主裙樓一體結(jié)構(gòu)縱向倒塌拆除爆破技術(shù)*

郭華杰，鄧志勇，馬 馳，鐘紅學

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部,北京 100081；2.鐵科院(深圳)研究設(shè)計院有限公司，深圳 518057；3.深圳市和利爆破技術(shù)工程有限公司，深圳 518034)

隨著社會的發(fā)展和城市建筑的更替，爆破拆除建筑物的規(guī)模逐漸從小型化向高層、超高層且建筑結(jié)構(gòu)復雜化發(fā)展，大多拆除工程都是以橫向倒塌為主[1-6]，如王小波所做的35 m高框架樓房單向折疊爆破拆除中主樓長寬比約2.4且沿樓房橫向方向倒塌[1]，許建剛研究了高51 m，長寬比約5.3的全剪力墻結(jié)構(gòu)高樓沿橫向方向倒塌的爆破拆除技術(shù)[2]，此外王洪剛進行了以逐跨縱向倒塌爆破拆除的研究[7]，但其爆破切口設(shè)在九層樓體內(nèi)，加大了預拆除及爆破工作量，劉昌邦進行了樓體爆破拆除縱向逐跨倒塌，空中解體的研究[8]，但樓體結(jié)構(gòu)相對本工程較簡單。當待拆樓房爆破拆除環(huán)境不理想且需要沿樓房縱向方向倒塌時，所考慮的因素和技術(shù)要求相對橫向倒塌時要復雜，很容易出現(xiàn)炸而不倒的情況。本文通過深圳市對高大建筑物做短邊方向縱向倒塌爆破拆除的案例，總結(jié)了實踐經(jīng)驗，為以后國內(nèi)外類似工程提供了參考。

1 工程概況

百旺大廈位于深圳市南山區(qū)西麗街道辦事處白芒村內(nèi)，沙河西路東側(cè)。大廈東側(cè)為待拆房屋和拆除后空地，東側(cè)110 m為白芒村村民房屋；南側(cè)為待拆地下室基礎(chǔ)；西側(cè)20 m為沙河西路，西側(cè)69 m為地鐵在建工地；北側(cè)緊鄰小區(qū)道路、北側(cè)31 m為百旺研發(fā)大廈(見圖1)。百旺大廈分辦公樓、住宅樓和裙樓三部分：西邊為辦公樓15層，高度52.8 m；東邊為住宅樓19層，高度65.6 m；裙樓4層，寬48 m，長49 m，高度17.6 m(見圖2),待除樓房截面結(jié)構(gòu)如圖3。

圖 1 待拆樓房周圍環(huán)境(單位：m)Fig. 1 Environment around building to be demolished(unit:m)

圖 2 待拆樓房Fig. 2 The building to be demolished

2 爆破拆除方案

2.1 工程特點及難點

被拆建筑物裙樓和塔樓的形式為直落式，無裙邊，地面上四層裙樓為一個整體，結(jié)構(gòu)平面圖及梁布置圖如圖3，主梁寬30 cm，間距8～9 m，南北向落在柱子上，次梁寬15 cm，間距4～9 m，東西向落在主梁上，裙樓之上西側(cè)建有長49 m、寬17 m、高52.8 m的辦公樓，裙樓之上東側(cè)建有兩棟長21 m、寬18 m、高65.6 m的北住宅樓和南住宅樓，由于兩棟住宅樓之間有一寬7 m、長7.2 m通道將其連接成為一個整體，所以住宅樓也可以近似看做一個長49 m、寬18 m的樓房結(jié)構(gòu),裙樓之上辦公樓和住宅樓之間無結(jié)構(gòu)物。裙樓中柱子排布不均勻，如何合理設(shè)置柱子間的爆破延時和爆破切口高度，使靠北邊的建筑物和靠南邊的建筑物順利倒塌的同時在空中相撞解體，之后再落到地面上，從而最大程度的減小塌落振動，減小對周邊建筑物的影響，故延期雷管的選用和柱子間的延時間隔時間的設(shè)置及爆破切口高度的確定成為難點。又樓房倒塌方向為縱向倒塌(倒塌方向與樓房斷面的短邊平行)，辦公樓和住宅樓的重心高度和切口高度需要單獨驗算，兩棟樓縱向倒塌時，倒塌跨度為49 m，倒塌方向?qū)挾戎挥?7～18 m，長寬比為2.7～2.9，爆破高度不夠時重心難以移出樓房外側(cè)，比橫向倒塌要困難多，如何在不進行人工預拆除的情況下，使辦公樓在倒塌過程中一分為二，并使其重心順利移出樓體外。電梯間及樓梯間剪力墻基本分布在樓房南北兩側(cè)，縱向傾倒時分布在兩側(cè)的剪力墻中間與框架結(jié)構(gòu)連為一體，先倒塌的剪力墻因與框架結(jié)構(gòu)和梁的拉扯作用，可能在落地后阻擋后倒塌部分的剪力墻，影響整個樓房的倒塌[9]。

圖 3 待拆樓房結(jié)構(gòu)平面圖及梁布置圖(單位：m)Fig. 3 Floor plan and beam layout of the building to be demolished(unit:m)

2.2 預拆除及切口布置

大廈如果選擇向東定向倒塌，對北側(cè)建筑物影響范圍較大，需要對北側(cè)建構(gòu)筑物進行必要的安全保護。大廈選擇向南定向倒塌，其樓體結(jié)構(gòu)北側(cè)一層最后一排立柱底部僅做弱爆破處理，并且做為整棟樓向南倒塌的支撐點。北側(cè)一排立柱僅底部1 m范圍有炮孔，并按弱爆破設(shè)計，基本不會產(chǎn)生飛石，有利于道路以北的建構(gòu)筑物安全，但爆破切口范圍內(nèi)預拆除量、鉆爆、防護工程量等相對大些，技術(shù)難度要大，大廈選擇向南方向定向倒塌是合理的。

根據(jù)大廈結(jié)構(gòu)條件，樓高15、19層，結(jié)構(gòu)自重大，可采用單向平切口分段順序倒塌的方案[10]。辦公樓爆破切口：西側(cè)第1～5排立柱全部爆破至四層，第6排立柱爆破至3層、第7排立柱一層部分弱化處理做為最后的支撐鉸點(見圖4)。住宅樓爆破切口：東側(cè)第1～9排立柱全部爆破至4層，第10排立柱爆破至3層，第11排立柱爆破至2層、第12排立柱一層部分弱化處理做為最后的支撐鉸點(見圖5)。

為確保大廈按設(shè)計方向倒塌，爆破切口范圍內(nèi)一層和二層的墻體、電梯間和樓梯間剪力墻已經(jīng)機械、人工預拆除[11,12]，為提高可靠性，對住宅樓三層和四層除人工預拆除墻體外，電梯間和樓梯間剪力墻進行打孔裝藥爆破，如圖6，剪力墻厚度均為25 cm，采取四角和中間打孔的方式，北側(cè)住宅樓剪力墻孔內(nèi)全部裝HS6，南側(cè)住宅樓剪力墻孔內(nèi)全部裝HS3。

圖 4 剪力墻爆破部位平面示意圖(單位：m)Fig. 4 Plane schematic diagram of shear wall blasting part(unit:m)

3 爆破參數(shù)設(shè)計

3.1 爆破切口高度

裙樓上的主體辦公樓和住宅樓，重心高度分別為Zc=26.4m和32.8m，用作圖法求縱向倒塌時的爆破切口高度。

南側(cè)住宅樓和北側(cè)住宅樓情況相同，假設(shè)二者無連接，現(xiàn)分析南側(cè)住宅樓。裙樓前排柱子爆破后，將第4排和第5排柱子看做是南側(cè)住宅樓的絞接支撐點，如圖7，判斷爆破后重心偏移出樓房外側(cè)的條件是Y=X-L>0

圖 5 辦公樓爆破切口(單位：m)Fig. 5 Office building blasting gap (unit:m)

圖 6 住宅樓爆破切口Fig. 6 Residential building blasting gap

圖 7 南側(cè)住宅樓切口分析圖(單位：m)Fig. 7 Analysis of the cut of the residential building on the south side(unit:m)

X=AO′cosα,AO′=AO,

整理得

(1)

對住宅樓，Zc=32.8 m，L=24.5 m，當Y=0時,數(shù)據(jù)代入得h=10.9 m。

對辦公樓，Zc=26.4 m，L=49 m，不滿足上述條件，故應(yīng)預拆除將其一分為二，使重心分布類似于單個住宅樓的情況，但預拆除工作量大。如果采用常規(guī)的爆破方式使南側(cè)辦公樓先向南倒塌，不能確定辦公樓斷裂的位置及一分為二后整體性的形成，故為減小預拆除工作量同時保證樓體順利倒塌，采用南側(cè)辦公樓先整體下坐[13]，利用樓體重量大的特點使辦公樓下坐的同時從中間剪斷，隨后向南倒塌，北側(cè)樓房向南倒塌后二者有一部分在空中相撞解體，最終重疊傾倒在一起。由于四層裙樓為一個整體，為減小切口內(nèi)排間及柱間爆破影響，減小整體聯(lián)網(wǎng)的復雜性，住宅樓也采用此方法進行爆破。

當辦公樓解體為兩部分后，Zc=26.4 m，L=24.5 m，由公式(1)得，h=15.8 m實踐證明此方法是可行的。由于四層裙樓為一個整體，為破壞其整體性，提高倒塌可靠性，故加大爆破切口高度到四層裙樓，爆破切口采用大平切口形式，切口高度H=17.6 m。利用半秒差非電導爆管雷管延時起爆，先起爆部分利用未起爆部分做支撐，形成倒塌趨勢，達到爆破時樓體結(jié)構(gòu)在重力作用下產(chǎn)生傾覆力矩失穩(wěn)定向坍塌的目的，同時求得住宅樓和辦公樓的閉合角分別為41°和52°，大于經(jīng)驗值25°。

3.2 立柱爆破高度

為確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)爆破時順利坍塌，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承重立柱的爆破破壞高度根據(jù)工程經(jīng)驗，爆破切口立柱爆破高度不小于2.0 m。

3.3 炮孔直徑及布置

選擇炮孔直徑φ=40 mm。炮孔布置如表1。爆破切 口內(nèi)承重立柱爆破高度布置炮孔。除斷面尺寸為90 cm×90 cm的柱子布置雙排炮孔外，其余柱子都是布置單排炮孔，剪力墻長度≥80 cm時沿橫向按25 cm×25 cm的孔排距布置，其余沿縱向按孔距25cm布置。立柱斷面尺寸規(guī)格、炮孔深度、單耗及藥量見表1。炮孔圖見圖8。

表1 爆破參數(shù)表Table 1 Blastholes parameter table

圖 8 柱子及剪力墻炮孔布置圖(單位：cm)Fig. 8 Layout of pillars and shear walls(unit：cm)

藥包裝填到位后應(yīng)用炮泥(堵塞材料)將炮孔封堵嚴密。堵塞時將炮泥卷裝入炮孔內(nèi)逐層搗實，確保堵塞密實。操作時將藥包包裹在雷管聚能穴位置，確保藥包爆炸。

4 起爆網(wǎng)路

為確保爆破安全，起爆網(wǎng)路全部采用非電起爆網(wǎng)路，孔內(nèi)全部采用非電半秒差導爆管雷管、孔外全部采用1段非電毫秒導爆管雷管，連接成復式交叉起爆網(wǎng)路[14]，按從南到北的要求順序延時起爆。每簇非電導爆管雷管數(shù)量不超過20發(fā)。最后用兩發(fā)1段非電導爆管雷管引爆主網(wǎng)絡(luò)，如圖9和表2。

圖 9 非電復式交叉起爆網(wǎng)路Fig. 9 Non-electric multiple cross initiation network

表 2 雷管布置表Table 2 Detonator layout table

5 安全防護

此次待拆建筑物北側(cè)31 m為商業(yè)建筑物，10 m為半地下商鋪，西側(cè)緊挨主干道，爆破環(huán)境復雜，安全要求高，安全防護重點是爆破飛石，粉塵和塌落振動造成的危害。主要對立柱炮孔位置進行安全防護。根據(jù)工程經(jīng)驗，立柱炮孔位置采用多層密目安全網(wǎng)捆綁的包裹式防護；加強防護部位安全網(wǎng)可增加至10～20層。立柱防護結(jié)構(gòu)示意圖見圖10。對整個爆破切口用防曬網(wǎng)或密目網(wǎng)進行全部密封。同時用樓內(nèi)廢舊門板綁在柱子被保護物一側(cè)來加強防護。最后用黑色防塵網(wǎng)將裙樓全部遮擋，以起到防塵的目的。

6 塌落振動校核

6.1 爆破振動

依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)，并結(jié)合工程經(jīng)驗，爆破振動按以下公式計算。

V=K′·K″·K·(Q1/3/R)α

(2)

式中：V為爆破振動速度，cm/s；Q為同段最大藥量，kg；R為保護建筑物距離，m；K、α為系數(shù)，取160、1.6；K＇為高差系數(shù)，取0.4；K″為離散系數(shù)，取0.7。

設(shè)計HS-3段藥量最大，最大段藥量約100 kg，最大段藥量中心距離保護物(房屋)按64 m計，求得：V=0.67 cm/s。通過計算該位置產(chǎn)生的爆破振動值小于《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)的最小安全允許值2.5 cm/s，是安全的。

由上述計算本方案的藥量控制符合安全要求。

6.2 塌落振動

在拆除爆破中對周圍建筑物的影響主要是塌落振動，塌落振動可以根據(jù)以下經(jīng)驗公式進行預測[15,16]。

V=Kt[(Gh/4.1×105)1/3/R]α

(3)

式中：Kt為類似工程實測數(shù)據(jù)整理分析給出式的衰減系數(shù)，取21.3；α為意義與爆破振動計算公式一致；G為結(jié)構(gòu)重量，kg；h為重心高度，m；R為沖擊著地點距保護物的距離，m。

觸地點距離最近建筑物距離在40 m以上，按40 m計。

大樓總重量估計為G(每平米約1 t),G≈22 000×1=22 000 t，最大觸地振動構(gòu)件質(zhì)量按3000 t計，重心落高h取32.8 m，觸地點距離保護物距離取40 m，計算得出塌落振動速度約為：V=0.079 cm/s。由于倒塌方向有待拆地下室基礎(chǔ)及先倒塌樓房做緩沖墊層，可起到明顯減震作用，故本次爆破未測到其塌落振動。

7 爆破效果分析

圖11中將樓房北側(cè)和南側(cè)爆破變形過程進行合屏分析，500 ms時第2排柱子爆破，從圖中可知在600 ms時南側(cè)住宅樓開始變形，1000 ms時第3排柱子爆破，1200 ms時南側(cè)住宅樓及南側(cè)辦公樓垂直向下坐，向南傾倒的趨勢不明顯，1500 ms時第4排柱子爆破，2000 ms時第5排柱子爆破的同時北側(cè)住宅樓開始變形并向南倒塌，2200 ms時北側(cè)第四層裙樓的柱子開始變形破壞，2500 ms時第6排柱子開始爆破，2600 ms時北側(cè)住宅樓壓到南側(cè)住宅樓上并空中解體一直到5200 ms時解體完成，用時3200 ms，并迫使南側(cè)住宅樓向南傾倒，辦公室的倒塌過程和住宅樓類似。在樓房從開始爆破到完全倒地大概用時7400 ms。

在爆破初期南側(cè)住宅樓和南側(cè)辦公樓按預期垂直向下坐，但向南倒塌的趨勢不明顯，北側(cè)住宅樓和辦公樓向南倒塌趨勢明顯，并壓到南側(cè)住宅樓和辦公樓上，空中解體的同時迫使南側(cè)樓體向南倒塌。分析應(yīng)該是南側(cè)樓房爆破切口高度不夠，柱子排間延時時間長造成的，從上述爆破效果可看出北側(cè)建筑物倒塌按預期完成且比較成功，北側(cè)住宅樓從變形到末排柱子變形破壞的間隔時間是200 ms。南側(cè)住宅樓在第2排柱子爆破后600 ms開始變形，但在800 ms時未向南傾倒，而是在1200 ms時向下坐，原因是南側(cè)住宅樓第3、4、5、6排第4層柱子與頂梁及裙樓相接為整體，第1、2排和第3、4、5、6排柱子間延時間隔大，在住宅樓變形200 ms后未及時切斷其連接，導致其在800 ms時未及時傾倒，由于重心還未移出樓房外側(cè)時第三排柱子已爆破，造成南側(cè)住宅樓下坐，故據(jù)北側(cè)住宅樓倒塌過程分析第1、2排和第3、4、5、6排柱子間延時間隔應(yīng)設(shè)為200～300 ms。

由于2000 ms時北側(cè)樓房開始變形，并在2200 ms時從裙樓北側(cè)第4層柱子開始破壞，故需在以后的爆破中增加對最末一排切口最高處對應(yīng)的柱子的弱化，必要時打孔爆破，

南側(cè)住宅樓和辦公樓下座后未按預期傾倒也與爆破切口高度有關(guān)。式(1)中未考慮樓房在柱子爆破后重心上移的情況及實際爆破后鉸接支撐點上升到實際切口最高處對應(yīng)的最后一排柱子，而非一樓。假設(shè)建筑物在裙樓柱子爆破后立即變成上部剩余部分的重心，即住宅樓在裙樓柱子爆破后重心由32.8 m升高到41.6 m，辦公樓在裙樓柱子爆破后重心由26.4 m升高到35.2 m，同時鉸接支撐點也上升到四樓所對應(yīng)的第3、4、5、6排柱子上。

如圖12，裙樓爆破后重心上移到O1，鉸接支撐點變?yōu)锳′，重心相對高度變?yōu)?4 m，代入式1中得h′=19.5 m，即需將前排爆破切口高度做到37.1 m，新切口 閉合角為61°，為減小預拆除及打孔工作量，可在保證閉合角的前提下，采用平切口的方式，以確保南側(cè)住宅樓的倒塌。對辦公樓也采用此方法，且切口高度一致，以減小相互之間的影響，同時使南側(cè)建筑物在下坐的同時向南倒塌。由于辦公樓分為兩部分后不滿足式(1)的要求，所以在布置新切口時要加強對辦公樓的預拆除。新爆破切口見圖13、圖14。

圖 13 南側(cè)住宅樓新爆破切口(單位：m)Fig. 13 New blasting cut in residential building on the south side(unit:m)

圖 14 爆堆效果圖Fig. 14 Renderings of blast heap

8 結(jié)論

(1)在拆除爆破中應(yīng)對倒塌的相反方向切口最高處對應(yīng)的末排柱子進行弱化處理或布置一定數(shù)量的炮孔進行爆破，提高倒塌的可靠性。

(2)當下部是裙樓的建筑物要求縱向倒塌時，其長寬比大于2，同時樓體重心不易移出樓體外側(cè)時，為減少預拆除工程量，可采用毫秒延時間隔技術(shù)，爆破下部裙樓使一半樓體先向下坐，利用樓體自身重量大的特點使其從中間剪斷，然后向既定方向倒塌，樓體被分解成兩部分并在倒塌過程中在空中相撞解體，實踐證明此方案是可行的。同時要必要考慮下部裙樓爆破后樓體重心上移，且鉸接支撐點上移到切口最高處對應(yīng)的末排柱子上，需重新計算重心上移后切口高度，可采用平切口的形式并與原有的切口疊加。孔內(nèi)采用半秒延時導爆管雷管時，末排柱子與鄰排柱子的合理延時間隔時間為200～300 ms左右。

(3)建筑物傾倒時從北側(cè)地下停車場入口處飛出的小塊破碎體對北側(cè)建筑物1～3層的外裝飾玻璃破壞較大，原因是在建筑物傾倒的過程中由于體積急劇壓縮，地下室空氣來不及從兩側(cè)散逸，后從地下室北側(cè)停車場入口處隨小塊破碎體一并噴出，造成對相鄰建筑物的破壞。故在爆破拆除時需對地下室進行填充，或在倒塌方向?qū)Φ叵率疫M行開口，同時用沙袋封堵被保護側(cè)的地下室入口，從而保證建筑物倒塌時空氣從倒塌方向散出，從而提高被保護建筑物的安全性。

(4)復雜環(huán)境下大型爆破拆除中預拆除可提高建筑物重心位置，不僅能確保建筑物按設(shè)計倒塌，還能減少爆破總量，降低火工品使用量。

(5)密目安全網(wǎng)能有效阻擋飛石，同時在保護側(cè)用待拆建筑物內(nèi)門板進行加強防護進一步提高了安全防護效果。但黑色防塵網(wǎng)效果不明顯，爆后粉塵較多，須加強爆后降塵。