復雜環境中服役后期高聳構筑物更新技術方法

歐 翔，王中敏，柯 明，唐進華，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有限公司，陜西 西安 710055）

0 引言

我國的大中型老工業基地基本始建于 20 世紀 50、60 年代，后續使用過程中進行局部改擴建。工藝設備的集成化、大型化導致新建（構）筑物在原園區布局條件下凈距更小、整體更加狹擠。這為后續建筑物的加固、改造和拆除造成了施工困難。

本文以建于某老鋼鐵基地燒結廠的，存在嚴重耐久性損傷的 100 m 混凝土煙囪的結構安全分析和拆除更新為例，通過對現場的檢測鑒定、有限元分析，及后期加固補強、拆除更新兩套方案的經濟性、可行性分析，并對狹小范圍高聳結構的拆除安全性技術方法進行探索。

1 工程概況

某燒結廠 180 燒結機主抽煙囪建于 20 世紀 80年代末，為 130 m2燒結機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）、內襯（厚度為 240～120 mm）三層，總厚度為400～680 mm。其中筒壁混凝土強度為 C30；保溫層采用憎水珍珠巖制品，最高使用溫度 600 ℃；內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

該燒結廠 180 燒結機主抽煙囪，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、出口內襯開裂等問題，進行過多次加固處理。2015 年曾進行內襯應急維修，2019 年煙囪標高 75.000～90.000 m 間的混凝土筒壁出現大面積保護層脫落，鋼筋銹蝕嚴重，裸露的混凝土表面酥松，截面損傷深度達 70 mm，已嚴重影響煙囪的正常承載安全，如圖2～3 所示。由于該煙囪周邊設備、建筑環繞、凈距較小（見圖4），給后期維修或拆除造成較大操作困難。

圖2 煙囪南側外壁損傷

圖3 煙囪北側外壁損傷

圖4 煙囪周邊環境

2 結構分析

2.1 化學分析

對標高 87.000 m 處保護層開裂區域的混凝土進行取樣，采用X衍射方法分析及化學分析方法對樣品的腐蝕產物進行化學分析，以確定外側開裂區域，是否有酸液滲入該區域，進而判斷混凝土開裂原因，化學分析結果如表1 所示。

表1 化學成分分析結果

由測試數據可得，SO3的含量為 1.66 %，Cl的含量為 1.66 %，酸性物質含量較小，腐蝕情況相對較輕，因此認為：酸液穿過內襯和隔熱層，進入混凝土筒壁，對筒壁造成腐蝕的概率不大。

2.2 溫度測試

在煙囪正常使用過程中，通過紅外線測溫儀對煙囪外立面進行溫度測量，確定保溫層是否存在明顯的破損和老化現象。測試當天室外溫度為 24 ℃，煙囪表面最高溫度為 54 ℃（破損區域），最低溫度為 46.5 ℃（見圖5～6），數據顯示煙囪表面無明顯的高溫異常點，無明顯的溫差，說明憎水珍珠巖保溫層基本完好，未發生明顯的破損和老化現象。

圖5 煙囪上部測溫結果

圖6 對應可見光視角

2.3 承載能力分析

為了解損傷狀態下的煙囪結構安全性，根據實際結構狀態、實際溫度作用，建立煙囪的有限元模型，分析筒壁受損情況下的結構安全性能。

煙囪總高度 100 m，每 10 m 一節，煙囪筒壁內側挑出牛腿支承內襯和隔熱層的重量，內襯及隔熱層的重量由下一節來承受。每節根部自重包括其上面所有分節的自重加上附加重量，統計詳如表2 所示。

表2 筒壁自重計算結果

計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時，煙囪內部的煙氣溫度采用煙囪脫硫裝置正常使用狀態下的最高溫度，確定煙氣露點溫度和防腐措施時，采用煙氣溫度變化范圍的下限值。煙囪各構造層溫度示意如圖7 所示。

圖7 煙囪構造層溫度表示示意圖

在地震和風荷載分別作用下，煙囪可簡化為集中質量的多質點豎向振動體系，并采用分段變截面替代連續漸變截面；開裂、老化等因素都會對混凝土剛度造成影響，煙囪截面剛度取質心處截面剛度的 1.00 倍，即B=1.00 EI。

采用振型分解反應譜法，不考慮扭轉耦聯作用。水平地震作用前 5 個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。

在經過多種荷載作用組合，煙囪可滿足承載能力極限狀態下和正常使用極限狀態下的驗算要求。

3 方案決策

該煙囪承載能力仍可滿足要求，但筒壁表面 60 % 區域開裂，隨意掉落的混凝土塊易砸毀周邊設備，并給相鄰道路通過的車輛和行人帶來嚴重安全隱患。經評估修復成本已占重建費用的 50 %，同時考慮到該煙囪及周邊附屬設備因工藝落后，幾年內需進行更新，因此決定將煙囪提前停用、并及時拆除。該煙囪位于需保留建（構）筑群中心位置，距離最近的僅 5.0 m，且周邊燒結生產正常進行，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］，目前針對煙囪的拆除方式可分為人工拆除、機械拆除、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筑物的拆除，也用于機械拆除和爆破拆除的預處理或輔助工作［2］。優點：對周圍環境影響小，可完成其他拆除方法無法完成的精細化拆除工作，缺點：工作環境復雜、拆除工期長、高空作業、安全管控難等。因此在現代施工建設條件和要求之下，單獨依靠人工拆除效果非常有限［3］。

隨著大型機械設備的普及，機械拆除的應用也日漸增多，優點：①施工工藝簡單、工期短、效率高；②可按設定開孔擴展，定向準確，可控性較好；③成本較底，且無須復雜審批手續［4］。缺點：①振動較大，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爆破法，優點為速度快，效果明顯。缺點：①炸藥量不足或爆點位置設置不準，可能導致一次爆破，煙囪未倒塌；②炸藥量過多，可能導致爆炸產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爆破時會產生振動、飛石、空氣沖擊波及噪音等二次危害；④復雜環境下需要進行較大范圍、較長時間的場地管制［5］。隨著爆破拆除應用的普遍，近年來發生了諸如昆明某煙囪拆除時倒塌方向偏差達120°、邵陽市某煙囪拆除時煙囪頂部筒體反向傾倒、淮北市某煙囪爆破時原地下坐未倒［6］、貴州省某煙囪爆破拆除前沖［7］、徐州某基坑支護工程中爆破導致基坑西側房屋墻體開裂、整體位移及傾斜［8］等安全事故。

3.2 拆除方法選擇

高聳構筑物拆除方法的選擇直接影響施工總費用、安全度，而構筑物所處環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，下方為三條道路交匯區，周圍情況復雜、操作場地狹小，大型機械設備無法展開，不具備傳統的機械拆除條件。爆破拆除法，通常需要先在底部制造缺口，使結構失穩，定向倒塌或折疊倒塌。而該燒結廠 180 燒結機主抽煙囪下方為人員、車輛流動較大的道路和建筑物，周圍情況復雜，采用爆破拆除存在較大的風險和不確定因素。因此，傳統的機械拆除法和爆破拆除法對該煙囪均無實際操作條件。

受周邊條件所限，以人工拆除為主，配合以小型機械拆除設備，成為該煙囪拆除的較合理選擇。根據現場現有施工條件，擬采用“移動式操作平臺＋內壁卸塊下料”的施工工藝，進行人工保護性拆除。隨后的施工實踐證實確實行之有效，對周圍環境影響小，安全又快捷。

4 煙囪拆除技術措施

該混凝土煙囪拆除裝置由定位機構、操作平臺和吊裝機構等三部分組成。定位機構包括抱箍、連接頭和掛耳，其中抱箍由多段弧形板組成，外壁上均勻設有多個掛耳，接口處設有連接頭。操作平臺包括梯形臺、掛鉤和欄桿，其中梯形臺底部設有斜撐，掛鉤和欄桿分別固接在梯形臺兩側。吊裝機構包括吊裝繩、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壁上，吊裝繩、卡具和吊裝工具配合使用。該拆除裝置結構簡單，成本低且可反復使用［9］。

4.1 搭建煙囪拆除裝置

搭設移動式操作平臺前，應先在煙囪底部搭設定位配重，將配重 800 kg 的重物均勻放置在平臺的四周，靜置 24 h 以上，檢查并確保荷載試驗是合格的。

移動式操作平臺搭設流程：組裝材料的準備→煙囪原有直爬梯及鋼平臺的檢修→下放防墜安全繩→安裝拔桿及抱箍→鋪設提升平臺操作安全繩→安裝提升系統→安裝操作平臺→安裝護欄→設置操作安全繩→平臺轉換（見圖9）。

4.2 煙囪拆除方法

4.2.1 原平臺以上部分的拆除

施工操作人員站在鋼筋混凝土煙囪原平臺上，用風鎬和氣割沿煙囪一周從頂部向下打 8 個豁口，豁口開至原平臺下邊的位置，原平臺及原平臺以上的煙囪部分均可用風鎬和氣割切成塊體拆除。

4.2.2 筒壁部分的拆除

沿豁口繼續向下切割，豁口底部距抱箍定位約1 050 mm 時停止拆除，筒壁用做操作平臺內側的臨邊防護。

在豁口下方 200 mm 的筒壁上沿其圓周打 8 個通孔，其中兩個通孔上分別安裝一個導鏈，導鏈的一端固定在通孔上，另一端分別與活動繩連接，活動繩敷設在導鏈對面筒璧上，兩導鏈同時拉緊，使筒壁均向煙囪內側受力，此時采用風鎬、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側倒下，（見圖10）。

圖10 筒壁拆除示意圖

用相同的方法拆除其它筒壁分體，拆除一個整圈后，將預制好的卡具（見圖11）均勻掛于 6 個豁口處，將6個手拉葫蘆的一端與卡具上的側耳連接，另一端與抱箍上的升降繩吊扣連接，調整手拉葫蘆鏈長，實現抱箍下降，平臺平穩下放。下降到指定位置后，收緊橫向抱箍的螺絲和縱向的 6 個手拉葫蘆，同時橫向葫蘆也需收緊，做到葫蘆和抱箍對平臺的雙保險作用。

圖11 卡具

鋼筋混凝土煙囪筒壁拆除一節，需要將抱箍和操作平臺向下調兩次，抱箍接口連接頭的間隙超過 800 mm 時，在原抱箍上增加一節長度為 800 mm 的弧形板，連接接口處用連接頭和雙頭螺栓緊固，同時加裝一個操作平臺；以此方法逐層下降，實現煙囪筒壁部分的拆除。

當拆到煙囪的底部平臺上方時，拆掉抱箍和操作平臺，操作人員站在底座平臺上進行拆除，具體拆除方法與原平臺的拆除方法相同。

5 施工過程及效果

5.1 技術措施

建立各項安全制度及防護措施：①制定各類機械的運行規則及安全作業制度；②煙囪爬梯處地面搭設雙層安全防護棚和安全通道；③做好移動式操作平臺搭設、筒壁拆除等技術交底工作；④制定高空作業、臨邊作業、攀登作業及懸空作業施工安全防護措施；⑤制定用電安全須知及電路架設養護作業制度，現場電源實施箱式防護，均設置自動漏電保護器裝置，并安排專業電工 24 h 維護檢修，確保安全用電無事故；⑥制定施工區消防安全措施，成立安全領導小組，組成由 3～5 人的防火搶險隊，配置必須的搶險器材，隨時應急處理突發事件；⑦制定施工現場保安制度；⑧執行有關勞動保護法規定的措施。

5.2 拆除效果

在鋼筋混凝土煙囪自上而下的拆除過程中，移動式操作平臺穩固下放未發生滑脫、承載力不足等問題；筒壁分體均下落于煙囪內部，噪聲及揚塵都能得到有效的控制；操作人員在安全區域未受到損害，防護措施均達到預想效果，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 結語

1）在周邊情況復雜、操作場地狹小的條件下，采用人工保護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周圍建筑物及人員的損害。

2）“移動式操作平臺＋內壁卸塊下料”的施工工藝克服了傳統人工拆除對高度的限制。

3）該鋼筋混凝土煙囪拆除裝置結構簡單、制作方便、成本低且可反復使用。

4）后續可以將機器人引進高聳結構的拆除工作，大大提高拆除效率、降低操作人員風險。Q