复杂环境中服役后期高耸构筑物更新技术方法

欧 翔，王中敏，柯 明，唐进华，周佳丽

（1.福建三钢闽光股份有限公司，福建 三明 353000；2.西安建筑科大工程技术有限公司，陕西 西安 710055）

0 引言

我国的大中型老工业基地基本始建于 20 世纪 50、60 年代，后续使用过程中进行局部改扩建。工艺设备的集成化、大型化导致新建（构）筑物在原园区布局条件下净距更小、整体更加狭挤。这为后续建筑物的加固、改造和拆除造成了施工困难。

本文以建于某老钢铁基地烧结厂的，存在严重耐久性损伤的 100 m 混凝土烟囱的结构安全分析和拆除更新为例，通过对现场的检测鉴定、有限元分析，及后期加固补强、拆除更新两套方案的经济性、可行性分析，并对狭小范围高耸结构的拆除安全性技术方法进行探索。

1 工程概况

某烧结厂 180 烧结机主抽烟囱建于 20 世纪 80年代末，为 130 m2烧结机改造工程配套主烟囱，如图1 所示。烟囱高度为 100 m，顶口外径 2.75 m，底部外径 5.35 m，筒身本体分为钢筋混凝土筒壁（厚度为 360～200 mm）、保温隔热层（厚度为 80 mm）、内衬（厚度为 240～120 mm）三层，总厚度为400～680 mm。其中筒壁混凝土强度为 C30；保温层采用憎水珍珠岩制品，最高使用温度 600 ℃；内衬采用普通粘土耐火砖，耐酸胶泥砌筑，最高使用温度为1 400 ℃。

图1 烟囱整体外观

该烧结厂 180 烧结机主抽烟囱，建成并投入使用已三十余年，期间因烟囱筒壁出口处破损、渗液、出口内衬开裂等问题，进行过多次加固处理。2015 年曾进行内衬应急维修，2019 年烟囱标高 75.000～90.000 m 间的混凝土筒壁出现大面积保护层脱落，钢筋锈蚀严重，裸露的混凝土表面酥松，截面损伤深度达 70 mm，已严重影响烟囱的正常承载安全，如图2～3 所示。由于该烟囱周边设备、建筑环绕、净距较小（见图4），给后期维修或拆除造成较大操作困难。

图2 烟囱南侧外壁损伤

图3 烟囱北侧外壁损伤

图4 烟囱周边环境

2 结构分析

2.1 化学分析

对标高 87.000 m 处保护层开裂区域的混凝土进行取样，采用X衍射方法分析及化学分析方法对样品的腐蚀产物进行化学分析，以确定外侧开裂区域，是否有酸液渗入该区域，进而判断混凝土开裂原因，化学分析结果如表1 所示。

表1 化学成分分析结果

由测试数据可得，SO3的含量为 1.66 %，Cl的含量为 1.66 %，酸性物质含量较小，腐蚀情况相对较轻，因此认为：酸液穿过内衬和隔热层，进入混凝土筒壁，对筒壁造成腐蚀的概率不大。

2.2 温度测试

在烟囱正常使用过程中，通过红外线测温仪对烟囱外立面进行温度测量，确定保温层是否存在明显的破损和老化现象。测试当天室外温度为 24 ℃，烟囱表面最高温度为 54 ℃（破损区域），最低温度为 46.5 ℃（见图5～6），数据显示烟囱表面无明显的高温异常点，无明显的温差，说明憎水珍珠岩保温层基本完好，未发生明显的破损和老化现象。

图5 烟囱上部测温结果

图6 对应可见光视角

2.3 承载能力分析

为了解损伤状态下的烟囱结构安全性，根据实际结构状态、实际温度作用，建立烟囱的有限元模型，分析筒壁受损情况下的结构安全性能。

烟囱总高度 100 m，每 10 m 一节，烟囱筒壁内侧挑出牛腿支承内衬和隔热层的重量，内衬及隔热层的重量由下一节来承受。每节根部自重包括其上面所有分节的自重加上附加重量，统计详如表2 所示。

表2 筒壁自重计算结果

计算烟囱最高受热温度和确定材料在温度作用下的折减系数时，烟囱内部的烟气温度采用烟囱脱硫装置正常使用状态下的最高温度，确定烟气露点温度和防腐措施时，采用烟气温度变化范围的下限值。烟囱各构造层温度示意如图7 所示。

图7 烟囱构造层温度表示示意图

在地震和风荷载分别作用下，烟囱可简化为集中质量的多质点竖向振动体系，并采用分段变截面替代连续渐变截面；开裂、老化等因素都会对混凝土刚度造成影响，烟囱截面刚度取质心处截面刚度的 1.00 倍，即B=1.00 EI。

采用振型分解反应谱法，不考虑扭转耦联作用。水平地震作用前 5 个振型自振周期分别为：T1=1.508 1s、T2=0.345 2s、T3=0.139 9s、T4=0.075 1s、T5=0.046 7s，各振型示意如图8 所示。

在经过多种荷载作用组合，烟囱可满足承载能力极限状态下和正常使用极限状态下的验算要求。

3 方案决策

该烟囱承载能力仍可满足要求，但筒壁表面 60 % 区域开裂，随意掉落的混凝土块易砸毁周边设备，并给相邻道路通过的车辆和行人带来严重安全隐患。经评估修复成本已占重建费用的 50 %，同时考虑到该烟囱及周边附属设备因工艺落后，几年内需进行更新，因此决定将烟囱提前停用、并及时拆除。该烟囱位于需保留建（构）筑群中心位置，距离最近的仅 5.0 m，且周边烧结生产正常进行，因此烟囱的拆除受限较大。

3.1 拆除方法分析与选择

查阅资料可知［1］，目前针对烟囱的拆除方式可分为人工拆除、机械拆除、爆破拆除三种形式。

人工拆除是最普遍的施工方法，常用于低矮建筑物或构筑物的拆除，也用于机械拆除和爆破拆除的预处理或辅助工作［2］。优点：对周围环境影响小，可完成其他拆除方法无法完成的精细化拆除工作，缺点：工作环境复杂、拆除工期长、高空作业、安全管控难等。因此在现代施工建设条件和要求之下，单独依靠人工拆除效果非常有限［3］。

随着大型机械设备的普及，机械拆除的应用也日渐增多，优点：①施工工艺简单、工期短、效率高；②可按设定开孔扩展，定向准确，可控性较好；③成本较底，且无须复杂审批手续［4］。缺点：①振动较大，可能危及相邻建筑物；②粉尘较大；③拆除高度受限。

爆破拆除是目前最常用的拆除方法，主要分为控制爆破法和静态爆破法，优点为速度快，效果明显。缺点：①炸药量不足或爆点位置设置不准，可能导致一次爆破，烟囱未倒塌；②炸药量过多，可能导致爆炸产生的冲击波改变烟囱倒塌方向，使烟囱原地下坐、未倒，甚至反向倒塌；③爆破时会产生振动、飞石、空气冲击波及噪音等二次危害；④复杂环境下需要进行较大范围、较长时间的场地管制［5］。随着爆破拆除应用的普遍，近年来发生了诸如昆明某烟囱拆除时倒塌方向偏差达120°、邵阳市某烟囱拆除时烟囱顶部筒体反向倾倒、淮北市某烟囱爆破时原地下坐未倒［6］、贵州省某烟囱爆破拆除前冲［7］、徐州某基坑支护工程中爆破导致基坑西侧房屋墙体开裂、整体位移及倾斜［8］等安全事故。

3.2 拆除方法选择

高耸构筑物拆除方法的选择直接影响施工总费用、安全度，而构筑物所处环境成为拆除方法选择的重要因素之一。该烟囱位于建筑物密集区，下方为三条道路交汇区，周围情况复杂、操作场地狭小，大型机械设备无法展开，不具备传统的机械拆除条件。爆破拆除法，通常需要先在底部制造缺口，使结构失稳，定向倒塌或折叠倒塌。而该烧结厂 180 烧结机主抽烟囱下方为人员、车辆流动较大的道路和建筑物，周围情况复杂，采用爆破拆除存在较大的风险和不确定因素。因此，传统的机械拆除法和爆破拆除法对该烟囱均无实际操作条件。

受周边条件所限，以人工拆除为主，配合以小型机械拆除设备，成为该烟囱拆除的较合理选择。根据现场现有施工条件，拟采用“移动式操作平台＋内壁卸块下料”的施工工艺，进行人工保护性拆除。随后的施工实践证实确实行之有效，对周围环境影响小，安全又快捷。

4 烟囱拆除技术措施

该混凝土烟囱拆除装置由定位机构、操作平台和吊装机构等三部分组成。定位机构包括抱箍、连接头和挂耳，其中抱箍由多段弧形板组成，外壁上均匀设有多个挂耳，接口处设有连接头。操作平台包括梯形台、挂钩和栏杆，其中梯形台底部设有斜撑，挂钩和栏杆分别固接在梯形台两侧。吊装机构包括吊装绳、卡具和吊装工具，其中吊装绳固定在抱箍上，卡具固定在混凝土烟囱侧壁上，吊装绳、卡具和吊装工具配合使用。该拆除装置结构简单，成本低且可反复使用［9］。

4.1 搭建烟囱拆除装置

搭设移动式操作平台前，应先在烟囱底部搭设定位配重，将配重 800 kg 的重物均匀放置在平台的四周，静置 24 h 以上，检查并确保荷载试验是合格的。

移动式操作平台搭设流程：组装材料的准备→烟囱原有直爬梯及钢平台的检修→下放防坠安全绳→安装拔杆及抱箍→铺设提升平台操作安全绳→安装提升系统→安装操作平台→安装护栏→设置操作安全绳→平台转换（见图9）。

4.2 烟囱拆除方法

4.2.1 原平台以上部分的拆除

施工操作人员站在钢筋混凝土烟囱原平台上，用风镐和气割沿烟囱一周从顶部向下打 8 个豁口，豁口开至原平台下边的位置，原平台及原平台以上的烟囱部分均可用风镐和气割切成块体拆除。

4.2.2 筒壁部分的拆除

沿豁口继续向下切割，豁口底部距抱箍定位约1 050 mm 时停止拆除，筒壁用做操作平台内侧的临边防护。

在豁口下方 200 mm 的筒壁上沿其圆周打 8 个通孔，其中两个通孔上分别安装一个导链，导链的一端固定在通孔上，另一端分别与活动绳连接，活动绳敷设在导链对面筒璧上，两导链同时拉紧，使筒壁均向烟囱内侧受力，此时采用风镐、和气割在筒壁分体底部横向切割，该块筒壁分体即向烟囱内侧倒下，（见图10）。

图10 筒壁拆除示意图

用相同的方法拆除其它筒壁分体，拆除一个整圈后，将预制好的卡具（见图11）均匀挂于 6 个豁口处，将6个手拉葫芦的一端与卡具上的侧耳连接，另一端与抱箍上的升降绳吊扣连接，调整手拉葫芦链长，实现抱箍下降，平台平稳下放。下降到指定位置后，收紧横向抱箍的螺丝和纵向的 6 个手拉葫芦，同时横向葫芦也需收紧，做到葫芦和抱箍对平台的双保险作用。

图11 卡具

钢筋混凝土烟囱筒壁拆除一节，需要将抱箍和操作平台向下调两次，抱箍接口连接头的间隙超过 800 mm 时，在原抱箍上增加一节长度为 800 mm 的弧形板，连接接口处用连接头和双头螺栓紧固，同时加装一个操作平台；以此方法逐层下降，实现烟囱筒壁部分的拆除。

当拆到烟囱的底部平台上方时，拆掉抱箍和操作平台，操作人员站在底座平台上进行拆除，具体拆除方法与原平台的拆除方法相同。

5 施工过程及效果

5.1 技术措施

建立各项安全制度及防护措施：①制定各类机械的运行规则及安全作业制度；②烟囱爬梯处地面搭设双层安全防护棚和安全通道；③做好移动式操作平台搭设、筒壁拆除等技术交底工作；④制定高空作业、临边作业、攀登作业及悬空作业施工安全防护措施；⑤制定用电安全须知及电路架设养护作业制度，现场电源实施箱式防护，均设置自动漏电保护器装置，并安排专业电工 24 h 维护检修，确保安全用电无事故；⑥制定施工区消防安全措施，成立安全领导小组，组成由 3～5 人的防火抢险队，配置必须的抢险器材，随时应急处理突发事件；⑦制定施工现场保安制度；⑧执行有关劳动保护法规定的措施。

5.2 拆除效果

在钢筋混凝土烟囱自上而下的拆除过程中，移动式操作平台稳固下放未发生滑脱、承载力不足等问题；筒壁分体均下落于烟囱内部，噪声及扬尘都能得到有效的控制；操作人员在安全区域未受到损害，防护措施均达到预想效果，未对周围建筑物及人员造成较大影响。本次拆除取得了圆满成功。

6 结语

1）在周边情况复杂、操作场地狭小的条件下，采用人工保护性拆除钢筋混凝土烟囱，可有效避免定向倒塌或折叠倒塌对周围建筑物及人员的损害。

2）“移动式操作平台＋内壁卸块下料”的施工工艺克服了传统人工拆除对高度的限制。

3）该钢筋混凝土烟囱拆除装置结构简单、制作方便、成本低且可反复使用。

4）后续可以将机器人引进高耸结构的拆除工作，大大提高拆除效率、降低操作人员风险。Q