復雜環境下3棟框架磚混結構樓房的控制爆破拆除

劉福高，鐘冬望，朱 寬,3

(1.武漢科技大學理學院，湖北 武漢，430065；2.浙江京安爆破工程有限公司，浙江 杭州，310011；3.葛洲壩易普力股份有限公司，重慶，401120)

1 工程概況

為配合推動湖州市德清縣“三改一拆”工作的順利進行，需對德清縣武康鎮英溪北路西側、豐橋港北側的3棟5層框架磚混結構樓房進行爆破拆除，其周邊環境如圖1所示。待爆樓房建于20世紀90年代末期，沿英溪北路人行道西側南北向一字排開，南北向總長度約50 m，東西向寬約12.5 m，建筑總面積約3200 m2。東側為交通主干道英溪北路，其車流量較大，人行道上有架空通信電纜線，地下有上水管、污水管及雨水管等市政設施，待爆樓房與通信電纜線的水平距離僅有1 m；西側100 m范圍內均為待拆除的舊房；北側為一片待拆舊房及一處待保護磚結構舊房，待爆樓房與待保護磚房的水平距離約25 m；南側為便道及無名小溪，路邊有架空高壓電線(電壓10 kV)和通信電纜線，高壓電線和通信電纜線與待爆樓房的水平距離約6 m。

圖1 待爆樓房周邊環境(單位：m)Fig.1 Surroundings of the buildings to be blasted

待爆樓房結構如圖2所示。3棟樓房均有5層，高度約20 m，主體結構相類似，1～2層東側沿街部位為現澆框架結構，西側廚衛部位為混合結構，3層以上均為磚混結構。另外，1#樓有1個樓梯間，2#、3#樓各有兩個樓梯間。1#樓南北向長約11.5 m，共3跨4列立(墻)柱承重，東西向寬約12.5 m(包括外挑部分)，由4排立(墻)柱承重；2#樓南北向長約18.5 m，共5跨6列立(墻)柱承重，東西向寬約12.5 m(包括外挑部分)，由4排立(墻)柱承重；3#樓南北向長約18.5 m，共5跨6列立(墻)柱承重，東西向寬約12.5 m(包括外挑部分)，由4排立(墻)柱承重。

圖2 待爆樓房結構示意圖Fig.2 Structure diagram of the buildings to be blasted

2 爆破設計原則

(1) 保證在實施爆破過程中的人員安全，爆破塌落的殘骸對人行通道及其上下各類管線不產生破壞，盡可能減少對周圍建(構)筑物的影響。

(2)盡可能減少爆渣對主干道英溪北路的交通影響，設計3棟樓房全都背離英溪北路向正西方向傾倒，爆后道路經簡單清掃后可迅速恢復正常交通。

(3)位于3棟大樓傾倒方向的待拆房屋會對爆破效果產生不同程度的影響，故爆破前先采用機械拆除法對部分毗鄰的待拆房屋進行處理。根據以往的工程經驗，在倒塌方向預留7 m空間以保證大樓的順利傾倒。

3 爆破參數設計

3.1 爆破切口

3棟樓房的底下兩層主體為框架結構，均采用定向傾倒的方式進行拆除。爆破切口設計使用梯形切口，具體方法是：A、B兩排立柱炸掉以形成最大爆高，對D排立柱只在其底部造成一定破壞，以形成支撐鉸點。充分考慮倒塌環境要求，為保證樓體的整體坍塌效果，降低爆堆，裝藥位置設計至第三層樓底部，最大爆高初步設計為9.5 m，由公式H=Btanα來驗證設計的合理性，其中B為1#～3#樓寬(不含外挑部分寬度)，m；α為1#～3#樓爆破切口傾角，(°)。由H=9.5 m、B=11.6 m，計算得α=39°。

爆破切口內的立(墻)柱失穩閉合后，樓房的重心必須偏移至大樓樓體以外才能保證其順利傾倒，樓體重心偏移如圖3所示。樓房的重心高度ZC=12 m(根據現場實際情況，底樓絕大部分為立柱，只有少部分的墻體，故將樓房的重心高度取為12 m)，大樓重心偏移至樓體外邊線的臨界切口高度H臨=Btanβ，其中，β為確保樓房順利倒塌的最小傾角。利用三角函數關系計算得β=38°，代入公式得H臨=9.0 m。因α>β、H>H臨，故設計爆高H=9.5 m完全滿足要求，設計合理。爆破切口如圖4所示，1#～3#樓爆破切口內各排立柱(墻)的設計爆高如表1所示。

圖3 重心偏移示意圖(單位：m)Fig.3 Schematic diagram of the gravity center’s offset

圖4 爆破切口示意圖(單位：m)Fig.4 Schematic diagram of the blasting cut

表1爆破切口內各排立柱(墻)的設計爆高

Table1Designedblastingheightofcolumns(walls)intheblastingcut

軸線設計炸高/m一層二層三層A43.52B43.50C410D0.500

3.2 爆破前預處理

為提高爆破可靠度，確保爆破效果，需預先對建筑物冗余結構及附屬結構進行預處理[1-3]，具體包括：

(1)爆破前應拆除爆破切口內所有的非承重墻，同時應對部分承重墻開設孔洞，使其簡化成類似墻柱形式，開設孔洞的高度應大于或等于該區的設計爆高，洞寬約為1.5 m；

(2)由于3棟樓的樓梯位于傾倒方向前排，應人工拆除或弱化至3層；

(3)對爆破切口內廚房、衛生間的承重墻體進行局部破壞。

預拆除和預處理過程嚴格執行《GB6722—2011爆破安全規程》的相關要求，在技術人員的指導下進行上述步驟，不能影響到大樓的整體穩定和結構安全。

3.3 爆破孔網參數

爆破切口內混合結構部分承重墻面布孔原則上采用多孔均布，使炮孔前后方向上的最小抵抗線基本相等以確保墻體完全破壞，并適當減少單孔藥量以利于控制爆破飛石。墻面布孔如圖5所示，自室內地坪+50 cm起布孔，底部布3排炮孔，頂部布2排炮孔，平均墻厚27 cm，平均孔深16 cm，孔排距35 cm×25 cm。根據以往工程經驗，炮孔裝藥起爆后磚墻會發生自然解體，失去承重能力。磚墻體為薄壁結構，為確保爆破效果，炸藥單耗適當加大，取為1500 g/m3，計算得每孔裝藥量約為35 g。

圖5 墻面布孔示意圖(單位：cm)Fig.5 Distribution of metope blasting holes

4 起爆網路

4.1 延期分段

由于待爆大樓周邊有房屋需保護，且3#樓距最近的待保護磚房的水平距離僅為25 m，為減小爆破振動和塌落振動，擬將1#、2#、3#樓分別分成2段起爆，前后段時間間隔500 ms，1#、2#樓之間的時間間隔為0，2#、3#樓之間的時間間隔為380 ms。采用毫秒微差技術依次逐棟逐跨進行爆破，爆破次序如圖6所示，這樣可實現大樓傾倒時的先后觸地，從而有效控制大樓的塌落振動，以確保周邊建筑物的安全，也有利于大樓的充分解體。

4.2 起爆網路設計

為減少雜散電流、感應電流等對起爆網路的干擾，設計使用非電微差起爆系統，并采用塑料導爆管和四通連接塊組成復式閉合多通道傳爆網路，以確保網路的可靠性，同時網路設計要求滿足以下條件：

圖6 延期分段圖Fig.6 Schematic diagram of delay blasting order

(1) 立(墻)柱上的炮孔采用兩發ms-2段雷管綁扎起爆，每兩發傳爆雷管綁扎的雷管數量最多不超過20發；

(2)用導爆管將所有ms-2段傳爆雷管連成復式閉合傳爆網路；

(3)上下樓層網路之間保證至少有6條通路；

(4)起爆主線由爆區6個點隨機引出，匯總成2條總線后引至起爆站。

5 爆破安全

5.1 爆破振動控制

爆破振動可按以下經驗公式進行評估：

V=K(Q1/3/R)1.57

(1)

式中：V為爆破振動速度，cm/s；K為與地形、地質條件有關的系數，取K=32.1；Q為最大一段齊爆藥量，kg；R為爆破幾何中心至待保護建筑物的最近距離，m。

設計最大單響藥量約為30 kg，R=35 m(即3#樓平面幾何中心到待保護磚房的最近距離)，由式(1)計算得V=0.72 cm/s。《爆破安全規程》規定，對一般磚結構，爆破(淺孔爆破)振動速度應控制在2.3 cm/s以下，故本工程中爆破振動對周圍建筑物不會造成影響。

5.2 塌落振動

與爆破振動相比，一般情況下大樓(重達數百噸)傾倒觸地時產生的振動對周圍環境更具威脅性及破壞性。不考慮建筑物在空中解體時的相互牽制作用，在極端情況下，當樓體的某一部分以自由落體形式沖擊地面時，其激發的最大地表振動速度Ve為[4]：

Ve=0.08(I1/3/Re)1.67

(2)

(3)

式中：I為建筑物觸地沖量，kg·m/s；M為每次觸地的樓體質量，kg；h為樓體重心高度，m；Re為建筑物觸地中心至待保護建筑物的最近距離，m。

盡管本工程中的待爆樓體離周邊房屋建筑物較近，但由于在爆破方案中采用了單個樓體前后分成兩段、各個樓體之間進行分段的延期起爆技術，所以爆后樓體將分段、分塊依次觸地。3#樓起爆后，觸地幾何中心至最近的待保護磚房約為35 m，樓體分兩段逐排依次觸地，每次觸地時的最大質量約為850 t，重心高度約為12 m，計算得出離3#樓最近的磚房處最大振速約為1.83 cm/s。《爆破安全規程》規定，一般磚結構建筑的振動速度應控制在2 cm/s以下，故本工程中樓體塌落引起的振動對周圍最近的建筑物不會造成影響。由于大樓為分段起爆，觸地時爆破缺口內鋼筋的反撐力和前后梁板的拉扯等因素也會使實際的觸地振動影響進一步減小。

5.3 飛石防護

根據《爆破安全規程》，飛石無阻擋最大飛散距離Rf為：

Rf=70k0.53

(4)

式中：k為炸藥單耗，本工程爆破時最大炸藥單耗為1.5 kg/m3。經計算得Rf=86.8 m，因此必須采取必要的防護措施來控制爆破飛石。具體措施包括：

(1) 對爆體采用2層竹笆外面加多層綠網(或麻袋)進行包覆防護；

(2)對待爆大樓爆破切口內的前后門、窗及孔洞采用竹笆進行全封閉，以防止飛石逸出；

(3) 在爆破切口周圍搭設脫離式防護棚或其它柔性防護；

(4) 對個別需特別保護的對象進行近體防護。

6 爆破效果

經過精心設計、科學組織施工，3棟樓房同時爆破，完全按照設計方向傾倒，達到了預期的設計效果，保證了周圍建筑物的安全。

(1)結構充分解體，樓體的前沖后坐現象得到了有效控制，樓體向前方傾出約8 m，爆堆最大高度約4 m，反方向基本無后坐現象；

(2)爆破振動得到有效控制，未對周圍的建筑物以及地下管線造成不良影響；

(3)爆破飛石得到有效控制，周圍被保護的建筑物沒有出現被飛石擊中的現象，周圍民用建筑無玻璃破碎狀況；

(4)基本無爆渣溢出至主干道英溪北路，交通在第一時間得到恢復，爆破取得圓滿成功。

[1] 紀科仕, 范學臣, 紀臻. 市區3棟樓房的爆破拆除[J]. 爆破, 2009, 26(3): 58-60.

[2] 梁銳, 劉國軍, 李清芳, 等. 復雜環境下磚混辦公樓爆破拆除[J]. 爆破, 2009, 26(2): 67-70.

[3] 謝先啟, 賈永勝, 劉昌邦. 復雜環境下11層框架結構樓房控制爆破拆除[J]. 爆破, 2008, 25(4): 36-40.

[4] 周家漢. 爆破拆除塌落振動速度計算公式的討論[J]. 工程爆破, 2009, 15(1): 1-4.