鋼結(jié)構(gòu)鍋爐框架爆破排險

李本偉，周祥磊，王 琪，陳德志，周應(yīng)軍，甄夢陽，羅 鵬，胡浩川，陳 晨

(1.中鋼集團 武漢安全環(huán)保研究有限公司，武漢 430081；2.湖北省公安廳，武漢 430080； 3.河海大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，南京 210098)

1 背景

廣西合山電廠原4號鍋爐框架在人工拆除過程中發(fā)生安全事故。角鋼頂棚坍塌，頂板結(jié)構(gòu)砸在4號爐鋼結(jié)構(gòu)框架，造成其結(jié)構(gòu)損傷，上部橫梁彎曲變形，大量角鋼及預(yù)制板懸掛在4#鍋爐框架頂部。最終決定采用爆破拆除作為排險手段。

2 工程概況

2.1 工程環(huán)境

待拆除4#機組建成于1978年。該建筑物周邊環(huán)境十分復(fù)雜，見圖1。東側(cè)31 m處為30 MW機組渣倉，東北側(cè)40 m處為30 MW機組工業(yè)水回收池，東側(cè)大片廠區(qū)為30 MW機組，需受到嚴(yán)格保護；南側(cè)15 m處為汽機房,計劃同時爆破拆除；西邊距5#機組鍋爐框架35 m,計劃后續(xù)拆除；西北方向34 m處為廢水化學(xué)水處理鋼罐，41 m處為30 MW機組脫硫設(shè)施；北側(cè)10 m處為麻石砌筑的原4#機組除塵器，40 m遠(yuǎn)處為露天油罐區(qū)(未儲油)。

2.2 工程結(jié)構(gòu)

4#機組鍋爐由5根(原有6根，其中一根在事故應(yīng)急中拆除)鋼結(jié)構(gòu)立柱支撐而成的鋼結(jié)構(gòu)框架，水平投影為6.9 m×10.3 m的矩形,如圖2、圖3所示。鍋爐框架高42 m，+14 m及+20 m處有鉚接鋼結(jié)構(gòu)橫梁，橫梁成閉合矩形；42 m處有2根東西走向鉚接鋼結(jié)構(gòu)橫梁，其中北側(cè)橫梁已嚴(yán)重變形，而大部分頂棚殘體鉤掛在南側(cè)橫梁上。由于事故原因造成北側(cè)立柱上部彎曲。立柱由兩個槽鋼內(nèi)扣外側(cè)焊接鋼板制成，為36 cm×50 cm矩形結(jié)構(gòu)，槽鋼及鋼板厚為2 cm。見圖4。

3 總體方案

3.1 方案分析

對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物一般采用人工拆除，人工-機械拆除或爆破切割拆除。

人工拆除或人工-機械拆除時會發(fā)現(xiàn)，4#爐殘體為不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)，頂棚鋼結(jié)構(gòu)懸掛在爐體南側(cè)的橫梁上。同時，頂棚在坍塌過程中造成了爐體立柱和上部橫梁彎曲變形。最致命的問題是:頂棚角鋼懸掛在鍋爐框架殘體上部，達(dá)到了靜力平衡，對其進行分割拆除時極易破壞這種平衡。4#爐殘體高度達(dá)到了42 m，頂棚鋼結(jié)構(gòu)主要懸掛在40 m以上,4#爐殘體四鄰高大構(gòu)筑物。采用爆破切割拆除手段時會發(fā)現(xiàn)，由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，鋼立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料指標(biāo)特別是型材厚度不明；鋼結(jié)構(gòu)立柱斷面為“日”字形，切割爆破無法處理內(nèi)部橫襯；4#爐殘體西側(cè)承擔(dān)了頂棚角鋼的荷載，不宜進行大面積的削弱處理。因此，傳統(tǒng)常規(guī)的拆除手段已經(jīng)無法滿足本項目的需求。為此，設(shè)計在立柱內(nèi)預(yù)先灌注混凝土，解決鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)徑與壁厚的比值過小不宜破壞和鋼管結(jié)構(gòu)爆炸防護能力強的問題[1-4]。同時混凝土填充也大大增強了立柱的抗壓能力，解決了不宜預(yù)處理的問題[5]。

3.2 爆破總體方案

對全部四根立柱進行爆破，南側(cè)兩立柱為前排，北側(cè)兩立柱為后排，利用炸高差保證爐體向南定向傾倒的爆破方案。

4 技術(shù)參數(shù)

4.1 爆破炸高的確定

(1)傾倒過程分析[6,7]

大量鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)爆破拆除顯示，爆破過程一般分為3個階段：

①爆破切口完全形成后，爆破體會在重力作用下下落直至后排支撐結(jié)構(gòu)觸地，這個過程中由于下落高度一般較低同時伴隨了后排結(jié)構(gòu)的破碎，整個爆破體結(jié)構(gòu)一般不會受到較大破壞。

②隨后爆破體在重力和后排支撐的共同作用下傾覆，爆破切口的上沿會首先觸地，此時爆破切口閉合，這是爆破體的第二次觸地。大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)會在此時出現(xiàn)梁柱的斷裂，甚至整體破碎。

③隨后爆破體繼續(xù)向前傾覆直至迎地面完全觸地，這是爆破體的第三次觸地。此時爆破體所有重力勢能全部釋放，自身結(jié)構(gòu)受到巨大的破壞，筒體結(jié)構(gòu)多在此過程中發(fā)生破碎。

(2)鋼結(jié)構(gòu)自身特性

鋼結(jié)構(gòu)框架立柱相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)立柱具有強度大，截面積小的特點，而且大多是空心筒形結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致其斷面面積非常小。同時鋼結(jié)構(gòu)立柱的基礎(chǔ)截面積也比較小。因此在傾倒過程的第一個階段，很有可能在重力作用下插入泥土，導(dǎo)致有效炸高的減少。

鋼結(jié)構(gòu)的整體彈性遠(yuǎn)強于混凝土結(jié)構(gòu)，傾倒過程的第二個階段不會發(fā)生整體破碎，因此爆破體此時能否突破切口斜面的支撐完成第三個階段就成為決定爆破成功與否的至關(guān)重要的因素。

(3)炸高確定

4#爐殘體為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但從側(cè)視圖可見，大量的頂棚殘體懸掛在爐體南側(cè)頂部的橫梁上，其重量必然造成整個結(jié)構(gòu)的重心上提南移，這對爐體爆破后向南傾倒是有利的，因此通過幾何法判斷其重心偏移量來確定最小炸高是可行的。

(4)炸高計算

令α為爆破體到達(dá)傾倒第二階段時的角位移，如圖5所示。則可根據(jù)幾何關(guān)系給出等式

L=R·cosβ·cosα

式中：R為重心旋轉(zhuǎn)半徑，m；β第二階段重心對地夾角；L傾倒方向底面邊長，m。

根據(jù)施工需求，可選取最小近似整數(shù)解。式中R=23.1 m，L=6.9 m，α+β=77°。進而可知最小理論爆破切口高度h1≈0.5 m?？紤]到后排立柱有側(cè)移插入土中的可能，實際切口高度取值為

H=h1+h2+h3

式中：h1為最小理論爆破切口高度；h2為后排入土深度，取1 m；h3為炸高補償(后排炸點、施工精度、渣堆等原因)，取1 m。

可知爆破切口高度為2.5 m。

切口布置見圖6～圖8。

4.2 孔網(wǎng)參數(shù)

前排立柱炸高為2.5 m，共打孔10排，其中下5排排距為25 cm，單耗為8.89 kg/m3；第6至第10排排距為30 cm，單耗為7.4 kg/m3。后排立柱炸高為0.5 m，排距為25 cm，單耗為7.4 kg/m3。根據(jù)爆破試驗，孔距取10.5 cm，每排3個孔，中間孔孔深為28 cm裝200 g藥，兩邊孔孔深為23 cm裝100 g,鉆孔直徑為40 mm。裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥，孔口用黃泥堵塞[5]。

采用孔內(nèi)延時的非電起爆網(wǎng)路?？變?nèi)采用非電雷管，孔外采用“一把抓”的聯(lián)接方式，每把20發(fā)用兩發(fā)非電毫秒雷管傳爆。前排立柱孔內(nèi)裝MS7段非電雷管，后排立柱孔內(nèi)裝MS11段非電雷管，孔外用MS1段非電雷管接力，最后抓成兩把連入爆破主網(wǎng)路。

5 預(yù)處理

(1)在立柱內(nèi)填充混凝土。并在設(shè)計炮孔處開直徑為42 mm的圓孔。

(2)在下5排炮孔中交叉選擇一個，在其兩側(cè)切割橫向預(yù)切引導(dǎo)縫，在無鉆孔的三個面切割縱向預(yù)切引導(dǎo)縫[5,8]。

6 安全防護

與一般拆除爆破相比，本次爆破的單耗是比較大的，需重點控制爆破飛石。通過鋼絲網(wǎng)、防曬網(wǎng)、單層沙袋組成的防護體系有效的控制了爆破飛散物和爆破空氣沖擊波[5,7,9,10]。為方便施工，預(yù)先加工了防護模塊。同時利用沙袋墻對下部5排孔進行加強防護。見圖9、圖10。

7 爆破效果及結(jié)論

7.1 爆破效果

4#爐框架完全倒塌，如圖11所示，后排立柱斷口處有大量泥土殘留，說明在完全倒地前曾插入泥土中。從殘留泥土判斷入土深度在50 cm以上。下5排加強裝藥段鋼結(jié)構(gòu)立柱完全銷毀，已經(jīng)無法在廢墟中找到殘??；斷口處鋼板外翻，內(nèi)部預(yù)先填充的混凝土保存完好。上5排也大部分銷毀，僅有一個立柱鉆孔一側(cè)鋼板保留完整，鉆孔清晰可見。40 m范圍內(nèi)四鄰建筑表面未見飛石破壞痕跡。

7.2 結(jié)論與展望

1)通過內(nèi)注混凝土實現(xiàn)空心鋼構(gòu)件的鉆孔爆破，并借此完成鋼結(jié)構(gòu)的爆破拆除任務(wù)。

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

3)爆破體立柱為2塊槽鋼對拼，然后用鋼板焊接而成。在面對單個槽鋼或角鋼構(gòu)成的開放式鋼結(jié)構(gòu)立柱時，可通過拼接成筒后再利用本方法進行爆破拆除。

4)鋼結(jié)構(gòu)框架立柱截面積小，基礎(chǔ)截面積也比較小，極易出現(xiàn)立柱下落溢出基礎(chǔ)支撐范圍的情況。此時必須考慮自然地質(zhì)條件，以判斷后排立柱入土后造成的炸高損失。

5)對于異形結(jié)構(gòu)體，需充分考慮到整體重心位置對爆破效果的影響。