超高樓群爆破振動控制技術(shù)與檢測

李 毅，騰 勇，胡坤倫，王 猛，韓體飛

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超高樓群爆破振動控制技術(shù)與檢測

李 毅1，騰 勇2，胡坤倫1，王 猛1，韓體飛1

（1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南，232001；2淮南市公安局治安管理支隊(duì)，安徽 淮南，232001）

本文以煙臺超高樓群爆破拆除工程為例，對炸藥爆炸振動和建筑物落地沖擊振動進(jìn)行理論計算分析，并運(yùn)用多種爆破振動控制技術(shù)實(shí)施拆除工程。通過爆破振動測試儀進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，驗(yàn)證振動控制技術(shù)的安全有效性，為類似的爆破振動控制提供參考。

拆除爆破；爆破振動；振動控制技術(shù)

在城市拆除爆破中，隨著建筑物的高度不斷增加，爆破環(huán)境逐漸復(fù)雜，高聳建筑物的拆除爆破所形成的爆破地震效應(yīng)危害急劇增加。由于待拆建筑物的體積及質(zhì)量大、高度高，建筑物解體塌落對地面撞擊造成的振動甚至比炸藥爆炸產(chǎn)生的振動效應(yīng)危害還要大[1]。因此，爆破振動的控制與檢測在工程爆破領(lǐng)域中十分重要。

本文以煙臺市超高樓群拆除爆破為例，并運(yùn)用不同測振儀進(jìn)行智能測振，通過對現(xiàn)場振動監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，更加深入地研究超高樓群爆破振動控制技術(shù)，為降低復(fù)雜情況下超高樓拆除爆破的振動危害尋找更有效的方法。

1 工程概況

1.1 爆區(qū)環(huán)境

需要拆除的4座樓房，最南側(cè)一座距離海濱路30m，經(jīng)調(diào)查，在道路兩側(cè)人行道及綠化帶范圍內(nèi)有地下管線、路燈等設(shè)施；東南側(cè)距離小樓120m，距離小區(qū)240m；東側(cè)距離城市展覽中心350m；西側(cè)為空地；北側(cè)為海灘，其它方向無重要的建筑物和設(shè)施。爆破區(qū)域周邊環(huán)境如圖1所示。

1.2 爆破工程概況

爆區(qū)周邊環(huán)境非常復(fù)雜，可供選擇的傾倒范圍也很有限，必須保證倒塌方向的準(zhǔn)確性，嚴(yán)格控制樓房定向倒塌范圍，確保市政管線、地下高壓線纜、濱海路及附近建構(gòu)筑物的安全。

4座樓整體為“Π”字型結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性強(qiáng)。經(jīng)計算4座樓房高寬比為1.25～2.27。4座樓房的高寬比較大，利于定向倒塌。從爆體自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及所處的環(huán)境看，確定采取定向爆破方式進(jìn)行拆除，并且倒塌方向和延期時間需要設(shè)計計算。最終確定：A1號樓倒塌方向設(shè)計為正西略偏北；A2號樓倒塌方向設(shè)計為北偏東13°；B1號樓倒塌方向設(shè)計為南偏東30°；B2號樓倒塌方向設(shè)計為南偏東12°；倒塌方向距離能夠滿足樓高要求。起爆順序?yàn)椋築2號樓房首先起爆，然后A1號起爆（非電半秒4段延時起爆），再然后A2號樓房起爆（非電半秒6段延時起爆），最后B1號樓起爆（非電半秒延時10段起爆）。

2 爆破振動控制技術(shù)

2.1 爆破振動

建筑物拆除爆破產(chǎn)生的地震波與巖土爆破的區(qū)別主要是：藥包數(shù)量一般較多，比較分散，藥量比較小，而且藥包大多在地面以上的柱體和墻中，存在多個臨空面，減少了經(jīng)地基傳播的振動能量。樓房建筑物拆除爆破振動為相應(yīng)藥量基礎(chǔ)爆破振動強(qiáng)度的1/3[2]。盡管二者產(chǎn)生爆破地震波的機(jī)制有差異，但是對于爆源附近的建筑物來說，它所受到的地震波作用都主要取決于震源的大小、距離及地震波傳播介質(zhì)的條件，而震源的大小則與一次起爆的炸藥量有關(guān)。按常用的垂直振動速度計算公式計算爆破引起的振動[3]：

式（1）中：為垂直振動速度，cm/s；、為與地形、地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，取=33.6，=1.6；＇為拆除爆破衰減系數(shù)，取0.25；為單響最大藥量，取200 kg；為測點(diǎn)到爆源的距離，取100m。按公式（1）核算其振動速度=0.09 cm/s。

GB 6722- 2014爆破安全規(guī)程[4]中對爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)為：一般民用建筑物的爆破振動安全速度為2.5～3.0 cm/s（>50 Hz）。本設(shè)計建筑物拆除爆破中爆破面積較大，炮孔非常分散，產(chǎn)生的爆破震動比集中藥包爆破產(chǎn)生的震動要小得多；此外，爆破產(chǎn)生的地震波衰減快，振動頻率比天然地震高（爆破振動頻率為50 Hz，而天然地震頻率為2～5 Hz），并且爆破振動持續(xù)的時間短。以上計算說明，按此設(shè)計對相鄰建筑是安全的。

2.2 落地沖擊振動

待爆破樓房整體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，按照最不利條件既整體倒地計算塌落振動，利用公式[5]：

式（2）中：為塌落引起的振動速度，cm/s；為下落建筑物的質(zhì)量，取26 000t（按照最大質(zhì)量計算）；為建筑物的高度，取110 m；g為重力加速度，9.8m·s-2；為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，一般取10MPa；為觀測點(diǎn)到?jīng)_擊地面中心的最近距離，取100m；k與分別為塌落振動速度衰減系數(shù)和指數(shù)，k=3.37~ 4.09，=-1.66~-1.80，取k=3.37，=-1.66。帶入有關(guān)數(shù)據(jù)計算得=0.13 cm/s。

GB 6722-2014 爆破安全規(guī)程[4]規(guī)定一般民用建筑物地面質(zhì)點(diǎn)的安全振動速度為1.5～2.0 cm/s（≤10Hz時），由計算結(jié)果可知倒塌引起的振動不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。大樓空中解體時的相互牽引作用轉(zhuǎn)化了相當(dāng)部分坍塌體勢能，大大消減了塌落沖量；另一方面坍塌大樓為薄壁剪力墻結(jié)構(gòu)，在觸地沖擊過程中不是整體剛性作用，而是邊觸地邊壓剪解體，所以其真正觸地沖量比將比上述估算值小[6]。

2.3 減振措施

為了減小對地面的撞擊作用，控制下落建筑物解體構(gòu)件的尺寸比其所在的高度更為重要。一般來講，建筑物解體、失穩(wěn)的塌落過程不是整體下落撞擊地面，而是被分成許多大小不同的塊體，依次下落相互撞擊，最終撞擊地面，上面構(gòu)件的撞擊作用往往經(jīng)過已先著地的下層構(gòu)件傳給地面。一方面，建筑物和地面在沖擊時都不能保持彈性狀態(tài)，建筑物要破碎，地面在沖擊荷載下，要產(chǎn)生一定的塑性變形；另一方面建筑物沖擊地面時，接觸地面往往既不是荷載的質(zhì)心先觸地，也不是整體同時觸地，而是部分支撐構(gòu)件爆破后，上部結(jié)構(gòu)失去平衡，在重力作用下一些構(gòu)件發(fā)生變形破壞，并開始塌落。

對多層建筑物，控制第1層解體尺寸是控制塌落振動強(qiáng)度的關(guān)鍵，依次下落的高層構(gòu)件的撞擊由于下面先塌落構(gòu)件的墊振作用，被緩沖減弱。對于高聳建筑物塌落造成的地面振動強(qiáng)度是一個必須要控制的安全設(shè)計參數(shù)，在地面預(yù)鋪松散的沙層、土埂減振物，可以有效控制高聳建筑物爆破的塌落振動[7]。

本次拆除爆破振動控制措施主要有：（1）通過起爆網(wǎng)路調(diào)整降低最大單響藥量，從而降低爆破振動。本次爆破采用了毫秒微差起爆技術(shù)，最大限度地降低了一次起爆藥量，起到降低爆破振動的作用。每棟樓之間采用長延期，避免了振動的疊加。（2）設(shè)計時主爆破缺口在底部，在樓的中部設(shè)置輔助缺口，弱化樓的整體強(qiáng)度，控制下落建筑物解體構(gòu)件的尺寸，有效地化解一次最大觸地動能，減小塌落振動。（3）在樓房倒塌方向一定范圍內(nèi)鋪設(shè)砂土堤，上覆蓋防護(hù)網(wǎng)，起到樓體倒塌觸地的緩沖作用，減小塌落振動。本工程在樓體倒塌的地面堆起4m高的沙土堤，有效地緩沖了樓房塌落觸地的沖擊振動。（4）盡可能把倒塌后的爆堆控制在地下室的上方，充分利用空置地下室在強(qiáng)沖擊作用變形、破壞吸收大量的觸地沖擊能量，減少振動強(qiáng)度和影響范圍。

3 振動監(jiān)測

3.1 測試設(shè)備及測點(diǎn)布置

本次振動檢測共布置了6個檢測點(diǎn)，如圖2所示。爆破振動測試儀選用4臺TC-4850，2臺Blast-UM。測點(diǎn)1位于城市展覽中心西側(cè)處，距爆破爆區(qū)中心390m；測點(diǎn)2位于濱海路南側(cè)辦公樓門口處，距爆 破爆區(qū)中心159 m；測點(diǎn)3位于濱海路與峨眉山路的交叉口處，距爆破爆區(qū)中心100 m；測點(diǎn)4位于峨眉山路東側(cè)的居民樓處，距爆破爆區(qū)中心200 m；測點(diǎn)5位于峨眉山路東側(cè)的居民樓處，距爆破爆區(qū)中心310 m；測點(diǎn)6位于爆區(qū)的西南側(cè)濱海路處，距爆破爆區(qū)中心208 m。

Fig. 2 Schematic diagram of detection point position

3.2 監(jiān)測結(jié)果

本次樓群拆除爆破從起爆到完全倒塌觸地共歷時14s，讀取6個檢測點(diǎn)的監(jiān)控振動數(shù)據(jù)，見表1。其中測點(diǎn)1距離爆區(qū)中心較遠(yuǎn)，傳感器未觸發(fā)。

表1 振動測試數(shù)據(jù)

檢測到的信號均為低頻信號（倒塌觸地信號），而高頻信號（爆破振動信號）未檢測到。檢測到最大振動速度0.76cm/s，遠(yuǎn)低于《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）規(guī)定的一般民用建筑物地面質(zhì)點(diǎn)的安全振動速度1.5～2.0 cm/s（≤10Hz）[4]。周邊建筑物處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文通過分析煙臺超高樓群拆除爆破施工案例，針對施工現(xiàn)場實(shí)施的爆破振動控制技術(shù)和振動監(jiān)測結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）城市超高樓群爆破拆除時，建筑物解體對地面撞擊所引起的振動危害效應(yīng)越發(fā)嚴(yán)重，相比于炸藥爆炸引起的爆破地震效應(yīng)，其振動速度快、振動頻率低，更接近于周邊保護(hù)區(qū)域建筑物的固有頻率。

（2）測點(diǎn)3比測點(diǎn)6距離爆區(qū)中心更近，而測得振動速度反而較小，這是因?yàn)椋篈1樓倒塌方向?yàn)檎髌?，且建筑物倒塌區(qū)域無地下室；而A2號樓倒塌方向?yàn)楸逼珫|13°，且建筑物倒塌區(qū)域有地下室，地表也鋪設(shè)減震砂堤，說明采用的減震手段可以有效地降低爆破振動。

（3）通過起爆網(wǎng)路調(diào)整、爆破缺口合理設(shè)置、鋪設(shè)沙土堤、充分利用爆區(qū)環(huán)境等多種減振技術(shù)，極大程度地降低了爆破地震效應(yīng)。

（4）通過理論計算和實(shí)際振動監(jiān)測，本次超高樓群爆破拆除所引發(fā)的爆破振動遠(yuǎn)小于GB 6722- 2014爆破安全規(guī)程中所規(guī)定的安全系數(shù)，本次拆除爆破所使用的各種減振技術(shù)取得很好減振效果，為類似的建筑物拆除爆破設(shè)計提供了一定的參考價值。

[1] 金驥良,等.拆除爆破設(shè)計與施工[M].北京:中國鐵道出版社, 2004.

[2] 楊年華.高層框架樓拆除爆破振動檢測與分析[J].工程爆破,2006(04):28-31,27.

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[7] 王旭光.爆破設(shè)計與施工[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,2011.

Blasting Vibration Control Technology and Detection of Super High Buildings

LI Yi1,TENG Yong2,HU Kun-lun1,WANG Meng1,HAN Ti-fei1

（1.Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001;2.Security Management Branch of Huainan Public Security Bureau, Huainan, 232001)

In this paper, the blasting demolition project of Yantai super high-rise building group is taken as an example, the explosive vibration and the impact vibration of buildings on the ground were calculated and analyzed theoretically, and a variety of blasting vibration control techniques were applied. Through the real-time monitoring of blasting vibration tester, the safety and effectiveness of vibration control technology is verified, which can provide reference for similar blasting vibration control.

Demolition blasting；Blasting vibration；Vibration control technology

1003-1480（2019）02-0046-04

TJ510.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.012

2019-03-12

李毅（1995 -），男，在讀碩士研究生，主要從事爆破作用及效應(yīng)研究。

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（51604009）