危害效应,并溅起大量飞散物。为防止或避免出现烟囱落地飞散物飞溅伤人伤物事故,采取以下安全防护措施:

(1) 沿东北倒塌方向铺设减振缓冲带。在倒塌方向上距离烟囱90 m以内倒塌中线15°的扇形区域,铺设2个沙堆作为缓冲层,以化解烟囱倒塌触地时的部分能量及减少倒塌触地时冲击产生的碎物飞溅,见图4。

图4 减震防护措施Fig.4 Shocking absorption measure

(2) 在烟囱倒塌方向及两侧被保护对象悬挂竹笆或草席,对个别飞散物进行防护。

(3) 施工范围的安全半径以及人员参观点和警戒人员所处的位置,应大于正常所需的安全距离,取300 m。

5 拆除效果

在对第13单元进行机械点打破碎时该单元剩余部分被压碎随后烟囱发生倾倒,倒塌方向与设计方向基本一致,倒塌过程中未产生后座、前冲现象。烟囱从8 m 处摔成扁平状,10 m 以上部分筒身混凝土破碎,溅起的飞散物范围为25～40 m,距倒塌中心最近的机修仓库处振动速度为0.49 cm/s,符合国家相关标准。挖掘机及操作人员在安全区域未受到损害,防护措施达到预想效果未对周围建筑物及人员造成较大影响,本次拆除取得了圆满成功。

6 结 论

(1) 采用机械方式拆除烟囱,能避免复杂环境下爆破拆除可能会出现的一些风险。

(2) 对烟囱划分机械破碎单元,沿烟囱倒塌中心线交替对称作业可以更好的控制倒塌方向。

(3) 在烟囱倒塌方向地面铺设缓冲垫层有助于显著降低坍落振动。

(4) 大型机械的普及使得机械拆除施工周期短、费用低,因此机械拆除高烟囱具有一定的推广价值。

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