大跨距高樓房爆破拆除控制技術(shù)與倒塌形態(tài)分析*

楊 帆，張新雨，胡坤倫，韓體飛

(1.安徽江南爆破工程有限公司，宣城 242300；2.安徽理工大學(xué)，淮南 232001)

1 工程概況

宣城市原“中國茶府”18#樓位于宣城市陵陽路東，北側(cè)緊臨陽德中路，已爛尾多年，阻礙了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，必須拆除。

1.1 工程環(huán)境

待拆18#樓房爆破環(huán)境為：東距約110 m為“小區(qū)內(nèi)景觀河”，其間緊鄰有待拆4層爛尾樓，以遠距約150 m為在建樓房(中國茶府二期)；南面到院內(nèi)活動板房、臨時食堂160 m，至糧臺路約260 m；西面到在建高層樓房最近50 m，至陵陽路(距約400 m)均為在建及已建樓房；北側(cè)約8 m處有兩個配電站，北側(cè)約9 m處地下有由東向西布置的市政自來水管、光纜，北側(cè)約10 m處為陽德中路，北側(cè)馬路對面距137 m為在建樓房，西北方向陽德中路斜對面為商住混合樓，直線距離約為150 m。爆破環(huán)境較為復(fù)雜。見圖1。

圖 1 周邊環(huán)境圖(單位：m)Fig. 1 Surrounding environment(unit:m)

1.2 樓房結(jié)構(gòu)

待拆樓房主樓為18層，裙樓4層。主樓平面結(jié)構(gòu)為長方形，長×寬=48.0 m×28.87 m。主樓為框剪結(jié)構(gòu)，1樓層間高度為4.8 m，2～18樓的層間高度均為3.5 m，高度為64.3 m，連同頂部框架主樓地面以上的總高度為70.3 m。本次爆破拆除的總建筑面積約為30 214.3 m2。

樓房內(nèi)部布置有22根立柱，中間部位為框剪結(jié)構(gòu)電梯井和樓梯間等。立柱間距：縱向7根立柱間距均為8.0 m，橫向4根立柱間距均為8.6 m。立柱斷面為正方形，斷面規(guī)格1層為0.95 m×0.95 m，2層遞減為0.9 m×0.9 m，3～6層均為0.85 m×0.85 m，9層以上遞減為0.8 m×0.8 m。立柱的層間高度：第1層為4.8 m，梁下高度為4.0 m；第2層及以上各層的層間高度為3.5 m，梁下高度2.8 m。每層立柱間分布有縱向和橫向的大梁，大梁斷面規(guī)格為：第1層為：寬×高=0.4 m×0.8 m，第2層及以上各層為：寬×高=0.4 m×0.7 m。中心部分為框剪建筑結(jié)構(gòu)，分布有電梯井、樓梯間和管線、通風(fēng)井等；剪力墻厚度分別為0.36 m和0.25 m，分層總長度約為37.4 m和12.5 m。橫向每兩排立柱之間為一個開間單元(鋪面)，1～3層每個開間單元都布置有樓梯間和衛(wèi)生間。

1.3 工程特點、難點分析

本工程的特點難點有：

(1)待拆樓房為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，寬度較大，高寬比僅為2.25，樓房重心偏移距離較大。

(2)北臨陽德中路，車流及人流較多，且北側(cè)8 m處有兩個配電箱；東距新建高層樓房群最近僅50 m；爆破產(chǎn)生的飛石和樓房塌落產(chǎn)生的振動對周圍建筑物有很大的安全風(fēng)險。

(3)樓房的主要承重構(gòu)件為立柱和局部的剪力墻，中心部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，立柱排數(shù)少，排間跨度大，勢能轉(zhuǎn)換快，不易控制后坐。

2 爆破方案的選擇與確定

2.1 爆破方案選擇

根據(jù)18#樓情況，決定采用“向南定向折疊倒塌”的爆破方案[1-3]。

爆破方案的主要內(nèi)容：

(1)1～5層布置第一個爆破切口，11～12層布設(shè)第二個爆破切口[4,5]。見圖2。

圖 2 爆破缺口布置示意圖Fig. 2 Layout of blasting gap

(2)爆破缺口內(nèi)的立柱全部鉆孔爆破；爆破缺口內(nèi)的每層電梯間和樓梯間采用爆破方式切割成條狀，每個側(cè)面留3～4個約1.5 m寬的支撐墻體，其余部分的混凝土全部采用爆破和人工方式剔除；在樓房梁的交叉處布置5～6個炮孔，對梁體進行破壞，使倒塌更充分。施工中必須按照設(shè)計進行，確保施工安全和樓房的整體安全性。

(3)同時與倒塌方向平行的梁采用爆破的方式進行分段爆破，以便于樓房在倒塌過程中能夠較好的折疊，使之空中解體，以減小塌落時的觸地沖量，這樣先期塌落到地面的樓板等建筑垃圾就成為后繼塌落物的緩沖層，可進一步減小塌落震動，并最大限度的降低爆堆。

(4)采用草袋和竹笆對樓房立柱的東、西及北側(cè)進行嚴密防護，11、12樓對東西及南側(cè)進行嚴密防護，防止爆破飛石對售樓部、在建樓房和商場造成破壞[6-8]。

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

(1)爆破參數(shù)見表1、表2。

表 1 樓房立柱和梁的爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameter of the building column and beam

表 2 剪力墻及樓板爆破參數(shù)Table 2 Blasting parameters of shear wall and floor

(2)炮孔數(shù)及裝藥量統(tǒng)計

總炮孔數(shù)：3928個；總裝藥量：886.2 kg。

2.3 起爆網(wǎng)路及順序

整棟樓房炮孔內(nèi)全部采用孔內(nèi)延期，從樓房南邊第1排立柱用MS-5～9段，第2排立柱采用MS-7～12段，電梯間和樓梯間從南北軸線正中間分區(qū)，南半?yún)^(qū)采用MS-7～12段，第3排立柱、電梯間和樓梯間北半?yún)^(qū)采用HS-4段，最后一排立柱采用HS-6段，爆破缺口以上的橫梁切斷采用與后排立柱相同段別的雷管。具體延期時間安排及網(wǎng)路連接見圖3。

圖 3 主樓爆破切口范圍及網(wǎng)路延期時間圖Fig. 3 Blasting cut range and delay time network diagram of main building

起爆網(wǎng)路為每根立柱炮孔采用“大把抓”捆綁2發(fā)MS-2段導(dǎo)爆管雷管連接一組簇聯(lián)網(wǎng)路，同一樓層爆破切口內(nèi)各組MS-2段導(dǎo)爆管雷管形成網(wǎng)格式閉合起爆網(wǎng)路，確保網(wǎng)路傳爆的可靠性。然后各層之間，各切口之間在進行交叉連接，整體上形成立體交叉復(fù)式閉合回路。

上部切口和下部切口用HS-4段連接。

2.4 爆破振動控制技術(shù)

由于此次爆破為樓房爆破，起爆藥包均布置在地面以上的立柱、墻體、梁及樓板中，裝藥空間位置處于地面以上，單個藥包藥量小，爆炸點分散，并且采用微差爆破技術(shù)，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，由爆破自身產(chǎn)生的振動對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響很小，可以不予考慮。在本次爆破施工中，需要考慮的是樓房倒塌觸地產(chǎn)生的振動。

式中：Vt為爆破振動峰值速度，cm/s；M為塌落樓房質(zhì)量，22 360 t；H為塌落高度，35 m；g=9.8 cm/s2；

σ為塌落樓房破壞應(yīng)力，一般取10 MPa；R為質(zhì)心至計算點的距離，m；Kt、β為衰減指數(shù)，Kt取值為1.20，β取值為1.66；按此公式核算，得到距爆區(qū)50 m的塌落震動速度為1.41 cm/s。

減振措施：

(1)減振土堤：在樓房倒塌方向距離樓體2 m至46 m處的地面上壘筑平行于樓房長50 m、高3 m的土堤，土堤使用挖掘機壓實，并加蓋渣土覆蓋網(wǎng)。

(2)減振溝：在樓房西側(cè)距樓房5 m處，挖一條由北向南深4 m、長80 m溝槽；在樓房北側(cè)配電南側(cè)且距離樓房3 m處，挖一條由西向東長20 m、深2 m的溝槽。

(3)爆破18#樓前10 d停止?jié)仓炷梁推鲋w。在爆破前2 h關(guān)停18#樓北側(cè)自來水、電等。

主樓采用單向折疊倒塌方式并且倒塌后會落到已預(yù)先拆除的20#樓建筑垃圾和減振土堤上面，倒塌觸地振動效應(yīng)會明顯削弱。且倒塌觸地產(chǎn)生的震動小于樓房允許的最大振動速度，對周圍的建筑物是安全的。

2.5 爆破效果

2.5.1 倒塌形態(tài)

2020年3月31日11時28分對大樓實施爆破，起爆后，樓房向預(yù)定方向倒塌，倒塌過程歷時7 s，爆破后，爆堆破碎效果理想，爆堆高度6 m左右，樓房前沖40 m，東西兩側(cè)坍塌范圍5 m，北靠西側(cè)最大后坐8 m，靠東側(cè)最大后坐10 m。爆破后發(fā)現(xiàn)后排立柱從4樓頂處折斷，上部壓塌下部后坐。其中最西側(cè)立柱伸入兩個受保護的配電房中間10 cm，未損壞配電房。見圖4。

圖 4 倒塌過程及形態(tài)Fig. 4 Collapse process and shape

2.5.2 后坐原因分析

(1)18#樓房跨距為8 m×8.6 m，跨距很大，因此勢能轉(zhuǎn)換快，1區(qū)和2區(qū)延期時間最大為550 ms(ms-12)，而3區(qū)為1.5～2.5 s，從高清攝像中看出前1、2區(qū)落地后3區(qū)還未爆破，前兩區(qū)塌落過快，其動能通過橫梁和樓板拉動后排立柱從而使得后排立柱斷裂。

(2)第二缺口與第一缺口延期時間過短，正常情況下是待第一缺口前排立柱起爆，整體樓房重心偏移后再起爆第二缺口，從而加快重心偏移，減小后坐和爆堆高度。但是18#樓采用MS-12段(550 ms)毫秒導(dǎo)爆管雷管延期(購買的HS-4段雷管不夠，故采用了MS-12段)，比第一缺口第三根立柱(HS-4，1.5 s)快了近1 s，同時由于跨度距離達到8.6 m，使得前兩區(qū)勢能更快轉(zhuǎn)化為塌落動能，從而拉斷后排未爆立柱。

(3)該樓房為爛尾樓，且4層以上和4層以下結(jié)構(gòu)不一樣，圖紙上標(biāo)注5-8樓柱鋼筋直徑為25 mm，但根據(jù)現(xiàn)場測量可知1～3樓柱平面鋼筋直徑25 mm，4樓處柱平面鋼筋直徑20 mm。故可知4樓以上立柱配筋率降低，導(dǎo)致4樓與5樓結(jié)合處較低樓層連接薄弱。再由與前兩區(qū)動能過大，導(dǎo)致在該處拉斷。見圖5。

圖 5 4樓立柱頂部Fig. 5 Top of the 4th floor column

2.5.3 爆破監(jiān)測結(jié)果

現(xiàn)場共布置4臺拓普8016測振儀、2臺拓普6016測振儀，5臺儀器采集到有效數(shù)據(jù)。見圖6所示可知，檢測到的信號主要為低頻信號(塌落振動信號)，僅有N2處通道3檢測到高頻信號(爆破振動信號)。檢測到最大振動速度0.563 cm/s，遠低于《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)點的安全振動速度1.5～2.0 cm/s(f≤10 Hz)。周邊建筑物處于安全狀態(tài)。見表3。

表 3 振動監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 3 Vibration monitoring data

圖 6 各測點主振頻率對比圖Fig. 6 Comparison diagram of main vibration frequency of each measuring point

由于采用了定向傾倒空中解體的爆破方式，且減振土堤和預(yù)先拆除的20#樓房對18#層樓房起到緩沖作用，所以結(jié)構(gòu)塌落所造成的觸地振動較小。因此，結(jié)構(gòu)觸地振動對周邊保護對象的影響小。

N1測點布置在待拆樓房東側(cè)56.9 m，東側(cè)沒有布置減振溝；其他5個測點布置在待拆樓房西側(cè)，待拆樓房西側(cè)距樓房5 m處，挖一條由北向南深4 m、長80 m減振溝；N3、N4和N5測點布置在東側(cè)在建樓房的1層、4層和7層，離地面高度分別為0 m、9 m、18 m，三個測點距離待拆樓房距離89.1 m。

對各測點振動速度進行統(tǒng)計分析表明(如圖7所示)，N1與其余測點比較發(fā)現(xiàn)，減振溝能減小塌落振動約40%，但對爆破振動基本無影響。比較N3、N4和N5測點，可以發(fā)現(xiàn)測點所在樓層高度對爆破振動速度有一定放大效應(yīng)，而對塌落振動基本無影響。見圖7。

圖 7 各測點爆破振動與塌落振動振速對比圖Fig. 7 Comparison of blasting vibration and collapse vibration velocity of each measuring point

3 結(jié)論

(1)大跨距高樓，由于勢能轉(zhuǎn)換快，極易引發(fā)后坐，因此要合理設(shè)置各排間延期時間，控制倒塌形態(tài)，防止破壞周邊需保護的建筑物。

(2)通過分區(qū)、分樓層延期爆破技術(shù)達到樓房空中解體，加墊減振土堤、利用先期拆除的樓房作緩沖，通過開挖減振溝等措施減小振動效果明顯。通過理論計算和實際振動監(jiān)測，本次大跨距樓房爆破拆除所引發(fā)的振動低于《爆破安全規(guī)程》中允許系數(shù)。減振溝能減小塌落振動約40%，但對爆破振動基本無影響；測點所在樓層高度對爆破振動速度有一定放大效應(yīng)，而對塌落振動基本無影響。