复杂环境下100 m高烟囱机械拆除的实施

郝震宇，高 翔

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

前言

在21 世纪，随着国家社会经济的不断发展，越来越多的老旧生产线，因高污染、高排放而被逐渐淘汰，因此，越来越多的老旧生产线的拆除过程中，存在着大量的烟囱需要拆除。烟囱的拆除是建筑拆除作业里最危险的作业之一，目前常用的方法有人工、机械、爆破及静力破碎等方法［1-2］。老旧厂区普遍具有复杂的环境，甚至部分厂区距离居民区较劲，因此，针对此类区域的烟囱，采用机械拆除具有效率高、操作性好、成本低、影响小等优势［3］。目前，随着大型机械设备的发展及普及，老旧厂区复杂环境下的烟囱拆除，越来越多的选择机械拆除。

1 工程概况

1.1 烟囱情况

本文所述拆除的烟囱建于1976年，为钢筋砼结构，下大上小，下部外径约9.08 m，上部外径约5.76 m，标高100 m，总重量约1 800 t，烟囱外部用扁钢条抱箍加固，使用水泥砂浆抹灰防护。现场已在烟囱进行取样分析，分析结果显示混凝土抗压强度为29.5 MPa。

1.2 周围环境

烟囱两侧分别分布着煤气、氧气管道、铁路、建筑物及住宅小区，详细分布距离见图1，其中距离住宅小区约300 m，倾倒方向距离道路距离为230 m，氧气管道距离较近（约23 m），拆除前停运废弃。

图1 待拆除烟囱周边环境

2 拆除施工方案

综合考虑烟囱周围复杂的环境及紧张的施工工期，因此本次烟囱拆除根据伐树原理，破坏烟囱底部，使其结构失稳定向倒塌的机械拆除方法。根据烟囱的结构情况，为保证施工安全有效的进行，此次选用小松PC200-8 履带式液压挖掘机及日立360加长臂液压剪等大型机械设备进行施工。

2.1 倾倒中心线的确认

烟囱的拆除若采用定向倒塌的机械拆除方式，则需要倒塌方向的场地要兼具足够的安全长度及宽度，长度、宽度方向的安全距离应分别不小于其高度的1.0～1.2倍（从烟囱的中心点起算）、切口部位外径的2.0～3.0 倍（垂直于倾倒中心线）［4］。而此次拆除的烟囱为钢筋混凝土烟囱，水平安全距离应适当放大一些。

根据上述要求，本次烟囱拆除，需要不小于120 m 长、30 m 宽的场地。根据本文“1.2 周围环境”，分析可得确定倾倒方向为正东偏南30°。

2.2 切口位置及形状

烟囱的切口形成后，保留弧段的抗压、抗剪强度，一旦低于轴向压力、切向推力，会使得整个烟囱开始下沉，而在下沉时，壁体介质强度的不均匀性，将导致压缩破坏过程中，烟囱产生不对称性，进而影响烟囱最终倾倒的定向性，因此，切口的设计十分重要。

经现场测量得烟道口高度为6 m，宽度为4 m，两侧立柱为0.5×1 m 钢筋混凝土立柱，切口底部由距地表1.0 m 位置开始。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 取值为1.5～2.0 m，考虑到机械远程操作的可控性，为保证顺利拆除，此次拆除切口高度取2.5 m。切口弧长一般不宜小于筒体圆周的1/2，宜取L=（1/2-2/3）πd［4］，D 为切口部位筒壁的外直径，故此次切口弧长宜取14.26 m～19.01 m，根据现场具体条件，取15 m。

综上，结合现场实际情况，此次烟囱机械拆除的切口设计如下，如图3。

（1）以该立柱的下端内壁向上1 m 用油漆做标识“A”点，“B”点，沿“A”点，“B”点，向上垂直测量2.5 m 分别标识“C”点，“D”点，即形成 AC、BD 两条2.5m长的线段。

（2）以“A”点平行于烟囱外壁向外侧测量6.5 米处做标记“E”点，以“B”点平行于烟囱外壁向外侧测量4.5 m处做标记“F”点。

图2 切口位置及形状示意图

2.3 内衬的处理

烟囱内衬的厚度约为12～24 cm，在破碎切口的时候，为了确保倒塌方向的准确性，应同时将内衬破碎。

2.4 烟囱拆除塌落振动速度计算

根据周家汉教授对塌落振动的研究成果［5-6］，烟囱拆除时，塌落振动速度计算的经验公式如下：

式中，Vt——塌落引起的地面振动速度，cm/s；

M——下落构件的质量，t；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

h——构件的高度，m；

R——观测点至冲击地面中心的距离，m；

σ——塌落地面介质破坏强度，一般取10 MPa；

Kt、β——塌落振动速度衰减系数和指数，分别取3.37和-1.8。

根据烟囱建筑设计图纸，烟囱质量M 约为1 800 t，烟囱高度 h 为 100 m，这里 Kt 取 3.37，β取-1.8。

实际施工时，通过在地面开挖减震沟，布设减震堤的方式，改变烟囱的触地状况，可减小塌落振度，因此，公式中衰减系数Kt为原状地面的 1/3［6］，则计算如表1 所示，均小于国家相关标准［7］。故可以将烟囱塌落振动控制在周边建构筑物的安全允许振速范围内。

表1 塌落振动计算结果表

3 施工过程及安全保障

3.1 机械拆除步骤

根据计算及现场情况，确定机械拆除步骤如下，示意图如图3。

图3 拆除步骤示意图

（1）拆除前先用气割割断倾倒方向背侧与切口记号范围内的扁钢。然后用加长臂破碎机在以烟囱为圆心，距离圆心15 m 安全距离的圆弧上进行破拆作业。

（2）首先机械站位在烟囱的侧后方，对AC 立柱（1 点）从上而下进行破碎，破碎以AC 线段中点进行划分，为上下两步进行。

（3）然后机械逆时针绕行至烟囱的侧后方，对BD 立柱（2 点）从上而下进行破碎，破碎以BD 线段中点进行划分，为上下两步进行。

（4）立柱破碎后，机械顺时针绕行至烟囱的侧后方，以AC轴线逆时针后退破拆ACGH（3点），破碎按照从上到下的顺序破除。

（5）3 点区域拆除后，机械逆时针绕行至烟囱侧后方，对4点区域破除。

（6）4 点区域拆除后，机械顺时针绕行至烟囱侧后方，对5点区域破除。

（7）5 点区域拆除后，机械逆时针绕行至烟囱侧后方，对6点区域破除。

（8）6 点区域拆除后，机械顺时针绕行至烟囱侧后方，对7点区域破除。

（9）7 点区域拆除后，机械逆时针绕行至烟囱侧后方，对8点区域破除。

（10）8 点区域拆除后，机械顺时针绕行至烟囱侧后方，对9点区域破除。

（11）机械破除时按照从上到下的顺序进行拆除。拆除时机械应侧向站位，机械边拆边移动，始终处于烟囱的侧后方，机械移动位置示意图如图4所示。当烟囱承重墙壁被破拆掉后，烟囱的重心将发生改变，向已拆方向偏移，剩下的未拆部分无法支撑，烟囱将因失重向没有支撑的一侧倒去，即达到定向倾倒的目的。

图4 机械移动位置示意图

3.2 施工安全保障

（1）飞石的防范

飞石是指在拆除作业时，因烟囱倒地而释放出的能量，将砂石、泥土及杂物等物质从作业点或面抛掷至远处，主要体现在造成人员伤亡、建（构）筑物损坏、机器设备损毁等方面。飞石的飞行距离的影响因素众多，主要有烟囱结构、烟囱质量、地质条件、气象条件等。

考虑到烟囱倒地后产生的飞石可能会对周边的人员及介质管道等建构筑物造成损伤，因此选择晴天进行拆除，同时现场通过用无碎石的松土布设减震堤、满铺安全密目网及部分铺设橡胶皮带等防飞石措施后，将其飞行距离控制在安全范围内。

（2）减震布置

在距离烟囱低部按照50 m、75 m、87.5 m、100 m位置上［8］，垂直于倾倒方向处，设置减震堤和减震沟，如图5所示。减震堤减震沟截面为梯形结构，减震堤采用松软泥土及黄沙，堤下底宽2 m，上底宽1.5 m，高2.5 m。减震沟下底宽2 m，上底宽1.5 m，深度2.5 m。

图5 减震堤、减震沟设置示意图

定向倾倒区间与减震堤、减震沟用双层2000目安全密目网进行覆盖，防止石子飞溅。同时减震堤上部使用现场拆除的废旧皮带进行覆盖，增加减震效果。

3.3 拆除效果

较大的风力会对烟囱倒塌方向产生一定的影响，因此此次施工，选定在风力在2级以下的天气实施，同时拆除期间，氧气管道停运废弃，周边铁路及其余介质管道临时停运。烟囱拆除倒塌时，经观测，其倾倒方向与设计方向基本一致，并未产生明显后座、前冲现象，倒塌后临时停运的铁路及介质管道专业，经检查合格后恢复运行。烟囱本体，从15 m 处摔成扁平状，20 m 以上混凝土破碎，飞散物的范围约为20～38 m。距离烟囱75 m 处的煤气管道区域，振动速度为0.59 cm/s，距离烟囱50 m 处的铁路区域，振动速度为1.34 cm/s，均符合国家相关标准。通过整个拆除过程观测，此次高大烟囱的机械拆除，各类防护措施均达到预想效果，同时未对周围建筑物及人员造成明显的影响及损害，本次烟囱拆除取得了圆满成功。

4 结论

（1）高大烟囱定向倒塌的机械拆除方法，具有施工周期短、费用低、手续简单的特点，具有很高的推广价值。

（2）切口的设置，是烟囱倾倒的定向性控制的重要参数。

（3）烟囱倾倒方向设置减震堤、减震沟，更好的降低塌落振动；

（4）机械拆除施工，距离烟囱本体较近，为保证施工安全与质量，须在施工前对作业人员进行全面交底，并在施工时做好各类监控。