预注混凝土爆破拆除异形筒状钢结构工艺初探.pdf

第36卷 第4期 2019年12月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 4  Dec. 2019 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2019. 04. 015 预 注 混 凝 土 爆 破 拆 除 异 形 筒 状 钢 结 构 工 艺 初 探 李 本 伟 1， 王 琪 2， 陈 德 志1， 周 应 军1， 甄 梦 阳3， 罗 鹏 1， 胡 浩 川1， 陈 晨 1 （1.中 钢 集 团 武 汉 安 全 环 保 研 究 院 有 限 公 司 ， 武 汉430081；2.湖 北 省 公 安 厅 治 安 总 队 ， 武 汉430080； 3.河 海 大 学 土 木 与 交 通 学 院 ， 南 京210098） 摘 要 介 绍 了 一 种 通 过 预 注 混 凝 土 以 实 现 密 集 钻 孔 大 单 耗 爆 破 拆 除 异 形 筒 状 钢 结 构 的 新 型 工 艺 。该 工 艺 通 过 向50 cm 36 cm断 面 的 异 形 筒 状 钢 结 构 内 充 填 了440 cm高 混 凝 土 实 现 钻 孔 装 药 。再 利 用 预 先 切 割 的 引 导 缝 来 引 导 爆 炸 能 撕 裂 钢 介 质 以 削 弱 甚 至 消 除 钢 立 柱 支 撑 能 力 ， 进 而 达 到 促 使 钢 结 构 建 （构 ）筑 物 失 稳 倒 塌 的 目 的 。采 用 棉 被 、 钢 丝 网 、 防 晒 网 制 作 立 体 防 护 层 ， 用 防 护 层 包 裹 注 砼 钢 柱 并 在 防 护 层 外 侧 堆 码 沙 袋 作 为 “贴 身 防 护 装 置 ”使 大 单 耗 （18 kg／ m3）爆 破 拆 除 筒 状 钢 结 构 安 全 可 控 。该 工 艺 的 发 明 与 应 用 ， 使 利 用 常 规 乳 化 炸 药 对 异 形 筒 状 钢 结 构 建 （构 ）筑 物 进 行 爆 破 拆 除 的 可 能 性 得 以 实 现 。 关 键 词 预 注 混 凝 土 ；异 形 筒 状 钢 结 构 ；引 导 缝 ；乳 化 炸 药 中 图 分 类 号 TU746. 5 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1001 －487X（2019）04 －0103 －05 Preliminary Study on Blasting Demolition Technology of Cylindrical Steel Structure with Pre-pouring Concrete LI Ben-wei1，WANG Qi2，CHEN De-zhi1，ZHOU Ying-jun1， ZHEN Meng-yang3，LUO Peng1，HU Hao-chuan1，CHEN Chen1 （1. SINOSTEEL Wuhan Safety＆Environmental Protect Research Institute Co Ltd， Wuhan 430081，China；2. Hubei Public Security Department，Wuhan 430080，China； 3. College of Civil and Transportation，Hohai University，Nanjing 210098，China） Abstract This work introduces a new technology of demolishing special-shaped cylindrical steel structure with pre-pouring concrete to realize dense drilling and large unit consumption blasting. By filling 440 cm high concrete in- to special-shaped tubular steel structure（50 cm 36 cm） ，the drilling charge is realized，and the pre-cutting guide joint is used to guide the explosion to tear the steel medium so as to weaken or even to eliminate the supporting ca- pacity of steel column，for achieving the purpose of promoting the instability and collapse of steel structure. Three-di- mensional protective layer consists of cotton quilt，steel wire mesh and sunscreen. Concrete-filled steel columns are wrapped in protective layer and sandbags are piled on the outer side of protective layer as“personal protective de- vice”to make large unit consumption blasting demolition of cylindrical steel structure safe and controllable. With the invention and application of this technology，the possibility of demolition of special-shaped cylindrical steel structures by blasting with conventional emulsion explosives can be realized. Key words precast concrete；special-shaped cylindrical steel structure；guide joint；emulsion explosive 收 稿 日 期 2019 －07 －22 作 者 简 介 李 本 伟 （1981 －） ， 男 ， 高 级 工 程 师 、 硕 士 ， 爆 破 工 程 及 爆 破 技 术 研 发 ， （E-mail）353334814＠ qq. com。 通 讯 作 者 陈 德 志 （1970 －） ， 男 ， 正 高 级 工 程 师 、 博 士 ， 爆 破 工 程 及 爆 破 技 术 研 发 ， （E-mail）345488258＠ qq. com。 随 着 我 国 城 市 化 进 程 的 高 速 发 展 ， 钢 材 作 为 一 种 可 再 生 材 料 使 得 钢 结 构 构 件 在 诸 多 领 域 蓬 勃 发 展 并 起 到 主 导 作 用 。特 别 是 由 工 字 钢 和 钢 板 焊 接 形 成 的 筒 形 钢 柱 结 构 在 房 屋 建 筑 、 采 油 平 台 、 通 廊 、 闸 门 、 万方数据 设 备 框 架 、 塔 吊 、 高 炉 、 加 热 炉 、 冷 床 、 传 输 设 备 等 方 面 更 是 得 到 了 广 泛 应 用 。但 由 于 我 国 钢 结 构 技 术 发 展 较 晚 ， 早 期 上 马 项 目 较 多 ， 目 前 面 临 大 量 钢 结 构 构 件 及 建 （构 ）筑 物 需 要 功 能 性 拆 除 或 重 建 的 问 题 。 如 在 “节 能 减 排 、上 大 压 小 ”过 程 中 面 临 拆 除 的 30 MW以 下 的 火 电 机 组 、 高 炉 和 重 整 装 置 等 ， 可 以 预 见 钢 结 构 建 （构 ）筑 物 的 拆 除 工 艺 及 技 术 的 研 究 与 开 发 将 会 具 有 重 要 的 研 究 意 义 。由 于 钢 结 构 材 料 强 度 大 ， 钢 构 件 和 钢 建 构 筑 物 结 构 复 杂 ， 导 致 其 拆 除 难 度 大 。目 前 国 内 对 钢 结 构 拆 除 尚 停 留 在 人 工 拆 除 的 初 级 阶 段 ， 不 仅 劳 动 强 度 大 、 工 作 效 率 低 ， 而 且 施 工 危 险 性 较 大 。爆 破 拆 除 钢 介 质 构 件 或 建 构 筑 物 时 ， 由 于 钢 结 构 梁 柱 本 身 为 空 心 甚 至 是 板 型 材 料 ， 无 法 实 现 在 钢 结 构 梁 柱 上 钻 孔 爆 破 ， 仅 能 采 用 外 敷 聚 能 药 包 的 爆 破 工 艺 。与 传 统 的 高 效 成 熟 的 钻 孔 爆 破 工 艺 相 比 ， 聚 能 切 割 技 术 有 如 下 明 显 的 技 术 缺 陷 （1） 聚 能 药 包 的 加 工 制 作 工 艺 复 杂 ， 生 产 周 期 长 ， 需 要 根 据 实 际 施 工 进 行 定 制 ， 普 适 性 差 。 （2） 对 炸 药 种 类 有 要 求 ， 一 般 高 爆 速 、 高 密 度 、 大 猛 度 的 炸 药 最 为 适 合 作 为 聚 能 药 包 的 主 装 药 ， 即 便 使 用 爆 速 和 密 度 一 般 的 工 业 炸 药 ， 也 需 要 把 炸 药 加 工 成 熔 铸 状 态 ， 无 形 中 增 加 了 成 本 和 工 艺 的 复 杂 性 ， 且 加 工 的 线 性 聚 能 切 割 器 很 难 穿 透 厚 钢 板 。 （3）聚 能 药 包 外 敷 一 般 只 适 用 于 板 材 爆 破 切 割 ， 即 仅 能 在 钢 板 上 切 缝 无 法 产 生 大 开 口 ，对 于 “ 日 ” 字 型 及 “田 ”字 型 等 异 形 有 内 支 撑 的 钢 梁 柱 结 构 则 无 能 为 力 。 （4） 外 敷 聚 能 药 包 爆 破 本 身 能 量 损 耗 高 ， 产 生 的 爆 炸 冲 击 波 、 爆 破 飞 石 和 噪 音 都 不 易 防 控 ， 不 宜 在 环 境 复 杂 的 居 住 和 生 产 环 境 下 实 施 。 1 混 凝 土 充 填 钢 结 构 爆 破 工 艺 对 于 外 部 药 包 的 作 用 ， 钢 构 内 径 与 壁 厚 的 比 值 越 大 ， 筒 型 钢 构 越 易 发 生 破 坏 ［1］。反 之 ， 一 般 用 于 支 撑 的 钢 构 件 梁 柱 因 其 较 低 的 径 厚 比 而 具 备 较 强 的 抗 爆 能 力 。通 过 筒 内 注 混 凝 土 实 现 钻 孔 内 部 爆 破 。 这 回 避 了 钢 管 结 构 强 大 的 爆 炸 防 护 能 力 ［2-4］。利 用 预 先 布 设 的 细 缝 引 导 炸 药 爆 破 瞬 间 的 水 平 向 冲 击 ［5］， 达 到 撕 裂 钢 介 质 从 而 消 除 或 削 弱 钢 立 柱 支 撑 能 力 的 目 的 ， 进 而 促 使 钢 结 构 建 （构 ）筑 物 的 失 稳 倒 塌 。为 实 现 该 工 艺 ， 通 过 三 个 技 术 关 键 点 来 达 到 利 用 乳 化 炸 药 爆 破 拆 除 筒 形 钢 柱 结 构 构 件 或 建 （构 ） 筑 物 的 目 的 ［6，7］。 1. 1 预 注 混 凝 土 作 用 （1） 钢 柱 内 部 注 入 混 凝 土 砂 浆 临 时 增 加 支 撑 能 力 ， 灌 注 混 凝 土 部 位 可 以 适 度 切 割 同 时 保 证 其 支 撑 能 力 。 （2） 预 注 的 混 凝 土 凝 结 后 实 现 钻 孔 装 药 。 （3） 将 爆 炸 产 生 的 应 力 波 通 过 混 凝 土 传 递 至 钢 结 构 。 （4） 约 束 爆 生 气 体 的 膨 胀 以 减 少 能 量 的 耗 散 ， 并 利 用 混 凝 土 向 外 膨 胀 将 能 量 传 递 至 钢 介 质 。 1. 2 切 割 引 导 缝 内 灌 混 凝 土 成 型 后 提 供 了 一 定 的 支 撑 能 力 ， 可 以 保 证 在 切 口 处 的 钢 柱 被 适 度 切 割 后 ， 钢 柱 结 构 依 然 是 稳 定 的 。预 处 理 工 作 主 要 目 的 是 局 部 削 弱 钢 柱 的 材 料 强 度 ， 以 满 足 爆 破 开 口 的 需 要 ， 分 为 横 向 切 割 和 竖 向 切 割 两 种 方 式 ， 切 割 原 则 为 （1） 须 在 钻 孔 完 成 后 ， 爆 破 装 药 前 完 成 ， 避 免 预 处 理 后 仍 然 长 期 闲 置 导 致 局 部 变 形 甚 至 失 稳 。 （2） 预 切 引 导 缝 不 宜 切 断 避 免 产 生 钢 片 爆 破 飞 散 物 。 （3） 炮 孔 两 侧 需 做 横 向 切 口 但 不 宜 贯 通 。 1. 3 立 体 防 护 装 置 （1） 通 过 密 目 安 全 网 和 棉 被 吸 收 爆 破 切 口 部 位 产 生 的 冲 击 波 。 （2） 通 过 钢 丝 网 约 束 密 目 安 全 网 和 棉 被 进 而 控 制 爆 生 气 体 溢 出 的 能 量 。 （3） 通 过 沙 袋 墙 阻 挡 钢 板 碎 片 及 砼 碎 块 的 飞 出 。 2 工 艺 流 程 及 现 场 试 验 2. 1 工 艺 流 程 见 图1。 图1 施 工 工 艺 流 程 图 Fig. 1 Process flow chart 2. 2 现 场 试 验 试 验 场 地 为 大 唐 合 山 电 厂4号 机 组 爆 破 拆 除 现 场 ， 选 取 一 根 高800 cm，翼 宽50 cm，腹 板 板 宽 40 cm， 板 厚2 cm， 由3根 工 字 钢 和2块 钢 板 焊 接 成 的 “ 日 ”字 型 断 面 钢 结 构 立 柱 进 行 现 场 试 验 。立 柱 内 侧 自 地 面50 cm每130 cm有 一 块1 cm厚 钢 板 水 平 焊 在 钢 结 构 内 壁 。H型 钢 的 腹 板 和 翼 缘 是 通 过 埋 弧 自 动 焊 焊 接 的 ， 迎 爆 面 翼 缘 部 分 最 大 位 移 发 生 在 翼 缘 最 外 侧 边 界 处 。因 此 当 外 部 破 坏 控 制 在 有 限 程 401爆 破 2019年12月 万方数据 度 的 情 况 下 ， 钢 柱 内 侧 纵 向 隔 板 很 难 在 爆 破 过 程 中 发 生 断 裂 型 破 坏 ［8］。见 图 2。 图2 实 验 体 结 构 图 （ 单 位 cm） Fig. 2 Structure chart（unitcm） （1） 在 钢 柱 侧 面 开 口 分 段 下 料 浇 筑 混 凝 土 ， 开 口 距 离 为130 cm（ 钢 柱 内 有 间 距130 cm， 厚1 cm的 隔 板 ） ， 开 口 尺 寸 为20 cm 20 cm， 开 口 位 置 选 在 内 隔 板 的 上 方2 ～ 5 cm处 ， 以 便 处 理 内 水 平 隔 板 。随 着 钢 柱 浇 筑 高 度 的 上 升 ， 混 凝 土 的 水 灰 比 和 塌 落 度 降 低 ， 钢 柱 分 层 下 料 并 捣 实 ， 分 层 厚 度 为50 cm， 实 施 过 程 中 采 用 用 大 锤 敲 击 立 柱 外 侧 以 减 少 蜂 窝 的 产 生 。浇 筑 高 度 为440 cm。 （2） 混 凝 土 浇 筑 后3 ～12 h内 开 始 浇 水 养 护 ， 养 护 时 间15 d。试 验 期 间 气 温 在15℃以 上 ， 浇 筑 的 最 初5 d， 白 天 每 小 时 浇 水 一 次 ， 夜 间 浇 水2次 ， 此 后 每 天 浇 水5次 以 上 。 （3） 浇 筑 完 成 后15 d进 行 钻 孔 和 预 处 理 施 工 。 钻 孔 方 向 沿 着 纵 向 隔 板 方 向 ，炮 孔 布 设 在 距 地 面 100 cm至 距 地 面240 cm处 以 保 证 炮 孔 上 下 两 端 均 有 厚 度 达 到100 cm的 混 凝 土 层 ， 如 图 所 示 。钻 孔 深 度l ＝35 cm。考 虑 到 中 间 纵 向 隔 板 无 法 进 行 预 处 理 ， 下 部 孔 距a ＝20 cm， 排 距b ＝15 cm， 钻 孔 采 用 梅 花 形 布 孔 方 式 ， 为 加 剧 中 间 纵 向 隔 板 的 形 变 ， 单 孔 装 药 为200 g， 单 耗 约 为18. 5 kg／ m3。上 部 孔 距a ＝ 20 cm， 排 距b ＝ 20 cm， 钻 孔 采 用 矩 形 布 孔 方 式 ， 单 孔 装 药 为100g，因 此 在 上 部 钻 孔 炸 药 单 耗 为 6. 94 kg／ m3以 控 制 爆 破 飞 溅 物 。网 路 连 接 方 式 采 用 “ 大 把 抓 ” 。见 图3。 （4） 在 下5排 炮 孔 中 交 叉 选 择 一 个 ， 在 其 两 侧 切 割 横 向 预 切 引 导 缝 ， 在 无 钻 孔 的 三 个 面 切 割 纵 向 预 切 引 导 缝 ， 如 图 所 示 。 图3 预 处 理 及 炮 孔 布 置 示 意 图 （ 单 位 cm） Fig. 3 Pretreatment and perforation layout diagram（unitcm） （5） 在 钻 孔 内 装 填 起 爆 雷 管 和 乳 化 炸 药 ， 随 后 用 炮 泥 进 行 堵 塞 。 （6）2层 棉 被 包 裹 立 柱 以 保 护 网 路 ， 棉 被 外 侧 为 2层 丝 径 为1 cm的 钢 丝 网 ， 再 外 层 为20层 防 晒 网 制 作 防 护 层 ［7，9］。 （7） 用 防 护 层 包 裹 钢 柱 ， 并 在 防 护 层 外 侧 堆 码 防 护 沙 袋 ， 防 护 沙 袋 的 堆 码 高 度 为350 cm。见 图4、 图5、 表1。 1 －待 爆 破 柱 状 钢 结 构 ；2 －柱 内 注 砼 ；3 －炮 孔 ； 4 －起 爆 雷 管 ；5 －乳 化 炸 药 ；6 －堵 塞 ；7 －预 切 缝 ； 8 －防 护 层 （ 棉 被 、 钢 丝 网 、 防 晒 网 ） ；9 －防 护 沙 袋 图4 防 护 系 统 Fig. 4 Protection system 2. 3 试 验 结 果 （1） 爆 破 效 果 实 验 体 外 层 在 装 药 部 位 完 全 破 开 ， 但 中 部 未 做 任 何 处 理 的 夹 层 （ “日 ”字 形 中 间 的 501第36卷 第4期 李 本 伟 ， 王 琪 ， 陈 德 志 ， 等 预 注 混 凝 土 爆 破 拆 除 异 形 筒 状 钢 结 构 工 艺 初 探 万方数据 “ 一 ” ） 发 生 了 严 重 的 波 浪 状 变 形 ， 但 没 有 发 生 断 裂 。 实 验 体 剩 余 部 分 倒 地 。实 验 体 剩 余 部 分 内 尚 存 90 cm长 混 凝 土 填 充 。 图5 防 护 实 景 Fig. 5 protection （2）安 全 情 况 爆 破 主 要 危 害 为 爆 破 飞 石 。水 平 方 向3 m内 大 量 的 沙 袋 残 余 ， 但 四 周 围 墙 和7 m 处 悬 挂 的 密 目 安 全 网 上 未 见 明 显 破 碎 。竖 直 方 向 上 ， 有 钢 板 向 上 飞20 m（3楼 ）后 落 在 爆 堆 处 。见 图6。 图6 爆 破 效 果 图 Fig. 6 Blasting effect 表1 防 护 材 料 表 Table 1 Protective materials 防 护 材 料 部 分 参 数参 考 标 准 密 目 安 全 网 长6 m宽1. 8 m不 低 于800目／100 cm2GB57252009 镀 锌 铁 丝12号延 长 率 不 小 于12％抗 拉 强 度 不 低 于400 MpYBT52942009 遮 阳 网6针50 mm宽 的 拉 伸 强 度≥250 N每25 mm编 丝 根 数 为14根／ 3 结 论 与 展 望 （1） 炸 药 爆 炸 的 能 量 受 到 混 凝 土 约 束 ， 并 通 过 混 凝 土 作 用 在 钢 结 构 上 ， 预 割 引 导 缝 提 高 了 能 量 利 用 率 并 引 导 切 口 的 形 成 ， 使 得 乳 化 炸 药 能 够 破 坏 钢 板 。爆 破 部 位 结 构 完 全 破 坏 而 非 形 成 切 缝 对 爆 破 拆 除 钢 结 构 更 加 有 利 。 （2） 防 护 体 系 有 效 的 控 制 了 爆 破 飞 溅 物 ， 增 加 沙 袋 墙 后 能 有 效 控 制 下 部 大 单 耗 部 位 爆 破 飞 溅 物 的 水 平 冲 击 。但 实 验 中18 kg／ m3的 单 耗 明 显 偏 大 ， 上 部6. 94 kg／ m3的 单 耗 亦 达 到 了 较 好 的 爆 破 效 果 ， 因 此 ， 在 今 后 的 具 体 工 作 中 可 根 据 具 体 情 况 降 低 装 药 单 耗 。特 别 是 对 于 自 重 较 大 、 高 宽 比 较 大 的 高 耸 钢 结 构 建 构 筑 物 ， 通 过 爆 破 使 其 局 部 支 撑 变 形 或 结 构 破 坏 即 可 达 到 爆 破 倾 倒 的 目 的 。 （3） 总 施 工 工 期 达 到 了15 d， 在 具 体 工 作 中 通 过 使 用 快 干 混 凝 土 可 以 有 效 降 低 时 间 。 （4） 内 侧 水 平 隔 板 在 处 理 过 程 中 无 法 完 全 清 理 干 净 ， 残 留 的2 cm宽 钢 环 配 合 混 凝 土 可 以 大 大 提 高 钢 立 柱 的 支 撑 能 力 ， 以 消 除 预 割 缝 带 来 的 结 构 削 弱 。 因 此 在 没 有 内 侧 水 平 隔 板 的 钢 结 构 立 柱 中 可 通 过 在 内 部 焊 接 钢 筋 来 达 到 将 压 力 传 递 到 混 凝 土 立 柱 上 的 目 的 进 而 提 升 自 身 支 撑 力 。 （5） 对 于 开 放 式 的 钢 构 件 （如 角 钢 、 槽 钢 ）可 以 通 过 局 部 补 充 形 成 空 心 筒 型 钢 结 构 梁 柱 而 采 用 上 述 方 式 。特 别 是 在 卡 方 式 钢 构 件 爆 破 过 程 中 ， 可 以 通 过 纵 向 预 埋 管 来 避 打 孔 。同 时 亦 可 尝 试 沙 土 、 水 等 不 同 填 充 材 质 达 到 工 程 目 的 ［10］。 （6） 目 前 ， 浇 筑 混 凝 土 爆 破 拆 除 异 形 筒 状 钢 结 构 的 工 艺 可 行 性 仅 在 试 验 和 工 程 实 践 中 得 到 了 验 证 ， 缺 乏 必 要 的 理 论 研 究 ， 后 期 可 以 通 过 理 论 计 算 、 数 值 模 拟 结 合 工 程 实 践 对 此 工 艺 进 行 研 究 论 证 ， 使 其 逐 步 臻 至 完 善 。 参 考 文 献 （References） ［1］ 钟 冬 望 ， 黄 雄 ， 司 剑 峰 ， 等.爆 破 荷 载 作 用 下 埋 地 钢 601爆 破 2019年12月 万方数据 管 的 动 态 响 应 实 验 研 究 ［J］.爆 破 ，2018，35（2） 19-25. ［1］ ZHONG Dong-wang，HUANG Xiong，SI Jian-feng，et al. 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