謝少凱 張智宇,* 黃永輝

(1.昆明理工大學國土資源工程學院,昆明 650093; 2.昆明理工大學電力工程學院,昆明 650500)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,高污染、高耗能、高排放企業(yè)正逐漸被淘汰,越來越多的煙囪需要進行拆除。煙囪拆除一般根據(jù)伐樹原理,破壞底部基座使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)傾倒,煙囪的拆除方法有人工、爆破、靜力破碎劑和機械拆除等[1]。爆破拆除是目前常用的拆除方法,但也存在一些缺點:①炸藥量不足,煙囪不會倒塌;②炸藥量過多,爆炸時產(chǎn)生的沖擊力有可能改變煙囪倒塌方向;③爆破時不可避免的產(chǎn)生飛石、振動、空氣沖擊波及噪音危害[2];④復(fù)雜環(huán)境下爆破需要進行較大范圍的交通管制。近年來發(fā)生了諸如昆明某廠煙囪拆除爆破倒塌方向偏差達120°、淮北市某廠煙囪爆破拆除時原地下坐未倒、貴州省某廠煙囪爆破拆除前沖[3-4]等安全事故。

機械拆除是目前應(yīng)用比較多的方法,它具有很多優(yōu)點:①拆除工期短,施工工藝簡單、效率高;②可以按照預(yù)先設(shè)定的方向開孔擴展,控制性較好;③定向比較準確,具有良好的可操作性,特別是拆除鋼筋混凝土煙囪優(yōu)勢比較明顯;④成本僅為爆破拆除的1/10左右,同時無須復(fù)雜審批手續(xù)[5]。近年來隨著大型機械設(shè)備的普及,煙囪的機械拆除已日漸增多。

1 工程概況

1.1 周圍環(huán)境

本論文所述拆除的煙囪位于云南省安寧市某公司廠區(qū)內(nèi),該煙囪建于1966年,實際測量煙囪距南邊篩焦樓、鐵路分別為23 m、53 m,距西邊澡堂、機修倉庫為95 m,與其他需要保留的建(構(gòu))筑物距離在100 m左右,詳見圖1。綜合考慮煙囪周圍復(fù)雜的環(huán)境與緊張的施工工期本次采用機械拆除方法。

圖1 周邊環(huán)境及倒塌中心線示意圖Fig.1 Schematic diagram of the surrounding and collapse center line

1.2 煙囪結(jié)構(gòu)

該煙囪基礎(chǔ)為150#(新標準為C13)現(xiàn)澆鋼筋混凝土,總結(jié)構(gòu)高度+127.49 m,基礎(chǔ)底部標高-7.12 m、直徑9.12 m,上有兩個主煙道口和一個出灰口。筒體為200#(新標準為C18)耐熱混凝土,底標高+1.25 m、頂高+120 m、內(nèi)襯磚頂高+120.37 m;筒體下口外徑9.12 m、內(nèi)徑8.4 m,上口內(nèi)徑4.44 m,厚度為0.360～0.180 m;筒體的內(nèi)襯為75#紅磚,襯壁厚0.24～0.12 m,筒壁與襯壁間填0.15～0.1 m厚的水渣隔溫層。

2 機械拆除方案

煙囪的定向放倒原理是在煙囪的底部用爆破或機械方法做出具有一定寬度和高度的缺口,使余留支撐體的極限抗彎力矩小于由重力對余留支撐體偏心引起的傾覆力矩。此外,在切口閉合時重心偏移的距離應(yīng)大于切口處煙囪的外半徑[6]。

2.1 確定倒塌中心線

煙囪機械拆除定向倒塌方式,要求在其倒塌方向必須具備一定寬度的狹長場地,長度即倒塌方向安全距離自煙囪的中心點算起不得小于其高度的1.0～1.2倍,垂直于倒塌中心線的橫向?qū)挾炔坏眯∮跓焽枨锌诓课煌鈴降?.0～3.0倍[7]。對于鋼筋混凝土煙囪等剛度好的結(jié)構(gòu),其倒塌的水平距離要求大一些。

據(jù)此要求,此煙囪在其倒塌方向需要144 m長、27.36 m寬的作業(yè)場地。該120 m煙囪機械拆除場地滿足計算結(jié)果要求,因此確定傾倒方向為北偏東的硫銨廠房區(qū)域,即傾倒中心線為此場地中線,詳見圖1。

2.2 切口形狀和位置

1) 切口形狀

實踐證明,切口形狀應(yīng)以梯形與矩形組合為宜。這樣煙囪在初始倒塌過程中,原切口緩慢閉合,煙囪承壓區(qū)逐漸增大,相應(yīng)保證了壓縮破壞過程在倒塌中心線上的對稱,從而控制了煙囪倒塌的定向性[8]。

2) 切口位置及尺寸

對鋼筋混凝土煙囪而言,應(yīng)考慮切口形成后裸露的豎向鋼筋必須失穩(wěn);同時,還應(yīng)保證煙囪在未傾倒至與豎直方向夾角25°以上時,切口的上下沿不會閉合,以防止相撞使傾倒方向發(fā)生偏離?？紤]到煙道、出灰口等對煙囪失穩(wěn)影響,切口底部由距地表2.5 m位置開始。

(1) 切口角度

切口處弧長一般不宜小于筒體外徑周長的1/2,宜取L=(1/2-2/3)πD(D為切口部位煙囪筒體的外直徑),這才能夠滿足初始定向傾倒失穩(wěn)條件。根據(jù)圖紙和現(xiàn)場勘測,煙囪待拆切口部位筒體外徑9.12 m,則切口弧長L=9.12×π×(1/2-2/3)=14.33 m～19.10 m,現(xiàn)場根據(jù)具體情況L=16 m,開口角度201°。

(2) 切口高度

切口高度Hp按照下式計算:

(1)

式中,σT為鋼筋的抗拉強度,待拆煙囪為A3鋼σT=3 800 kgf/cm2(1 kgf/cm2=98.07 kPa);P為煙囪切口以上的質(zhì)量,2 782×103kg;S為余留區(qū)鋼筋的總橫截面積,306 cm2;D為切口處煙囪的外徑,9.12 m;Zc為煙囪切口以上的重心高度,46.8 m。

計算得HP=1.52～2.28 m。

考慮到機械遠程操作的可控性并根據(jù)計算結(jié)果,120 m煙囪切口高度取3 m。

2.3 內(nèi)襯處理

煙囪內(nèi)襯為0.24 m厚的耐火磚組成,強度較大,為了確保倒塌方向的準確性,在機械破碎切口時,同時將內(nèi)襯耐火紅磚破碎。

3 機械拆除安全校核

3.1 切口高度的失穩(wěn)校核

1) 切口部位鋼筋支撐失穩(wěn)校核

失穩(wěn)高度按底端固定、頂端不能轉(zhuǎn)動的歐拉壓桿公式[9],其失穩(wěn)高度為

(2)

式中,N為切口范圍內(nèi)鋼筋根數(shù),N=l28;Prc為臨界荷載,Prc=P/2,kg,1 391×103kg;φ為立筋直徑,mm,19 mm;E為彈性模量,MPa,2.2×105MPa。

計算得h=1.13 m。實際高Hp=3 m,能確保煙囪失穩(wěn)。

2) 切口閉合重心失穩(wěn)校核

切口閉合時,煙囪重心偏移距離如圖2所示,此時煙囪重心的偏移距離:

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

(3)

式中:

S2=R1+R1sin10.5°

(4)

式中,R1為煙囪底部外半徑,m,4.563 m,計算得S1=26 m>4.563 m。

3.2 煙囪塌落振動校核

由于煙囪高達 120 m,倒地會產(chǎn)生較大觸地沖擊振動,集中質(zhì)量(沖擊或塌落)作用于地面造成的塌落振動速度可用下式[10]確定:

Vt=Kt[R/(M·g·H/σ)1/3]β

(5)

圖2 切口閉合時煙囪重心偏移距離Fig.2 Shifting distance between the barycenter of the chimneywhile the incision closed

式中,Vt為塌落振動速度,cm/s;Kt為衰減系數(shù),Kt=3.37/3=0.842 5(注:當在地面開挖溝槽或壘筑土墻改變煙囪觸地狀況時,塌落振動將明顯減小,衰減系數(shù)Kt僅為原狀地面的1/4～1/3[11]);σ為地面介質(zhì)的破壞強度,一般取σ=10 MPa;β為衰減指數(shù),β=-1.66;R為觀測點至撞擊中心的距離,m;M為下落構(gòu)件的質(zhì)量,2 782 t;H為構(gòu)件重心高度,46.8 m。

R分別為距倒塌部位重心50 m、80 m、100 m、150 m、200 m的距離。將有關(guān)參數(shù)代入,計算的各距離處塌落振動見表1,均小于國家相關(guān)標準[12]。

表1塌落振動計算結(jié)果表

Table 1 Calculation results of collapse vibration

3.3 風力對煙囪塌落影響校核

根據(jù)該地區(qū)氣象條件資料:一般風力2～3級,常年主導(dǎo)風向為西南風,有利于煙囪倒塌方向,因此選擇無風或西南風時施工。施工當天現(xiàn)場測量風速,西南風風力不宜超過3級,如果逆風或側(cè)風風力超過2級時應(yīng)立即停止施工。

4 施工步驟及安全措施

4.1 施工步驟

(1) 沿倒塌中心線對稱布置施工切口。先沿煙囪倒塌的東北方向地腳向上2.5 m起,以倒塌方向正中為中心點向左右各量8 m標出長16 m的拆除標志線;再以拆除標志線中心向左右各截取1 m為矩形的寬、向上3 m為矩形的長標記出定向窗即拆除單元1;然后沿定向窗向左每隔1 m下降0.2 m高度標出單元2～12,14單元為矩形,其高度不再下降;同理,最后作出右邊3～15拆除單元標記,14、15單元即為定位口(注:14、15單元在煙囪筒體背側(cè)),如圖3所示。

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

(2) 用挖掘機破碎頭逐步開鑿拆除單元,作業(yè)順序為:141512345678910111213。在處理完12單元后余下的13單元承受著煙囪自身巨大壓力,此時煙囪隨時有倒塌的可能。再將挖掘機置于右邊缺口的安全地帶,用破碎頭點打最后的13單元,此單元的承壓能力逐漸減小直至最后煙囪失穩(wěn)倒塌。

在施工過程中挖掘機只能從開孔背后繞行移動,嚴禁從開口側(cè)移動,組織專人實施遠端監(jiān)測結(jié)合目測,確定其有無傾斜變形或其他異常,并及時給現(xiàn)場挖掘機操作人員及其他人員發(fā)出撤退信號。

4.2 塌落振動及飛散物的安全防護措施

鋼筋混凝土煙囪落地撞擊地面時會產(chǎn)生振動危害效應(yīng),并濺起大量飛散物。為防止或避免出現(xiàn)煙囪落地飛散物飛濺傷人傷物事故,采取以下安全防護措施:

(1) 沿東北倒塌方向鋪設(shè)減振緩沖帶。在倒塌方向上距離煙囪90 m以內(nèi)倒塌中線15°的扇形區(qū)域,鋪設(shè)2個沙堆作為緩沖層,以化解煙囪倒塌觸地時的部分能量及減少倒塌觸地時沖擊產(chǎn)生的碎物飛濺,見圖4。

圖4 減震防護措施Fig.4 Shocking absorption measure

(2) 在煙囪倒塌方向及兩側(cè)被保護對象懸掛竹笆或草席,對個別飛散物進行防護。

(3) 施工范圍的安全半徑以及人員參觀點和警戒人員所處的位置,應(yīng)大于正常所需的安全距離,取300 m。

5 拆除效果

在對第13單元進行機械點打破碎時該單元剩余部分被壓碎隨后煙囪發(fā)生傾倒,倒塌方向與設(shè)計方向基本一致,倒塌過程中未產(chǎn)生后座、前沖現(xiàn)象。煙囪從8 m 處摔成扁平狀,10 m 以上部分筒身混凝土破碎,濺起的飛散物范圍為25～40 m,距倒塌中心最近的機修倉庫處振動速度為0.49 cm/s,符合國家相關(guān)標準。挖掘機及操作人員在安全區(qū)域未受到損害,防護措施達到預(yù)想效果未對周圍建筑物及人員造成較大影響,本次拆除取得了圓滿成功。

6 結(jié) 論

(1) 采用機械方式拆除煙囪,能避免復(fù)雜環(huán)境下爆破拆除可能會出現(xiàn)的一些風險。

(2) 對煙囪劃分機械破碎單元,沿煙囪倒塌中心線交替對稱作業(yè)可以更好的控制倒塌方向。

(3) 在煙囪倒塌方向地面鋪設(shè)緩沖墊層有助于顯著降低坍落振動。

(4) 大型機械的普及使得機械拆除施工周期短、費用低,因此機械拆除高煙囪具有一定的推廣價值。

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