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

(1.中鋼集團(tuán) 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(hào)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(hào)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(xiǎn)手段。

2 工程概況

2.1 工程環(huán)境

待拆除4#機(jī)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(jī)組渣倉，東北側(cè)40 m處為30 MW機(jī)組工業(yè)水回收池，東側(cè)大片廠區(qū)為30 MW機(jī)組，需受到嚴(yán)格保護(hù)；南側(cè)15 m處為汽機(jī)房,計(jì)劃同時(shí)爆破拆除；西邊距5#機(jī)組鍋爐框架35 m,計(jì)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(jī)組脫硫設(shè)施；北側(cè)10 m處為麻石砌筑的原4#機(jī)組除塵器，40 m遠(yuǎn)處為露天油罐區(qū)(未儲(chǔ)油)。

2.2 工程結(jié)構(gòu)

4#機(jī)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?bào)w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(gè)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(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物一般采用人工拆除，人工-機(jī)械拆除或爆破切割拆除。

人工拆除或人工-機(jī)械拆除時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，4#爐殘?bào)w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(shí)，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?bào)w上部，達(dá)到了靜力平衡，對(duì)其進(jìn)行分割拆除時(shí)極易破壞這種平衡。4#爐殘?bào)w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?bào)w四鄰高大構(gòu)筑物。采用爆破切割拆除手段時(shí)會(huì)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?bào)w西側(cè)承擔(dān)了頂棚角鋼的荷載，不宜進(jìn)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(xiàng)目的需求。為此，設(shè)計(jì)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(hù)能力強(qiáng)的問題[1-4]。同時(shí)混凝土填充也大大增強(qiáng)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(duì)全部四根立柱進(jìn)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(gè)階段：

①爆破切口完全形成后，爆破體會(huì)在重力作用下下落直至后排支撐結(jié)構(gòu)觸地，這個(gè)過程中由于下落高度一般較低同時(shí)伴隨了后排結(jié)構(gòu)的破碎，整個(gè)爆破體結(jié)構(gòu)一般不會(huì)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(huì)首先觸地，此時(shí)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(huì)在此時(shí)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(shí)爆破體所有重力勢(shì)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(qiáng)度大，截面積小的特點(diǎn)，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(shí)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(gè)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(qiáng)于混凝土結(jié)構(gòu)，傾倒過程的第二個(gè)階段不會(huì)發(fā)生整體破碎，因此爆破體此時(shí)能否突破切口斜面的支撐完成第三個(gè)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?bào)w為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但從側(cè)視圖可見，大量的頂棚殘?bào)w懸掛在爐體南側(cè)頂部的橫梁上，其重量必然造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的重心上提南移，這對(duì)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(jì)算

令α為爆破體到達(dá)傾倒第二階段時(shí)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(duì)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(jìn)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(shí)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(bǔ)償(后排炸點(diǎn)、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(yàn)，孔距取10.5 cm，每排3個(gè)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(shí)的非電起爆網(wǎng)路。孔內(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(jì)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(gè)，在其兩側(cè)切割橫向預(yù)切引導(dǎo)縫，在無鉆孔的三個(gè)面切割縱向預(yù)切引導(dǎo)縫[5,8]。

6 安全防護(hù)

與一般拆除爆破相比，本次爆破的單耗是比較大的，需重點(diǎn)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(hù)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(hù)模塊。同時(shí)利用沙袋墻對(duì)下部5排孔進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)。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(qiáng)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?。粩嗫谔庝摪逋夥?，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(gè)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(shí)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(duì)拼，然后用鋼板焊接而成。在面對(duì)單個(gè)槽鋼或角鋼構(gòu)成的開放式鋼結(jié)構(gòu)立柱時(shí)，可通過拼接成筒后再利用本方法進(jìn)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(shí)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(duì)于異形結(jié)構(gòu)體，需充分考慮到整體重心位置對(duì)爆破效果的影響。