復雜環境下非對稱框剪結構交聯立塔定向爆破技術

高帥杰，趙玉龍，張紀云，王 曉，李龍飛，張英才

（1.河南迅達爆破有限公司，河南焦作454000；2.河南理工大學，河南焦作454000）

1 工程概況

1.1 工程環境

鄭州電纜廠交聯立塔位于河南省鄭州市中原區，其南側95m處為一高層居民小區，北側7m處為穎河路，路邊有市政管路和電纜，東側130m為某小區售樓部，西側9m處為一施工工地的深基坑，東南方向為空地，環境復雜。詳見圖1。

圖1 交聯立塔周圍環境圖

1.2 交聯立塔結構

交聯立塔是一座剪力墻結構。該立塔主體結構共14層，層高6m，總高度85.4m，總建筑面積約為4000m2。

交聯立塔俯視圖呈正方形，東西長16.15m，南北寬15.2m。西側部分有2個電梯井，尺寸分別為4.15m×4.15m和2.42m×2.42m，電梯井剪力墻壁厚300mm。主體部分為剪力墻結構，尺寸約為12m×12m，剪力墻壁厚300mm。南側為交聯立塔梯間和辦公室，由8根500mm×500mm的柱子承重。詳見圖2。

圖2 交聯立塔結構平面圖

2 爆破方案選擇

框剪結構建（構）筑物拆除爆破有定向倒塌、原地坍塌和折疊倒塌3種方案。

2.1 定向倒塌

當被拆除的建筑物周圍某一個方向有較廣闊的空場時，任何類型的磚結構樓房和鋼筋混凝土框架結構均可采用定向傾倒方案。

在爆破的一瞬間，建筑物的重力全部作用在未被爆破一側的承重墻和承重柱上，這一側承重墻和承重柱的底部作為傾倒的支點，樓房在重力產生的傾覆力矩M作用下，按預定的方向傾倒，解體。

定向倒塌方案要求倒塌方向的場地的水平距離（建筑物邊緣至場地邊緣的距離）不小于建筑物高度的2/3～3/4。爆破部位的高度要求傾倒一側不小于最小破壞高度，然后依次減小，形成一個三角形的切口狀。

定向倒塌方案的優點是鉆眼工作量較小，倒塌徹底，拆除效率高，場地允許時盡可能采用此方案。

2.2 原地坍塌

原地坍塌是將全部的承重支柱從底部開始爆破足夠的高度，立柱頂部與梁的結合點同時布孔爆破，建筑物在重力作用下，沖擊地面而解體。

此方案的優點是拆除效率高，坍塌范圍小，鉆爆工作量小，設計施工比較簡單。

2.3 折疊倒塌

（1）單向折疊。當被拆建筑物四周場地狹窄，但某一方向的場地稍為開闊時，為減少建筑物傾倒坍塌堆積距離，可采用單向折疊坍塌方案。基本工藝是自上而下逐層爆破一個切口，迫使每一層結構在力矩M1、M2、…、Mn的作用下朝著一個方向連續折疊坍塌。這種方案要求每一層都要布置炮孔進行爆破，因此鉆爆工作量大許多。各層之間要求采用秒延期從上至下順序起爆。

單向折疊坍塌方案要求坍塌方向的場地的水平距離不小于樓房高度的1/2～2/3（鋼筋混凝土框架結構不小于高度的1/2，磚結構不小于高度的2/3）。

這種方案的特點是坍塌破壞較為充分，倒塌距離相對小些，但鉆爆工作量大。

（2）雙向折疊。雙向交替坍塌方案要求從上至下每一層均布置炮孔，順序爆破成一個切口，在每一層的傾覆力矩M1、M2、…、Mn作用下朝相反方向坍塌。

這種方案同樣要求從上至下秒延期起爆。此方案的特點是坍塌效果好，坍塌范圍小，鉆爆工作量大。

（3）內向折疊。內向折疊坍塌是自上而下對樓房每層內承重構件（墻、柱、梁）予以充分爆破破碎，樓房在內向重力彎矩作用下從上至下向內坍塌。此方案要自上而下采用秒延期起爆。

此方案的特點是要求的場地小，又可拆除較高層的建筑物，對于鋼筋混凝土框架結構，拆除比較徹底，缺點是施工工藝復雜。

通過比較、分析，選擇該工程采用定向倒塌爆破拆除方案。

3 傾倒中心線及其支承體截面尺寸設計

3.1 傾倒中心線確定

由交聯立塔周圍環境知，立塔最大的傾倒方向為東南方向，傾倒中心線方位角為α=33°，距離為155m，如圖1所示。

3.2 缺口高度設計

式中：h——缺口高度，m；

H0——建筑物重心高度，取42.7m；

L——建筑物寬度，取22.8m。

經計算可知，缺口高度取值范圍為7.35m≤h≤21.35m，根據交聯立塔實際情況將缺口高度設計為4層（1～4層），即實取缺口高度23m。

3.3 支承體截面尺寸設計

由于交聯立塔第一層與其他樓層結構不同，加上每層缺口大小也不同，將支承體截面設計分為第一層設計，第二、三層設計和第四層設計3部分。

根據支承體形心坐標位于設計傾倒中心線的反方向上時，建筑物才可按設計傾倒中心線方向倒塌的原理，設計支承體的尺寸，計算支承體截面位置及其形心坐標。

①建立交聯立塔支承體截面的坐標系，如圖3所示。

②確定傾倒中心線方程。根據公式（2）計算形心坐標。

式中：X′、Y′——形心坐標的橫坐標、縱坐標；

x1,…,xn——支承體各塊段形心橫坐標；

y1,…,yn——支承體各塊段形心縱坐標；

s1,…,sn——支承體各塊段面積。

根據公式（2）計算出第一層形心坐標和支承體形心坐標為(7.28,7.85)、(2.52,10.89)；第二、三層形心坐標和支承體形心坐標均為(7.11,7.64)、(2.45,10.66)；第四層形心坐標和支承體形心坐標為(7.11,7.64)、(2.92,10.41)。第一層傾倒中心線方程為：y=-0.639x+12496.1；第二、三層傾倒中心線方程為：y=-0.649x+12251.7；第四層傾倒中心線方程為：y=-0.649x+12328.4。由圖3可看出傾倒中心線與轉軸間的夾角接近90°，滿足支承體形心坐標位于傾倒中心線反方向上的要求。

圖3 爆破缺口設計示意圖

4 爆破缺口設計

本次拆除工程中的承重構件主要有剪力墻和立柱2種類型，爆破時只對立柱和剪力墻進行破壞，因此本設計中只對爆破切口內的立柱和剪力墻的參數進行設計。經預處理后剪力墻形成若干個1.5m×1.5m的支撐體（電梯井部分除了1.5m×1.5m的支撐體外，還有0.3m×1.5m和0.3m×0.75m的支撐柱）；立柱尺寸為0.5m×0.5m。

4.1 立柱爆破參數設計

該聯立塔承重立柱的截面尺寸為500mm×500mm。見圖4。

（1）布孔形式：單排布孔。

圖4 立柱鉆孔及裝藥布孔圖

（2）最小抵抗線(w)：立柱采取單排鉆孔，對于單排孔w=0.5B，因此，500mm方柱，w=0.5B=250mm。

（3）間距及排距：a=(1.0～1.2)w=250～300mm，實取300mm。

（4）鉆孔深度（L）：藥孔深度的確定以保證裝藥能將構件破壞為原則，孔深一般取L=(0.6～0.8)δ（δ為鉆孔處厚度）=300～400mm，實取350mm。

（5）單孔藥量（Q）：根據體積原理，對單孔裝藥量按下式確定：

式中：v——每個炮孔所承擔的體積，m3；

Q——炸藥單耗，取1800g/m3。

計算得Q=135g，實取130g。

4.2 剪力墻（300mm）爆破參數設計

此交聯立塔的剪力墻厚度均為300mm。見圖5。

（1）布孔形式：梅花形布孔；

圖5 剪力墻鉆孔及裝藥布孔圖

（2）孔徑：d=36mm；

（3）間距及排距：根據經驗取a=300mm，b=250mm。

（4）鉆孔深度（L）：藥孔深度的確定以保證裝藥能將構件破壞為原則，孔深一般取 L=（0.6～0.8）δ=180～240mm（δ為鉆孔處厚度0.3m），實取200mm。

（5）單孔藥量（Q）：根據體積原理，對單孔裝藥量按下式確定：

式中：v——每個炮孔所承擔的體積，m3；

Q——炸藥單耗，取3000g/m3。

計算得Q=67.5g，實取70g。

4.3 橫梁爆破參數設計

橫梁的截面尺寸為1.3m×0.35m，橫梁長12m。見圖6。

（1）布孔形式：單排布孔；

圖6 橫梁鉆孔及裝藥布孔圖

（2）最小抵抗線(w)：立柱采取單排鉆孔，對于單排孔w=0.5B，因此，橫梁的厚度為350mm，w=0.5B=175mm；

（3）間距及排距：a=(1.0～1.2)w=150～180mm，實取200mm；

（4）鉆孔深度（L）：鉆孔深度的確定以保證裝藥能將構件破壞為原則，孔深一般取 L=（0.6～0.8）δ（δ為鉆孔處厚度）=780～1040mm，實取1000mm；

（5）單孔藥量（Q）：根據體積原理，對單孔裝藥量按下式確定：

式中：v——每個炮孔所承擔的體積，m3；

Q——炸藥單耗，取3000g/m3。

計算得Q=273g（實取280g）。

4.4 爆破參數匯總表（見表1）

表1 主要承重構件爆破參數匯總表

5 爆破網路設計

根據本工程的特殊環境，為了避免雜散電流、射頻電流和感應電流以及雷電對爆破網路的影響，工程使用非電塑料導爆管起爆器材。用連接管導爆管將同層的立柱和電梯井剪力墻分別連接，然后將柱與柱、墻與墻、墻與柱縱橫連接成閉合復式網路。同一層的爆破網路連接好后，層與層之間用導爆管上下連接成多通道閉合網路。最后用導爆管引至起爆站由脈沖起爆器起爆。

（1）起爆順序。本次爆破采用半秒延期起爆方式，此種方式的特點就是每個分區的起爆時間一致，各分區之間采用大間隔的方式起爆（半秒延期）。因此沿著設計倒塌的方向，一區首先起爆，以后幾個區域逐次起爆。

（2）延期時間。爆破切口共分為4個區，總延期時間設計為2s（從開始點火至所有裝藥完全爆炸所需時間），各個分區延期時間分別為：一區HS1（0s）、二區HS2（0.5s）、三區HS3（1s）、四區HS5（2s）。

（3）爆破網絡。爆破網絡采用導爆管雷管孔內延時、孔外瞬發、雷管多點起爆的起爆系統。網絡的聯接采用非電導爆雙回路閉合環網絡網絡安全起爆聯接技術。從炮孔內引出的導爆管雷管就近以10～20根為一組，綁扎2發瞬發導爆管雷管，整個爆區劃分成多個分片，每個分片連成兩復式閉合環，使整個爆區形成平面縱橫交錯、全方位立體交叉的導爆管復式多重閉合環網路；在閉合環網絡中留下多個末級起爆點，采用主干線環繞復式非電雷管起爆技術。構成連線獨立，而傳爆相聯；傳爆路徑，路路相通，即便只有一個起爆點、一根傳爆導爆管有效就會使整個網絡可靠起爆。

6 安全設計

爆破振動安全允許距離計算公式：

式中：R——爆破振動安全允許距離，m；

Q——炸藥量，延時爆破為最大單段藥量；

V——保護對象所在地安全允許質點振速，cm/s；

K、α——與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，應通過現場試驗確定。本次驗算時取K=200，α=1.65。

（3）爆破振動安全允許距離。由設計可知單段最大起爆藥量位于第四區段，起爆藥量為112kg，因此針對一般民用建筑物，安全允許振動速度取2.5cm/s，代入上式可得，針對一般民用建筑物安全距離為68m。通過在爆破區周圍開挖減振溝，可以確保周邊建筑物的安全。

待拆除建筑物爆破切口之上的總面積約3500m2，每平方米的重量按0.5t計算，由此可知待拆除聯立塔的觸地總重量約為1800t，由于本次爆破拆除采取高切口，切口高度達到23m，根據經驗，結合相關公式，爆破瞬間重心高度為42.7m，觸地質量取1800t。

根據全國工程爆破人員組織統一培訓教材《工程爆破理論與技術》中拆除爆破推薦塌落振動速度用公式（4）計算。

式中：Vt——塌落引起的地面振動速度，cm/s；

M——下落構件的質量，t；

g——重力加速度，m/s2；

H——塌落的高度，m；

σ——地面介質的破壞強度，一般取10MPa；

R——保護建筑至沖擊地面中心的距離，m；

k、β——塌落振動速度衰減系數和指數，一般k=3.37～4.09，β=1.66～1.80；

k′——聯立塔分段下落，單體質量占總質量的百分比，k′=1/10。

爆破時，需采取相應減振措施（鋪設緩沖墊層），實際觸地振動會衰減到計算值的70%。計算可知觸地振動的安全距離為26m，距觸地中心點26m范圍內沒有建筑物，觸地振動不會產生破壞。

7 爆破效果

起爆后，樓房按設計的東南方向傾倒，塌落姿態平穩，振動微弱，沒有碎塊飛出，周圍建筑物無損壞，爆堆高5m多，長60m左右，寬近16m。從爆堆及立柱斷口觀察發現，東北側立柱鋼筋全部折斷，整體沒有前沖。取得了良好的爆破效果。

8 結論

（1）在城市鬧市區的復雜環境下，采用不對稱傾倒中心線爆破缺口的單向爆破拆除方案安全可靠，施工方便，成本低，速度快。

（2）交聯立塔按照設計的傾倒方向倒塌，傾倒距離短，倒塌范圍小，對傾倒方向附近的建筑物能進行有效的保護。

（3）半秒延時的選擇主要是控制了樓房倒向和降低單段爆破藥量。

（4）爆破及觸地振動速度實測值比理論計算值小。