湘祁二線船閘復(fù)雜環(huán)境定向拆除爆破技術(shù)實(shí)踐

周 燦,段元振,方桂富

(1.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙 410011；2.鄭州防空兵學(xué)院基礎(chǔ)部，鄭州 450007)

隨著湖南水運(yùn)的不斷發(fā)展，湘江原有通航能力日益不能滿(mǎn)足社會(huì)需求，改擴(kuò)建既有船閘成為提升通航能力的主要解決方案之一。緣于此，往往需要拆除一些原有水工建筑物或地表建筑物。

擴(kuò)建的湘祁二線船閘是湘江永州至衡陽(yáng)三級(jí)航道的重要組成部分和關(guān)鍵控制性工程之一，也是湘江高等級(jí)航道通往湖南腹地的一個(gè)瓶頸。湘祁二線船閘按1 000 t級(jí)船閘Ⅲ(3)級(jí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)單向通過(guò)能力為1.065×107t，平行布置于一線船閘左側(cè)，一、二線船閘軸線距離80 m。湘祁二線船閘在建設(shè)過(guò)程中，其下閘首位置有2棟生產(chǎn)生活用樓無(wú)法避讓需要拆除，考慮到項(xiàng)目工期對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的影響，項(xiàng)目周邊環(huán)境復(fù)雜以及一線船閘不得斷航等因素，采用了定向拆除爆破施工工藝。

1 項(xiàng)目概況

1.1 待拆樓房尺寸

擬拆除的2棟樓房為一線船閘運(yùn)營(yíng)單位辦公兼生活用途的多層建筑，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，并排布置。樓房高度22.8 m共8層，單體建筑面積1 960 m2，南北長(zhǎng)25.5 m，東西寬11 m。1～2層為辦公室，3～7層為公寓，8層為頂層景觀，設(shè)有2個(gè)單元樓梯?？蚣苤孛娉叽鐬?5 cm×45 cm，間距4.2 m×5.5 m；構(gòu)造柱截面尺寸24 cm×24 cm，間距不等。

1.2 周邊環(huán)境

擬拆樓房地處湘江西岸，地勢(shì)西高東低，緊鄰湘江千噸級(jí)航道。該樓周邊環(huán)境比較復(fù)雜，東側(cè)距一線船閘下閘首配電房?jī)H12 m，距下閘首控制房(含液壓?jiǎn)㈤]設(shè)施及電氣控制系統(tǒng))33.4 m，距一線船閘下閘首人字門(mén)42.3 m；北側(cè)距110 kV跨江高壓線20 m，距屋頂高差約10 m；西側(cè)距唯一過(guò)江的交通主干道約62 m，道路沿線為居民區(qū)且埋設(shè)有集中供水管線；南側(cè)距離泄水閘155 m，距離湘祁水電站發(fā)電廠房約500 m。爆破周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment

1.3 工程難點(diǎn)

船閘運(yùn)營(yíng)單位提出，下閘首啟閉機(jī)房?jī)?nèi)安裝有液壓?jiǎn)㈤]及控制系統(tǒng)等精密設(shè)施，毗鄰建筑物具有重要的社會(huì)功能和防洪功能，失事危害極大。要求爆破振動(dòng)允許值按嚴(yán)于規(guī)范值60%的標(biāo)準(zhǔn)即0.25～0.4 cm/s控制。鑒于上述情況，在運(yùn)行船閘復(fù)雜環(huán)境實(shí)施定向拆除爆破的難點(diǎn)主要包括選擇合理的倒塌方向防止傾砸船閘設(shè)施，控制爆破振動(dòng)及觸地振動(dòng)防止精密儀器損毀；另外應(yīng)注意雜散電流對(duì)爆破網(wǎng)路的影響[1]，并根據(jù)建筑物高度、一次爆破總藥量、爆破環(huán)境復(fù)雜程度和爆破物特征，開(kāi)展安全評(píng)估。

2 定向爆破方案設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)選擇

1)倒塌方式。根據(jù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)原理，用炸藥破壞建筑物局部或全部承重結(jié)構(gòu)，使其倒塌或解體。建筑物爆破后塌倒可分為定向傾倒、原地塌落、折疊坍塌等形式[2]。該樓作業(yè)場(chǎng)地受限，東側(cè)緊鄰湘江和一線船閘下閘首啟閉機(jī)控制房及相關(guān)控制系統(tǒng)和通航設(shè)施，是重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象；南、北向?yàn)榻ㄖ拈L(zhǎng)軸方向，不宜作為傾倒方向；西北側(cè)場(chǎng)地開(kāi)闊，具備定向傾倒的條件。因此，采用爆破方式在樓體西北側(cè)承重部分形成三角形切口，根據(jù)重心偏移失穩(wěn)原理結(jié)合框架柱強(qiáng)度、剛度、承載能力極限等結(jié)構(gòu)特征[3]，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算切口高度，基于細(xì)長(zhǎng)桿失穩(wěn)理論，分析非切口部位支撐柱失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，使單體建筑整體向西側(cè)(即岸側(cè))定向倒塌。

2)解體方式。解體大致可分為空中解體和觸地二次解體等形式?？罩薪怏w是利用爆破延時(shí)雷管的“時(shí)間差”破壞受力構(gòu)件支撐、利用爆破切口“高度差”和上部建筑自重形成沖擊力破壞下部結(jié)構(gòu)，使建筑破碎程度大，優(yōu)點(diǎn)是便于清渣清運(yùn)，但各樓層均需要設(shè)置爆破孔。觸地二次解體則僅需放倒建筑即可。綜合建筑高度、受保護(hù)對(duì)象安全等因素，不考慮空中解體，而采用整體傾倒、二次機(jī)械破碎的解體方案，達(dá)到降低拆除爆破的復(fù)雜程度，增大安全可靠度的目的。

3)預(yù)拆除。該建筑除了框架承重柱外，還有許多構(gòu)造柱和2個(gè)單元樓梯。為減少爆破工程量和總裝藥量，降低爆破風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜程度，順利實(shí)現(xiàn)樓體坍塌，預(yù)先拆除爆破切口范圍內(nèi)的構(gòu)造柱，同時(shí)采取“化墻為柱”的方式拆除部分山墻、隔墻和樓梯，減少約束和牽制力。在倒塌相反方向的墻體和框架柱不做處理，避免支撐不足而后坐。

4)振動(dòng)控制。周家漢[4]研究表明，建筑物塌落振動(dòng)往往比爆破振動(dòng)大。振動(dòng)來(lái)源于爆炸和建筑觸地動(dòng)能兩方面[5]，爆破振動(dòng)通過(guò)小藥量、分段延時(shí)等技術(shù)來(lái)控制；塌落振動(dòng)通過(guò)隔斷波速傳遞途徑、觸地緩沖等措施來(lái)控制。

2.2 爆破切口高度

定向爆破的基本原理是通過(guò)爆破形成切口，利用“時(shí)間差”促使建筑物朝預(yù)定方向失穩(wěn)倒塌。在這個(gè)過(guò)程中，既要防止鉸連剛度過(guò)大造成后坐，偏離了預(yù)定的傾倒方向，也要確保傾倒力矩大于支撐力矩。因此，爆破切口是定向爆破的關(guān)鍵，切口高度與單體建筑的寬度、傾倒支點(diǎn)到樓房頂部高度有關(guān)。張超等[6]采用數(shù)值模擬分析方法得出大高寬比框剪結(jié)構(gòu)爆破宜采用三角形切口的結(jié)論，本工程采用三角形切口以滿(mǎn)足更快的前傾速度和更好的倒塌效果。首先采用經(jīng)驗(yàn)公式初步確定切口高度，然后根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步復(fù)核。切口經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為

(1)

式中：b為樓房寬度；a為傾倒支點(diǎn)到樓房頂部高度。

周鳳儀等[7]研究，設(shè)計(jì)抗震烈度6度以上框架結(jié)構(gòu)樓房的倒塌角不宜小于29°。經(jīng)計(jì)算，8層樓房爆破兩層基本滿(mǎn)足定向傾倒的要求，考慮到傾倒方向高邊坡的支撐作用，切口高度不足將導(dǎo)致樓體不能完全倒塌觸地，取爆破切口兩層半，即爆破第1、2、3層的半層，高度7.5 m，倒塌角34°。爆破切口如圖2所示。

圖2 爆破切口Fig.2 Blasting cutting

2.3 失穩(wěn)計(jì)算

第4排框架柱作為傾倒支撐鉸沒(méi)有作鉆孔爆破處理，需要分析切口形成后第4排共計(jì)8根框架柱的承重受力情況。根據(jù)擬拆建筑的設(shè)計(jì)圖示尺寸計(jì)算出總體荷載為3.7×104kN。其中，磚墻按20 kN/m3、鋼筋砼梁板柱按25 kN/m3計(jì)算自重。支撐柱臨界壓力采用歐拉公式計(jì)算：

(2)

式中：E為砼彈性模量，按C30取值，忽略鋼筋彈性模量；按兩端固定取長(zhǎng)度因數(shù)0.5。經(jīng)計(jì)算，8根承重柱的臨界壓力為3 158 kN，遠(yuǎn)小于樓體荷載。切口形成后滿(mǎn)足傾覆要求。

2.4 塌落振速預(yù)測(cè)

爆破設(shè)計(jì)的樓棟解體方式為整體傾倒，弊端就是塌落觸地時(shí)振動(dòng)較大。因此，有必要預(yù)測(cè)塌落振速。采用無(wú)量綱相似參數(shù)分析方法[4]進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)取值較為關(guān)鍵，要考慮建筑結(jié)構(gòu)形式、解體方式、地形地貌、巖土性質(zhì)等因素。

(3)

式中：Kt為衰減系數(shù)，取煙囪爆破Kt值的1/3；β為衰減系數(shù)，取值-1.8；σ為地面介質(zhì)破壞強(qiáng)度，取值10 MPa;M為樓體質(zhì)量，按單體總重量計(jì)入；g為重力加速度；H為樓房重心高度；R為監(jiān)測(cè)點(diǎn)到塌落中心的距離。

顯然，計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足船閘運(yùn)營(yíng)單位提出的塌落振動(dòng)允許值0.25～0.4 cm/s的要求，需要采取地面減振措施。根據(jù)文獻(xiàn)[4,8]，采取減振措施后，衰減系數(shù)Kt能降至30%，即υt降至0.36 cm/s左右。為此，在倒塌方向的觸地范圍挖除地面砼路面刨松地面土壤并虛鋪2 m松散土壤形成松軟墊層，倒塌的反方向開(kāi)挖2道深度3 m的減振溝。

圖3 塌落振速預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)值Fig.3 Prediction and monitoring value of collapse vibration velocity

表1 塌落振速預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.5 爆破參數(shù)

爆破參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括最小抵抗線、炮孔間排距、炮孔直徑和深度、一次起爆藥量和總藥量等內(nèi)容。最小抵抗線是指藥包中心或重心到最近自由面的最短距離，合理的最小抵抗線能有效控制爆破部位的破碎均勻程度和塊度尺寸；炮孔間排距與最小抵抗線密切相關(guān)，直接影響爆破破碎的效果，進(jìn)而影響承重柱失穩(wěn)性能；炮孔深度與爆破效能有關(guān)，填塞不夠或是深度不夠以及與抵抗線重合等問(wèn)題，均有可能產(chǎn)生“沖天炮”，無(wú)法破壞柱體。爆破參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

表3 爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)振速允許值及最大單響藥量允許值

2.6 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)

起爆網(wǎng)路的延時(shí)選擇既是分隔總藥量降低單響的措施，合理的網(wǎng)路設(shè)計(jì)也能確保傳爆不受破壞。按“西側(cè)傾倒”的要求，利用毫秒延時(shí)依次自西向東爆破承重柱體，分為4個(gè)爆區(qū)，框架柱排間MS1段瞬時(shí)傳爆，樓棟間MS10段延時(shí)380 ms，孔內(nèi)非電導(dǎo)爆管雷管。即第1棟第1排為1#爆區(qū)MS1段瞬時(shí)起爆、第2排為2#爆區(qū)MS3段延時(shí)50 ms起爆；第2棟第1排為3#爆區(qū)MS1段延時(shí)380+0 ms(含棟間10段)起爆、第2排為4#爆區(qū)MS3段延時(shí)380+50 ms(含棟間10段)起爆。所有爆區(qū)簇連成復(fù)式網(wǎng)路[10]，用擊發(fā)針擊發(fā)起爆。爆破網(wǎng)路如圖4所示。

圖4 起爆網(wǎng)路Fig.4 Initiating circuit

2.7 爆破有害效應(yīng)控制

1)爆破飛石控制。除了爆炸產(chǎn)生的“爆飛”外，還有支撐柱在彎矩力作用下鉸接處產(chǎn)生的“崩飛”，為安全起見(jiàn)，除了理論計(jì)算安全裝藥量外，還需要采取近體的覆蓋防護(hù)和保護(hù)對(duì)象的攔擋防護(hù)等多重立體預(yù)防體系。在爆破柱體上包裹鋼絲網(wǎng)(見(jiàn)圖5)，保留東側(cè)墻體作為防護(hù)屏障并在鉸接部位覆蓋防護(hù)網(wǎng)，保護(hù)對(duì)象保護(hù)面采用竹架板隔離保護(hù)。

2)噪聲控制。按聲環(huán)境功能區(qū)劃定的有關(guān)規(guī)定，內(nèi)河航道兩側(cè)區(qū)域?yàn)?A類(lèi)聲環(huán)境功能區(qū)，晝間不超過(guò)70 dB[11]，可實(shí)施多段毫秒延時(shí)爆破和總藥量限制，降低噪聲危害。

3)沖擊波控制?？諝鉀_擊波的危害可忽略不計(jì)，因?yàn)樵诓鸪乒こ讨?，多為淺孔小藥量分散裝藥延時(shí)起爆，且設(shè)在單個(gè)藥包柱(墻)體內(nèi)部，無(wú)法形成強(qiáng)勁的氣流沖擊。

4)粉塵控制。爆破粉塵主要來(lái)源于3個(gè)方面，一是預(yù)拆除過(guò)程中產(chǎn)生的灰塵和樓內(nèi)的積灰在爆破過(guò)程中隨沖擊波揚(yáng)起；二是混凝土和墻體爆炸產(chǎn)生的煙塵；三是爆破后樓體塌落激起的地面沙塵和爆塵，采用掛水袋主動(dòng)預(yù)防、爆后灑水除塵等多項(xiàng)措施降低空中懸浮顆粒。

3 爆破試驗(yàn)及爆破效果分析

3.1 爆破試驗(yàn)

為驗(yàn)證爆破設(shè)計(jì)的可靠性和安全性，選擇一根框架柱嚴(yán)格按爆破參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。爆破完成后，試驗(yàn)范圍內(nèi)砼全部破碎脫落，箍筋散開(kāi)(見(jiàn)圖6)，主筋略微彎曲外鼓，喪失了承載能力，達(dá)到了承重構(gòu)件破壞失穩(wěn)的目的。

圖6 爆破試驗(yàn)效果Fig.6 Blasting test effect

3.2 爆破效果分析

經(jīng)爆后檢查，樓體按預(yù)定方向整體倒塌，達(dá)到了預(yù)期目的。受保護(hù)對(duì)象沒(méi)有損傷和破壞，液壓?jiǎn)㈤]設(shè)施和人字門(mén)均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；沒(méi)有飛石造成的砸損痕跡，沖擊波沒(méi)有造成門(mén)窗及玻璃破碎；距離最近的配電房正常供電。

由啟閉機(jī)房質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波速變化(見(jiàn)圖7)可知，在-0.03～0.5 s可辨2個(gè)峰值，尤其是x向通道和z向通道監(jiān)測(cè)波形明顯，時(shí)差約500 ms，與起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)吻合，為2棟樓體爆破產(chǎn)生的振動(dòng)；之后振幅減小，1.35～1.75 s期間振幅再度增大，可見(jiàn)2個(gè)明顯峰值，為兩棟樓體觸地時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。一線船閘等重要鄰近水工建筑物和下閘首啟閉設(shè)施的最大峰值振動(dòng)速度為0.14 cm/s，小于最小允許值0.6 cm/s，實(shí)測(cè)塌落振速小于預(yù)測(cè)值。距離爆破點(diǎn)180 m的上閘首監(jiān)測(cè)點(diǎn)沒(méi)有觸發(fā)。居民區(qū)噪聲68 dB，小于內(nèi)河航運(yùn)4A類(lèi)允許值70 dB，飛石最大距離30 m，小于計(jì)算值72 m。

注：A為第1棟爆破振動(dòng)；B為第2棟爆破振動(dòng)；C為第1棟觸地振動(dòng)；D為第2棟觸地振動(dòng)。圖7 啟閉機(jī)房質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波速Fig.7 Particle vibration wave velocity of hoist room

4 結(jié)論

1)通過(guò)選擇合理的倒塌方向防止傾砸船閘設(shè)施，控制爆破振動(dòng)及觸地振動(dòng)防止精密儀器損毀。同時(shí)，充分調(diào)研邊界條件，做好理論分析和參數(shù)計(jì)算，輔以同條件爆破試驗(yàn)和振動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)爆破試驗(yàn)確定最優(yōu)的孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥量，確保定向拆除爆破參數(shù)的技術(shù)可行性。

2)對(duì)于大高寬比結(jié)構(gòu)爆破宜采用三角形切口。在設(shè)計(jì)爆破切口時(shí)，應(yīng)考慮單體建筑的寬度、傾倒支點(diǎn)到樓房頂部高度等結(jié)構(gòu)特征。本工程采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算切口高度后，再取不小于29°的倒塌角進(jìn)行切口高度復(fù)核修正，結(jié)果表明，三角形切口有良好的倒塌效果。

3)為了有效控制塌落振動(dòng)，有必要采取減振措施。以下閘首啟閉機(jī)房為例，地面采取減振溝、虛鋪松散土墊后，實(shí)際振速為預(yù)測(cè)值的12%，減振效果明顯。表明衰減系數(shù)取煙囪爆破Kt值的1/3，衰減指數(shù)β取-1.8是合理的。

4)爆破網(wǎng)路及參數(shù)設(shè)計(jì)等方面，“化墻為柱”和“保留傾倒反方向墻柱”的預(yù)處理很有必要，既簡(jiǎn)化爆破網(wǎng)路，消除墻體支撐，又能防止后坐；采用分區(qū)分片延時(shí)有利于降低振動(dòng)，孔內(nèi)延時(shí)能有效保護(hù)導(dǎo)爆管不被砸斷。