城市復(fù)雜環(huán)境下大面積廠房控制爆破拆除

張曉龍，薛憲彬，楊昌瀚，劉學(xué)慶，鄒金剛

(1.青島第一市政工程有限公司，山東 青島266000;2.麻城凱龍科技化工有限公司，湖北 麻城438300)

1 工程概況

待拆廠房位于青島市海爾工業(yè)園園區(qū)內(nèi),由南、北兩棟廠房組成,建筑面積為77 862 m2,是青島市近年來爆破拆除單體面積最大的廠房。 待拆廠房周圍環(huán)境復(fù)雜,北側(cè)距居民樓38 m;東北側(cè)距汽車銷售公司98 m;東側(cè)距電力線路22 m,距地下污水管線25 m,距海爾路28 m;南側(cè)距高壓線路60 m,距居民房110 m;西側(cè)距跨海大橋高架路220 m。待拆廠房周圍環(huán)境如圖1 所示。

圖1 待拆廠房周圍環(huán)境

待拆廠房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),高度27 m。北棟廠房東西長(zhǎng)160 m,南北寬156 m,由車間和辦公區(qū)組成,車間為雙層結(jié)構(gòu),辦公區(qū)為5 層。 南棟廠房由車間和辦公區(qū)組成:西側(cè)為車間,雙層結(jié)構(gòu),東西長(zhǎng)130 m,寬30 m;東側(cè)為辦公區(qū),4 層,南北長(zhǎng)58 m,寬15 m。 廠房?jī)?nèi)立柱密集,共有立柱513 根,截面尺寸為600 mm×900 mm、400 mm×800 mm 和400 mm×500 mm。

2 爆破設(shè)計(jì)

2.1 難點(diǎn)分析

1)待拆廠房周圍環(huán)境復(fù)雜,爆破拆除會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)或飛石,若控制不當(dāng),可能會(huì)對(duì)周圍建筑管線造成影響。

2)待拆廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜,面積跨度大,高度相對(duì)小,且立柱密集,破壞難度大,結(jié)構(gòu)倒塌后不易解體。

3)待拆廠房由4 個(gè)區(qū)域結(jié)構(gòu)連接組成,若倒塌順序和時(shí)間控制不當(dāng),倒塌結(jié)構(gòu)可能會(huì)相互影響,發(fā)生倚靠或碰撞,造成爆而不倒或偏離預(yù)定方向,造成嚴(yán)重后果。

2.2 總體設(shè)計(jì)

為保證周圍建筑、道路和管線安全,有利于爆破拆除,根據(jù)待拆廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和周圍環(huán)境綜合考慮,首先對(duì)廠房部分墻體、樓梯、管道等結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械預(yù)拆除,將北棟和南棟廠房的車間區(qū)與辦公區(qū)連接處切割分離。 同時(shí)充分利用廠房結(jié)構(gòu),保留北棟廠房東、北外立面和南棟廠房東、南外立面墻體,防止爆破飛散物向居民區(qū)和海爾路飛濺。 然后采用“原地倒塌+定向倒塌”相結(jié)合的爆破拆除總體方案,一次爆破完成。

北棟廠房長(zhǎng)寬尺寸大,高度相對(duì)較小,設(shè)計(jì)由南向北逐跨原地倒塌,其中西、北兩側(cè)立面和辦公區(qū)向中心倒塌。 南棟廠房車間區(qū)設(shè)計(jì)北偏西16°定向倒塌,辦公區(qū)設(shè)計(jì)西偏南16°定向倒塌。 同時(shí),為減小爆破振動(dòng),保證爆破效果,各排立柱之間采用毫秒微差起爆,各樓體間適當(dāng)增大延期時(shí)間,按照Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ依次倒塌。 倒塌方向和次序如圖2所示。

圖2 待拆廠房倒塌方向和次序

2.3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程類比,立柱破壞高度由式(1)計(jì)算確定[1-2]。

式中:Hp為立柱破壞高度;K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取2 ～3;B為立柱最大截面邊長(zhǎng);Hmin為立柱最小破壞高度,一般取最小抵抗線的1.5 倍。 經(jīng)計(jì)算,為確保廠房倒塌充分,減小塌落振動(dòng),爆破切口布置如圖3 ～5所示,切口立柱爆炸高度參數(shù)見表1。

圖3 北棟廠房爆破切口布置

圖4 南棟廠房車間爆破切口布置

圖5 南棟廠房辦公區(qū)爆破切口布置

截面尺寸為600 mm×900 mm 和400 mm×800 mm 的立柱采用沿長(zhǎng)邊中心線對(duì)稱布置炮孔,截面尺寸為400 mm×500 mm 的立柱采用垂直短邊布孔,沿中心線交叉布置。 根據(jù)工程類比和單位體積裝藥公式(2)計(jì)算確定單孔裝藥量[3-5]。

式中:Q為單孔裝藥量,kg;q為炸藥單耗,kg/m3;v為單孔破壞體積,m3。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果,為確保裝藥參數(shù)合理,在北棟車間區(qū)中部位置,間隔選取不同尺寸的立柱進(jìn)行試爆,最終確定各立柱的裝藥參數(shù)。 具體的爆破參數(shù)見表2。

表1 爆破切口立柱爆炸高度

表2 不同尺寸立柱爆破參數(shù)

2.4 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

采用多重閉合毫秒導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路。 每個(gè)炮孔內(nèi)裝填兩發(fā)導(dǎo)爆管雷管,每一排的立柱采用四通與導(dǎo)爆管聯(lián)通,縱向由多條導(dǎo)爆管將各排連接形成雙套閉合網(wǎng)路(每個(gè)炮孔兩個(gè)雷管分別形成各自網(wǎng)路),閉合網(wǎng)路中扯出2 ～4 根導(dǎo)爆管引導(dǎo)至地面匯總,簇聯(lián)在起爆雷管上。 起爆網(wǎng)路如圖6 所示。 同一排立柱裝填相同段別雷管。 不同排雷管間延期間隔大于等于50 ms,以避免因爆破振動(dòng)波的疊加增大爆破振動(dòng)的情況。 樓棟之間使用半秒延期導(dǎo)爆管雷管延期,保證廠房按設(shè)計(jì)次序依次倒塌。 待拆廠房雷管段別設(shè)置見表3。

圖6 起爆網(wǎng)路

表3 待拆廠房雷管段別設(shè)置

3 爆破安全設(shè)計(jì)

3.1 爆破振動(dòng)

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的爆破振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn),將爆破振動(dòng)控制在安全允許范圍內(nèi)[6-7]。 根據(jù)薩道夫斯基計(jì)算公式(3)對(duì)保護(hù)建筑物進(jìn)行校核計(jì)算。

式中:V為安全允許的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;Q為單段最大起爆藥量,kg;R為爆源至保護(hù)建筑的距離,m;K為與介質(zhì)和爆破條件因素有關(guān)的系數(shù),取150;α 為振動(dòng)衰減系數(shù),取1.8。 設(shè)計(jì)單段最大起爆藥量為40 kg,爆破振動(dòng)速度計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 爆破振動(dòng)速度計(jì)算結(jié)果

采取以下爆破振動(dòng)控制措施:距保護(hù)對(duì)象近的結(jié)構(gòu)位置,盡量采用機(jī)械預(yù)處理破壞,減少裝藥量;多分段,嚴(yán)格控制單段起爆藥量。

經(jīng)計(jì)算校核和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,爆破振動(dòng)速度在《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全允許范圍內(nèi),未對(duì)周圍建筑、管線造成影響。

3.2 塌落振動(dòng)

廠房拆除倒塌沖擊地面會(huì)產(chǎn)生塌落振動(dòng),塌落振動(dòng)速度可按照式(4)進(jìn)行計(jì)算[8]。

式中:v為塌落振動(dòng)速度,cm/s;m為塌落物體質(zhì)量,t;g為重力加速度,9.8 m/s2;H為塌落物體重心高差,m;σ為地面介質(zhì)破壞參數(shù),一般取值范圍為5 ～10 MPa,取值8 MPa;R為質(zhì)點(diǎn)到塌落點(diǎn)的距離,m;Kt、β為衰減系數(shù),Kt=1.1 ～2.1,取值1.5,β=-1.8 ～-1.66,取值-1.7。 通過計(jì)算,廠房單體倒塌最大質(zhì)量為1 200 t,塌落重心高度為12 m,塌落點(diǎn)到建筑物的最小距離為50 m。 計(jì)算得到塌落振動(dòng)速度v=0.49 cm/s＜2 cm/s,符合安全規(guī)定,能夠保證周圍建筑設(shè)施安全。

為減小塌落振動(dòng)采取以下措施:對(duì)頂部結(jié)構(gòu)如樓梯間、橫梁、樓板等進(jìn)行預(yù)切割破壞,減小單體塌落質(zhì)量;在有大質(zhì)量結(jié)構(gòu)塌落的位置設(shè)置緩沖層,鋪設(shè)沙袋、沙土,緩沖塌落結(jié)構(gòu)對(duì)地面的沖擊。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,塌落振動(dòng)速度在安全允許范圍內(nèi),未對(duì)周圍建筑、管線造成影響。

3.3 爆破飛散物防護(hù)

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況,采取“覆蓋防護(hù),多重保護(hù)”的措施防止飛石造成危害,具體措施如下:

1)利用草柵、竹笆片對(duì)立柱爆破部位進(jìn)行雙層覆蓋,用鐵絲扎緊;

2)在爆破切口樓層的門窗部位安裝安全網(wǎng)并懸掛竹笆片,防止爆破飛石飛出爆破區(qū)域;

3)結(jié)合廠房結(jié)構(gòu),分區(qū)按次序爆破拆除,利用廠房外墻阻擋主爆區(qū)產(chǎn)生的飛石;

4)在廠房外側(cè)5 m 范圍內(nèi)安裝安全圍擋,并懸掛4 m 高的安全防護(hù)網(wǎng),防止飛石飛出爆破區(qū)域。

通過上述措施,爆破飛散物控制在安全范圍內(nèi),未對(duì)周圍建筑設(shè)施造成影響。

4 爆破效果及分析

爆破后,廠房按照設(shè)計(jì)方向和順序倒塌,倒塌范圍符合設(shè)計(jì)要求,爆堆效果如圖7 所示。 爆堆高約6 m,廠房除頂部部分結(jié)構(gòu)未解體外,其他部分解體較為完全。 爆破危害效應(yīng)控制在安全范圍內(nèi),爆破效果達(dá)到預(yù)期。

圖7 爆破效果

經(jīng)分析,造成廠房頂部部分結(jié)構(gòu)未解體的原因主要有以下2 個(gè)方面:

1)廠房高度較小,頂部結(jié)構(gòu)塌落高度小,塌落到地面時(shí)速度小,未能依靠沖擊碰撞解體。

2)下部解體結(jié)構(gòu)緩沖了頂部結(jié)構(gòu)對(duì)地面的沖擊,降低了頂部結(jié)構(gòu)對(duì)地面的沖擊力。

5 結(jié)語

采用“原地倒塌+定向倒塌”方案,對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境下大面積廠房進(jìn)行了爆破拆除,并采取了多重安全防護(hù)措施。 從實(shí)際爆破情況來看,爆破振動(dòng)和飛石等危害效應(yīng)未對(duì)周圍建筑和管線造成不良影響,取得了良好效果,可為類似爆破拆除工程提供參考。