復(fù)雜環(huán)境高層建筑物拆除爆破振動(dòng)控制與影響分析*

畢業(yè)武，公文新，劉啟進(jìn)，金珠鵬，周 靜，趙子琪

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022； 2.哈爾濱恒冠爆破工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080；3.陜西中爆檢測檢驗(yàn)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000； 4.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，在城市建設(shè)中改擴(kuò)建項(xiàng)目與拆遷工程日益增多。被拆除建筑物高度、體量不斷增加，結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境愈加復(fù)雜，工程質(zhì)量與安全要求愈加嚴(yán)格。由于機(jī)械拆除存在工期長、風(fēng)險(xiǎn)高、效率低、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，尤其是對(duì)于高層建筑物的拆除，爆破技術(shù)的優(yōu)勢更加突出。近30年來，我國諸多城市高層建筑物都是采用爆破技術(shù)進(jìn)行拆除的，目前該技術(shù)已經(jīng)成為城市高層建筑物拆除的主要手段[1-3]。由于爆破環(huán)境的復(fù)雜性、爆破建筑物結(jié)構(gòu)的特殊性、倒塌范圍的局限性，倒塌落地沖擊振動(dòng)強(qiáng)度大，爆破拆除難度大，使得爆破安全控制難度增大，如何保證復(fù)雜環(huán)境下爆破安全成為拆除爆破領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)[4-6]。本文以哈爾濱道外區(qū)復(fù)雜環(huán)境23層框-剪結(jié)構(gòu)爛尾樓爆破拆除工程為例，針對(duì)爆破振動(dòng)有害效應(yīng)，對(duì)其安全控制進(jìn)行探討和研究，采用遠(yuǎn)程測振系統(tǒng)進(jìn)行爆破振動(dòng)現(xiàn)場測試，對(duì)爆破振動(dòng)影響和爆破效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以期為復(fù)雜環(huán)境類似爆破工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

1.1 周圍環(huán)境

哈爾濱糧油批發(fā)市場在建工程項(xiàng)目(23層爛尾樓)爆破待拆除的樓體位于哈爾濱市道外區(qū)北馬路13號(hào)。該大樓北側(cè)距離北環(huán)辰能五金城67m；西側(cè)距離民用高壓線6m，距寶宇天邑瀾灣小區(qū)門市房40m；南側(cè)距離高壓線10m，距離建筑工地35m；東側(cè)距離待拆樓房6m，距離北馬路小學(xué)校85m；樓房50m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

1.2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

待拆除樓房西側(cè)6m處和南側(cè)10m處為道外區(qū)域供電高壓線，高壓線高度約10m、走向?yàn)楸逼珫|15°左右，東側(cè)6m位置為多層建筑物，北側(cè)67m處為北環(huán)辰能五金城(見圖1)。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。

1.3 爆破設(shè)計(jì)方案

根據(jù)爆體結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境和安全要求，提出高位切口3段切割精確控制樓體轉(zhuǎn)角爆破技術(shù)，基本思路為高位切口3段切割5段延時(shí)，邊傾倒邊下座，阻尼下座緩沖落地。具體方案：北偏東約15°“精確轉(zhuǎn)角”定向傾倒和原地坍塌，1～6層原地坍塌，11～12層定向傾倒，整個(gè)樓房設(shè)計(jì)3個(gè)爆破切口：11～12層樓為爆破上切口，3～6層為中切口，1～2層為下切口(見圖2a)。爆破部位裝藥分為5段起爆，每段間隔時(shí)間為0.5s，其中，11～12層樓3段起爆用時(shí)分別為0，0.5s和1s(見圖2b)，3～6層樓第4段起爆延時(shí)為1.5s，1～2層樓第5段起爆延時(shí)為2s。

圖2 樓體爆破切口、上切口延時(shí)起爆順序及轉(zhuǎn)角

2 爆破振動(dòng)災(zāi)害分析與控制

2.1 樓體觸地振動(dòng)分析

高層建筑物拆除爆破振動(dòng)主要指建筑物倒塌過程中的觸地振動(dòng)，其遠(yuǎn)大于炸藥爆炸產(chǎn)生的爆破振動(dòng)，因此，爆破工程設(shè)計(jì)施工中，除對(duì)炸藥爆破進(jìn)行有效控制和必要防護(hù)外，更應(yīng)對(duì)高層建筑物的觸地沖擊及由此引發(fā)的振動(dòng)進(jìn)行控制。

根據(jù)觸地振動(dòng)公式及工程實(shí)測，距離相同時(shí)，高層建筑物觸地振動(dòng)正前方振速大于側(cè)方及后方振速。為降低高層建筑物的觸地振動(dòng)，在倒塌條件允許的前提下可將單次振動(dòng)變?yōu)槎啻斡|地振動(dòng)，將單個(gè)爆破切口變?yōu)槎鄠€(gè)切口，可使高層建筑物倒塌從單次觸地沖擊變?yōu)槎啻螞_擊，高層建筑物解體后分散落地，減小了沖擊能量，從而降低了爆破振動(dòng)。

2.2 樓體觸地振動(dòng)控制

1)采用5段延時(shí)起爆精準(zhǔn)轉(zhuǎn)角，1～2層、3～6層、11～12層(3段)均采用0.5s延時(shí)，樓體上切口定向轉(zhuǎn)角，根據(jù)式(1)計(jì)算，第1響樓體重心偏移角度13.13°、第2響25.67°、第3響49°(見圖2b，2c)。倒塌方向偏移角度應(yīng)滿足式(1)：

(1)

式中：L1，L2為承重立柱的距離；α為偏移角度。

2)設(shè)計(jì)采取3個(gè)爆破切口，其中1～2，3～6，11～12層分別設(shè)置1個(gè)切口，弱化樓體整體強(qiáng)度，控制解體構(gòu)件尺寸，有效分解樓體觸地動(dòng)能。

3)在樓體倒塌位置地面堆放8m高砂土堤，在倒塌位置周圍設(shè)置減振溝及圍擋，3個(gè)爆破切口均覆蓋防護(hù)網(wǎng)，有效緩沖樓體倒塌觸地振動(dòng)。

4)控制樓體倒塌觸地位置在地下室范圍內(nèi)，充分利用地下室降低爆堆和吸能減振，控制塌落振動(dòng)影響范圍。

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測與影響分析

為保證爆破施工安全，本次爆破使用遠(yuǎn)程測振系統(tǒng)，該系統(tǒng)以工程爆破云計(jì)算中心為基礎(chǔ)平臺(tái)，以測振專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫為技術(shù)支撐，以網(wǎng)絡(luò)測振儀、瞬態(tài)校準(zhǔn)儀為外部配套設(shè)備，為爆破振動(dòng)實(shí)時(shí)測試、數(shù)據(jù)處理和服務(wù)用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、實(shí)時(shí)化提供了條件，該系統(tǒng)對(duì)建筑物拆除爆破過程中產(chǎn)生的爆破振動(dòng)及塌落振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測與動(dòng)態(tài)反饋，并對(duì)爆破效果進(jìn)行了全面分析。

3.1 傳感器布置

此次爆破振動(dòng)監(jiān)測共布設(shè)6個(gè)測點(diǎn)，編號(hào)分別為1～6，其布置情況如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)布置平面

1)1號(hào)測點(diǎn) 布設(shè)在待爆破樓房東側(cè)的待拆樓房地基上，距爆破樓房直線距離為6m。

2)2號(hào)測點(diǎn) 布設(shè)在待爆破樓房南側(cè)新建樓房門口地基上，距爆破樓房直線距離為40m。

3)3號(hào)測點(diǎn) 布設(shè)在新馬路與北馬路交口西南側(cè)3層樓房地基上，距爆破樓房直線距離為70m。

4)4號(hào)測點(diǎn) 布設(shè)在待爆樓房基本呈一條直線的正西側(cè)寶宇天邑瀾灣小區(qū)商服旁地基上，距爆破樓房直線距離為40m。

5)5號(hào)測點(diǎn) 布設(shè)在待爆破樓房西北側(cè)寶宇天邑瀾灣小區(qū)商服(交通銀行)旁地基上，距爆破樓房直線距離為60m。

6)6號(hào)測點(diǎn) 布設(shè)在待爆破樓房北側(cè)的北環(huán)辰能五金城南門前旁地基上，距爆破樓房直線距離為67m。

3.2 測試數(shù)據(jù)及其結(jié)果分析

3.2.1振動(dòng)測試波形分析

1)振動(dòng)波形

采用遠(yuǎn)程測振系統(tǒng)監(jiān)測得到本次拆除爆破振動(dòng)實(shí)測波形和幅頻特性，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 拆除爆破振動(dòng)信號(hào)測試結(jié)果

2)波形分析

由爆破振動(dòng)實(shí)測波形和幅頻特性分析可知，6個(gè)測點(diǎn)在振動(dòng)測試過程中均出現(xiàn)了不同階段振幅峰值，基本呈現(xiàn)如下規(guī)律：①在起爆2s內(nèi)的峰值信號(hào)均為炸藥起爆后(5響)引起的爆破振動(dòng)，在約8.7～12.7s內(nèi)的峰值信號(hào)是樓體起爆后垂直下落觸地振動(dòng)，即爆體塌落振動(dòng)。②2s內(nèi)峰值與約8.7～12.7s內(nèi)峰值之間所持續(xù)的時(shí)間即為樓房起爆到樓房本體垂直下落著地的時(shí)間，約為12.7s，樓房1～6層原地倒塌觸地后，上部11～23層爆體隨阻尼下座并向前倒塌，直到上部分完全倒塌，大約在14s時(shí)樓體上切口著地，即爆破切口閉合時(shí)的塌落振動(dòng)，因此樓房倒塌完全時(shí)間應(yīng)稍大于該值。③監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，爆破振動(dòng)明顯小于爆體塌落振動(dòng)。如4～6號(hào)測點(diǎn)垂向最大振動(dòng)速度出現(xiàn)時(shí)間為8.7～12.7s，由此可知塌落振動(dòng)峰值、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間都有別于1～3號(hào)測點(diǎn)，主要原因可能與測點(diǎn)所處位置(1～3號(hào)測點(diǎn)背向爆體倒塌方向)、地質(zhì)地層和距離有關(guān)。整體而言，在周圍類似地質(zhì)條件下，爆破地震波最大值主要取決于最大一次齊爆藥量即3～6樓層切口的第4段裝藥量192kg。

3.2.2振動(dòng)測試數(shù)據(jù)分析

1)破振動(dòng)產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度在0.52～1.91cm/s，主振頻率在3.80～4.92Hz。

2)待爆破樓房東側(cè)的待拆樓房(6m處)最大振速為1.78cm/s，主振頻率為4.72Hz；待爆破樓房南側(cè)新建樓房門口(40m處)最大振速為0.52cm/s，主振頻率為3.8Hz；在新馬路與北馬路交口西南側(cè)3層樓房(70m處)最大振速為0.87cm/s，主振頻率為4.92Hz；待爆破樓房基本呈一條直線的正西側(cè)寶宇天邑瀾灣小區(qū)商服(40m處)最大振速為1.91cm/s，主振頻率為3.86Hz；待爆破樓房西北側(cè)寶宇天邑瀾灣小區(qū)商服(交通銀行)(6m處)最大振速為1.20cm/s，主振頻率為4.15Hz；待爆破樓房北側(cè)的北環(huán)辰能五金城南門前旁(67m處)最大振速為1.49cm/s，主振頻率為3.83 Hz。

3)檢測到最大振動(dòng)速度為1.91cm/s，位于正西側(cè)寶宇天邑瀾灣小區(qū)商服(40m處)，滿足GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的安全允許標(biāo)準(zhǔn)1.5～2.0cm/s。

4)測試結(jié)果表明，本次拆除產(chǎn)生的爆破振動(dòng)及塌落振動(dòng)危害效應(yīng)都控制在《爆破安全規(guī)程》要求的安全閾值范圍內(nèi)，周邊建筑物處于安全狀態(tài)。

3.3 影響分析及效果評(píng)價(jià)

爆破后經(jīng)現(xiàn)場勘查，起爆后樓房整體向北偏東約15°倒塌，塌散距離約為23m，重點(diǎn)保護(hù)目標(biāo)西側(cè)寶宇小區(qū)及臨近6～10m高壓線、北側(cè)對(duì)面北環(huán)商城等均完好無損，爆后解體充分，利于爆渣清運(yùn)，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)語

綜合分析現(xiàn)場爆破振動(dòng)控制技術(shù)及監(jiān)測結(jié)果，結(jié)論如下。

1)通過高位切口3段分割5段延時(shí)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)角定向爆破，合理設(shè)置爆破切口，鋪設(shè)砂土堤及圍擋，開挖減振溝，充分利用地下室及采用覆蓋防護(hù)等爆破振動(dòng)控制技術(shù)，最大限度地降低了爆破振動(dòng)有害效應(yīng)。

2)通過遠(yuǎn)程測振系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了爆破振動(dòng)及塌落振動(dòng)的全程、在線監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明：測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度在0.52～1.91cm/s，主振頻率在3.8～4.92Hz，在《爆破安全規(guī)程》要求的安全閾值范圍內(nèi)。爆破后建筑物整體向北偏東倒塌，北側(cè)對(duì)面北環(huán)商城及西側(cè)靠近樓體近6m高壓線及其周圍其他建筑物完好無損，爆后解體充分，利于爆渣清運(yùn)，達(dá)到了預(yù)期爆破效果。

3)本次工程爆破振動(dòng)控制技術(shù)取得了良好效果，該研究對(duì)復(fù)雜環(huán)境建筑物拆除爆破工程實(shí)踐具有重要參考價(jià)值。