復(fù)雜環(huán)境中服役后期高聳構(gòu)筑物更新技術(shù)方法

歐 翔，王中敏，柯 明，唐進(jìn)華，周佳麗

（1.福建三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 353000；2.西安建筑科大工程技術(shù)有限公司，陜西 西安 710055）

0 引言

我國(guó)的大中型老工業(yè)基地基本始建于 20 世紀(jì) 50、60 年代，后續(xù)使用過(guò)程中進(jìn)行局部改擴(kuò)建。工藝設(shè)備的集成化、大型化導(dǎo)致新建（構(gòu)）筑物在原園區(qū)布局條件下凈距更小、整體更加狹擠。這為后續(xù)建筑物的加固、改造和拆除造成了施工困難。

本文以建于某老鋼鐵基地?zé)Y(jié)廠的，存在嚴(yán)重耐久性損傷的 100 m 混凝土煙囪的結(jié)構(gòu)安全分析和拆除更新為例，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)鑒定、有限元分析，及后期加固補(bǔ)強(qiáng)、拆除更新兩套方案的經(jīng)濟(jì)性、可行性分析，并對(duì)狹小范圍高聳結(jié)構(gòu)的拆除安全性技術(shù)方法進(jìn)行探索。

1 工程概況

某燒結(jié)廠 180 燒結(jié)機(jī)主抽煙囪建于 20 世紀(jì) 80年代末，為 130 m2燒結(jié)機(jī)改造工程配套主煙囪，如圖1 所示。煙囪高度為 100 m，頂口外徑 2.75 m，底部外徑 5.35 m，筒身本體分為鋼筋混凝土筒壁（厚度為 360～200 mm）、保溫隔熱層（厚度為 80 mm）、內(nèi)襯（厚度為 240～120 mm）三層，總厚度為400～680 mm。其中筒壁混凝土強(qiáng)度為 C30；保溫層采用憎水珍珠巖制品，最高使用溫度 600 ℃；內(nèi)襯采用普通粘土耐火磚，耐酸膠泥砌筑，最高使用溫度為1 400 ℃。

圖1 煙囪整體外觀

該燒結(jié)廠 180 燒結(jié)機(jī)主抽煙囪，建成并投入使用已三十余年，期間因煙囪筒壁出口處破損、滲液、出口內(nèi)襯開(kāi)裂等問(wèn)題，進(jìn)行過(guò)多次加固處理。2015 年曾進(jìn)行內(nèi)襯應(yīng)急維修，2019 年煙囪標(biāo)高 75.000～90.000 m 間的混凝土筒壁出現(xiàn)大面積保護(hù)層脫落，鋼筋銹蝕嚴(yán)重，裸露的混凝土表面酥松，截面損傷深度達(dá) 70 mm，已嚴(yán)重影響煙囪的正常承載安全，如圖2～3 所示。由于該煙囪周邊設(shè)備、建筑環(huán)繞、凈距較?。ㄒ?jiàn)圖4），給后期維修或拆除造成較大操作困難。

圖2 煙囪南側(cè)外壁損傷

圖3 煙囪北側(cè)外壁損傷

圖4 煙囪周邊環(huán)境

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 化學(xué)分析

對(duì)標(biāo)高 87.000 m 處保護(hù)層開(kāi)裂區(qū)域的混凝土進(jìn)行取樣，采用X衍射方法分析及化學(xué)分析方法對(duì)樣品的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)分析，以確定外側(cè)開(kāi)裂區(qū)域，是否有酸液滲入該區(qū)域，進(jìn)而判斷混凝土開(kāi)裂原因，化學(xué)分析結(jié)果如表1 所示。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

由測(cè)試數(shù)據(jù)可得，SO3的含量為 1.66 %，Cl的含量為 1.66 %，酸性物質(zhì)含量較小，腐蝕情況相對(duì)較輕，因此認(rèn)為：酸液穿過(guò)內(nèi)襯和隔熱層，進(jìn)入混凝土筒壁，對(duì)筒壁造成腐蝕的概率不大。

2.2 溫度測(cè)試

在煙囪正常使用過(guò)程中，通過(guò)紅外線測(cè)溫儀對(duì)煙囪外立面進(jìn)行溫度測(cè)量，確定保溫層是否存在明顯的破損和老化現(xiàn)象。測(cè)試當(dāng)天室外溫度為 24 ℃，煙囪表面最高溫度為 54 ℃（破損區(qū)域），最低溫度為 46.5 ℃（見(jiàn)圖5～6），數(shù)據(jù)顯示煙囪表面無(wú)明顯的高溫異常點(diǎn)，無(wú)明顯的溫差，說(shuō)明憎水珍珠巖保溫層基本完好，未發(fā)生明顯的破損和老化現(xiàn)象。

圖5 煙囪上部測(cè)溫結(jié)果

圖6 對(duì)應(yīng)可見(jiàn)光視角

2.3 承載能力分析

為了解損傷狀態(tài)下的煙囪結(jié)構(gòu)安全性，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)、實(shí)際溫度作用，建立煙囪的有限元模型，分析筒壁受損情況下的結(jié)構(gòu)安全性能。

煙囪總高度 100 m，每 10 m 一節(jié)，煙囪筒壁內(nèi)側(cè)挑出牛腿支承內(nèi)襯和隔熱層的重量，內(nèi)襯及隔熱層的重量由下一節(jié)來(lái)承受。每節(jié)根部自重包括其上面所有分節(jié)的自重加上附加重量，統(tǒng)計(jì)詳如表2 所示。

表2 筒壁自重計(jì)算結(jié)果

計(jì)算煙囪最高受熱溫度和確定材料在溫度作用下的折減系數(shù)時(shí)，煙囪內(nèi)部的煙氣溫度采用煙囪脫硫裝置正常使用狀態(tài)下的最高溫度，確定煙氣露點(diǎn)溫度和防腐措施時(shí)，采用煙氣溫度變化范圍的下限值。煙囪各構(gòu)造層溫度示意如圖7 所示。

圖7 煙囪構(gòu)造層溫度表示示意圖

在地震和風(fēng)荷載分別作用下，煙囪可簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量的多質(zhì)點(diǎn)豎向振動(dòng)體系，并采用分段變截面替代連續(xù)漸變截面；開(kāi)裂、老化等因素都會(huì)對(duì)混凝土剛度造成影響，煙囪截面剛度取質(zhì)心處截面剛度的 1.00 倍，即B=1.00 EI。

采用振型分解反應(yīng)譜法，不考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)作用。水平地震作用前 5 個(gè)振型自振周期分別為：T1=1.508 1s、T2=0.345 2s、T3=0.139 9s、T4=0.075 1s、T5=0.046 7s，各振型示意如圖8 所示。

在經(jīng)過(guò)多種荷載作用組合，煙囪可滿(mǎn)足承載能力極限狀態(tài)下和正常使用極限狀態(tài)下的驗(yàn)算要求。

3 方案決策

該煙囪承載能力仍可滿(mǎn)足要求，但筒壁表面 60 % 區(qū)域開(kāi)裂，隨意掉落的混凝土塊易砸毀周邊設(shè)備，并給相鄰道路通過(guò)的車(chē)輛和行人帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。經(jīng)評(píng)估修復(fù)成本已占重建費(fèi)用的 50 %，同時(shí)考慮到該煙囪及周邊附屬設(shè)備因工藝落后，幾年內(nèi)需進(jìn)行更新，因此決定將煙囪提前停用、并及時(shí)拆除。該煙囪位于需保留建（構(gòu)）筑群中心位置，距離最近的僅 5.0 m，且周邊燒結(jié)生產(chǎn)正常進(jìn)行，因此煙囪的拆除受限較大。

3.1 拆除方法分析與選擇

查閱資料可知［1］，目前針對(duì)煙囪的拆除方式可分為人工拆除、機(jī)械拆除、爆破拆除三種形式。

人工拆除是最普遍的施工方法，常用于低矮建筑物或構(gòu)筑物的拆除，也用于機(jī)械拆除和爆破拆除的預(yù)處理或輔助工作［2］。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周?chē)h(huán)境影響小，可完成其他拆除方法無(wú)法完成的精細(xì)化拆除工作，缺點(diǎn)：工作環(huán)境復(fù)雜、拆除工期長(zhǎng)、高空作業(yè)、安全管控難等。因此在現(xiàn)代施工建設(shè)條件和要求之下，單獨(dú)依靠人工拆除效果非常有限［3］。

隨著大型機(jī)械設(shè)備的普及，機(jī)械拆除的應(yīng)用也日漸增多，優(yōu)點(diǎn)：①施工工藝簡(jiǎn)單、工期短、效率高；②可按設(shè)定開(kāi)孔擴(kuò)展，定向準(zhǔn)確，可控性較好；③成本較底，且無(wú)須復(fù)雜審批手續(xù)［4］。缺點(diǎn)：①振動(dòng)較大，可能危及相鄰建筑物；②粉塵較大；③拆除高度受限。

爆破拆除是目前最常用的拆除方法，主要分為控制爆破法和靜態(tài)爆破法，優(yōu)點(diǎn)為速度快，效果明顯。缺點(diǎn)：①炸藥量不足或爆點(diǎn)位置設(shè)置不準(zhǔn)，可能導(dǎo)致一次爆破，煙囪未倒塌；②炸藥量過(guò)多，可能導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生的沖擊波改變煙囪倒塌方向，使煙囪原地下坐、未倒，甚至反向倒塌；③爆破時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、飛石、空氣沖擊波及噪音等二次危害；④復(fù)雜環(huán)境下需要進(jìn)行較大范圍、較長(zhǎng)時(shí)間的場(chǎng)地管制［5］。隨著爆破拆除應(yīng)用的普遍，近年來(lái)發(fā)生了諸如昆明某煙囪拆除時(shí)倒塌方向偏差達(dá)120°、邵陽(yáng)市某煙囪拆除時(shí)煙囪頂部筒體反向傾倒、淮北市某煙囪爆破時(shí)原地下坐未倒［6］、貴州省某煙囪爆破拆除前沖［7］、徐州某基坑支護(hù)工程中爆破導(dǎo)致基坑西側(cè)房屋墻體開(kāi)裂、整體位移及傾斜［8］等安全事故。

3.2 拆除方法選擇

高聳構(gòu)筑物拆除方法的選擇直接影響施工總費(fèi)用、安全度，而構(gòu)筑物所處環(huán)境成為拆除方法選擇的重要因素之一。該煙囪位于建筑物密集區(qū)，下方為三條道路交匯區(qū)，周?chē)闆r復(fù)雜、操作場(chǎng)地狹小，大型機(jī)械設(shè)備無(wú)法展開(kāi)，不具備傳統(tǒng)的機(jī)械拆除條件。爆破拆除法，通常需要先在底部制造缺口，使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，定向倒塌或折疊倒塌。而該燒結(jié)廠 180 燒結(jié)機(jī)主抽煙囪下方為人員、車(chē)輛流動(dòng)較大的道路和建筑物，周?chē)闆r復(fù)雜，采用爆破拆除存在較大的風(fēng)險(xiǎn)和不確定因素。因此，傳統(tǒng)的機(jī)械拆除法和爆破拆除法對(duì)該煙囪均無(wú)實(shí)際操作條件。

受周邊條件所限，以人工拆除為主，配合以小型機(jī)械拆除設(shè)備，成為該煙囪拆除的較合理選擇。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有施工條件，擬采用“移動(dòng)式操作平臺(tái)＋內(nèi)壁卸塊下料”的施工工藝，進(jìn)行人工保護(hù)性拆除。隨后的施工實(shí)踐證實(shí)確實(shí)行之有效，對(duì)周?chē)h(huán)境影響小，安全又快捷。

4 煙囪拆除技術(shù)措施

該混凝土煙囪拆除裝置由定位機(jī)構(gòu)、操作平臺(tái)和吊裝機(jī)構(gòu)等三部分組成。定位機(jī)構(gòu)包括抱箍、連接頭和掛耳，其中抱箍由多段弧形板組成，外壁上均勻設(shè)有多個(gè)掛耳，接口處設(shè)有連接頭。操作平臺(tái)包括梯形臺(tái)、掛鉤和欄桿，其中梯形臺(tái)底部設(shè)有斜撐，掛鉤和欄桿分別固接在梯形臺(tái)兩側(cè)。吊裝機(jī)構(gòu)包括吊裝繩、卡具和吊裝工具，其中吊裝繩固定在抱箍上，卡具固定在混凝土煙囪側(cè)壁上，吊裝繩、卡具和吊裝工具配合使用。該拆除裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低且可反復(fù)使用［9］。

4.1 搭建煙囪拆除裝置

搭設(shè)移動(dòng)式操作平臺(tái)前，應(yīng)先在煙囪底部搭設(shè)定位配重，將配重 800 kg 的重物均勻放置在平臺(tái)的四周，靜置 24 h 以上，檢查并確保荷載試驗(yàn)是合格的。

移動(dòng)式操作平臺(tái)搭設(shè)流程：組裝材料的準(zhǔn)備→煙囪原有直爬梯及鋼平臺(tái)的檢修→下放防墜安全繩→安裝拔桿及抱箍→鋪設(shè)提升平臺(tái)操作安全繩→安裝提升系統(tǒng)→安裝操作平臺(tái)→安裝護(hù)欄→設(shè)置操作安全繩→平臺(tái)轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖9）。

4.2 煙囪拆除方法

4.2.1 原平臺(tái)以上部分的拆除

施工操作人員站在鋼筋混凝土煙囪原平臺(tái)上，用風(fēng)鎬和氣割沿?zé)焽枰恢軓捻敳肯蛳麓?8 個(gè)豁口，豁口開(kāi)至原平臺(tái)下邊的位置，原平臺(tái)及原平臺(tái)以上的煙囪部分均可用風(fēng)鎬和氣割切成塊體拆除。

4.2.2 筒壁部分的拆除

沿豁口繼續(xù)向下切割，豁口底部距抱箍定位約1 050 mm 時(shí)停止拆除，筒壁用做操作平臺(tái)內(nèi)側(cè)的臨邊防護(hù)。

在豁口下方 200 mm 的筒壁上沿其圓周打 8 個(gè)通孔，其中兩個(gè)通孔上分別安裝一個(gè)導(dǎo)鏈，導(dǎo)鏈的一端固定在通孔上，另一端分別與活動(dòng)繩連接，活動(dòng)繩敷設(shè)在導(dǎo)鏈對(duì)面筒璧上，兩導(dǎo)鏈同時(shí)拉緊，使筒壁均向煙囪內(nèi)側(cè)受力，此時(shí)采用風(fēng)鎬、和氣割在筒壁分體底部橫向切割，該塊筒壁分體即向煙囪內(nèi)側(cè)倒下，（見(jiàn)圖10）。

圖10 筒壁拆除示意圖

用相同的方法拆除其它筒壁分體，拆除一個(gè)整圈后，將預(yù)制好的卡具（見(jiàn)圖11）均勻掛于 6 個(gè)豁口處，將6個(gè)手拉葫蘆的一端與卡具上的側(cè)耳連接，另一端與抱箍上的升降繩吊扣連接，調(diào)整手拉葫蘆鏈長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)抱箍下降，平臺(tái)平穩(wěn)下放。下降到指定位置后，收緊橫向抱箍的螺絲和縱向的 6 個(gè)手拉葫蘆，同時(shí)橫向葫蘆也需收緊，做到葫蘆和抱箍對(duì)平臺(tái)的雙保險(xiǎn)作用。

圖11 卡具

鋼筋混凝土煙囪筒壁拆除一節(jié)，需要將抱箍和操作平臺(tái)向下調(diào)兩次，抱箍接口連接頭的間隙超過(guò) 800 mm 時(shí)，在原抱箍上增加一節(jié)長(zhǎng)度為 800 mm 的弧形板，連接接口處用連接頭和雙頭螺栓緊固，同時(shí)加裝一個(gè)操作平臺(tái)；以此方法逐層下降，實(shí)現(xiàn)煙囪筒壁部分的拆除。

當(dāng)拆到煙囪的底部平臺(tái)上方時(shí)，拆掉抱箍和操作平臺(tái)，操作人員站在底座平臺(tái)上進(jìn)行拆除，具體拆除方法與原平臺(tái)的拆除方法相同。

5 施工過(guò)程及效果

5.1 技術(shù)措施

建立各項(xiàng)安全制度及防護(hù)措施：①制定各類(lèi)機(jī)械的運(yùn)行規(guī)則及安全作業(yè)制度；②煙囪爬梯處地面搭設(shè)雙層安全防護(hù)棚和安全通道；③做好移動(dòng)式操作平臺(tái)搭設(shè)、筒壁拆除等技術(shù)交底工作；④制定高空作業(yè)、臨邊作業(yè)、攀登作業(yè)及懸空作業(yè)施工安全防護(hù)措施；⑤制定用電安全須知及電路架設(shè)養(yǎng)護(hù)作業(yè)制度，現(xiàn)場(chǎng)電源實(shí)施箱式防護(hù)，均設(shè)置自動(dòng)漏電保護(hù)器裝置，并安排專(zhuān)業(yè)電工 24 h 維護(hù)檢修，確保安全用電無(wú)事故；⑥制定施工區(qū)消防安全措施，成立安全領(lǐng)導(dǎo)小組，組成由 3～5 人的防火搶險(xiǎn)隊(duì)，配置必須的搶險(xiǎn)器材，隨時(shí)應(yīng)急處理突發(fā)事件；⑦制定施工現(xiàn)場(chǎng)保安制度；⑧執(zhí)行有關(guān)勞動(dòng)保護(hù)法規(guī)定的措施。

5.2 拆除效果

在鋼筋混凝土煙囪自上而下的拆除過(guò)程中，移動(dòng)式操作平臺(tái)穩(wěn)固下放未發(fā)生滑脫、承載力不足等問(wèn)題；筒壁分體均下落于煙囪內(nèi)部，噪聲及揚(yáng)塵都能得到有效的控制；操作人員在安全區(qū)域未受到損害，防護(hù)措施均達(dá)到預(yù)想效果，未對(duì)周?chē)ㄖ锛叭藛T造成較大影響。本次拆除取得了圓滿(mǎn)成功。

6 結(jié)語(yǔ)

1）在周邊情況復(fù)雜、操作場(chǎng)地狹小的條件下，采用人工保護(hù)性拆除鋼筋混凝土煙囪，可有效避免定向倒塌或折疊倒塌對(duì)周?chē)ㄖ锛叭藛T的損害。

2）“移動(dòng)式操作平臺(tái)＋內(nèi)壁卸塊下料”的施工工藝克服了傳統(tǒng)人工拆除對(duì)高度的限制。

3）該鋼筋混凝土煙囪拆除裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、成本低且可反復(fù)使用。

4）后續(xù)可以將機(jī)器人引進(jìn)高聳結(jié)構(gòu)的拆除工作，大大提高拆除效率、降低操作人員風(fēng)險(xiǎn)。Q