復(fù)雜環(huán)境框剪高層樓房精確轉(zhuǎn)體定向拆除爆破

蒲文龍，劉 洋，公文新，劉啟進(jìn)，周 靜，趙子琪

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.哈爾濱恒冠爆破工程有限公司，哈爾濱 150080；3.陜西中爆檢測檢驗(yàn)有限責(zé)任公司，西安 710000)

1 工程概況

1.1 周圍環(huán)境

待拆除爆破的樓體(23層爛尾樓)位于哈爾濱市道外區(qū)北馬路13號。該大樓北側(cè)距離北環(huán)辰能五金城67 m；西側(cè)距離民用高壓線6 m，距寶宇天邑瀾灣小區(qū)門市房40 m；南側(cè)距離高壓線10 m，距離建筑工地35 m；東側(cè)距離棄用的多層樓房6 m，距離北馬路小學(xué)85 m；樓房50 m范圍內(nèi)無任何地下管網(wǎng)設(shè)施(見圖1)。

圖1 爆區(qū)周圍環(huán)境Fig.1 Surroundings of the blasting area

1.2 建筑結(jié)構(gòu)

待拆主樓四周為磚砌裙樓，該樓總建筑面積約33 350 m2，主樓長50 m、寬29 m、高87 m，共計(jì)24層，其中地上23層、地下1層。1層層高4.6 m，2層層高4.0 m，3～23層層高均為3.5 m(21層層高5.3 m)，6排承重立柱由北向南分別編號為A軸～F軸，由西至東為1～6軸，1～2層圓柱直徑為1.2 m，方柱每邊長為1.0 m，3～10層方柱每邊長為0.9 m，11～23層方柱每邊長為0.7 m(見圖2)。

圖2 樓房框剪結(jié)構(gòu)平面Fig.2 Building frame shear structure plane

剪力墻結(jié)構(gòu)由2個電梯井、1個樓梯間、1個管道井及1個設(shè)備間所組成，位于樓中心東西兩側(cè)，相距3.5 m；6～23層?xùn)|側(cè)剪力墻結(jié)構(gòu)中的設(shè)備間變?yōu)殡娞菥?。剪力墻結(jié)構(gòu)面積為9.5 m×6.9 m，墻內(nèi)藏有暗柱，1～4層剪力墻壁厚25 cm，5～23層剪力墻壁厚20 cm，磚墻37 cm。

1.3 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

待拆除樓房西側(cè)6 m處和南側(cè)10 m處為道外區(qū)域幾十萬戶供電的高壓線，高壓線高度約10 m，東側(cè)6 m位置為多層樓房，北側(cè)67 m處為北環(huán)辰能五金城。該待爆工程最大的技術(shù)難點(diǎn)為：西側(cè)、南側(cè)高壓線和東側(cè)建筑物距離待爆樓體非常近，樓房倒塌范圍非常有限，要求精準(zhǔn)控制樓體倒塌方向，并防止塌散物砸壞臨近高壓線。

2 爆破方案及切口設(shè)計(jì)

2.1 爆破方案

基于精細(xì)爆破的理念和建筑物失穩(wěn)傾倒的基本力學(xué)原理[1-3]，根據(jù)爆體結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境和安全要求，提出北偏東“精確轉(zhuǎn)角”定向傾倒和原地坍塌相結(jié)合的倒塌模式，采用高位切口三段切割精確控制樓體轉(zhuǎn)角約為北偏東15°。樓房拆除的基本思想：三段切割五段延時，邊傾倒邊下坐，即達(dá)到阻尼下坐緩沖落地。

2.2 切口設(shè)計(jì)

1)切口位置。根據(jù)待拆樓房高度和北側(cè)允許倒塌范圍，確定11～12層為上切口位置，定向傾倒樓層部分的高寬比為1.63；根據(jù)待拆樓房地下一層的空間容量條件，確定3～6層和1～2層為中下切口，確保防止塌散物對臨近高壓線和建筑物的沖擊破壞。

2)切口高度。倒塌方向的切口高度Hp通常不小于墻厚δ的2.5～3倍，即Hp≥(2.5～3)δ。根據(jù)實(shí)際，確定第1切口高度(11～12層)為4.6 m；切口角度為9.01°；第2切口高度(3～6層)為11.2 m；第3切口高度(1～2層)為3.0 m(見圖3)。

圖3 樓體爆破切口Fig.3 Blasting cut of the building body

hp≥k(Bmax+Hmin)

(1)

式中：k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，1.5～2.0；Bmax為立柱截面的最大邊長，取1.0 m；Hmin為臨界破壞高度，按照大柔度桿考慮，Hmin=12.5d，d為立柱的豎向主筋直徑，本大樓立柱配筋直徑為d=0.025 m(螺紋鋼)，即Hmin=0.315 m。

經(jīng)計(jì)算得：hp=1.97～2.63 m。

根據(jù)實(shí)際，確定1～2層立柱的爆高為3.0 m；3～6層立柱的爆高為2.8 m；11～12層立柱爆高分別為：2.3、1.28、0.64 m。

4)樓房傾倒可靠性驗(yàn)算。爆破切口內(nèi)的立柱失穩(wěn)閉合后，樓房的重心必須偏移至樓體以外才能保證其傾倒可靠性[7](見圖4)，由圖獲得計(jì)算式：

圖4 樓房傾倒可靠性分析Fig.4 Building dumping reliability analysis

(2)

(3)

式中：LX為切口閉合樓房重心偏移樓體外邊緣距離；Hp為爆破切口的閉合高度，2 m；β為爆破切口閉合角，3.945°；B為大樓倒向?qū)挾龋?9 m；ZC為大樓的重心高度，43.5 m。

將有關(guān)參數(shù)代入式(2)得重心偏移至樓體以外的距離為：LX=16.79 m，滿足樓房傾倒要求。

在北京，大量建設(shè)項(xiàng)目沒有考慮對水的滯留，缺少滯水、蓄水設(shè)施。 例如北京 2012 年“7·21”暴雨，全市受災(zāi)人口190萬人，經(jīng)濟(jì)損失近百億元。本次暴雨接近歷史極值，盡管受災(zāi)嚴(yán)重不完全是因城市硬化率高造成的，但如果能像日本東京那樣大量建設(shè)儲水池，應(yīng)該能有效緩解災(zāi)情。按北京城區(qū) 400km2，“7·21”北京城區(qū)平均降水量200 mm計(jì)算，總降水量超過8 000萬m3。如果在全市建設(shè)一萬個儲水池，每個儲水池容積5 000 m3（占地下平面 1000m2，高 5 m），就能收集5 000萬m3的水量，極大地減緩道路積水量，給市政管網(wǎng)排水爭取時間。

2.3切口參數(shù)設(shè)計(jì)

運(yùn)用精細(xì)爆破的理念，切口爆破參數(shù)采用精確設(shè)計(jì)[7-8]。根據(jù)爆破體的材質(zhì)、幾何形狀和尺寸、結(jié)構(gòu)類型、施工條件和對爆破效果的要求，采用差異化爆破設(shè)計(jì)方法；并通過現(xiàn)場試爆調(diào)整優(yōu)化爆破參數(shù)。根據(jù)不同立柱尺寸及層位分別采用“十”字形、“中”字形和四方形水平孔，梁、柱結(jié)點(diǎn)布置向下傾斜45°布孔，具體參數(shù)如表1所示。

表1 立柱爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters of column

3 起爆網(wǎng)路及樓體轉(zhuǎn)角計(jì)算

3.1 起爆網(wǎng)路

本次樓房拆除爆破采用導(dǎo)爆管簇聯(lián)復(fù)式立體交叉起爆網(wǎng)路，形成以四通連接網(wǎng)路為主線，簇聯(lián)網(wǎng)路為底層支線的閉合網(wǎng)路，每個藥孔內(nèi)裝填2發(fā)導(dǎo)爆管雷管，每樓層的接力點(diǎn)用四通聯(lián)為兩條獨(dú)立的導(dǎo)爆管網(wǎng)路，上下樓層之間的網(wǎng)路用6根導(dǎo)爆管貫通(見圖5)。

圖5 起爆網(wǎng)路Fig.5 Detonating network

采用半秒延時導(dǎo)爆管雷管，整個樓房拆除分為5段起爆，每段間隔時間為0.5 s，其中，11～12層樓3段起爆時間分別為0、0.5、1 s，3～6層樓第4段起爆延時為1.5 s，1～2層樓第5段起爆時間為2 s，起爆范圍如表2所示。

表2 起爆范圍Table 2 Detonation range

3.2 樓房轉(zhuǎn)角偏移計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，倒塌方向偏移角度應(yīng)滿足以下公式：

(4)

式中：L1、L2為承重立柱的距離；α為偏移角度。

第1響樓體重心偏移角度承重立柱間距離L1為8.4 m、L2為36 m，將L1、L2代入式(4)后，偏移角度α=13.13°。樓體重心向北倒塌至10、15、20 m處，分別向東偏移距離為2.3、3.5、4.7 m。

第2響樓體重心偏移角度承重立柱間距離L1為17.3 m、L2為36 m，將L1、L2代入式(4)后，偏移角度α=25.67°。樓體重心向北倒塌至10、15、20 m處，分別向東偏移距離為4.8、7.2、9.6 m。

第3響樓體重心偏移角度承重立柱間距離L1為8.4 m、L2為7.2 m，將L1、L2代入式(4)后，偏移角度α=49°。第3響后剩余3根立柱完全支撐不住樓體質(zhì)量，對樓體力的作用微乎其微(見圖6)。

圖6 三響偏移角度Fig.6 Offset angle of three initiation

4 預(yù)處理及安全防護(hù)

4.1 預(yù)處理

為保證本樓房順利倒塌，減少爆破工作量和炸藥用量、減小爆破振動危害效應(yīng)，利于主爆體的定向傾倒與解體，對能夠預(yù)先拆除的部位實(shí)施預(yù)處理，具體預(yù)處理項(xiàng)目為：樓房外部西側(cè)6樓以下裙樓。樓房內(nèi)部1～2層的樓板、剪力墻、承重磚墻、樓梯及旋轉(zhuǎn)樓梯；5～6層、11～12層的樓板、剪力墻、承重磚墻。爆破切口內(nèi)的樓體西側(cè)1～6層的主樓外部承重磚墻、立柱及圈梁；11～12層所有磚墻。

4.2 安全防護(hù)

1)阻尼式下落技術(shù)。采用三切口五段半秒延時起爆技術(shù)，控制一次最大起爆藥量使樓房充分解體，最大限度地降低爆破振動、塌落觸地振動和爆破沖擊波等有害效應(yīng)。

2)爆破切口用4層草墊子2層金屬網(wǎng)外掛1層建筑綠網(wǎng)防護(hù)，并在西側(cè)和北側(cè)保護(hù)目標(biāo)設(shè)置防護(hù)圍擋，防止飛石破壞臨近高壓線及建筑物。

3)為進(jìn)一步減少樓體倒塌觸地振動對周圍建筑的影響，在樓體傾倒范圍鋪設(shè)8 m高土堤，并在倒塌位置周圍開挖減振溝。

4)充分利用地下室吸收大量的觸地沖擊能量，減少振動強(qiáng)度和影響范圍，并盡可能把倒塌后的爆堆控制在地下室的空間內(nèi)。

5 爆破效果

待爆樓房周邊200 m范圍內(nèi)為警戒區(qū)域，從設(shè)計(jì)到實(shí)施起爆共歷時25 d，施工鉆孔2 178個、鉆孔深度879.2 m，使用炸藥300.6 kg、雷管4 356發(fā)。

通過無人機(jī)航拍結(jié)果可知，樓房從失穩(wěn)到坍塌歷時14.7 s，起爆后樓房整體向北偏東約15°倒塌，塌散范圍約為23 m，北側(cè)對面北環(huán)五金城、西側(cè)和南側(cè)僅6～10 m高壓線、距離爆體6 m多層樓房均安全無恙，爆后解體充分利于爆渣清運(yùn)，完全達(dá)到了預(yù)期的爆破效果(見圖7)。在周圍保護(hù)目標(biāo)附近布設(shè)了6個振動監(jiān)測點(diǎn)，測得振動速度最大值為1.31 cm/s，在《爆破安全規(guī)程》要求的安全閾值范圍內(nèi)。

圖7 倒塌效果Fig.7 Collapse effect