質量不均衡大高寬比框剪結構樓房控制爆破實踐

李衛(wèi)群，鐘 云，周浩倉

(江西省高端爆破工程有限公司，江西 吉安 343000)

1 工程概況

景德鎮(zhèn)市金岸名都1號樓位于景德鎮(zhèn)市昌江區(qū)，為配合景德鎮(zhèn)市道路規(guī)劃要求，景德鎮(zhèn)房地產開發(fā)管理辦公室擬將該1號樓(總共14層)進行爆破拆除。該樓1樓層高4.9 m，2樓層高5.8 m，3～14樓層高2.9 m，大樓總高度45.5 m，長36.2 m，寬15.3 m，另主樓西面、北面各有1個2層的附樓，大樓總建筑面積11 000 m2。大樓共1個單元，1梯2戶，坐北朝南，框剪結構，目前大樓僅完成了框架澆筑。

1.1 建筑結構

1號樓1層有圓柱4根，立柱12根，剪力墻異形柱8組，電梯井、樓梯間為剪力墻結構，異形柱、剪力墻內部設有暗柱；2層及以上的樓層有立柱8根，剪力墻異形柱與1層相同結構；樓梯間、電梯間設在大樓正中的北面；大樓圓柱、立柱、剪力墻及連梁混凝土強度等級：基礎頂至4層樓面混凝土強度等級為C35；4層樓面至7層樓面混凝土強度等級為C30；7層樓面以上混凝土強度等級為C25。大樓平面結構如圖1所示，暗柱結構如圖2所示。

圖1 大樓平面結構Fig.1 Plane structure of the building

圖2 暗柱結構Fig.2 Structure of inner columns

1.2 周圍環(huán)境

大樓坐北朝南，東面為沿江路，與該路最近距離6 m(大樓與路之間有圍墻)，路的東面為2層商鋪樓(磚混結構，已封待拆)距離15 m，東南方向的商鋪后面40 m處為防洪堤并有一水利基準點，距離昌江碼頭直線距離約25 m；東南角距離浮橋約50 m；南面15 m處為浮橋西路，路兩邊有地下排水管網(wǎng)、電纜管、自來水管等，約35 m處有城市高壓線路及高壓線桿，路以外為空地，約300 m范圍內無樓房；西北角約10 m處有一在建樓房地下室基礎，該基礎距離大樓倒塌中心線約15 m，160 m處為金岸名都售樓部及大片居民房，190 m處為瓷都大道；西南向緊挨浮橋西路32 m處有一路燈桿及城市照明線路，該處距離大樓倒塌中心線最近距離約10 m，146 m處為國稅局大樓；北面距離金岸名都2號樓25 m，該樓基礎高于被爆大樓基礎5 m；距離其他大樓最近65 m，約150 m處為公園路，200 m處為人民公園。待拆大樓與2號樓間還有待拆的附屬樓，爆區(qū)5 m范圍內無地下管線等須保護對象。周圍環(huán)境如圖3所示。

圖3 周圍環(huán)境Fig.3 Surrounding environment

2 爆破方案

2.1 工程特點難點分析

1)因爆區(qū)周圍環(huán)境限制，政府要求向西傾倒；大樓高45.5 m、寬15.3 m，高寬比約3倍，倒塌方向為大樓的長邊(縱向)方向，大高寬比對樓房在坍塌過程中的穩(wěn)定性影響很大，需合理設計爆破切口方式、切口高度及延時時間，確保大樓穩(wěn)定順利坍塌。

2)整體大樓重心偏北，大樓縱向中心軸的北邊為全剪力墻結構，剪力墻異形柱及暗柱結構較多，為減少鉆孔工作量，預處理工作量較大，預處理前，需認真計算保留部分的載荷計算，避免傾倒時偏移方向傷及周邊保護對象造成嚴重后果。

3)大樓傾倒方向空間距離有限，爆破危害的控制難度大，需精心設計，確保前沖、坍塌物擴散等有害效應不傷及保護對象。

2.2 爆破方案確定

根據(jù)大樓周邊環(huán)境情況及大樓的結構特征，設計采用梯形切口、利用“時間差”，使用數(shù)碼電子雷管、一次延時起爆、向西定向傾倒的爆破方式。

2.3 爆破切口

1)根據(jù)經(jīng)驗公式[1-2]計算切口高度：

H=L·tanα

(1)

式中：H為切口高度，m；L為樓房跨度；本工程跨度為36.2 m；α為傾倒角，取25°。

爆破切口如圖4所示。

圖4 爆破切口Fig.4 Blasting cutting

2)根據(jù)經(jīng)驗公式[1-2]計算承重立柱破壞高度：

H=K(B1+Hmin)

(2)

式中:H為承重立柱破壞高度，m；K為與建筑物倒塌有關的經(jīng)驗系數(shù)，一般取1.5～2.0；B1為立柱截面的長邊，m；Hmin為承重立柱的最小破壞高度，m。

整體大樓只進行了框架澆筑，整體重量偏輕，柱、剪力墻規(guī)格復雜，為使大樓平衡穩(wěn)定地順利傾倒，經(jīng)計算后根據(jù)規(guī)格大小來調整不同的破壞高度。柱、剪力墻設計切口高度參數(shù)如表1所示。

表1 柱、剪力墻切口高度

2.4 預處理

為消減鉆孔量，降低裝藥量以減小爆破振動及飛石，在不影響主體結構穩(wěn)定的情況下，進行預拆除。

1)機械預拆除大樓周邊的附樓及A軸，在預拆除作業(yè)的同時，必須注意大樓各層的房屋結構，防止出現(xiàn)意外倒塌的危險。

2)拆除與待拆建筑物相連的電線、水管、天然氣管及其他管線。

3)采取線切的方式預拆除切口內部分剪力墻、電梯井及樓梯間，但必須保留暗柱及承重構件，預處理切割高度應高于設計切口高度不小于0.5 m；將每段樓梯與平臺以及和剪力墻連接處的混凝土打掉。

4)預拆除要求自上而下，逐塊放落至地面，每拆除一層即將樓梯口封閉，并嚴禁下方有人作業(yè)。

5)爆破前對傾倒方向及周邊設施進行拆除、移除或加強防護，如管線、設施等。

附屬部分預拆除如圖5所示。

圖5 附屬部分預拆除Fig.5 Preliminary demolition appendage

2.5 爆破參數(shù)

1)炮孔直徑D。剪力墻取38 mm，立柱取40 mm。

2)最小抵抗線W。立柱通常取斷面短邊B的一半，剪力墻取壁厚的一半，即W=B/2。

3)炮孔間距a和排距b?？组g距取a=(1.2～2.0)W，多排布孔時，排距取b=(0.8～1.2)a。

離地(樓)面30 cm處開始布孔，采用水平孔鉆孔，所有立柱采用連續(xù)裝藥，剪力墻按爆破作業(yè)現(xiàn)場實際情況分別采用連續(xù)裝藥或間隔裝藥，間隔裝藥時將計算藥量分成2～3段，相鄰炮孔藥包上下錯開裝藥；孔內全部使用數(shù)碼電子雷管，每個藥包裝1發(fā)雷管。炮孔布置及裝藥結構如圖6所示。

注：A-長邊邊長;B-短邊邊長;a-孔距;D-孔徑;L-孔深;L裝-裝藥段;L填-填塞段;Ф-圓柱直徑。圖6 炮孔布置及裝藥結構Fig.6 Hole arrangement and charging structure

4)單孔裝藥量。選用φ32乳化炸藥；雷管選用數(shù)碼電子雷管，腳線長5 m。

根據(jù)裝藥量公式[1-2]來計算單孔裝藥量：

Q單=qV

(3)

式中：Q單為單孔裝藥量，kg；q為單位體積炸藥消耗量，kg /m3；V為炮孔負擔的爆破體積，m3。

根據(jù)計算，本工程在2樓選取了一根立柱進行試爆，試爆參數(shù)如表2所示，試爆效果如圖7所示。

表2 試爆參數(shù)

圖7 試爆效果Fig.7 Explosion test effect

根據(jù)試爆效果分析，試爆單耗過小，未能充分破壞其整體性，混凝土未完全脫籠，為了達到立柱完全失穩(wěn)的爆破效果，需增大爆破單耗，調整后的爆破參數(shù)如表3所示。

表3 爆破參數(shù)

續(xù)表3

5)鉸鏈處理。在建筑物拆除爆破中，往往對鉸鏈處要進行適當處理，使鉸鏈在同一水平面上折斷，以確保建筑物按照設計要求平穩(wěn)傾倒；若不進行處理，建筑物在傾倒過程中有可能在其他結構較薄弱處拉斷，影響倒塌效果；如果處理的高度符合設計要求，但處理的太過徹底，會致使鉸鏈處失去支撐力而產生過大的后坐；如果處理高度過高，建筑物在傾倒過程中的下坐及后滑作用而產生嚴重后坐并改變傾倒閉合角度，有可能爆而不倒，產生嚴重的安全隱患。本工程在20軸1樓底部對立柱及北向轉角的縱向剪力墻采取弱爆破，以松動為主，其他剪力墻不處理，剪力墻布1個孔，立柱在同一水平面上布2個孔(見表3)。

3 起爆網(wǎng)路

在大高寬比建筑物拆除爆破中，除了設計合理的爆破切口外，網(wǎng)路延時設計至關重要，爆破有害效應的控制、確保大樓平穩(wěn)順利的按照設計要求傾倒，都需通過合理的網(wǎng)路設計而達到理想的爆破效果。全網(wǎng)路設計為工業(yè)電子雷管[3]，其延時精準性、延時可調性、安全性及準爆率可確保網(wǎng)路安全及滿足網(wǎng)路設計要求，并有效地降低和控制爆破有害效應。起爆順序從西而東、從下而上分區(qū)延時一次起爆，設計雷管總量1 504發(fā)，采用5條起爆主線，5臺主線起爆器，總起爆器1臺，起爆器共6臺。

根據(jù)圖紙所示，E～H軸為剪力墻、電梯間及樓梯間，B～D軸為立柱，剪力墻進行部分預拆除后的鋼筋支撐力要小于B～D軸立柱鋼筋支撐力。因該樓房質量的不對稱結構，重心偏E～H軸，使傾倒方向的梁結構在自重作用下產生的剪力荷載大于B～D軸的剪力載荷，所形成的塑性鉸時間要短，為保證大樓傾倒不發(fā)生偏斜和扭轉，設計E～H軸比B～D軸延時100 ms起爆，20軸同段起爆。

根據(jù)建筑物傾倒過程分析[4]，當?shù)?排柱爆破失效時，在后2排的支撐下，還能保持穩(wěn)定性，但是，當?shù)?排失效時，建筑物發(fā)生傾斜，上部有前傾的速度，下部有后滑的速度，當?shù)?排失效時，建筑上部前傾速度增大，下部后滑速度也相對增大，在最后排的支撐下，當支撐時間過長，伴隨著前傾和后滑的速度增大，后坐也增大，而且支撐的時間有限，在極短的時間就會形成塑性鉸并破壞，當支撐時間過短，產生的前傾速度不夠，重心偏移不夠，有可能導致爆而不倒的情況。在大高寬比且梯形切口的建筑物拆除中，通過各排柱間合理的延時時間，確保形成足夠的傾覆力矩，和切口以上傾倒方向的梁結構在剪力荷載作用下形成塑性鉸并破壞。如果各排柱間延時時間過短，在未能形成塑性鉸之前就傾倒，大高寬比重心又偏離不出最前排立柱，切口角度又小，極有可能導致爆而不倒。如果各排柱間延時時間過大，則出現(xiàn)傾倒方向部分構件落地后，因各層連接梁的拉扯作用而不能傾倒，堆積在后起爆的排柱前面影響其倒塌，有可能造成整棟樓房爆而不倒的嚴重后果。一般來講，梯形切口偏心載荷小于三角形偏心載荷，形成的前傾速度也較小，觸地速度也小于三角形切口，相應的形成的爆堆前沖及擴散范圍、塌落振動也較小。本工程因倒塌范圍限制及對振動的要求，設計梯形切口較為合理。

綜合以上分析及減少一次觸地質量，設計分區(qū)分層延時爆破，降低塌落振動及爆破振動，本工程設計1層4個爆區(qū)，2、3、4層各3個爆區(qū)，4軸為1區(qū)、6軸為2區(qū)、9～15軸(電梯間、樓梯間處)為3區(qū)、18～20軸為4區(qū)。當前3區(qū)形成后，產生的后坐集中于第4區(qū)，根據(jù)圖紙所示，20軸少了B柱且支撐力較弱，支撐時間較短，為克制后坐，確保傾覆力矩及大樓的穩(wěn)定性，將18軸與20軸設計為鉸鏈支座[5]。參考有關案例[6]，梁結構在剪力荷載的作用下被破壞一般大于200 ms，本大樓設計1～3區(qū)的區(qū)間延時450 ms，4區(qū)的區(qū)間延時為650 ms，層間延時20 ms。3區(qū)跨度只有7 m，有電梯間、樓梯間及4根70 cm×70 cm的立柱，布筋遠大于其他爆區(qū)，設計4區(qū)延時相應增加200 ms。4區(qū)的18-B、18-D有Ф100 cm圓柱2根且大樓的重心偏E～H軸，設計比4區(qū)的其他支撐柱提前100 ms起爆。整個網(wǎng)路設計總延時為1 650 ms。網(wǎng)路延時如表4所示。

表4 網(wǎng)路延時

4 安全設計與振動監(jiān)測

4.1 爆破振動計算

樓房拆除藥包數(shù)量多且分散，而且藥包置于梁、柱上，經(jīng)建筑物向地表傳播，比裝藥集中的地表爆破振動要小得多，采用薩道夫斯基公式[7]計算：

(4)

式中：k、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質因素有關的系數(shù)和衰減指數(shù)；k′為與爆破方式有關的裝藥分散經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.25～1，距離爆源近且爆破體臨空面較少時取大值，反之取小值；Q為同段炸藥量，kg；R為爆破點與保護對象間的距離，m；v為允許質點振動速度，cm/s。本次爆破分別取k=31.81，k′=1，α=1.44。

根據(jù)以上表1、3、4所示，計算得出最大一段起爆總藥量Q，根據(jù)圖3周圍環(huán)境，計算得出距最近保護對象的距離R，經(jīng)以上爆破振動經(jīng)驗公式計算得出最大一段起爆藥量對最近保護對象的振速計算值(見表5)。

表5 振速計算值

4.2 塌落振動計算

建筑物塌落時沖擊地面引起的振動有可能大于爆破本身引起的振動，本工程按以下經(jīng)驗公式[7]計算：

(5)

式中：υt為塌落振速，cm/s；kt為衰減系數(shù)3.37～4.09，取kt=3.37，若塌落位置有墊層，kt值取前者的1/4～1/3，取1/3；R為保護對象至撞擊中心的距離，m；m為下落構建的重量，t；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為重心高度，m；σ為材料破壞強度，10 MPa；β為衰減指數(shù)1.66～1.80，取β=1.66。

通過分區(qū)起爆后，最大觸地質量為9～18軸，約3 100 t，觸地中心點距離北邊居民房約36 m，距離西北向在建基礎約18 m。東南方向水準點，最大觸地質量為18～20軸，約1 900 t，距離約60 m。觸地質量對保護對象塌落振動計算值如表6所示。

表6 塌落振動計算值

經(jīng)以上爆破振動及塌落振動計算得出：北面居民樓最大振動值為塌落振動1.40 cm/s；西北方向在建基礎最大振動值為塌落振動4.44 cm/s；東南方向水準點最大振動值為塌落振動0.46 cm/s。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)規(guī)定，一般民用建筑物的安全允許質點振動速度為2.0～3.0 cm/s，新澆大體積C20混泥土28 d以上的安全允許質點振動速度為8.0～12.0 cm/s；北側居民樓為框剪式結構；西側在建基礎應為大體積鋼筋混泥土結構，齡期超過了28 d。因此本工程產生的振動對周邊保護對象是安全的。

4.3 爆破飛散物安全距離計算

在無覆蓋的情況下，飛散物距離與炸藥單耗之間的關系用以下經(jīng)驗公式[8]計算：

S=70q0.58

(6)

式中：S為飛散物距離，m；q為炸藥單耗，kg/m3，本大樓最大設計單耗為3.1 kg/m3。

則：S=70×3.10.58=135 m。

根據(jù)飛散物安全距離計算結果以及周圍環(huán)境的實際情況，對爆破飛散物采取加強防護技術措施。無覆蓋情況下飛散物最遠距離為135 m，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)規(guī)定，拆除爆破安全距離根據(jù)設計來定。在確保安全的前提下，應充分考慮周圍居民的疏散量、交通管制性、安全警戒便利性及防護情況來劃定警戒距離。

4.4 安全防護措施

對所有墻(柱)的爆破部位用棉被進行第1道防護，以降低爆破噪音、沖擊波、爆破飛散物的初始速度；對爆破部位用加厚網(wǎng)格柵進行第2道防護。該道防護材料要求有一定的強度，綁扎時要有適當?shù)乃沙诙燃熬彌_性；用竹笆進行第3道防護，進一步阻擋沖破前兩道防護的大塊飛散物；切口外圍懸掛竹笆進行第4道防護，阻擋大塊飛石、粉塵及降低噪音和沖擊波；竹笆外圍再懸掛3層密目網(wǎng)，進行第5道防護，防止小飛石、粉塵及降低噪音及沖擊波；裝藥前嚴格校核孔網(wǎng)參數(shù)，如有變化，必須修正裝藥量，不準超裝藥量；嚴格按照設計施工，保證足夠的充填長度和充填質量；地下管網(wǎng)、路面、地面設施、飛濺物及塌落振動的預防措施：坍塌位置的地面為黃土層，只需加蓋1層密目網(wǎng)預防地面飛濺物；在鄰近坍塌位置的地下管網(wǎng)及路面上，先覆蓋1 m厚黃棉土，上面加蓋鋼板，鋼板上面再鋪上2 m厚的黃棉土，黃棉土上再鋪上1層密目網(wǎng)預防飛濺物；爆破時應關閉鄰近爆破對象的氣、電、水等設施；爆破后及時灑水降塵，做到文明、環(huán)保施工。

4.5 對周邊環(huán)境影響的監(jiān)測結果

為評爆破估振動對周邊重點保護對象的影響，爆破時進行了振動監(jiān)測，在距爆區(qū)最近的保護對象處共布置了3個監(jiān)測點，即西北方向10 m處的在建基礎，北面25 m處的居民房，東南方向40 m處的水利基準點。監(jiān)測結果分析，本工程設計總延時為1.65 s，振速最大值時刻在3.91 s，最小值時刻在2.88 s，從而得出此次爆破3個測點最大振動為塌落振動，西北方向在建基礎的塌落振動最大計算值為4.44 cm/s，實測值為4.26 cm/s，實測值與計算值基本接近；北面居民房的塌落振動最大計算值為1.40 cm/s，實測值為0.28 cm/s，實測值小于計算值，居民房建筑地基比被爆大樓地基高出5 m，降振效果明顯；東南方向水準點的塌落振動最大計算值為0.46 cm/s，實測值為0.92 cm/s，實測振動速度值大于計算值。3個測點的振動速度符合《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)規(guī)定的安全允許振速，此次爆破產生的振動不會影響保護對象的安全。振動實際監(jiān)測值如表7所示。

表7 振動實際監(jiān)測值

5 爆破效果及分析

1)在大高寬比且倒塌空間有限的樓房拆除中，采取梯形切口較為適合，梯形切口的倒塌方式與三角形切口有所不同，梯形切口第1排柱先行著地，而后逐段坍塌，所產生的傾覆力矩、前傾速度及后坐一般比三角形切口要小，塌落振動、塌落距離及擴散也較小，但形成的爆堆稍高。起爆后按照設計的方式由西向東逐跨順利坍塌，坍塌方向無偏差，爆破無后坐，解體充分，破損較均勻，爆破有害效應對周圍建筑物及設施無影響；塌落距離24 m，爆堆最大高度10 m(支座鉸鏈處)，爆堆最大寬度19 m。此次爆破效果良好，爆后效果如圖8所示。

圖8 爆后效果Fig.8 After blasting effect

2)傾倒過程如圖9所示，由圖分析可知，當?shù)?區(qū)爆破形成時，建筑物結構基本穩(wěn)定；第2區(qū)形成時，在自重的作用下倒塌軸線方向梁結構形成較大的剪力荷載并形成塑性鉸，下坐不較明顯；第3區(qū)形成時，隨著區(qū)段逐步形成，下坐質量的逐步增加，作用于倒塌軸線方向的梁結構形成的剪力荷載增大，15～18軸各層節(jié)點處瞬間形成塑性鉸并很快被拉斷，大樓重心在第3區(qū)中心位置，在偏心荷載的作用下，大樓在下坐的同時很快向前傾斜，18軸及20軸的第2層頂部被壓屈，因層高較高容易形成壓屈點，此時支座鉸鏈較穩(wěn)定。當爆破切口全部形成，隨著傾覆力矩的增大，前傾的速度也增大，20軸鉸鏈處很快被破壞并向前傾倒，同時2層的壓屈點被向前拉斷，大樓沿著設計方向緩緩傾倒。根據(jù)傾倒過程視頻分析，在質量不對稱的樓房拆除中，因重心偏向，作用于梁結構上的剪力荷載不同，使其形成的塑性鉸而破壞的時間也不同，可通過剪力墻結構部位與框架結構部位的延時來達到平衡。圖中可以看出，1、2區(qū)延時較為合適，3區(qū)因有電梯間及樓梯間，剪力墻部位質量大于其他區(qū)，在第3區(qū)與第4區(qū)之間，樓梯間及電梯間部位被拉伸破壞的時間逐漸縮短，說明延時時間宜相應增大。第2區(qū)與第3區(qū)之間拉斷不夠明顯，第3區(qū)整體延時再相應增大100～150 ms應能取得更好的爆破效果。

圖9 傾倒過程Fig.9 Collapsing process

6 結語

1)剪力墻結構的側向剛度比框架結構的側向剛度大很多，所以對其進行部分預拆除是十分必要的，不僅能確保按設計方案順利倒塌，還能減少爆破量，有利于爆破有害效應的控制。

2)設計2排支座鉸鏈，有利于在傾倒過程中的穩(wěn)定性，克制后坐，對確保前傾速度及閉合角度起到關鍵性作用。