復(fù)雜環(huán)境電梯試驗塔定向控制爆破拆除技術(shù)

韓文紅，顧云，劉迪，孫飛，李飛，陳順祿

（1.核工業(yè)南京建設(shè)集團有限公司，江蘇 南京 211102；2.南京君緣科爆工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著國家城市規(guī)劃、建設(shè)和改造進入快速發(fā)展的時期，拆除爆破因具備安全、高效、經(jīng)濟等優(yōu)點，被廣泛用于鋼筋混凝土建（構(gòu)）筑物拆除施工。但受到拆除項目周邊環(huán)境不理想、結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜以及拆除爆破危害效應(yīng)等因素的影響，在施工過程中某一環(huán)節(jié)稍有缺陷就會造成炸而不倒、未爆失穩(wěn)等問題，方案設(shè)計缺乏系統(tǒng)性、準確性、科學(xué)性，為復(fù)雜環(huán)境精細拆除爆破埋下安全隱患。本文基于工程實踐對爆破方案進行科學(xué)論證，從設(shè)計參數(shù)計算、安全校核、安全防護等多個方面對復(fù)雜環(huán)境下電梯試驗塔的定向拆除爆破進行研究，為類似工程爆破拆除提供參考。

1 工程概況

江蘇通用電梯有限公司位于揚州廣陵經(jīng)濟開發(fā)區(qū)海沃路22號，場地內(nèi)建有一座電梯試驗塔。目前公司已停產(chǎn)，根據(jù)當?shù)卣?，電梯試驗塔予以整體拆除。試驗塔主體高度99.9 m，另頂部構(gòu)架物高約20 m（已人工拆除），為確保拆除施工安全，經(jīng)論證后擬采取定向控制爆破技術(shù)拆除［1-3］。

1.1 周邊環(huán)境

待拆除電梯試驗塔東側(cè)距離安達康泰科技材料有限公司最近73 m，距離南劉路170 m，距離江蘇恒春有限公司134 m；南側(cè)距離海沃路70 m，距離10 kV龍莊線82 m，距離揚州供水有限公司106 m；西側(cè)距離10 kV袁巷119線162 m，距離通信鐵塔166 m；北側(cè)距離揚州大力電力廠房、奧林運動器材公司91 m，距離揚州市華建建設(shè)檢測中心152 m，距離銀焰路210 m。以上重點保護目標如圖1所示。

圖1 爆破環(huán)境Fig.1 Blasting surroundings

表1 剪力墻墻身配筋情況Table 1 Rebar arrangement of the shear wall

1.2 結(jié)構(gòu)特點

待拆電梯試驗塔主體高度99.9 m，截面總體尺寸為10.2 m×10.2 m，四面非對稱矩形剪力墻結(jié)構(gòu)，地上有27層。第27層上部為屋面及塔頂塔架，混凝土強度等級C30，建筑面積3282.48 m2，占地面積106.3 m2，電梯試驗塔質(zhì)量約3500 t。剪力墻配筋參數(shù)見表1。

2 技術(shù)難點

（1）該電梯試驗塔屬于非對稱截面矩形、剪力墻結(jié)構(gòu)的高聳建筑物，結(jié)構(gòu)長徑比大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，預(yù)先拆除作業(yè)難度高。

（2）電梯試驗塔主體高度99.9 m，需合理開設(shè)爆破切口；同時要充分考慮倒塌結(jié)構(gòu)對地面的沖擊力引起振動會對周邊廠區(qū)、高壓線路等保護目標造成影響。

（3）待拆電梯塔周邊鄰近廠房密集、距離近，環(huán)境較復(fù)雜，爆破飛散物控制難度大，稍有疏忽，容易釀成事故。

（4）機械預(yù)拆除作業(yè)及待爆墻體防護作業(yè)均涉及高空作業(yè)，同時電梯井內(nèi)部作業(yè)空間受限，作業(yè)難度大、危險系數(shù)高，高空作業(yè)的安全保障措施復(fù)雜、繁瑣。

3 爆破方案

3.1 方案論證

待拆除的結(jié)構(gòu)可選用的方案有原地坍塌和定向傾倒2種方法。受到結(jié)構(gòu)高度限制，原地坍塌產(chǎn)生的爆堆較高，機械破碎清運時，極有可能產(chǎn)生二次坍塌，從而危及到施工人員安全。因此原地坍塌方法風(fēng)險極大，對拆除結(jié)構(gòu)不適用。

考慮到結(jié)構(gòu)的西側(cè)方向位置空曠且屬于廠區(qū)，延展長度滿足定向傾倒要求，倒塌方向兩側(cè)近區(qū)無其他建筑物，確保倒塌造成的振動、飛散物不會對周邊環(huán)境造成影響。

3.2 預(yù)處理措施

為減小一次齊爆藥量，降低爆破規(guī)模，提高爆破安全性，使電梯試驗塔沿設(shè)計方向順利傾倒和形成良好的破碎效果，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，進行以下預(yù)處理：

（1）辦公樓搭接處預(yù)處理。爆破前應(yīng)將電梯試驗塔南部依附的5層辦公樓使用機械拆除并清運干凈，確保電梯塔爆后倒塌過程中不造成不利影響。

（2）剪力墻預(yù)處理。爆破前，在電梯試驗塔結(jié)構(gòu)可靠性驗算的基礎(chǔ)上，使用機械將第1層、第2層部分墻體破除清運出試驗塔。第1、第2層電梯試驗塔預(yù)處理如圖2、圖3所示，預(yù)留剪力墻用鉆爆法拆除，保留結(jié)構(gòu)區(qū)域不作處理。

（3）電梯間預(yù)處理。爆破前將第1、第2層電梯間機電安裝設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)全部清除，可有效改善爆破效果。

（4）樓梯預(yù)處理。由于電梯試驗塔倒塌方向為正西側(cè)，樓梯間位于試驗塔內(nèi)部東側(cè)，為避免爆破后因樓梯間自身剛度強而阻礙電梯試驗塔順利倒塌，爆破前需使用機械將第1層的樓梯全部破除并清運出試驗塔。

圖2 第1層預(yù)處理Fig.2 Pretreatment of the first floor

圖3 第2層預(yù)處理Fig.3 Pretreatment of the second floor

（5）其他預(yù)處理。將電梯試驗塔北側(cè)圓弧形結(jié)構(gòu)使用機械破除清運。

3.3 爆破切口設(shè)計

3.3.1 爆破切口

切口采用三角形，電梯試驗塔向正西方向倒塌。爆破切口角度為40.46°，爆破切口高度為8.7 m（見圖4）。

圖4 爆破切口Fig.4 Blasting cut

3.3.2 重心偏移距離校核

根據(jù)電梯試驗塔的結(jié)構(gòu)特征，爆破切口內(nèi)的預(yù)留剪力墻失穩(wěn)閉合后，電梯試驗塔的重心必須偏移至上部結(jié)構(gòu)外側(cè)才能保證其傾倒可靠性。爆破切口的閉合角為：

式中：β——閉合角，（°）；Hp——爆破切口的閉合高度，m；B——電梯試驗塔倒向長度，m。

第1、第2層需要進行爆破，取Hp=28 m，B=10.2 m，代入式（1）得閉合角β=40.46°。切口閉合后，重心偏移出上部結(jié)構(gòu)外側(cè)的距離為：

式中：L——重心偏移距離，m；Zc——電梯井重心，取50 m。

將電梯塔結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式（2）得：L=26.12 m。

通過計算可以看出，加上電梯試驗塔倒塌產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣性，其重心確保能夠移至塔體外側(cè)。

3.3.3 支撐區(qū)失穩(wěn)校核

電梯試驗塔爆破切口形成后，下部支撐區(qū)混凝土具有的抗壓強度，能承擔上部結(jié)構(gòu)的載荷，不能發(fā)生瞬時正截面壓碎破壞，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計算出支撐區(qū)域鋼筋混凝土強度滿足抗壓要求［4-5］：

式中：σ——支撐區(qū)混凝土實際抗壓強度，Pa；[σ]——支撐區(qū)混凝土極限抗壓強度，Pa；F——上部結(jié)構(gòu)自重，N；A——支撐區(qū)截面面積，m2。

電梯試驗塔質(zhì)量為3500 t，第1層電梯塔預(yù)留截面面積為6.12 m2。計算出支撐面積抗壓強度為5.6 MPa，小于C30混凝土極限抗壓強度。由計算可知切口形成后預(yù)留部分能夠支撐起電梯塔上部構(gòu)件的重力，確保不會提前失穩(wěn)。

3.4 爆破參數(shù)設(shè)計

3.4.1 炮孔參數(shù)設(shè)計

最小抵抗線W=B/2=150 mm（B為墻體厚度，預(yù)留剪力墻厚度均為300 mm）；由于墻體較薄，采用直列布孔形式，選取炮孔間距a=300 mm；炮孔深度L=B'/2+δ/2（δ為藥包長度，B'為立柱邊長）；原則要保持裝藥中心基本上在立柱的中心位置；為確保剪力墻爆破后，爆破位置的混凝土完全破碎并脫離鋼筋籠，炸藥單耗q=1.85~2.14 kg/m3；炮孔直徑d=38 mm。在圖2與圖3中對墻體進行了編號，總藥量合計為17.80 kg，各區(qū)域的爆破參數(shù)見表2。

3.4.2 起爆網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)預(yù)處理及裝藥設(shè)計情況，1~4號墻體選用HS2段半秒延期導(dǎo)爆管雷管，5~13號墻體選用HS3段半秒延期導(dǎo)爆管雷管［6］，網(wǎng)路連接采用“一把抓”，15~20發(fā)一束，接力雷管選用MS3段毫秒延期導(dǎo)爆管雷管連接。

4 安全防護

4.1 振動校核與控制措施

4.1.1 爆破振動校核

對于本次爆破拆除，按照國標確定的標準，取安全振動速度（質(zhì)點垂直振速）Vc=2.5 cm/s。爆破地震波振動速度可根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）給出的質(zhì)點垂直振速公式進行計算，考慮到此次爆破為內(nèi)部裝藥多點分布的控制爆破，計算公式［7-9］為：

式中：Qmax——最大一段（次）起爆的炸藥量，kg；Vc——被保護目標的安全振動速度，cm/s；K'——毫秒延時控制爆破修正系數(shù)，取0.5~0.8；R——爆點中心至被保護目標的距離，m；K、α——與爆破地形、地質(zhì)條件等有關(guān)的系數(shù)和地震波衰減指數(shù)，可根據(jù)經(jīng)驗確定。

電梯試驗塔距離最近的保護目標約73 m，最大允許一次齊爆藥量為381.11 kg，而本次爆破共需炸藥17.80 kg，其中HS2段起爆藥量8.00 kg，HS3段起爆藥量9.80 kg（最大段齊爆藥量），遠小于允許齊爆藥量。

表2 爆破參數(shù)Table 2 Blasting parameters

4.1.2 塌落振動校核

根據(jù)量綱分析方法，集中質(zhì)量（沖擊或塌落）作用于地面造成的塌落振動速度可用下式［10-11］確定：

式中：vt——塌落振動速度，cm/s；R——觀測點至撞擊中心的距離，m；I——塌落觸地沖量，N·s；M——下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；H——構(gòu)件重心高度，m。

其中M＝3500 t，H＝50 m，分析以上數(shù)據(jù)得出，滿足爆破規(guī)程塌落振動速度<2.5 cm/s的要求。

4.1.3 振動控制措施

（1）根據(jù)爆源中心至保護物的最小距離，精確計算一次所允許起爆的最大單段裝藥量，嚴格將爆破振動控制在安全振動速度以下；

（2）設(shè)計中降低了電梯塔爆破切口位置；

（3）在電梯試驗塔倒塌落地中心線設(shè)置減振堤，3道減振堤分別設(shè)置在50、70、90 m處，尺寸為長×上口寬×高=20 m×1.5 m×2 m；

（4）在倒塌端部100 m處開挖一條尺寸為長×上口寬×深=20 m×20 m×2 m的減振溝，以便減輕電梯塔端部落地撞擊振動和飛石的打擊危害；

（5）在倒塌中心線兩側(cè)分別開挖一條寬度1 m、深度2 m、長度50 m的減振溝，以阻斷和降低振動源向外輻射的能量；

（6）爆破的安全半徑以及人員觀察點、起爆站和警戒人員所處的位置，倒塌方向爆破安全距離取200 m。

4.2 飛石安全距離校核與防護措施

4.2.1 飛石距離

待拆電梯試驗塔周邊有管道、建筑物、公路，需防止爆破飛石造成破壞。爆破飛石距離可由經(jīng)驗公式［12-13］計算：

式中：KT——與爆破方式、填塞長度、地質(zhì)和地形條件有關(guān)的系數(shù)，結(jié)構(gòu)物爆破一般取KT＝1.2~1.5，鋼筋混凝土取大值；K——炸藥單耗，取2.14 kg/m3；D——炮孔直徑，本次爆破D＝38 mm；R——爆破飛石飛散距離，m。

計算得飛石最大飛散距離為122 m。

4.2.2 飛石的防護措施［14-19］

（1）布孔前詳細測試爆體尺寸，確保實際最小抵抗線≮設(shè)計值；使最小抵抗線方向避開重點保護目標，指向開闊區(qū)。

（2）加強填塞質(zhì)量，嚴格控制單耗藥量。

（3）爆破時在墻體爆破部位用2層竹笆和2層密目網(wǎng)進行防護，然后用鐵絲網(wǎng)綁扎3層。

（4）爆破時將警戒范圍內(nèi)的人員、機械全部清空，確保爆破警戒范圍內(nèi)人員全部撤離；

（5）爆破前倒塌范圍內(nèi)碎石塊清理干凈，控制二次飛濺。

實際效果表明，本次爆破飛石防護措施非常到位，周邊30 m內(nèi)未見飛石造成危害效應(yīng)。

5 爆破效果

如圖5所示，起爆后，電梯試驗塔按設(shè)計向正西方向傾倒，塌落狀態(tài)精確平穩(wěn)。因防沖堤、減振溝作用，振動影響微弱。落地混凝土不規(guī)則堆積，高度約7 m。因爆破參數(shù)設(shè)計合理，安全防護措施到位，沒有碎塊飛出，未對公路、廠房等造成影響，爆破達到預(yù)期施工效果。

圖5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

6 結(jié)語

（1）認真研究和分析電梯試驗塔的結(jié)構(gòu)特點，對剪力墻、電梯間、樓梯進行機械預(yù)處理，精細設(shè)計方案，合理選擇爆破參數(shù)，確保了倒塌方向的精準性。

（2）對于高聳電梯塔結(jié)構(gòu)體，根據(jù)保留體截面支撐能力來設(shè)計切口尺寸，同時對重心偏移、支撐可靠性安全核算，在倒塌過程中保證結(jié)構(gòu)重心偏移至結(jié)構(gòu)體外側(cè)，避免發(fā)生后坐或未爆坍塌。

（3）在定向倒塌方向場地布置沙包減振堤和減振溝，可有效減小落地振動；用雙層的密目網(wǎng)、竹笆防護覆蓋爆破孔眼，可有效減少爆破飛石打擊周邊廠房。

（4）針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高聳建（構(gòu)）筑物在受限空間范圍內(nèi)拆除施工困難的問題，綜合采用爆破拆除主體結(jié)構(gòu)、機械破碎倒塌結(jié)構(gòu)是一種有效的解決途徑。