深基坑支撐梁傳爆方式對鄰近結(jié)構(gòu)物的影響*

何 理，鐘冬望，馬建軍，伍 岳，杜 泉，李 鵬，明 凱，宋 琨

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010； 2.武漢科技大學(xué) 冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430065； 3.北京興油工程項(xiàng)目管理有限公司，北京 100083； 4.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，宜昌 443002)

隨著我國城市建設(shè)快速發(fā)展，高層和超高層建筑的修建已成為普遍現(xiàn)象，大型深基坑內(nèi)支撐梁工程項(xiàng)目也大量增多。相比于切割拆除法和靜態(tài)破碎拆除法，支撐梁爆破拆除法具有拆除工期短、出渣快、造價(jià)低、效益高等優(yōu)點(diǎn)，目前在深基坑鋼筋混凝土支撐梁拆除時(shí)被廣泛應(yīng)用[1-3]。由于深基坑支撐梁拆除工程大多處于城市中心地區(qū)，施工環(huán)境復(fù)雜，施工安全要求高且對工期的要求也越來越短。近年來，有很多學(xué)者對城市深基坑支撐梁爆破拆除新技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。熊祖釗、鐘冬望等根據(jù)理論分析和工程實(shí)際[4]，計(jì)算并評估了深基坑支撐梁爆破拆除安全系數(shù)。溫尊禮、汪順慶等結(jié)合復(fù)雜環(huán)境下深基坑支撐體系爆破拆除工程[5,6]，提出了精確爆破參數(shù)、科學(xué)起爆網(wǎng)路、可靠安全防護(hù)措施，并采取應(yīng)力釋放及換撐等技術(shù)方案，均取得了良好的爆破效果。余興春等在支撐梁爆破拆除主起爆網(wǎng)路中使用數(shù)碼電子雷管，在一次性點(diǎn)火情況下完成了近900 kg藥量的拆除爆破[7]，且嚴(yán)格控制了單響，確保了預(yù)留格構(gòu)柱及周邊結(jié)構(gòu)的安全。操鵬等介紹了一種軸向布孔的基坑內(nèi)鋼筋混凝土支撐梁爆破拆除新技術(shù)[8]，顯著減少了預(yù)埋炮孔的數(shù)目，同時(shí)提出了一種軸向預(yù)埋炮孔的裝藥工藝，大大提高了爆破作業(yè)的安全性與拆除效率。何理等提出一種沿支撐梁軸向、垂直向同時(shí)預(yù)制炮孔的多向協(xié)同布孔技術(shù)及其裝藥方法[9]，并在實(shí)際工程中成功應(yīng)用，有效降低了爆破有害效應(yīng)，改善了爆破拆除效果。謝先啟等結(jié)合層次分析法(AHP)及有限元分析軟件Abaqus對深基坑支撐梁爆破拆除進(jìn)行模擬計(jì)算[10]，優(yōu)化基坑支撐梁爆破拆除施工順序，并在實(shí)際施工中驗(yàn)證了方法的可行性。賈永勝、黃小武等根據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)，提出一種從“主動控制”和“被動防護(hù)”同時(shí)著手來控制支撐梁爆破拆除有害效應(yīng)的理念[11]。何理、陳晨等通過有限元軟件LS-DYNA分析了箍筋及其切口位置對支撐梁爆破拆除效果的影響機(jī)制[12,13]，提出了鋼筋混凝土支撐梁箍筋的最佳切口位置。

城市復(fù)雜環(huán)境下大型深基坑支撐梁爆破拆除往往具有單次拆除工程量大、炮孔數(shù)量多和環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，同時(shí)伴隨有難以避免的爆破振動及飛石危害。合理的爆破參數(shù)、科學(xué)的起爆網(wǎng)路及可靠的防護(hù)措施是安全、高效實(shí)施城市深基坑支撐梁爆破拆除工程的關(guān)鍵。結(jié)合武漢復(fù)地漢正街支撐梁爆破工程實(shí)踐，綜合運(yùn)用理論分析與現(xiàn)場試驗(yàn)方法，深入分析深基坑支撐梁爆破拆除起爆網(wǎng)路的不同傳爆方式對鄰近既有結(jié)構(gòu)的影響，對比不同傳爆方式情況下待保護(hù)結(jié)構(gòu)物處的振動響應(yīng)狀況，優(yōu)化支撐體系的拆除施工順序，以期確?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)及周邊鄰近建筑物安全，研究成果可為類似城市復(fù)雜環(huán)境深基坑支撐梁爆破拆除提供工程借鑒。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

武漢復(fù)地漢正街支撐梁爆破工程位于武漢市硚口區(qū)沿河大道與多福路交匯處，西側(cè)為多福路，南側(cè)為沿河大道，東側(cè)為友誼南路，項(xiàng)目整體環(huán)境見圖1所示。以C2地塊第2道支撐南側(cè)支撐梁為研究對象，其平面布置見圖2。圖2中爆破區(qū)域范圍內(nèi)待拆支撐梁總體積約820 m3。

待爆區(qū)域東側(cè)為拆遷后空地，西側(cè)緊鄰商用倉庫，最近距離僅為9.7 m，南側(cè)與北側(cè)均為居民樓，待爆區(qū)域南側(cè)與居民樓最近距離為11.1 m，北側(cè)與居民樓最近距離為31.2 m，爆區(qū)周邊環(huán)境見圖3。

1.2 項(xiàng)目概況

C2地塊基坑開挖深度大，基底標(biāo)高-14.2 m，等級為一級，安全要求高?；庸矁傻乐危偡搅考s10 000 m3，三層地下室，設(shè)計(jì)采用支護(hù)樁加橫向鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)作為基坑支護(hù)，立柱為樁基型鋼柱結(jié)構(gòu)，其它均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級為C40，保護(hù)層厚度35 mm，配筋率約1.2%～2.6%。

1.3 支撐梁孔網(wǎng)參數(shù)

本次支撐梁爆破采用提前預(yù)埋炮孔，即布孔組根據(jù)炮孔設(shè)計(jì)要求，在支撐梁澆灌混凝土前綁扎固定直徑為42 mm的PVC管預(yù)埋炮孔，并注意封口以防泥土、砼渣充填入預(yù)置PVC管內(nèi)，見圖4所示。

支撐梁預(yù)埋炮孔參數(shù)如表1所示。支撐梁炮孔布置如圖5所示。

2 振動監(jiān)測方案

由于待拆支撐梁位于C2地塊靠南部分，爆區(qū)西側(cè)與南側(cè)分別緊鄰商用倉庫及民用住宅，需要嚴(yán)格控制爆破拆除支撐梁時(shí)的負(fù)面效應(yīng)，確保鄰近結(jié)構(gòu)物安全。爆破拆除前通過實(shí)地踏勘，選取距離爆區(qū)近、建筑結(jié)構(gòu)物損毀風(fēng)險(xiǎn)大的6個點(diǎn)作為振動監(jiān)測布置點(diǎn)。振動測點(diǎn)布置如圖6所示。

振動測試儀器采用由成都泰測科技研發(fā)的Mini-BlastⅠ型爆破振動測試儀，儀器具備24 Bit國內(nèi)最高采集精度，動態(tài)范圍高達(dá)100 dB，可同步采集三個方向振動信號。信號采集時(shí)，設(shè)置儀器為自動工作模式，儀器自適應(yīng)爆破現(xiàn)場環(huán)境。

表1 預(yù)埋炮孔參數(shù)Table 1 Pre-buried blasthole parameters

3 不同傳爆方式下鄰近結(jié)構(gòu)物振動響應(yīng)分析

根據(jù)工程實(shí)際情況，C2地塊南區(qū)第二道支撐梁通過爆破法先行拆除主支撐與次支撐部分，暫時(shí)保留第二道支撐圍檁結(jié)構(gòu)，后期再對圍檁部分進(jìn)行統(tǒng)一拆除。正式爆破前選取不影響支撐體系穩(wěn)定性的2根支撐梁進(jìn)行試爆(如圖6所示)，炸藥單耗取值為0.8 kg/m3，試爆效果良好，支撐梁橫向箍筋被炸斷，梁身混凝土破碎充分，試爆效果見圖7所示。

為控制爆破規(guī)模，圖2中爆區(qū)范圍內(nèi)支撐梁共計(jì)分為3次進(jìn)行爆破拆除，各次拆除區(qū)域如圖6所示。第1次爆破與第2次爆破支撐梁方量均為240 m3，第3次爆破支撐梁方量約為340 m3。同試爆一樣，孔內(nèi)均使用MS19導(dǎo)爆管雷管，孔外3～5個炮孔捆為一扎通過雙發(fā)MS3段進(jìn)行傳爆，其中在支撐與圍檁連接處(或節(jié)點(diǎn)處)最多3個炮孔為一扎。

第1、2次爆破時(shí)裝藥量設(shè)計(jì)見表2。

表2 裝藥量設(shè)計(jì)Table 2 Charge design of blasthole

第1次爆破與第2次爆破中，針對與圍檁相連接部分支撐梁分別采用圖8、圖9所示的傳爆方式。

大體量支撐梁連續(xù)爆破拆除前，先通過2～3個炮孔同時(shí)起爆破碎支撐梁與圍檁連接處混凝土，形成隔振槽，可阻斷后續(xù)炮孔爆破振動波向圍檁方向傳播，削弱并降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地震波強(qiáng)度，減小爆破振動對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建(構(gòu))筑物的影響。見圖10。

通過現(xiàn)場振動測試，兩次爆破試驗(yàn)共測得十二組爆破振動信號，典型爆破振動信號時(shí)程曲線如圖11所示。

由圖11的振動信號時(shí)程曲線可以看出，爆破振動持續(xù)時(shí)間較長，達(dá)到3 s左右，主要是因?yàn)橹瘟罕品搅看?，延時(shí)段數(shù)多造成的；并且由于段間延期時(shí)間均為50 ms，分段振動波相互疊加干擾，導(dǎo)致爆破振動速度峰值出現(xiàn)在時(shí)程曲線的中期，而并非出現(xiàn)在時(shí)程曲線初期。

兩種不同傳爆方式情況下的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同傳爆方式下測點(diǎn)振動速度及主頻Table 3 Vibration velocity and frequency of measuring points under different mode of detonation transmission

注：表3中H為垂直距離，m；D為水平距離，m；R為直線距離，m。

由表3中振動速度及其主頻統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，各測點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值(PPV)總體上呈現(xiàn)出垂直向最大，水平徑向次之，水平切向最小的規(guī)律。然而，各測點(diǎn)處PPV與爆心距離的關(guān)系并不明顯，分析其原因主要包含兩個方面：一是爆破區(qū)域位于第二道水平支撐，與地表監(jiān)測點(diǎn)存在高程差，同時(shí)水平支撐外圍有圍檁及灌注樁等所組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地質(zhì)地形差別及圍護(hù)結(jié)構(gòu)澆筑質(zhì)量差異等因素都會影響爆破地震波傳動規(guī)律；二是支撐梁爆破拆除方式的特殊性，支撐梁爆破拆除時(shí)爆破振動只能沿其軸向方向傳至圍檁、灌注樁直至基坑外部巖土區(qū)域，不同的支撐布置形式及其與圍檁所成角度均會影響振動能量的傳遞效率。同時(shí)文中的傳爆方式1和傳爆方式2也存在本質(zhì)區(qū)別，傳爆方式1考慮便于接線聯(lián)網(wǎng)的原則，在處理與圍檁相連的支撐時(shí)采用“S”形方式傳爆，而傳爆方式2則在爆破拆除支撐梁時(shí)均注重先切斷支撐梁與圍檁的連接，而后由圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)傳爆。

現(xiàn)將表3中不同傳爆方式情況下相近爆心距處的質(zhì)點(diǎn)振動速度對比情況列于表4。

由表4可以看出，傳爆方式1和傳爆方式2均采用孔內(nèi)高段別(MS19)、孔外低段別(MS3)及3～5孔為一扎的接力傳爆方式，通過控制單響藥量較好的限制了爆破振動強(qiáng)度值。尤其是傳爆方式2，在爆破拆除支撐梁時(shí)均注重先切斷支撐梁與圍檁的連接，而后由圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)傳爆，相比于傳爆方式1最大降振率可達(dá)到86.8%。

表4 不同傳爆方式情況下振動速度對比Table 4 Comparison of vibration velocity under eifferent explosion transmission mode

注：降振率η=(PPV1-PPV2)/PPV1×100%

綜合表3及表4可以得到，監(jiān)測點(diǎn)處的爆破振動主頻主要集中在15～40 Hz范圍內(nèi)，高于基坑周邊建筑物的自振頻率，基坑周邊各測點(diǎn)處PPV最大值也僅為1.27 cm/s，根據(jù)爆破安全規(guī)程(GB6722—2014)，爆破振動對鄰近基坑建(構(gòu))筑物未造成危害。

4 工程實(shí)例應(yīng)用

針對圖6中的第3次支撐梁爆破(方量約為340 m3)，結(jié)合支撐梁試爆及第1、2次爆破拆除效果，并同時(shí)考慮基坑周邊建筑物安全及外側(cè)主撐臨空面處防護(hù)難度與強(qiáng)度等因素，對支撐梁各構(gòu)件炸藥單耗及單孔藥量進(jìn)行優(yōu)化，第3次爆破時(shí)裝藥量設(shè)計(jì)見表5。

表5 裝藥量設(shè)計(jì)Table 5 Charge design of blasthole

采用圖9所示第2種傳爆方式對第3次待拆支撐梁進(jìn)行連線起爆，測得鄰近基坑各建筑物處質(zhì)點(diǎn)振動速度及主頻見表6。

支撐梁爆破拆除效果如圖12所示。

表6 各建筑物處質(zhì)點(diǎn)振動速度及主頻Table 6 Vibration velocity and frequency of particle at each building

工程實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明，第3次支撐梁爆破時(shí)的PPV均控制在1 cm/s以內(nèi)，振動主頻主要集中在15～45 Hz范圍內(nèi)，振動速度與主頻滿足安全要求；支撐梁爆破拆除效果好，梁身鋼筋與混凝土脫離，混凝土碎而不飛且沒有大塊；周邊攝影監(jiān)測結(jié)果表明未有爆破飛石拋出基坑防護(hù)區(qū)域，同時(shí)在爆破完成后第一時(shí)間借助降塵霧炮對基坑內(nèi)爆破區(qū)域?yàn)⑺?，爆破粉塵控制效果良好，未對周邊環(huán)境造成污染。

5 結(jié)論

(1)大體量支撐梁連續(xù)爆破拆除前，先通過小藥量炮孔同時(shí)起爆在支撐梁與圍檁連接處形成隔振槽，可有效阻隔支撐梁拆除爆破振動波的傳播，減小爆破振動強(qiáng)度及其對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近建(構(gòu))筑物的影響，降振率最高可達(dá)到86.8%。

(2)針對相同混凝土強(qiáng)度等級的支撐梁，不同構(gòu)件類型及部位的炸藥單耗也不盡相同，工程實(shí)踐中需根據(jù)各次爆破效果不斷進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過綜合考慮安全防護(hù)難度、爆破器材成本及爆破拆除效果確定各構(gòu)件、各部位最佳炸藥單耗。

(3)本次支撐梁爆破拆除工程內(nèi)側(cè)主撐、次撐、節(jié)點(diǎn)及外側(cè)主撐的最佳炸藥單耗分別為0.52 kg/m3、0.46 kg/m3、1.02 kg/m3和0.52 kg/m3。