高層框-剪結(jié)構(gòu)建筑的定向爆破拆除?

姚顯春 姚 堯 張 偉 姚 均 謝海香

①西安理工大學(xué)巖土工程研究所(陜西西安，710048)②陜西四方平安爆破工程有限公司(陜西寶雞，721000)

引言

建筑爆破的預(yù)拆除又稱預(yù)處理，是保證爆破安全與被拆建(構(gòu))筑物順利定向倒塌的重要環(huán)節(jié)[1]。預(yù)拆除是在樓房倒塌爆破前，在保證樓房整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，預(yù)先用人工、機械或爆破的方法，拆除或削弱樓房結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件，例如門窗、非承重墻體、剪力墻、樓梯等，達(dá)到減小爆破工程量，從而減少鉆孔、減小藥量、簡化起爆網(wǎng)路的目的，并可降低爆破振動和有利于結(jié)構(gòu)物順利定向倒塌。在框-剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻具有承力作用。工程中，對剪力墻均“拆墻留角”，即將不含拐角暗柱部位的墻面預(yù)拆除掉，將留下的剪力墻角柱連有部分剪力墻墻體隨同樓體一起爆破。工程實踐表明[2-9]，合理選擇預(yù)拆除方案，既減小了爆破作業(yè)工作量，降低了炸藥用量，也可減小爆破作業(yè)帶來的有害效應(yīng)，達(dá)到了良好的爆破效果。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

擬拆除的大樓位于市區(qū)，緊鄰經(jīng)二路、紅旗路及一號大院。周圍主要建筑為：東側(cè)44 m處一幢18層框架結(jié)構(gòu)樓房，60 m處為紅旗路；西側(cè)12 m處一挖深14 m的基坑；西南67 m處一幢32層框架結(jié)構(gòu)樓房；南側(cè)4 m處一號大院住宅區(qū)地下車庫，52 m處一幢32層框架結(jié)構(gòu)樓房；北側(cè)64 m處為經(jīng)二路。此外，待拆除辦公樓東側(cè)、南側(cè)、北側(cè)地下均布置有城市供水、排水、通訊、電纜、天然氣等多條市政管道。周邊具體情況如圖1。

1.2 大樓結(jié)構(gòu)

該樓為框架-剪力結(jié)構(gòu)，共13層，其中，地下1層，地上12層。地上、地下總高度59 m，大樓南北結(jié)構(gòu)對稱，平面布置呈矩形，東西長度56.70 m，南北寬度為17.22 m。地上部分總建筑面積11 000 m2。柱墻混凝土標(biāo)號高，布筋密集，箍筋拉筋布置多，因此結(jié)構(gòu)強度高。

立柱尺寸有：0.50 m×0.50 m、0.65 m×0.65 m、0.50 m ×0.70 m、0.50 m ×0.90 m 方形立柱，直徑0.8 m圓形立柱，直徑0.6 m圓形立柱。樓房結(jié)構(gòu)詳見平面圖2。

2 爆破方案設(shè)計

2.1 拆除方案選擇

大樓拆除爆破倒塌方式主要有原地坍塌、單側(cè)定向倒塌、折疊倒塌[10]3種?？紤]到本大樓北側(cè)有較寬闊的場地，故決定采用爆破開出1個切口的單側(cè)定向倒塌方案設(shè)計，倒塌方向為正北。但須嚴(yán)格控制爆破飛石對一號大院高層住宅樓及經(jīng)二路沿街建筑的影響。

大樓正北方向的磚圍墻，距離大樓B軸62.4 m，圍墻北側(cè)(臨經(jīng)二路一側(cè))2 m有2臺變壓器柜，不容損壞。圍墻距離62.4 m與樓體高度44.0 m(樓頂8.4 m高的鋼筋混凝土屋檐已預(yù)拆除掉)之比為1.42，已大于1.2倍的要求值，所以樓體倒塌不會損壞北側(cè)圍墻。

圖1 周圍環(huán)境圖(單位：m)Fig.1 Schematic diagram of surrounding environment

2.2 爆破切口設(shè)計

選擇在樓體下部開1個爆破切口。國內(nèi)有研究認(rèn)為[10-11]，在爆破形成切口后，樓體重力作用線應(yīng)移至切口邊沿之外(圖3)。以切口爆破后，樓體重心能移至切口邊沿以外，作為切口高度選定的條件，仍有參考價值。如圖3所示，樓房底寬為B，重心高度為hc，經(jīng)過推導(dǎo)，得出樓房重心移至切口邊線的臨界角θlj與hc/B的關(guān)系式為

圖2 樓房結(jié)構(gòu)平面圖(2、3層)(單位：mm)Fig.2 Floor plan of the building structure(2，3 floors)

圖3 爆破切口角度Fig.3 Angle of the blasting cut

圖4 樓房爆破切口位置分布(單位：m)Fig.4 Location map of building blasting cut(unit：m)

現(xiàn)B=14.2 m，hc=22 m，代入式(1)，經(jīng)過試算，得出倒塌時切口臨界角θlj=20.1°，其相應(yīng)的臨界切口高度為5.2 m。

參照國內(nèi)工程經(jīng)驗，并結(jié)合本工程情況[12-17]，切口選在1～3樓，高度為4.8＋4.8＋3.4=13.0 m，相應(yīng)的切口角為42.5°，可保證樓體順利傾倒。切口形狀選用梯形(圖4)，只爆破切口范圍內(nèi)的前3排(B、C、D軸)立柱及橫梁端點。立柱炸高即立柱上最低孔至最高孔的軸心距離，見表1。

表1 立柱炸高Tab.1 Blasting height of columns m

2.3 預(yù)拆除

本大樓A軸為8根直徑0.8 m或0.6 m的鋼筋混凝土圓形立柱。此柱不承擔(dān)大樓樓體載荷，只用橫梁(南北向)與B軸立柱相連接，增強大樓南北橫向水平方向的承載能力。將此8根圓形柱用液壓破碎錘預(yù)拆除掉，切除鋼筋。圓柱與B軸立柱之間的橫梁，在保證橫梁不塌落掉塊的原則下，可不拆除切口范圍內(nèi)的非承重磚墻，與大樓倒塌方向一致的南北向墻體，均于爆前全部預(yù)拆除掉；但大樓東西兩側(cè)山墻，其中，B軸與C軸間的剪力墻除預(yù)留角柱和預(yù)留1.0 m長的墻體外，其余均要預(yù)拆除掉；C軸、D軸、E軸間的磚墻，為防飛石，只拆掉頂部0.5 m高度，其余保留不拆。

與倒塌方向垂直的墻體，除南側(cè)外墻保留不動外，只在每面墻上鑿開一道寬1.5 m的縫即可，或全部拆除；D軸③～④及⑤～⑥的兩面平直剪力墻全部預(yù)拆除。拆除時，保留頂部與天花板相連的0.6 m高度的墻體不拆。電梯井剪力墻含暗角柱的拐角處，每個拐角邊保留0.8 m長度(因為角柱配筋長度為0.5 m或0.6 m)，其余拆除掉；拆除部分底部達(dá)到地板，頂部留0.6 m不拆除；將1～2樓、2～3樓、3～4樓西樓梯每段斷開兩個踏步，保留鋼筋，使其在樓房爆破倒塌時形成塑性鉸；東樓梯在預(yù)處理后期將混凝土全部砸掉，只保留鋼筋。

3 爆破參數(shù)設(shè)計

3.1 孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計

爆破一律用手風(fēng)鉆鉆孔，孔徑40 mm；炸藥品種選用2#巖石乳化炸藥，?32 mm藥卷。參照國內(nèi)工程經(jīng)驗，炸藥單耗q初選為：第1層2 200 g/m3、第2層2 000 g/m3、第3層1 800 g/m3。爆破立柱的斷面有4種尺寸：0.50 m×0.50 m、0.65 m×0.65 m、0.50 m×0.70 m、0.50 m×0.90 m。除了0.65 m×0.65 m立柱布置雙排孔外，其他均為1排孔。單排炮孔最小抵抗線W=0.25 m，孔距a=0.35 m，a/W=1.4，炮孔依次在立柱軸線左右2 cm位置布置；雙排孔W=0.25 m，a=0.35 m，排距b=0.15 m，炮孔呈三角形布置。立柱炮孔及與剪力墻面垂直的炮孔均采用密實裝藥結(jié)構(gòu)。橫梁斷面尺寸有：B′×H=0.3 m×0.6 m、0.3 m×0.4 m 2種，炸藥單耗取q=800 g/m3。梁的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)：藥包放入裝藥段底部，藥包與填塞段之間為空氣層，不填炮泥。

剪力墻爆破孔均與墻面平行，一字形布排孔，孔長比墻長短0.2 m；L形2排孔；T形3排孔，孔距a=0.25 m，孔底距交匯點5 cm。炮孔最小抵抗線W=0.125/0.15 m。炸藥單耗q=2 000 g/m3，與剪力墻面平行的炮孔為空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。

3.2 起爆網(wǎng)路設(shè)計

采用同排齊爆、排間時差的方案，爆破分為3段，采用毫秒導(dǎo)爆管雷管，總歷時0.88 s。具體為：第一響位于B軸(包含B軸上的立柱、梁)范圍內(nèi)，導(dǎo)爆管雷管采用MS1段毫秒雷管(0 ms)；第二響位于C軸，采用MS10段毫秒雷管(380 ms)；第三響位于D軸，采用MS15段毫秒雷管(880 ms)。為了避免周邊環(huán)境中的射頻電流、感應(yīng)電流、雜散電流對網(wǎng)路的干擾和影響，采用導(dǎo)爆管與四通環(huán)形復(fù)式交叉網(wǎng)路，見圖5。圖5中，爆孔含立柱、梁、剪力墻中的炮孔。A為從炮孔引出的導(dǎo)爆管，不超過25根，爆聯(lián)；B為2發(fā)MS1段毫秒導(dǎo)爆管雷管捆聯(lián)；C為四通連接件；D為導(dǎo)爆管環(huán)形線路；E為第1層和第2層間的導(dǎo)爆管連接線路；F為第2層與第3層間的導(dǎo)爆管連接線路；G為瞬發(fā)電雷管2發(fā)并聯(lián)。

圖5 導(dǎo)爆管與四通環(huán)形復(fù)式交叉網(wǎng)路Fig.5 Ring compound cross network of detonators and four way pipes

4 安全防護措施

拆除爆破所產(chǎn)生的有害效應(yīng)主要有振動、飛散物(簡稱飛石)、飛濺物、噪聲、粉塵、空氣沖氣波及有害氣體等。

4.1 飛石防護

對于飛石采用以下措施：覆蓋防護、近體防護和保護性防護。在以往的樓房爆破拆除施工中，只對立柱進行防護，考慮該大樓配筋率高，混凝土強度大，使用了較大的爆破單耗，為了減小飛石危害，不僅對立柱、剪力墻進行了防護，也對爆破切口范圍內(nèi)的外墻進行了防護。從爆破后的效果看，此防護設(shè)計有效地阻隔了爆破飛石。

為了防止飛濺物，對大樓內(nèi)的預(yù)拆除垃圾全部清理出樓，飛濺物隱患大大降低。

4.2 粉塵

爆破粉塵主要來源于幾個方面：大樓各個角落原有的灰塵；預(yù)拆除時留下的碎渣；爆破時炸毀的墻柱粉末及樓體塌落地?fù)P起的地面粉塵。在建筑物倒塌時所引起的壓縮空氣的作用下，上述3種類型的粉塵迅速噴向大氣，造成粉塵污染。對于粉塵采取了清除塵源、爆炸水霧降塵和其他降塵措施，對粉塵危害進行了嚴(yán)格控制。預(yù)先采用清掃及灑水濕化的方式，對大樓內(nèi)外的粉塵源進行了處理，同時在倒塌方向的地面、土堤進行了澆水處理；爆破時大樓東側(cè)安排了2輛消防車、大樓西側(cè)安排了2套消防水槍進行噴灑降塵；爆破后及時清掃，減小爆破粉塵對環(huán)境及周邊居民生產(chǎn)、生活的影響。

4.3 振動

高大建筑物在爆破拆除過程中，會引起3方面的地面質(zhì)點振動：一是炸藥在爆炸時引起的振動(爆破振動)；二是建筑物在傾倒起始時后坐引起的振動(后坐振動)；三是建筑物倒塌落地時引起的振動(塌落振動)。大量的工程實踐表明，上述3種振動中，塌落振動引起的地面質(zhì)點振動速度最大；其次是爆破振動；后坐振動最小(或無)，只在特殊情況下考慮。為此，只考慮爆破振動與塌落振動[12]。

對于城市建筑物拆除爆破，質(zhì)點振動速度采用修正的薩道夫斯基公式：

計算如表2。

表2 不同建筑物的爆破振動速度Tab.2 Blasting vibration velocity of different buildings

對于爆破振動，通過計算得出樓房爆破引起周圍建筑物的振速均遠(yuǎn)小于《爆破安全規(guī)程》[18]和《中國地震烈度表》所規(guī)定的安全允許振速，所以建筑物是安全的。對于大樓南側(cè)地下車庫，為了保證不對地下車庫造成爆破振動和塌落振動的影響，在樓房塌落范圍內(nèi)鋪設(shè)虛土墊層(厚度大于1.0 m)和減振堤。

當(dāng)前，國內(nèi)外對于建筑物倒塌落地振動尚無一個完整而準(zhǔn)確的理論計算公式，多為一些經(jīng)驗公式。主要有中科院力學(xué)所公式、中科院工程力學(xué)研究所公式、解放軍理工大學(xué)公式：

對于塌落振動，計算出距倒塌中心(在大樓南北向的軸線上，距離樓體北邊沿24 m)不同距離處的塌落振動速度如表3。

表3 不同建筑物的塌落振動速度Tab.3 Collapse vibration velocity of different buildings

實測距離倒塌樓房15 m處地下車庫區(qū)域爆破振動速度小于2 cm/s，達(dá)到預(yù)期效果，其余測點均小于1 cm/s。振速均遠(yuǎn)小于《爆破安全規(guī)程》和《中國地震烈度表》所規(guī)定的安全允許振速。

5 爆破效果及結(jié)論

大樓倒塌后，從B軸到爆堆頂端測量倒塌長度35 m，寬度65 m，爆堆高度12 m，爆堆集中，結(jié)構(gòu)解體比較充分；爆堆頂端結(jié)構(gòu)未有脫離主爆堆向前撲的現(xiàn)象；爆破飛濺物控制在警戒區(qū)域內(nèi)；實測距離倒塌樓房15 m處地下車庫區(qū)域爆破振動速度小于2 cm/s，達(dá)到預(yù)期效果。

1)由于多因素相互制約，復(fù)雜環(huán)境下的大樓拆除爆破是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅在于爆破方案與參數(shù)的有效，還需要與之相互協(xié)調(diào)的防護方案，確保在安全的前提下，實現(xiàn)爆破拆除。

2)采用預(yù)拆除處理，有效地降低了爆破作業(yè)的鉆孔、裝藥、防護等工作量，同時也降低了炸藥量的消耗，降低了對鄰近建筑物爆破振動的影響。

3)采用導(dǎo)爆管與四通環(huán)形復(fù)式交叉網(wǎng)路，有效提高了網(wǎng)路的準(zhǔn)爆性，保證了拆除爆破的可靠性。

4)采用精細(xì)化施工，設(shè)計施工不僅對立柱、剪力墻進行了防護，也對爆破切口范圍內(nèi)的外墻進行了防護，有效地阻隔了爆破飛石。