城市高層樓房拆除爆破危害防控技術(shù)

李建華 曾慶國(guó) 樊保龍 張 威

(北方爆破科技有限公司)

在人口稠密的市區(qū)或各種建筑設(shè)施密布的廠礦區(qū)內(nèi)，采用爆破技術(shù)拆除各種廢棄的工業(yè)與民用建筑物(樓房、廠房等)，是一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效的方法，與人工拆除和機(jī)械拆除方法相比，有著明顯的優(yōu)越性[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)家城鎮(zhèn)一體化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的高層樓房在城市中拔地而起，與此同時(shí)，一些與整體布局和規(guī)劃不符的高層建筑面臨著拆除的命運(yùn)，對(duì)于高度不大的建筑物可選擇人工或機(jī)械拆除，但對(duì)于一些環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的高層和超高層建筑的拆除，選用機(jī)械拆除的方式具有一定的危險(xiǎn)性，而采用爆破拆除的方式可瞬間使高層建筑失去支撐，在重力矩的作用下幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)定向倒塌。為實(shí)現(xiàn)安全高效的爆破，必須對(duì)各種危害類型進(jìn)行有針對(duì)性防控，達(dá)到降低甚至消除爆破危害的目的。

1 城市樓房拆除爆破概述

城市樓房的拆除爆破是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要將工程概況、城市環(huán)境交通、天氣氣候、爆破時(shí)間、爆破器材、爆破設(shè)計(jì)方案、施工預(yù)處理等項(xiàng)目進(jìn)行充分論證和考量，以最大限度提高拆除爆破的可靠性，降低爆破危害發(fā)生的幾率和效應(yīng)。城市中人口眾多、交通繁忙、建筑林立、各種管線密布，爆破環(huán)境異常復(fù)雜，因此，城市拆除爆破中，爆破安全已成為拆除爆破的首要問(wèn)題。特別是在目前城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市防災(zāi)減災(zāi)以及對(duì)環(huán)境保護(hù)新要求的形勢(shì)下，加強(qiáng)城市拆除爆破中公害的研究及防護(hù)顯得尤為重要[2]。樓房類建筑物拆除爆破的基本原理是利用炸藥爆炸的能量來(lái)破壞建筑物的局部承重結(jié)構(gòu)，使之失去承載能力，在重力矩的作用下，建筑物整體失穩(wěn)，傾倒坍塌，落地撞擊使建筑物解體破碎。依樓房倒塌方式不同，一般可分為定向倒塌、原地坍塌和折疊倒塌3種。樓房拆除爆破切口類型有三角形切口和梯形切口2種，見(jiàn)圖1。

圖1 樓房拆除爆破切口類型

2 城市樓房拆除爆破的危害類型

樓房拆除爆破產(chǎn)生的危害主要有振動(dòng)、空氣沖擊波、飛散物、爆破噪聲和粉塵等。樓房拆除爆破振動(dòng)主要指樓房倒塌過(guò)程中的觸地振動(dòng)，其遠(yuǎn)大于炸藥爆炸產(chǎn)生的爆破振動(dòng)；空氣沖擊波產(chǎn)生于炸藥爆炸過(guò)程中；爆破飛散物的產(chǎn)生有炸藥爆破產(chǎn)生的飛石和樓房觸地解體產(chǎn)生的飛石和飛散物；爆破噪聲和粉塵主要來(lái)源于炸藥爆炸和樓房觸地解體。在拆除爆破設(shè)計(jì)施工階段需對(duì)各類危害進(jìn)行研判，并制定相應(yīng)的爆破設(shè)計(jì)方案與控制措施，以減弱和降低爆破危害。

3 城市樓房拆除爆破危害防治

3.1 爆破振動(dòng)防治

國(guó)內(nèi)外高聳構(gòu)筑物拆除爆破研究表明，建筑物倒塌觸地振速高、頻率低，其振動(dòng)頻率接近建筑物的自振頻率(3～10 Hz)，且作用時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)周圍被保護(hù)建筑物危害較大[3]。在拆除爆破中建筑物倒塌觸地沖擊引起的振動(dòng)遠(yuǎn)大于炸藥爆破引起的爆破振動(dòng)，因此，爆破工程設(shè)計(jì)施工中，除對(duì)炸藥爆破進(jìn)行有效控制和必要防護(hù)外，更應(yīng)將樓房等高聳構(gòu)筑物的觸地沖擊及由此引發(fā)的振動(dòng)進(jìn)行控制。

3.1.1 炸藥爆破振動(dòng)

根據(jù)控制單響最大段裝藥量，可達(dá)到減小爆破振動(dòng)危害的目的。在實(shí)際的施工操作中，與樓房的觸地振動(dòng)相比較，炸藥爆破引發(fā)的爆破振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境及建筑物的影響微乎其微，如遇特殊情況，常根據(jù)薩道夫斯基公式對(duì)單響藥量進(jìn)行校核。

3.1.2 樓房觸地振動(dòng)

高層樓房的拆除爆破中應(yīng)盡量防止構(gòu)件同時(shí)觸地，即采用分段分區(qū)使構(gòu)建依次觸地來(lái)控制塌落振動(dòng)[4]。觸地振動(dòng)計(jì)算公式為[5]：

v=0.08(I1/3/R)1.67，

(1)

式中，v為塌落引起的地表振速，m；I為構(gòu)件觸地沖量，I=m(2gh)0.5，m為塌落質(zhì)量，m，h為建筑物重心到地面的距離，m，g為重力加速度，m/s2；R為被保護(hù)體至沖擊點(diǎn)距離，m。

根據(jù)觸地振動(dòng)公式及工程實(shí)測(cè)，距離相同時(shí)，高層建筑物觸地振動(dòng)正前方振速大于側(cè)方及后方振速。為降低樓房的觸地振動(dòng)，在倒塌條件允許的前提下也可將單次振動(dòng)變?yōu)槎啻斡|地振動(dòng)，將單個(gè)爆破切口變?yōu)槎鄠€(gè)切口，如圖2所示的同向雙切口、雙向雙切口拆除爆破可使樓房的倒塌從單次觸地沖擊變?yōu)槎啻螞_擊，樓房解體后分散落地，減小了沖擊的能量，從而降低了爆破振動(dòng)。如2011年大連開(kāi)發(fā)區(qū)金馬大廈的雙向折疊爆破，實(shí)現(xiàn)了單體樓房空中的解體觸地，有效降低了爆破觸地振動(dòng)。

為降低樓房觸地振動(dòng)，在樓房觸地倒塌范圍內(nèi)用土、沙、爐渣等布置多條防護(hù)堤壩，可使樓房觸地得到一定程度緩沖，從而降低了爆破振動(dòng)。同時(shí)，為降低被保護(hù)體處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，在靠近被保護(hù)體處與爆源之間開(kāi)挖寬度和深度為1.5～2 m的減震此外對(duì)于單體高層構(gòu)筑物的拆除爆破，為降低爆破觸地振動(dòng)，還可以采用預(yù)切割處理方案，對(duì)單體高層構(gòu)筑物進(jìn)行縱向切割，分為2個(gè)或多個(gè)部分向不同的方向或?qū)嵤┎煌谋品桨高M(jìn)行拆除爆破；同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的毫秒、秒差起爆及原地剪切爆破和定向倒塌爆破相結(jié)合的技術(shù)來(lái)降低爆破觸地振動(dòng)。如2017年10月山西江陽(yáng)工程爆破有限公司對(duì)太原市一19層高樓實(shí)施拆除爆破，該建筑高55.8 m，面積為1萬(wàn)多m2，采用定向斜角微差技術(shù)，即排間微差、排內(nèi)逐柱微差的復(fù)式爆破網(wǎng)路施工技術(shù)，使爆破缺口內(nèi)立柱爆破有部分的時(shí)間差，延長(zhǎng)立柱對(duì)樓體支撐緩沖的作用時(shí)間，降低觸地振動(dòng)。

圖2 樓房拆除爆破振動(dòng)防治示意

溝，也可以起到有效的降振作用。大量工程實(shí)例表明，減震溝的減震效果明顯，可達(dá)30%以上[3]。樓房拆除爆破堤壩及減震溝防護(hù)示意見(jiàn)圖3。

圖3 樓房拆除爆破堤壩及減震溝防護(hù)示意

3.2 爆破沖擊波防治

樓房拆除爆破中，爆破沖擊波主要是爆破切口的爆破作用產(chǎn)生，對(duì)于爆破沖擊波的防護(hù)，在工程實(shí)例中除采用毫秒延期爆破技術(shù)控制單次起爆藥量和精心施工外，還在爆破切口進(jìn)行有效覆蓋。經(jīng)計(jì)算校核，有必要時(shí)用竹竿、草簾、荊笆等設(shè)置防護(hù)排架，具有反射、導(dǎo)向和緩沖的作用，一般單排就可以降低爆破沖擊波強(qiáng)度的30%～50%[6]。對(duì)于被保護(hù)體而言，在工程施工中也可采用保護(hù)性防護(hù)的方式或打開(kāi)建筑物門(mén)窗等以降低爆破沖擊波的危害。城市樓房的拆除爆破除采取以上措施外，還應(yīng)關(guān)注氣候和天氣特點(diǎn)，同時(shí)避免在清晨、傍晚、陰雨天氣實(shí)施拆除爆破作業(yè)，以減弱空氣沖擊波的傳播，降低爆破沖擊波危害。

3.3 爆破飛散物防治

樓房拆除爆破中產(chǎn)生的飛散物主要有3種：第一種是爆破切口處炸藥爆破產(chǎn)生的飛石，第二種是樓房倒塌過(guò)程中樓體擠壓變形碰撞產(chǎn)生的飛散物，第三種是樓體在觸地解體過(guò)程中由于沖擊能量大，地面附近及樓體坍塌體在觸地沖擊中產(chǎn)生的細(xì)小塊體飛散物。在高聳構(gòu)筑物拆除爆破飛石校核中，常采用硐室爆破飛石拋擲距離經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算拆除爆破飛石距離。

Rf=20n2WKf,

(2)

式中,Rf為飛石的飛散距離，m；n為爆破作用指數(shù)；W為裝藥最小抵抗線，m；Kf為與施工作業(yè)條件有關(guān)的系數(shù)，如地形、風(fēng)向、填塞等，一般取值1.5～2。

由于城市樓房周邊環(huán)境復(fù)雜，需對(duì)飛石等分散物進(jìn)行有效控制。多個(gè)高聳構(gòu)筑物拆除爆破工程實(shí)例表明，無(wú)覆蓋防護(hù)時(shí)，拆除爆破飛石的實(shí)測(cè)值為50～70 m[7]。

爆破飛石的危害防護(hù)主要有覆蓋防護(hù)、近體防護(hù)和保護(hù)性防護(hù)3種類型，見(jiàn)圖4。具體為對(duì)爆破切口覆蓋防護(hù)，對(duì)樓體內(nèi)部非承重墻體、門(mén)窗玻璃等預(yù)先拆除，在樓體倒塌范圍外用腳手架設(shè)置防護(hù)排架，以及為被保護(hù)體設(shè)置近體防護(hù)。常在爆破部位交錯(cuò)覆蓋草墊及3～4層高強(qiáng)度尼龍安全網(wǎng)，以降低飛散物產(chǎn)生的幾率。

圖4 樓房拆除爆破防護(hù)

城市高層樓房的拆除爆破中，進(jìn)行墻體及其他結(jié)構(gòu)的預(yù)拆除時(shí)，應(yīng)事先分析結(jié)構(gòu)受力狀況，確保預(yù)拆除后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。預(yù)拆除包括樓梯間的預(yù)拆除、爆破層部分非承重墻體拆除。多個(gè)樓房拆除爆破的工程實(shí)例表明，爆破前的預(yù)處理(特別是對(duì)樓梯間、電梯間的充分預(yù)處理)對(duì)爆堆的充分解體起到了重要的作用[8]。采用人工拆除樓房爆破切口內(nèi)的非承重砌筑磚墻，以保證在爆破切口內(nèi)支撐墻體及柱梁倒塌過(guò)程中，其非承重墻體不形成支撐作用而影響樓體倒塌。對(duì)于爆破切口內(nèi)連接樓梯，應(yīng)采用機(jī)械拆除或爆破方式進(jìn)行預(yù)處理，在炸藥爆炸能量的作用下使混凝土從鋼筋網(wǎng)中脫出；對(duì)于非爆破切口內(nèi)的各樓層樓體，亦可采用人工或爆破拆除的方式使部分混凝土脫籠，并保留鋼筋，使各層樓梯通過(guò)鋼筋與樓體連接。樓房?jī)?nèi)外部預(yù)處理的項(xiàng)目，見(jiàn)表1。同時(shí)，為檢驗(yàn)爆破器材及炸藥性能，試爆工作可結(jié)合施工預(yù)處理同步進(jìn)行。

表1 樓房拆除爆破施工預(yù)處理項(xiàng)目

3.4 爆破噪聲防治

爆破噪聲主要來(lái)源于樓房爆破切口的爆破器材及炸藥的爆破，起爆雷管采用包裹草墊的方式進(jìn)行防護(hù)，避免雷管爆炸產(chǎn)生的碎片破壞起爆網(wǎng)路，同時(shí)降低雷管產(chǎn)生的噪音。爆破切口內(nèi)炮孔及炸藥防護(hù)除進(jìn)行有效填塞以防止發(fā)生躥炮和沖孔外，還應(yīng)采用覆蓋防護(hù)，以降低爆破飛石的產(chǎn)生和爆破噪聲的傳播。

3.5 爆破粉塵防治

樓房拆除爆破的粉塵來(lái)源有3類：其一為爆破切口炸藥爆破形成的粉塵；其二為樓房?jī)?nèi)約有85%的空間充滿空氣，在樓房進(jìn)行爆破倒塌過(guò)程中，空氣便受到急劇壓縮而形成壓縮噴射氣流，造成灰塵的飛揚(yáng)[9]；其三是樓房觸地沖擊造成樓體與地面粉塵的揚(yáng)起。對(duì)于第一種粉塵防護(hù)，淋濕爆破切口內(nèi)墻體，并將覆蓋防護(hù)物噴淋灑水和懸掛水袋來(lái)降低爆破物粉塵。對(duì)于第二類粉塵防護(hù)，在爆破前噴淋樓體內(nèi)外，在各樓層懸掛水袋，在樓房頂層進(jìn)行注水作業(yè)。對(duì)于第三類粉塵防護(hù)，通常采用帶水炮的灑水車或消防車對(duì)倒塌樓體及時(shí)噴水覆蓋。如2018年成都某高層樓房的拆除爆破中，為降低第三類粉塵危害，爆破作業(yè)結(jié)束后采用5臺(tái)灑水車和3臺(tái)霧炮車對(duì)爆堆及周邊進(jìn)行循環(huán)噴淋，達(dá)到了迅速降塵的目的。

4 城市樓房拆除爆破危害防控設(shè)備及材料

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、高性能爆破器材和高質(zhì)量爆破監(jiān)測(cè)設(shè)備等應(yīng)用使工程爆破更加安全可靠，以城市樓房的拆除爆破為例，相較于礦山爆破，其對(duì)爆破時(shí)間精度和爆破危害控制要求的復(fù)雜程度要高很多，設(shè)計(jì)施工精度及爆破監(jiān)測(cè)質(zhì)量的要求非常高，容不得任何微小的失誤。

4.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)樓房等爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)和預(yù)測(cè)，可通過(guò)倒塌過(guò)程中的力學(xué)效應(yīng)分析，預(yù)測(cè)樓房等構(gòu)筑物的倒塌姿態(tài)和倒塌范圍，以便于對(duì)拆除爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修正和完善，提高設(shè)計(jì)與施工的可靠性。以國(guó)內(nèi)拆除爆破為例，應(yīng)用較多的為L(zhǎng)S-DYNA軟件，該軟件可用分離式共節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)拆除爆破筒倉(cāng)、煙囪(雙向折疊)、樓房等建(構(gòu))筑物模擬，模擬結(jié)果與真實(shí)倒塌過(guò)程非常接近,并被應(yīng)用到爆破設(shè)計(jì)中[6]。

4.2 高性能爆破器材的應(yīng)用

近年來(lái),國(guó)內(nèi)爆破器材供應(yīng)商在借鑒國(guó)外先進(jìn)爆破器材生產(chǎn)工藝和技術(shù)的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)爆管雷管和數(shù)碼雷管等爆破器材國(guó)產(chǎn)化，爆破性能更優(yōu)越，使精細(xì)化的爆破成為可能。以數(shù)碼雷管為例，延期時(shí)間具有可編程性，能提供先進(jìn)而精確的起爆時(shí)間，數(shù)碼雷管誤差精度可達(dá)到0.3%以內(nèi)，雜散電流誤觸電子雷管發(fā)火程序的幾率可達(dá)1/16萬(wàn)億，滿足了更高要求工程爆破的需要。如澳大利亞Orica公司生產(chǎn)的I-kon數(shù)碼雷管延期時(shí)間精度可達(dá)0.13 ms以內(nèi)(0～1 300 ms)，延期時(shí)間可在0～1 500 ms任意選定調(diào)整，在國(guó)內(nèi)三峽圍堰拆除及一些高層建筑拆除爆破中均成功運(yùn)用[10]。

4.3 爆破監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用

在大型拆除爆破項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工中，一些爆破公司采用高速數(shù)碼相機(jī)、三向測(cè)振儀對(duì)爆破全過(guò)程和爆破振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為拆除爆破提供詳實(shí)的影像資料和振動(dòng)數(shù)據(jù)。高性能監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用對(duì)驗(yàn)證樓房拆除爆破質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)爆破過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控有重要作用。爆破監(jiān)測(cè)設(shè)備見(jiàn)圖5。

5 結(jié) 語(yǔ)

以城市高層樓房的拆除爆破危害為研究對(duì)象，論述了5種危害類型及產(chǎn)生原因，并提出了有針對(duì)性的防控技術(shù)措施，有條件的前提下，通過(guò)增加爆破切口，可將樓體單次觸地增加為分體多次觸地，有效降低高層樓房拆除爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)；采用覆蓋、近體、保護(hù)性防護(hù)等多種技術(shù)手段，可以有效防控沖擊波、飛散物、噪聲、粉塵等爆破危害；高新科技的發(fā)展和爆破器材的革新為爆破工作提供了有力的科技支撐。先進(jìn)適用的爆破安全防護(hù)技術(shù)及裝備為城市高層樓房等建筑物的拆除爆破工作提供了保障。

圖5 爆破監(jiān)測(cè)設(shè)備