尿素造粒塔顶盖非爆破法拆除关键技术研究
1 工程概况
某尿素造粒塔位于我国某石化化工区域内,该塔和紧邻的电梯井、混凝土框架及输送栈桥始建于1978年,考虑该生产工艺已淘汰,予以拆除。该塔东侧及东北侧有正在生产的化工装置,设备、管线较多;西北侧有生产仓库,南侧及西南侧为输送栈桥,东侧及东北侧的地下埋存管线和电缆。
由于年代较久,无法找到设计文件,经施工单位现场测量,造粒塔为钢筋混凝土结构,由顶盖、筒体两部分组成,造粒塔整体总高度80.4m,圆筒内直径20m,如图1所示。
造粒塔顶盖由井字梁、井字梁中间的设备间、设备间四周的通风间、支撑通风间外侧墙体的辐射梁、电梯井通往造粒塔的通廊、现浇顶板组成,如图2所示。
造粒塔顶部井字梁有4根呈井字形的主梁,梁截面尺寸700mm×3 000mm,梁端头支撑于塔的筒壁上,梁上口与筒壁顶口相平,8根次梁支撑于主梁上,次梁截面尺寸500mm×1 700mm;设备间位于井字梁中间,楼面、墙面、屋面为现浇钢筋混凝土板。
塔顶四周为通风间,里侧钢筋混凝土墙板呈环绕八边形,尺寸为1 700mm(高)×500mm(厚),外侧墙支撑在与造粒塔筒壁相连的四周辐射梁上,风间顶盖是预制板结构,宽约5 000mm,厚120mm,支撑通风间外侧墙体的辐射梁为钢筋混凝土梁,长1 200mm,电梯井通往造粒塔的通廊结构为钢筋混凝土梁板。
2 机械拆除与爆破拆除对比分析
2.1 爆破拆除
2.1.1 技术难度与安全风险
爆破拆除按A级考虑,倒塌场地条件受限,倒塌长度不足,采用原位坍塌,合理设计延时分段,能有可靠的起爆网路;爆破振动、塌落振动、飞石和冲击波是爆破拆除的主要安全风险,爆破安全距离计算评估和防护措施是技术要点,也是难点。
1)爆破振动建筑物允许的地面质点振速:
式中:K'为地震波强度修正系数,取0.3;K,α是与地质条件和地震波衰减有关的系数,一般取K=150,α=1.5;Q为允许一次最大起爆药量,取31.4kg;R为群药包几何中心到被保护建筑物几何中心的距离(m),校核中取R=35m。建筑物地面质点振速Vc=1.67cm/s<2cm/s(爆破安全规程规定值)。
2)塌落振动不考虑建筑物在空中解体时的相互牵制作用,在极端情况下,视为自由落体运动,其激发的最大地表振动速度可根据式(2)估算:
式中:I为建筑物的触地冲量(Pa);M为下落构件质量,取8.49×105kg;H为构件重心所在位置高度,取78m;R为着地点中心到测点的距离,取30m;g为下落加速度,取9.8m/s2;α为指数,取1.67。坍落冲击所引起的振动速度Vc=4.2cm/s,该值不符合GB6722—2014《爆破安全规程》规定的工业建筑物地面质点安全振动速度3.5cm/s(主振频率<10Hz时)。
3)爆破飞石
式中:S为飞石距离(m);V为碎渣初始速度,取20m/s;G为重力加速度(10m/s2);计算得S=40m。
4)爆破冲击波
式中:RK为爆破冲击波安全距离(m);Q齐为最大一次起爆药量,取18kg;计算得RK=65.5m。
2.1.2 工期与成本
总工期55d,包含预拆除5d,放线补空2d,钻孔10d,装药及填塞10d,起爆网络敷设5d,安全警戒、撤离、起爆4d,安全检查4d,垃圾二次破损与垃圾清理15d。
采用原位坍塌爆破拆除,考虑设计、人工、材料、机械、安全防护在内与费用总计35万元。垃圾二次破损、垃圾清理费用拆除后的钢筋处理费进行抵消。
2.2 机械与人工拆除
2.2.1 技术难度与安全风险
采用机械+人工拆除的应逐个拆除梁、板、墙构件,根据塔顶各构件荷载传递的途径设置构件拆除顺序。由于塔顶高、结构较复杂、质量大、体积大、内部空间较小,现进行如下分析:(1)由破碎锤及承载机械组成的破碎机拆除法、由液压挖掘机及破碎钳组成的破碎钳(剪)拆除法及摆锤撞击拆除法皆无法拆除70～80m高塔顶结构。(2)静态破碎剂拆除法对钢筋混凝土构件的拆除形状、位置控制性较差。(3)利用机械锯切法及高压水射流切割法都是部分保留、部分拆除构件的切割法,对体积较大混凝土且高空作业适应性未显优势。因此,在钻孔中应采用液压分裂机拆除法,配合人工钢钎、锤子、风钻进行辅助拆除。
该方法主要风险体现在构件拆除过程中,避免构件强度、刚度不足导致的脆性和延性破坏。为此,必须分析构件主节点稳定性,同时考虑操作安全。
2.2.2 工期与成本
总工期76d,包含预拆除5d、构件拆除48d、安全检查8d、垃圾二次破损及清理15d。
采用机械+人工拆除法,考虑人工、材料、机械、措施、安全防护在内费用总计50万元。垃圾二次破损、垃圾清理费用与拆除后的钢筋处理费进行抵消。
2.3 对比分析
爆破拆除在工期、造价上比机械+人工拆除更具优势,爆破拆除计算结果可以明确,考虑距离造粒塔东侧及东北侧50m处有正在生产的化工装置(包括设备和地下管网),因此原位坍塌爆破法风险很大,不予采用。故用机械+人工拆除。
3 拆除技术的详细设计
3.1 施工工序
塔顶各构件(见图3)荷载传递的途径:(1)通风间顶棚预制板→通风间外侧壁板→辐射梁FSL→筒壁;(2)通风间顶棚预制板→通风间内侧壁板→CL1,CL2→JZL1,JZL2→筒壁;(3)设备间与通风间平台→CL1,CL2,JZL1,JZL2→筒壁;(4)设备间混凝土顶板→设备间四周混凝土墙→JZL1,JZL2→筒壁;(5)设备间混凝土底板→JZL1,JZL2→筒壁;(6)内栈道板→ZDL1→CL1、筒壁;(7)外栈道板→外栈道梁→筒壁、电梯井壁。传力主要体现在次梁CL1,CL2荷载传递给主梁JZL1,JZL2,主梁JZL1,JZL2传递给筒壁。
根据荷载传递路径,缺少拆除的总次序,通风间顶棚预制板和外侧预制板墙交替拆除(工序(1),(2))→设备间的底板打孔(工序(3))→拆除设备间混凝土顶板(工序(4))→拆除设备间四周混凝土墙(工序(5))→拆除通风间混凝土内墙(工序(6))→拆除设备间混凝土底板(工序(7))→拆除走道和内栈道混凝土板(工序(8))→拆除内栈道梁(工序(9))→拆除通风间内墙下支撑梁CL1,CL2(工序(10))→拆除井字大梁JZL1(工序(11))→拆除井字大梁JZL2(工序(12))→拆除外栈道板(工序(13))→拆除外栈道梁(工序(14))→拆除辐射梁FSL(工序(15))→拆除筒身(工序(16))。
3.2 拆除过程中主要节点的安全稳定性分析
就16个工况针对主要节点的弯矩、剪力、变形值的计算技术分析,最不利2种工况为:(1)工况1不拆4根井字梁JZL2,先拆JZL1,由700mm×3 000mm变为700mm×500mm的受力状况,梁(700mm×3 000mm)由操作平台传递荷载6kN/m;(2)工况2拆除JZL1后,拆除JZL2,由700mm×3 000mm变为700mm×800mm。
对2种工况进行判断,造粒塔井字梁x,y向风载作用下的弯矩、剪力较小。竖向荷载作用下的梁跨中和固定端弯矩、固定端剪力、最大位移变形未超出规范要求,故结构构件是稳定的。
3.3 钢筋混凝土块体落地方式
钢筋混凝土块体采用起重机从70m高空吊运至地面,起重机吨位较大、台班数量多、费用较高,不宜采用。在井内或井外搭设脚手架,其脚手架占用时间长、费用高,且井内搭设脚手架使混凝土块落地较困难。72m以下筒体内空间较大,钢筋混凝土块坠落,在筒内基础和地基的冲击振动影响下,块体在筒内自由落体至地面。
从3个方面采取防振动技术措施,块体对地面撞击势能限制在1 000kN·m内,块体限制在0.55m3内,在筒内底部垫放5层麻袋减弱撞击能,同时在筒壁外侧15m处挖1.5m深、1m宽的隔振沟。
3.4 操作平台
破碎拆除法需要一定空间且稳固的操作平台,应与被拆除构件无内力传递,据此采用移动式操作平台;该塔总体上为16个工况下的10种操作平台。本文选择跨度较大、最不利工况的3种操作平台选型、参数与计算结果,如表1、图4所示。表1中:(1)活荷载3个人同时操作3kN/m2+块体堆放3kN/m2;(2)梁上各断面内力组合1为1.2恒荷载+1.4活荷载,组合2为1.35恒荷载+0.7×1.4活荷载;(3)挠度验算标准为1.0恒荷载+1.0活荷载;(4)简支梁受荷方式竖向单向受荷。考虑移动操作平台块体堆放荷载<3kN/m2,块体限制在0.12m3内。
表1 拆除操作平台参数与计算(简支梁)
Table 1 Parameters and calculation of removal operation platform(simply supported beam)
经计算,弯矩、剪力、整体/局部稳定、挠度满足要求。
3.5 各工序技术要点
施工工序(1),(2)中,拆除通风间的顶棚。施工人员挂好双安全带(安全带固定在通风间混凝土内墙),将操作平台垂直铺设在预制板上(沿圆弧方向),每次拆除宽度为300mm,从内到外呈放射状。
拆除外墙预制板,在栈道和通风间的隔墙开凿门洞,将操作平台铺设在辐射梁上。
施工工序(3),(4),(5)中,用风镐在设备间底板上打几个350mm×350mm小孔,小块混凝土块通过该孔掉落至造粒塔底部。将操作平台铺设在顶板上并固定;作业人员挂好安全带(安全带固定在设备间混凝土外墙)到设备间顶棚上,对顶板进行梅花形钻孔(见图5),用混凝土分裂机分裂已钻好的孔,用风镐进行破碎拆除,顶棚拆除完后,用同样的方法对墙板进行钻孔、分裂、破碎(见图6)。施工工序(6)中,脚手架搭设在通风间内墙内侧,即走道上。
图5 顶板钻孔及开裂顺序
Fig.5 Top drilling and cracking sequence
施工工序(7)中,距底板面高出100mm,在JZL1的设备间长度内,沿水平方向凿槽,深100mm,高200mm,将操作平台插入槽内,边拆边退(安全带固定在井字梁)。
施工工序(8)中,在两侧梁上铺设操作平台,作业人员挂好安全带(安全带固定在井字梁),用同样的方法对板进行钻孔、分裂、破碎。
施工工序(9)中,将操作平台铺设在CL1和筒身上。安全带固定在CL1,用风钻对栈道梁进行钻孔,钻孔距离为300mm,呈梅花形。
施工工序(10)(拆除次梁CL1,CL2)中,梁侧边安装操作平台,与井字梁螺栓相连。
施工工序(11)(拆除井字梁JZL1)中,梁侧边安装操作平台,与井字梁JZL2或筒壁螺栓相连,如图7所示。分2次安装,第1次安装时在平台操作面1 350.000mm标高处,待井字梁JZL1上半部分拆除后,进行第2次安装,平台操作面在低梁面2 700.000mm标高处,从上至下每200mm 1层进行破碎拆除。
施工工序(12)(拆除井字梁JZL2)中,梁侧边安装操作平台,操作平台在地面拼装焊接完成后,吊装至筒顶安装位置,与筒身螺栓相连,整个梁从上至下每200mm 1层进行破碎拆除(安全带固定在筒壁)。拆除井字梁JZL2操作平台如图8所示。
图7 操作平台与JZL2连接
Fig.7 Operating platform connected with JZL2
施工工序(13),(14)(拆除外栈道板、梁)中,将操作平台铺设在电梯间和筒身上。
施工工序(15),(16)(拆除辐射梁FSL、筒身)中,环筒外壁安装三角支撑移动操作平台,拆除辐射梁FSL和筒壁。
4 技术措施
结构拆除前,拆除造粒塔内外的设备、管线、附属设施等,对建(构)筑物内进行有毒有害、粉尘、易燃易爆气(液)体的检测分析及排除。
对造粒塔、电梯井外壁周围15m范围内无法拆除的建(构)筑物等应设置高空坠落防护棚。
在钢筋混凝土造粒塔外筒壁下部到上部安装钢爬梯,作为施工人员的施工安全通道。
采用滚球法设置造粒塔拆除期间的临时避雷接地装置,接地电阻<10Ω,避雷针下用16mm2的钢导线接到造粒塔原避雷针断线盒中,拆除过程中按当时状况随时调整。
经尺寸测量、参数选用和计算,确定将操作平台和机具利用移动式起重机吊至塔顶,严禁施工人员站立在构件上进行破除,避免破除的构件坠落或操作平台失稳、坠落。
严禁高空交叉作业,尽量避免高处动火作业,若需要应采取防火花飞溅设施。
施工人员进行拆除作业时,应用水喷洒避免产生粉尘污染。建筑垃圾及设备及时运至指定地点集中堆放。
5 技术管理
1)建立安全管理体系,电工、焊工、起重机司机、信号工等特种作业人员持证上岗。
2)拆除前进行有关拆除作业的安全教育和三级技术交底;明确交底内容、人员、交底效果检查。
3)对安全设施、环境进行检查和阶段性验收,进一步明确每个构件、部位拆除前的详细方法,并跟踪检查。
4)制定防止坍塌、高处坠落、火灾、物体打击、机械伤害、临时用电等针对性措施和应急预案。
6 结语
采用液压分裂机拆除法,配合人工风钻辅助质量大、高度大的结构拆除优选技术。根据塔顶各构件荷载传递的途径,确定梁、板、墙逐个构件总工序和各工序的关键点,以满足结构(构件)的整体及局部稳定性、强度、刚度要求。拆除需考虑钢筋混凝土块体自由落地撞击地面的影响技术措施,设置稳固的可操作移动平台,以满足分裂+人工破碎拆除的要求。
与此同时,应考虑拆除前结构的条件、环境、相邻建(构)筑物防护,人员、机具、平台垂直运输设备的设置,交叉作业、防火作业、拆除物清除等技术措施。以及特种作业人员、安全教育、技术交底、检查验收、重大危险源针对性措施和应急预案等技术管理。
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