钢结构锅炉框架爆破排险

李本伟，周祥磊，王 琪，陈德志，周应军，甄梦阳，罗 鹏，胡浩川，陈 晨

(1.中钢集团 武汉安全环保研究有限公司，武汉 430081；2.湖北省公安厅，武汉 430080； 3.河海大学 土木与交通工程学院，南京 210098)

1 背景

广西合山电厂原4号锅炉框架在人工拆除过程中发生安全事故。角钢顶棚坍塌，顶板结构砸在4号炉钢结构框架，造成其结构损伤，上部横梁弯曲变形，大量角钢及预制板悬挂在4#锅炉框架顶部。最终决定采用爆破拆除作为排险手段。

2 工程概况

2.1 工程环境

待拆除4#机组建成于1978年。该建筑物周边环境十分复杂，见图1。东侧31 m处为30 MW机组渣仓，东北侧40 m处为30 MW机组工业水回收池，东侧大片厂区为30 MW机组，需受到严格保护；南侧15 m处为汽机房,计划同时爆破拆除；西边距5#机组锅炉框架35 m,计划后续拆除；西北方向34 m处为废水化学水处理钢罐，41 m处为30 MW机组脱硫设施；北侧10 m处为麻石砌筑的原4#机组除尘器，40 m远处为露天油罐区(未储油)。

2.2 工程结构

4#机组锅炉由5根(原有6根，其中一根在事故应急中拆除)钢结构立柱支撑而成的钢结构框架，水平投影为6.9 m×10.3 m的矩形,如图2、图3所示。锅炉框架高42 m，+14 m及+20 m处有铆接钢结构横梁，横梁成闭合矩形；42 m处有2根东西走向铆接钢结构横梁，其中北侧横梁已严重变形，而大部分顶棚残体钩挂在南侧横梁上。由于事故原因造成北侧立柱上部弯曲。立柱由两个槽钢内扣外侧焊接钢板制成，为36 cm×50 cm矩形结构，槽钢及钢板厚为2 cm。见图4。

3 总体方案

3.1 方案分析

对于钢结构构筑物一般采用人工拆除，人工-机械拆除或爆破切割拆除。

人工拆除或人工-机械拆除时会发现，4#炉残体为不规则钢结构，顶棚钢结构悬挂在炉体南侧的横梁上。同时，顶棚在坍塌过程中造成了炉体立柱和上部横梁弯曲变形。最致命的问题是:顶棚角钢悬挂在锅炉框架残体上部，达到了静力平衡，对其进行分割拆除时极易破坏这种平衡。4#炉残体高度达到了42 m，顶棚钢结构主要悬挂在40 m以上,4#炉残体四邻高大构筑物。采用爆破切割拆除手段时会发现，由于建设年代久远，钢立柱内部结构、材料指标特别是型材厚度不明；钢结构立柱断面为“日”字形，切割爆破无法处理内部横衬；4#炉残体西侧承担了顶棚角钢的荷载，不宜进行大面积的削弱处理。因此，传统常规的拆除手段已经无法满足本项目的需求。为此，设计在立柱内预先灌注混凝土，解决钢结构内径与壁厚的比值过小不宜破坏和钢管结构爆炸防护能力强的问题[1-4]。同时混凝土填充也大大增强了立柱的抗压能力，解决了不宜预处理的问题[5]。

3.2 爆破总体方案

对全部四根立柱进行爆破，南侧两立柱为前排，北侧两立柱为后排，利用炸高差保证炉体向南定向倾倒的爆破方案。

4 技术参数

4.1 爆破炸高的确定

(1)倾倒过程分析[6,7]

大量钢筋混凝土框架结构爆破拆除显示，爆破过程一般分为3个阶段：

①爆破切口完全形成后，爆破体会在重力作用下下落直至后排支撑结构触地，这个过程中由于下落高度一般较低同时伴随了后排结构的破碎，整个爆破体结构一般不会受到较大破坏。

②随后爆破体在重力和后排支撑的共同作用下倾覆，爆破切口的上沿会首先触地，此时爆破切口闭合，这是爆破体的第二次触地。大多数框架结构会在此时出现梁柱的断裂，甚至整体破碎。

③随后爆破体继续向前倾覆直至迎地面完全触地，这是爆破体的第三次触地。此时爆破体所有重力势能全部释放，自身结构受到巨大的破坏，筒体结构多在此过程中发生破碎。

(2)钢结构自身特性

钢结构框架立柱相比钢筋混凝土结构立柱具有强度大，截面积小的特点，而且大多是空心筒形结构，这导致其断面面积非常小。同时钢结构立柱的基础截面积也比较小。因此在倾倒过程的第一个阶段，很有可能在重力作用下插入泥土，导致有效炸高的减少。

钢结构的整体弹性远强于混凝土结构，倾倒过程的第二个阶段不会发生整体破碎，因此爆破体此时能否突破切口斜面的支撑完成第三个阶段就成为决定爆破成功与否的至关重要的因素。

(3)炸高确定

4#炉残体为不规则结构，但从侧视图可见，大量的顶棚残体悬挂在炉体南侧顶部的横梁上，其重量必然造成整个结构的重心上提南移，这对炉体爆破后向南倾倒是有利的，因此通过几何法判断其重心偏移量来确定最小炸高是可行的。

(4)炸高计算

令α为爆破体到达倾倒第二阶段时的角位移，如图5所示。则可根据几何关系给出等式

L=R·cosβ·cosα

式中：R为重心旋转半径，m；β第二阶段重心对地夹角；L倾倒方向底面边长，m。

根据施工需求，可选取最小近似整数解。式中R=23.1 m，L=6.9 m，α+β=77°。进而可知最小理论爆破切口高度h1≈0.5 m。考虑到后排立柱有侧移插入土中的可能，实际切口高度取值为

H=h1+h2+h3

式中：h1为最小理论爆破切口高度；h2为后排入土深度，取1 m；h3为炸高补偿(后排炸点、施工精度、渣堆等原因)，取1 m。

可知爆破切口高度为2.5 m。

切口布置见图6～图8。

4.2 孔网参数

前排立柱炸高为2.5 m，共打孔10排，其中下5排排距为25 cm，单耗为8.89 kg/m3；第6至第10排排距为30 cm，单耗为7.4 kg/m3。后排立柱炸高为0.5 m，排距为25 cm，单耗为7.4 kg/m3。根据爆破试验，孔距取10.5 cm，每排3个孔，中间孔孔深为28 cm装200 g药，两边孔孔深为23 cm装100 g,钻孔直径为40 mm。装药结构为连续装药，孔口用黄泥堵塞[5]。

采用孔内延时的非电起爆网路。孔内采用非电雷管，孔外采用“一把抓”的联接方式，每把20发用两发非电毫秒雷管传爆。前排立柱孔内装MS7段非电雷管，后排立柱孔内装MS11段非电雷管，孔外用MS1段非电雷管接力，最后抓成两把连入爆破主网路。

5 预处理

(1)在立柱内填充混凝土。并在设计炮孔处开直径为42 mm的圆孔。

(2)在下5排炮孔中交叉选择一个，在其两侧切割横向预切引导缝，在无钻孔的三个面切割纵向预切引导缝[5,8]。

6 安全防护

与一般拆除爆破相比，本次爆破的单耗是比较大的，需重点控制爆破飞石。通过钢丝网、防晒网、单层沙袋组成的防护体系有效的控制了爆破飞散物和爆破空气冲击波[5,7,9,10]。为方便施工，预先加工了防护模块。同时利用沙袋墙对下部5排孔进行加强防护。见图9、图10。

7 爆破效果及结论

7.1 爆破效果

4#炉框架完全倒塌，如图11所示，后排立柱断口处有大量泥土残留，说明在完全倒地前曾插入泥土中。从残留泥土判断入土深度在50 cm以上。下5排加强装药段钢结构立柱完全销毁，已经无法在废墟中找到残骸；断口处钢板外翻，内部预先填充的混凝土保存完好。上5排也大部分销毁，仅有一个立柱钻孔一侧钢板保留完整，钻孔清晰可见。40 m范围内四邻建筑表面未见飞石破坏痕迹。

7.2 结论与展望

1)通过内注混凝土实现空心钢构件的钻孔爆破，并借此完成钢结构的爆破拆除任务。

2)7.4 kg/m3至8.89 kg/m3的单耗在爆破中起到了非常好的效果。

3)爆破体立柱为2块槽钢对拼，然后用钢板焊接而成。在面对单个槽钢或角钢构成的开放式钢结构立柱时，可通过拼接成筒后再利用本方法进行爆破拆除。

4)钢结构框架立柱截面积小，基础截面积也比较小，极易出现立柱下落溢出基础支撑范围的情况。此时必须考虑自然地质条件，以判断后排立柱入土后造成的炸高损失。

5)对于异形结构体，需充分考虑到整体重心位置对爆破效果的影响。