復(fù)雜環(huán)境下非對(duì)稱框剪結(jié)構(gòu)交聯(lián)立塔定向爆破技術(shù)

高帥杰，趙玉龍，張紀(jì)云，王 曉，李龍飛，張英才

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

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

鄭州電纜廠交聯(lián)立塔位于河南省鄭州市中原區(qū)，其南側(cè)95m處為一高層居民小區(qū)，北側(cè)7m處為穎河路，路邊有市政管路和電纜，東側(cè)130m為某小區(qū)售樓部，西側(cè)9m處為一施工工地的深基坑，東南方向?yàn)榭盏?，環(huán)境復(fù)雜。詳見(jiàn)圖1。

圖1 交聯(lián)立塔周圍環(huán)境圖

1.2 交聯(lián)立塔結(jié)構(gòu)

交聯(lián)立塔是一座剪力墻結(jié)構(gòu)。該立塔主體結(jié)構(gòu)共14層，層高6m，總高度85.4m，總建筑面積約為4000m2。

交聯(lián)立塔俯視圖呈正方形，東西長(zhǎng)16.15m，南北寬15.2m。西側(cè)部分有2個(gè)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(jié)構(gòu)，尺寸約為12m×12m，剪力墻壁厚300mm。南側(cè)為交聯(lián)立塔梯間和辦公室，由8根500mm×500mm的柱子承重。詳見(jiàn)圖2。

圖2 交聯(lián)立塔結(jié)構(gòu)平面圖

2 爆破方案選擇

框剪結(jié)構(gòu)建（構(gòu)）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(dāng)被拆除的建筑物周圍某一個(gè)方向有較廣闊的空?qǐng)鰰r(shí)，任何類型的磚結(jié)構(gòu)樓房和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)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(cè)的承重墻和承重柱上，這一側(cè)承重墻和承重柱的底部作為傾倒的支點(diǎn)，樓房在重力產(chǎn)生的傾覆力矩M作用下，按預(yù)定的方向傾倒，解體。

定向倒塌方案要求倒塌方向的場(chǎng)地的水平距離（建筑物邊緣至場(chǎng)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(cè)不小于最小破壞高度，然后依次減小，形成一個(gè)三角形的切口狀。

定向倒塌方案的優(yōu)點(diǎn)是鉆眼工作量較小，倒塌徹底，拆除效率高，場(chǎng)地允許時(shí)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(kāi)始爆破足夠的高度，立柱頂部與梁的結(jié)合點(diǎn)同時(shí)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(yōu)點(diǎn)是拆除效率高，坍塌范圍小，鉆爆工作量小，設(shè)計(jì)施工比較簡(jiǎn)單。

2.3 折疊倒塌

（1）單向折疊。當(dāng)被拆建筑物四周場(chǎng)地狹窄，但某一方向的場(chǎng)地稍為開(kāi)闊時(shí)，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?；竟に囀亲陨隙轮饘颖埔粋€(gè)切口，迫使每一層結(jié)構(gòu)在力矩M1、M2、…、Mn的作用下朝著一個(gè)方向連續(xù)折疊坍塌。這種方案要求每一層都要布置炮孔進(jìn)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(chǎng)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(jié)構(gòu)不小于高度的1/2，磚結(jié)構(gòu)不小于高度的2/3）。

這種方案的特點(diǎn)是坍塌破壞較為充分，倒塌距離相對(duì)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(gè)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(diǎn)是坍塌效果好，坍塌范圍小，鉆爆工作量大。

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

此方案的特點(diǎn)是要求的場(chǎng)地小，又可拆除較高層的建筑物，對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，拆除比較徹底，缺點(diǎn)是施工工藝復(fù)雜。

通過(guò)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(shè)計(jì)

3.1 傾倒中心線確定

由交聯(lián)立塔周圍環(huán)境知，立塔最大的傾倒方向?yàn)闁|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(shè)計(jì)

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(jīng)計(jì)算可知，缺口高度取值范圍為7.35m≤h≤21.35m，根據(jù)交聯(lián)立塔實(shí)際情況將缺口高度設(shè)計(jì)為4層（1～4層），即實(shí)取缺口高度23m。

3.3 支承體截面尺寸設(shè)計(jì)

由于交聯(lián)立塔第一層與其他樓層結(jié)構(gòu)不同，加上每層缺口大小也不同，將支承體截面設(shè)計(jì)分為第一層設(shè)計(jì)，第二、三層設(shè)計(jì)和第四層設(shè)計(jì)3部分。

根據(jù)支承體形心坐標(biāo)位于設(shè)計(jì)傾倒中心線的反方向上時(shí)，建筑物才可按設(shè)計(jì)傾倒中心線方向倒塌的原理，設(shè)計(jì)支承體的尺寸，計(jì)算支承體截面位置及其形心坐標(biāo)。

①建立交聯(lián)立塔支承體截面的坐標(biāo)系，如圖3所示。

②確定傾倒中心線方程。根據(jù)公式（2）計(jì)算形心坐標(biāo)。

式中：X′、Y′——形心坐標(biāo)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)；

x1,…,xn——支承體各塊段形心橫坐標(biāo)；

y1,…,yn——支承體各塊段形心縱坐標(biāo)；

s1,…,sn——支承體各塊段面積。

根據(jù)公式（2）計(jì)算出第一層形心坐標(biāo)和支承體形心坐標(biāo)為(7.28,7.85)、(2.52,10.89)；第二、三層形心坐標(biāo)和支承體形心坐標(biāo)均為(7.11,7.64)、(2.45,10.66)；第四層形心坐標(biāo)和支承體形心坐標(biāo)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(zhuǎn)軸間的夾角接近90°，滿足支承體形心坐標(biāo)位于傾倒中心線反方向上的要求。

圖3 爆破缺口設(shè)計(jì)示意圖

4 爆破缺口設(shè)計(jì)

本次拆除工程中的承重構(gòu)件主要有剪力墻和立柱2種類型，爆破時(shí)只對(duì)立柱和剪力墻進(jìn)行破壞，因此本設(shè)計(jì)中只對(duì)爆破切口內(nèi)的立柱和剪力墻的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)預(yù)處理后剪力墻形成若干個(gè)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(shù)設(shè)計(jì)

該聯(lián)立塔承重立柱的截面尺寸為500mm×500mm。見(jiàn)圖4。

（1）布孔形式：?jiǎn)闻挪伎住?/p>

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(duì)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(shí)取300mm。

（4）鉆孔深度（L）：藥孔深度的確定以保證裝藥能將構(gòu)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(shí)取350mm。

（5）單孔藥量（Q）：根據(jù)體積原理，對(duì)單孔裝藥量按下式確定：

式中：v——每個(gè)炮孔所承擔(dān)的體積，m3；

Q——炸藥單耗，取1800g/m3。

計(jì)算得Q=135g，實(shí)取130g。

4.2 剪力墻（300mm）爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

此交聯(lián)立塔的剪力墻厚度均為300mm。見(jiàn)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(jù)經(jīng)驗(yàn)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(gòu)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(shí)取200mm。

（5）單孔藥量（Q）：根據(jù)體積原理，對(duì)單孔裝藥量按下式確定：

式中：v——每個(gè)炮孔所承擔(dān)的體積，m3；

Q——炸藥單耗，取3000g/m3。

計(jì)算得Q=67.5g，實(shí)取70g。

4.3 橫梁爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

橫梁的截面尺寸為1.3m×0.35m，橫梁長(zhǎng)12m。見(jiàn)圖6。

（1）布孔形式：?jiǎn)闻挪伎祝?/p>

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(duì)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(shí)取200mm；

（4）鉆孔深度（L）：鉆孔深度的確定以保證裝藥能將構(gòu)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(shí)取1000mm；

（5）單孔藥量（Q）：根據(jù)體積原理，對(duì)單孔裝藥量按下式確定：

式中：v——每個(gè)炮孔所承擔(dān)的體積，m3；

Q——炸藥單耗，取3000g/m3。

計(jì)算得Q=273g（實(shí)取280g）。

4.4 爆破參數(shù)匯總表（見(jiàn)表1）

表1 主要承重構(gòu)件爆破參數(shù)匯總表

5 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程的特殊環(huán)境，為了避免雜散電流、射頻電流和感應(yīng)電流以及雷電對(duì)爆破網(wǎng)路的影響，工程使用非電塑料導(dǎo)爆管起爆器材。用連接管導(dǎo)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(fù)式網(wǎng)路。同一層的爆破網(wǎng)路連接好后，層與層之間用導(dǎo)爆管上下連接成多通道閉合網(wǎng)路。最后用導(dǎo)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(diǎn)就是每個(gè)分區(qū)的起爆時(shí)間一致，各分區(qū)之間采用大間隔的方式起爆（半秒延期）。因此沿著設(shè)計(jì)倒塌的方向，一區(qū)首先起爆，以后幾個(gè)區(qū)域逐次起爆。

（2）延期時(shí)間。爆破切口共分為4個(gè)區(qū)，總延期時(shí)間設(shè)計(jì)為2s（從開(kāi)始點(diǎn)火至所有裝藥完全爆炸所需時(shí)間），各個(gè)分區(qū)延期時(shí)間分別為：一區(qū)HS1（0s）、二區(qū)HS2（0.5s）、三區(qū)HS3（1s）、四區(qū)HS5（2s）。

（3）爆破網(wǎng)絡(luò)。爆破網(wǎng)絡(luò)采用導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)延時(shí)、孔外瞬發(fā)、雷管多點(diǎn)起爆的起爆系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接采用非電導(dǎo)爆雙回路閉合環(huán)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)安全起爆聯(lián)接技術(shù)。從炮孔內(nèi)引出的導(dǎo)爆管雷管就近以10～20根為一組，綁扎2發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管，整個(gè)爆區(qū)劃分成多個(gè)分片，每個(gè)分片連成兩復(fù)式閉合環(huán)，使整個(gè)爆區(qū)形成平面縱橫交錯(cuò)、全方位立體交叉的導(dǎo)爆管復(fù)式多重閉合環(huán)網(wǎng)路；在閉合環(huán)網(wǎng)絡(luò)中留下多個(gè)末級(jí)起爆點(diǎn)，采用主干線環(huán)繞復(fù)式非電雷管起爆技術(shù)。構(gòu)成連線獨(dú)立，而傳爆相聯(lián)；傳爆路徑，路路相通，即便只有一個(gè)起爆點(diǎn)、一根傳爆導(dǎo)爆管有效就會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠起爆。

6 安全設(shè)計(jì)

爆破振動(dòng)安全允許距離計(jì)算公式：

式中：R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；

Q——炸藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量；

V——保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；

K、α——與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。本次驗(yàn)算時(shí)取K=200，α=1.65。

（3）爆破振動(dòng)安全允許距離。由設(shè)計(jì)可知單段最大起爆藥量位于第四區(qū)段，起爆藥量為112kg，因此針對(duì)一般民用建筑物，安全允許振動(dòng)速度取2.5cm/s，代入上式可得，針對(duì)一般民用建筑物安全距離為68m。通過(guò)在爆破區(qū)周圍開(kāi)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(jì)算，由此可知待拆除聯(lián)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(dá)到23m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)公式，爆破瞬間重心高度為42.7m，觸地質(zhì)量取1800t。

根據(jù)全國(guó)工程爆破人員組織統(tǒng)一培訓(xùn)教材《工程爆破理論與技術(shù)》中拆除爆破推薦塌落振動(dòng)速度用公式（4）計(jì)算。

式中：Vt——塌落引起的地面振動(dòng)速度，cm/s；

M——下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；

g——重力加速度，m/s2；

H——塌落的高度，m；

σ——地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，一般取10MPa；

R——保護(hù)建筑至沖擊地面中心的距離，m；

k、β——塌落振動(dòng)速度衰減系數(shù)和指數(shù)，一般k=3.37～4.09，β=1.66～1.80；

k′——聯(lián)立塔分段下落，單體質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比，k′=1/10。

爆破時(shí)，需采取相應(yīng)減振措施（鋪設(shè)緩沖墊層），實(shí)際觸地振動(dòng)會(huì)衰減到計(jì)算值的70%。計(jì)算可知觸地振動(dòng)的安全距離為26m，距觸地中心點(diǎn)26m范圍內(nèi)沒(méi)有建筑物，觸地振動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生破壞。

7 爆破效果

起爆后，樓房按設(shè)計(jì)的東南方向傾倒，塌落姿態(tài)平穩(wěn)，振動(dòng)微弱，沒(méi)有碎塊飛出，周圍建筑物無(wú)損壞，爆堆高5m多，長(zhǎng)60m左右，寬近16m。從爆堆及立柱斷口觀察發(fā)現(xiàn)，東北側(cè)立柱鋼筋全部折斷，整體沒(méi)有前沖。取得了良好的爆破效果。

8 結(jié)論

（1）在城市鬧市區(qū)的復(fù)雜環(huán)境下，采用不對(duì)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(lián)立塔按照設(shè)計(jì)的傾倒方向倒塌，傾倒距離短，倒塌范圍小，對(duì)傾倒方向附近的建筑物能進(jìn)行有效的保護(hù)。

（3）半秒延時(shí)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(dòng)速度實(shí)測(cè)值比理論計(jì)算值小。