復(fù)雜環(huán)境下高層建筑拆除爆破的振動危害控制

張北龍， 邢光武， 費鴻祿， 易 克， 鐘明壽

(1.廣東中人集團建設(shè)有限公司， 廣州 510515； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院， 遼寧阜新 123000；3.河南省現(xiàn)代爆破技術(shù)有限公司， 鄭州 450016； 4. 解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

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復(fù)雜環(huán)境下高層建筑拆除爆破的振動危害控制

張北龍1， 邢光武1， 費鴻祿2， 易 克3， 鐘明壽4

(1.廣東中人集團建設(shè)有限公司， 廣州 510515； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院， 遼寧阜新 123000；3.河南省現(xiàn)代爆破技術(shù)有限公司， 鄭州 450016； 4. 解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

摘要：為了安全拆除復(fù)雜環(huán)境下18層剪力墻結(jié)構(gòu)樓房，采用了雙切口定向折疊爆破與機械拆除相結(jié)合的方式，采取減振溝槽、減振堤、廢舊輪胎及橡膠皮等措施降低爆破振動，采取草袋、草簾、竹籬笆、密目防護網(wǎng)、排架、緩沖擋墻等安全防護措施防止飛石及滾石危害，達到了良好的拆除爆破效果，可為城市控制拆除爆破及其他復(fù)雜環(huán)境爆破作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜環(huán)境； 高層建筑； 拆除爆破； 振動； 振動危害； 減振措施

1工程概況

1.1建筑結(jié)構(gòu)特點

待拆除的樓房為花季公寓(以下簡稱公寓)，建筑主體18層，高63m，建筑面積21 000m2，平面呈長方形，東西長約42m，南北寬約39m。剪力墻結(jié)構(gòu)，墻體呈“T”“L”“1”字型結(jié)構(gòu)，墻厚20cm～30cm，混凝土強度為C30。電梯井及樓梯為筒形結(jié)構(gòu)，3層～18層中間有16m×13m的天井，樓層平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　平面結(jié)構(gòu)Fig.1　Plane structure of the building

樓房1層～2層分別有6根600mm×600mm的立柱，其他樓層沒有立柱。剪力墻主筋為直徑25mm螺紋鋼，間距100mm～200mm；箍筋為直徑8mm螺紋鋼，間距為200mm，剪力墻轉(zhuǎn)角處有加強箍筋。剪力墻及配筋情況見圖2。

圖2　剪力墻及配筋Fig.2　Shear wall and reinforcement

1.2周圍環(huán)境

該樓南側(cè)距民房明輝樓僅3m，南側(cè)6m有DN100球墨供水管；北側(cè)距加油站的3個鐵質(zhì)儲油罐僅11m；東北側(cè)距和興學(xué)校大門31m，正東方向40m為工廠廠房；西側(cè)距新街大道14.4m，西側(cè)10m有地下天然氣管線和DN400砼供水管；東側(cè)5m地下有電力、通訊管線。爆破環(huán)境復(fù)雜，見圖3。

圖3　周圍環(huán)境示意圖Fig.3　Schematic diagram of surrounding environment

2技術(shù)難點

(1)公寓周圍環(huán)境復(fù)雜，安全控制要求較高，稍有疏漏會造成重大影響。

(2)公寓結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性大，倒塌后解體難度大。大樓承重構(gòu)件全部為剪力墻，且在西南角、東北角分別有兩個電梯井和一個樓梯井，爆破難度高，處理不當(dāng)容易造成倒塌后解體不充分、爆堆過高。

(3)剪力墻預(yù)處理工作難度大。為削弱結(jié)構(gòu)強度，爆前必須將大尺寸墻體簡化為小體積的柱體。

(4)剪力墻鉆孔、安全防護工作難度大。

(5)爆破振動與塌落振動控制難度較大。

3爆破方案

3.1折疊爆破拆除方案

(1)考慮該樓的結(jié)構(gòu)特點及復(fù)雜環(huán)境，決定將樓體在D-E軸中間沿東西方向切縫分割為北樓、南樓，北樓采用爆破向東定向倒塌，倒塌中心線為正東方向，南樓在爆破前采用人工機械拆除至12層，12層以下爆破后采用機械拆除。

(2)為了樓體空中解體充分，減小樓房塌落觸地振動，縮短倒塌長度，采取雙切口同向折疊爆破〔1-2〕。

3.2預(yù)處理施工安全校核

3.2.1預(yù)處理

(1)將樓房在D-E軸中間沿東西向切割分開，將樓房分為南樓、北樓。東側(cè)切割縫寬8.3m，西側(cè)切割縫寬度3.8m，北樓1軸、6軸長均為21m，即支撐部長為21m，如圖4所示。

圖4　切割縫平面示意圖Fig.4　Schematic diagram of cutting seam

(2)切口內(nèi)的剪力墻采用切割機或風(fēng)鎬進行預(yù)拆除，將剪力墻改為50cm～120cm寬的柱體。

(3)將爆破切口樓層的樓梯混凝土橫向打斷，保留鋼筋進行弱化處理〔3-4〕。

3.2.2安全校核

預(yù)處理剪力墻最大面積約占切口內(nèi)的剪力墻的50%。經(jīng)過預(yù)處理后，首層保留墻體總截面積為22.18m2，其上方荷載約為19 656t。單位截面受力為：196 560kN/22.18m2=8.86MPa

3.3爆破切口

為了縮小倒塌長度，減小塌落觸地振動，增強爆破效果，布置兩個爆破切口，上下切口同向正東方向。第一切口位于1層～5層，梯形切口，切口角度33°，該切口保證樓房順利向東定向倒塌。第二切口位于10層～11層，梯形切口，切口角度29°，該切口進一步縮短倒塌長度，如圖5所示。

上下切口共布置2 053個炮孔，炸藥288kg，最大一段裝藥量14.60kg。

圖5　爆破切口示意圖Fig.5　The schematic diagram of blasting cuts

3.4裝藥結(jié)構(gòu)

立柱炮孔、垂直于剪力墻的炮孔均采用孔底密實裝藥，選用φ32mm條狀2#巖石乳化炸藥；垂直于剪力墻的炮孔內(nèi)放置非電毫秒延時雷管；平行于剪力墻的炮孔采用導(dǎo)爆索傳爆間隔裝藥；孔口用炮泥嚴(yán)密填塞。

3.5起爆網(wǎng)路

采用復(fù)式非電起爆網(wǎng)路，上切口比下切口延時0.50s起爆，排間起爆間隔時間0.50s，同切口的同排相鄰樓層起爆間隔時間50ms。整個爆破過程持續(xù)2.55s。

4爆破安全校核

4.1爆破振動

為控制爆破振動效應(yīng)，采用了多段多區(qū)的起爆技術(shù)，以降低最大一次起爆藥量Qmax。爆破振動用下式校核[2]：

v= K′?K(Qmax1/3/R)α

(1)

式中：R為保護目標(biāo)至爆點距離，m；v為允許振動速度，cm/s；K為與地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，取200；α為地震波衰減系數(shù)，取α=2.0；K′為修正系數(shù)，取0.5；施工中最大一段藥量Qmax=14.60kg，發(fā)生位置在2樓③-，其產(chǎn)生的爆破振動速度見表1。

表1　爆破振動速度

由表1可以看出，切口爆破時產(chǎn)生的振動對于油罐設(shè)施影響較大，應(yīng)采取減振措施。

4.2塌落觸地振動

建筑物塌落振動經(jīng)驗公式〔5〕如下：

vt= Kt[R′/(MgH/σ)1/3]β

(2)

式中：vt為塌落引起的地面振動速度，cm/s；M為下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；g是重力加速度，9.8m/s2；H是構(gòu)件的高度，m；σ為地面介質(zhì)的破壞強度，一般取10MPa；R′為觀測點至沖擊地面中心的距離，m；Kt、β為塌落振動速度衰減系數(shù)和指數(shù)，框架結(jié)構(gòu)的高大樓房爆破拆除時的塌落振動衰減系數(shù)Kt為1.1～2.1，取中間值1.6；β取-1.8。

經(jīng)計算，北樓總重量約19 656t，爆破前重心高度H≈31.50m。假設(shè)樓體倒塌觸地中心在倒塌中心線與1軸交匯處，樓體塌落觸地振動見表2。

表2　塌落觸地振動

由表2可以看出，樓體倒塌產(chǎn)生的塌落觸地振動可能對油罐、明輝樓、工廠及煤氣管道的影響都較大，特別是對加油站設(shè)施的安全威脅最大，需要重點采取措施減小塌落觸地振動。

5振動危害控制技術(shù)措施

5.1爆破振動危害的控制

通過合理設(shè)計切口爆破參數(shù)，密集布孔，分散裝藥，設(shè)計合理的分段延時起爆時差，嚴(yán)格控制最大單響藥量，有效減小爆破產(chǎn)生的振動。

5.2樓體塌落觸地振動危害的控制

(1)布置上下爆破切口，減小塌落觸地振動。

(2)采用分區(qū)分段延時起爆，使構(gòu)件依次觸地。

(3)在倒塌方向距離樓體12m、25m處用軟土和沙包壘筑兩道長30m、高1.5m、底寬4m、頂寬1.5m的緩沖土堤，上面覆雙層密目防護網(wǎng)。

(4)在倒塌方向的地下電力通訊管線的地面鋪設(shè)了1cm厚的鋼板，上面覆蓋沙包、廢舊輪胎及橡膠皮，防止塌落沖擊損害地下管線。

(5)倒塌方向25m范圍內(nèi)鋪滿1.5m厚的廢舊輪胎，有效降低了樓房塌落觸地振動，也防止了樓體倒塌觸地時前沖及產(chǎn)生的飛石。

(6)爆破前在樓房北側(cè)5m、西側(cè)5m分別開挖了深1m、寬1.5m的減振溝，并排干減振溝內(nèi)積水，有效減小了向加油站及煤氣管傳播的地震波強度。

5.3其他防護措施

(1)爆破前清空所有儲油罐內(nèi)燃油，排出油氣，防止爆破導(dǎo)致油罐爆炸。

(2)爆破前對地下燃?xì)夤艿肋M行了斷氣操作，并做好應(yīng)急措施。

(3)采用捆扎草袋、草簾、竹籬笆和跳板對爆破裝藥部位進行了多層嚴(yán)密防護，并在北樓外側(cè)掛雙層密目防護網(wǎng)防護。

(4)在加油站儲油罐與待爆樓房之間用沙袋布置高1.5m、頂寬1.0m、底寬3m的緩沖擋墻，預(yù)防北樓向東倒塌后出現(xiàn)滾石或飛石危及油罐。

(5)在儲油罐上方搭設(shè)鋼管架，鋪雙層竹籬笆，防止飛石垂直落下?lián)p壞油罐。在加油站的加油機南側(cè)搭設(shè)高度超過加油機的排架防止飛石破壞。

6爆破效果

北樓爆破后，樓房按預(yù)定的正東方向折疊倒塌，沒有后坐現(xiàn)象，爆堆最遠(yuǎn)水平距離約15m，高度約9m，飛石控制在拆除樓房內(nèi)，最大距離5m，附近加油站、民房、地下管線及周圍其他設(shè)施均未受影響。

爆破期間，在爆破樓體周圍布置了6個測振點，各個測點與爆破點最近距離10m，其中靠近明輝樓設(shè)置了速報儀，測得最大振動速度為0.75cm/s，其它5個監(jiān)測點均小于此值。

爆破結(jié)果表明，采取的安全技術(shù)措施是有效的，特別是減小爆破振動、塌落振動的技術(shù)措施起到了明顯的安全防護效果，有效地防止了對周圍環(huán)境設(shè)施造成損害。

7結(jié) 語

(1)針對復(fù)雜環(huán)境下高層建筑物拆除爆破，采取折疊爆破、合理的切口參數(shù)、適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)延時起爆時差，有效減小了爆破振動和塌落振動，保護了近距離民居、加油站設(shè)施、天然氣管道及電力通訊設(shè)施的安全。

(2)在倒塌方向采用軟土和沙包壘筑多道緩沖土堤、鋪設(shè)廢舊輪胎等防護措施，對樓體塌落觸地振動起到了明顯的減振效果。

(3)在爆破地震波到保護物之間布置防振溝具有明顯的減振效果。

(4)綜合減振技術(shù)措施的實施，很大程度降低了建筑物的塌落觸地振動。

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Controlling of vibration damage in demolition blasting of high-rise building under complex environment

ZHANG Bei-long1, XING Guang-wu1, FEI Hong-lu2, YI Ke3, ZHONG Ming-shou4

(1.Guangdong Zhongren Group Construction Co.,Ltd., Guangzhou 510515, China;2.Institute of Engineering Blasting, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning, China;3.Henan Modern Blasting Technology Co.,Ltd., Zhengzhou 450016, China;4.College of Field Engineering , PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

ABSTRACT：To demolish 18-storey shear wall structure building safely under the complex environment, the double directional folding blasting incision combined with mechanical dismantling was used. Measures such as damping groove, anti-vibration dike, old tires and rubber skin were taken to reduce vibration. Security protection measures such as sack, straw mat, bamboo fence, dense mesh fence protection, bent and cushion retaining wall were used to prevent flying rocks and rolling stones. The good effect of demolition blasting was achieved. It could provide a reference for urban controlled blasting demolition operations and other blasting operations under complex environment.

KEY WORDS:Complex environment； High-rise building； Demolition blasting； Vibration； Vibration damage; Vibration reducing measures

文章編號：1006-7051(2016)02-0070-04

收稿日期：2016-01-20

作者簡介：張北龍(1957-)，男，高級工程師，從事爆破工程及安全技術(shù)方面的實踐及研究工作。E-mail：457941553@qq.com

中圖分類號：TD235； TU746.5

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.015