復(fù)雜環(huán)境下100 m高煙囪機(jī)械拆除的實(shí)施

郝震宇，高 翔

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

在21 世紀(jì)，隨著國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，越來越多的老舊生產(chǎn)線，因高污染、高排放而被逐漸淘汰，因此，越來越多的老舊生產(chǎn)線的拆除過程中，存在著大量的煙囪需要拆除。煙囪的拆除是建筑拆除作業(yè)里最危險(xiǎn)的作業(yè)之一，目前常用的方法有人工、機(jī)械、爆破及靜力破碎等方法［1-2］。老舊廠區(qū)普遍具有復(fù)雜的環(huán)境，甚至部分廠區(qū)距離居民區(qū)較勁，因此，針對(duì)此類區(qū)域的煙囪，采用機(jī)械拆除具有效率高、操作性好、成本低、影響小等優(yōu)勢(shì)［3］。目前，隨著大型機(jī)械設(shè)備的發(fā)展及普及，老舊廠區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的煙囪拆除，越來越多的選擇機(jī)械拆除。

1 工程概況

1.1 煙囪情況

本文所述拆除的煙囪建于1976年，為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，下大上小，下部外徑約9.08 m，上部外徑約5.76 m，標(biāo)高100 m，總重量約1 800 t，煙囪外部用扁鋼條抱箍加固，使用水泥砂漿抹灰防護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)已在煙囪進(jìn)行取樣分析，分析結(jié)果顯示混凝土抗壓強(qiáng)度為29.5 MPa。

1.2 周圍環(huán)境

煙囪兩側(cè)分別分布著煤氣、氧氣管道、鐵路、建筑物及住宅小區(qū)，詳細(xì)分布距離見圖1，其中距離住宅小區(qū)約300 m，傾倒方向距離道路距離為230 m，氧氣管道距離較近（約23 m），拆除前停運(yùn)廢棄。

圖1 待拆除煙囪周邊環(huán)境

2 拆除施工方案

綜合考慮煙囪周圍復(fù)雜的環(huán)境及緊張的施工工期，因此本次煙囪拆除根據(jù)伐樹原理，破壞煙囪底部，使其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)定向倒塌的機(jī)械拆除方法。根據(jù)煙囪的結(jié)構(gòu)情況，為保證施工安全有效的進(jìn)行，此次選用小松PC200-8 履帶式液壓挖掘機(jī)及日立360加長臂液壓剪等大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行施工。

2.1 傾倒中心線的確認(rèn)

煙囪的拆除若采用定向倒塌的機(jī)械拆除方式，則需要倒塌方向的場(chǎng)地要兼具足夠的安全長度及寬度，長度、寬度方向的安全距離應(yīng)分別不小于其高度的1.0～1.2倍（從煙囪的中心點(diǎn)起算）、切口部位外徑的2.0～3.0 倍（垂直于傾倒中心線）［4］。而此次拆除的煙囪為鋼筋混凝土煙囪，水平安全距離應(yīng)適當(dāng)放大一些。

根據(jù)上述要求，本次煙囪拆除，需要不小于120 m 長、30 m 寬的場(chǎng)地。根據(jù)本文“1.2 周圍環(huán)境”，分析可得確定傾倒方向?yàn)檎龞|偏南30°。

2.2 切口位置及形狀

煙囪的切口形成后，保留弧段的抗壓、抗剪強(qiáng)度，一旦低于軸向壓力、切向推力，會(huì)使得整個(gè)煙囪開始下沉，而在下沉?xí)r，壁體介質(zhì)強(qiáng)度的不均勻性，將導(dǎo)致壓縮破壞過程中，煙囪產(chǎn)生不對(duì)稱性，進(jìn)而影響煙囪最終傾倒的定向性，因此，切口的設(shè)計(jì)十分重要。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得煙道口高度為6 m，寬度為4 m，兩側(cè)立柱為0.5×1 m 鋼筋混凝土立柱，切口底部由距地表1.0 m 位置開始。切口高度h 一般取切口部位壁厚 δ 的 1.5～2.0 倍［4］，故此次切口高度 h 取值為1.5～2.0 m，考慮到機(jī)械遠(yuǎn)程操作的可控性，為保證順利拆除，此次拆除切口高度取2.5 m。切口弧長一般不宜小于筒體圓周的1/2，宜取L=（1/2-2/3）πd［4］，D 為切口部位筒壁的外直徑，故此次切口弧長宜取14.26 m～19.01 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體條件，取15 m。

綜上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，此次煙囪機(jī)械拆除的切口設(shè)計(jì)如下，如圖3。

（1）以該立柱的下端內(nèi)壁向上1 m 用油漆做標(biāo)識(shí)“A”點(diǎn)，“B”點(diǎn)，沿“A”點(diǎn)，“B”點(diǎn)，向上垂直測(cè)量2.5 m 分別標(biāo)識(shí)“C”點(diǎn)，“D”點(diǎn)，即形成 AC、BD 兩條2.5m長的線段。

（2）以“A”點(diǎn)平行于煙囪外壁向外側(cè)測(cè)量6.5 米處做標(biāo)記“E”點(diǎn)，以“B”點(diǎn)平行于煙囪外壁向外側(cè)測(cè)量4.5 m處做標(biāo)記“F”點(diǎn)。

圖2 切口位置及形狀示意圖

2.3 內(nèi)襯的處理

煙囪內(nèi)襯的厚度約為12～24 cm，在破碎切口的時(shí)候，為了確保倒塌方向的準(zhǔn)確性，應(yīng)同時(shí)將內(nèi)襯破碎。

2.4 煙囪拆除塌落振動(dòng)速度計(jì)算

根據(jù)周家漢教授對(duì)塌落振動(dòng)的研究成果［5-6］，煙囪拆除時(shí)，塌落振動(dòng)速度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中，Vt——塌落引起的地面振動(dòng)速度，cm/s；

M——下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

h——構(gòu)件的高度，m；

R——觀測(cè)點(diǎn)至沖擊地面中心的距離，m；

σ——塌落地面介質(zhì)破壞強(qiáng)度，一般取10 MPa；

Kt、β——塌落振動(dòng)速度衰減系數(shù)和指數(shù)，分別取3.37和-1.8。

根據(jù)煙囪建筑設(shè)計(jì)圖紙，煙囪質(zhì)量M 約為1 800 t，煙囪高度 h 為 100 m，這里 Kt 取 3.37，β取-1.8。

實(shí)際施工時(shí)，通過在地面開挖減震溝，布設(shè)減震堤的方式，改變煙囪的觸地狀況，可減小塌落振度，因此，公式中衰減系數(shù)Kt為原狀地面的 1/3［6］，則計(jì)算如表1 所示，均小于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［7］。故可以將煙囪塌落振動(dòng)控制在周邊建構(gòu)筑物的安全允許振速范圍內(nèi)。

表1 塌落振動(dòng)計(jì)算結(jié)果表

3 施工過程及安全保障

3.1 機(jī)械拆除步驟

根據(jù)計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)情況，確定機(jī)械拆除步驟如下，示意圖如圖3。

圖3 拆除步驟示意圖

（1）拆除前先用氣割割斷傾倒方向背側(cè)與切口記號(hào)范圍內(nèi)的扁鋼。然后用加長臂破碎機(jī)在以煙囪為圓心，距離圓心15 m 安全距離的圓弧上進(jìn)行破拆作業(yè)。

（2）首先機(jī)械站位在煙囪的側(cè)后方，對(duì)AC 立柱（1 點(diǎn)）從上而下進(jìn)行破碎，破碎以AC 線段中點(diǎn)進(jìn)行劃分，為上下兩步進(jìn)行。

（3）然后機(jī)械逆時(shí)針繞行至煙囪的側(cè)后方，對(duì)BD 立柱（2 點(diǎn)）從上而下進(jìn)行破碎，破碎以BD 線段中點(diǎn)進(jìn)行劃分，為上下兩步進(jìn)行。

（4）立柱破碎后，機(jī)械順時(shí)針繞行至煙囪的側(cè)后方，以AC軸線逆時(shí)針后退破拆ACGH（3點(diǎn)），破碎按照從上到下的順序破除。

（5）3 點(diǎn)區(qū)域拆除后，機(jī)械逆時(shí)針繞行至煙囪側(cè)后方，對(duì)4點(diǎn)區(qū)域破除。

（6）4 點(diǎn)區(qū)域拆除后，機(jī)械順時(shí)針繞行至煙囪側(cè)后方，對(duì)5點(diǎn)區(qū)域破除。

（7）5 點(diǎn)區(qū)域拆除后，機(jī)械逆時(shí)針繞行至煙囪側(cè)后方，對(duì)6點(diǎn)區(qū)域破除。

（8）6 點(diǎn)區(qū)域拆除后，機(jī)械順時(shí)針繞行至煙囪側(cè)后方，對(duì)7點(diǎn)區(qū)域破除。

（9）7 點(diǎn)區(qū)域拆除后，機(jī)械逆時(shí)針繞行至煙囪側(cè)后方，對(duì)8點(diǎn)區(qū)域破除。

（10）8 點(diǎn)區(qū)域拆除后，機(jī)械順時(shí)針繞行至煙囪側(cè)后方，對(duì)9點(diǎn)區(qū)域破除。

（11）機(jī)械破除時(shí)按照從上到下的順序進(jìn)行拆除。拆除時(shí)機(jī)械應(yīng)側(cè)向站位，機(jī)械邊拆邊移動(dòng)，始終處于煙囪的側(cè)后方，機(jī)械移動(dòng)位置示意圖如圖4所示。當(dāng)煙囪承重墻壁被破拆掉后，煙囪的重心將發(fā)生改變，向已拆方向偏移，剩下的未拆部分無法支撐，煙囪將因失重向沒有支撐的一側(cè)倒去，即達(dá)到定向傾倒的目的。

圖4 機(jī)械移動(dòng)位置示意圖

3.2 施工安全保障

（1）飛石的防范

飛石是指在拆除作業(yè)時(shí)，因煙囪倒地而釋放出的能量，將砂石、泥土及雜物等物質(zhì)從作業(yè)點(diǎn)或面拋擲至遠(yuǎn)處，主要體現(xiàn)在造成人員傷亡、建（構(gòu)）筑物損壞、機(jī)器設(shè)備損毀等方面。飛石的飛行距離的影響因素眾多，主要有煙囪結(jié)構(gòu)、煙囪質(zhì)量、地質(zhì)條件、氣象條件等。

考慮到煙囪倒地后產(chǎn)生的飛石可能會(huì)對(duì)周邊的人員及介質(zhì)管道等建構(gòu)筑物造成損傷，因此選擇晴天進(jìn)行拆除，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)通過用無碎石的松土布設(shè)減震堤、滿鋪安全密目網(wǎng)及部分鋪設(shè)橡膠皮帶等防飛石措施后，將其飛行距離控制在安全范圍內(nèi)。

（2）減震布置

在距離煙囪低部按照50 m、75 m、87.5 m、100 m位置上［8］，垂直于傾倒方向處，設(shè)置減震堤和減震溝，如圖5所示。減震堤減震溝截面為梯形結(jié)構(gòu)，減震堤采用松軟泥土及黃沙，堤下底寬2 m，上底寬1.5 m，高2.5 m。減震溝下底寬2 m，上底寬1.5 m，深度2.5 m。

圖5 減震堤、減震溝設(shè)置示意圖

定向傾倒區(qū)間與減震堤、減震溝用雙層2000目安全密目網(wǎng)進(jìn)行覆蓋，防止石子飛濺。同時(shí)減震堤上部使用現(xiàn)場(chǎng)拆除的廢舊皮帶進(jìn)行覆蓋，增加減震效果。

3.3 拆除效果

較大的風(fēng)力會(huì)對(duì)煙囪倒塌方向產(chǎn)生一定的影響，因此此次施工，選定在風(fēng)力在2級(jí)以下的天氣實(shí)施，同時(shí)拆除期間，氧氣管道停運(yùn)廢棄，周邊鐵路及其余介質(zhì)管道臨時(shí)停運(yùn)。煙囪拆除倒塌時(shí)，經(jīng)觀測(cè)，其傾倒方向與設(shè)計(jì)方向基本一致，并未產(chǎn)生明顯后座、前沖現(xiàn)象，倒塌后臨時(shí)停運(yùn)的鐵路及介質(zhì)管道專業(yè)，經(jīng)檢查合格后恢復(fù)運(yùn)行。煙囪本體，從15 m 處摔成扁平狀，20 m 以上混凝土破碎，飛散物的范圍約為20～38 m。距離煙囪75 m 處的煤氣管道區(qū)域，振動(dòng)速度為0.59 cm/s，距離煙囪50 m 處的鐵路區(qū)域，振動(dòng)速度為1.34 cm/s，均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過整個(gè)拆除過程觀測(cè)，此次高大煙囪的機(jī)械拆除，各類防護(hù)措施均達(dá)到預(yù)想效果，同時(shí)未對(duì)周圍建筑物及人員造成明顯的影響及損害，本次煙囪拆除取得了圓滿成功。

4 結(jié)論

（1）高大煙囪定向倒塌的機(jī)械拆除方法，具有施工周期短、費(fèi)用低、手續(xù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，具有很高的推廣價(jià)值。

（2）切口的設(shè)置，是煙囪傾倒的定向性控制的重要參數(shù)。

（3）煙囪傾倒方向設(shè)置減震堤、減震溝，更好的降低塌落振動(dòng)；

（4）機(jī)械拆除施工，距離煙囪本體較近，為保證施工安全與質(zhì)量，須在施工前對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行全面交底，并在施工時(shí)做好各類監(jiān)控。