十九層樓房拆除爆破的震動測試及分析

張宇江,李 祥,2

(1.浙江省隧道工程公司, 浙江杭州 310012;2.寧波力拓爆破工程有限公司, 浙江寧波市 315318)

十九層樓房拆除爆破的震動測試及分析

張宇江1,李 祥1,2

(1.浙江省隧道工程公司, 浙江杭州 310012;2.寧波力拓爆破工程有限公司, 浙江寧波市 315318)

在19層大樓的爆破過程中,采用IDTS3850爆破振動記錄儀對爆破震動及大樓塌落震動進行了實時監測。測試數據表明,高層建筑物爆破拆除過程中塌落震動值遠大于爆破震動值,且前者的震動速度隨距離的增加衰減較快;采用半秒延期雷管可以有效避免爆破震動的疊加。爆破地震波對遠處建(構)筑物有較大影響。

拆除爆破;爆破震動;塌落震動;固有頻率

1 工程概況

1.1 待爆大樓及四周環境簡介

東陽市原吳寧鎮政府辦公大樓位于浙江東陽市人民路與振興路的交匯處,總占地面積1940 m2。大樓主體東側距離人民路中心線約35 m,東側通訊光纜、軍用通訊電纜等多種地下管線距爆體12 m,南側距離振興路中心線約65 m,北面25 m為國土大廈,西面10 m、南側50 m處為居民樓。因城市規劃建設需要對該辦公大樓予以拆除。

大樓分為主樓、裙樓和地下室3部分,主樓地面以上19層,總高度70.3 m,建筑總面積為16372.74 m2,主樓建筑面積約為11000 m2。主樓結構為全剪力墻結構,剪力墻厚度為25 cm,以“工”字形剪力墻為主承重構件,聯系梁為搭接構件;東西跨度加上電梯井為7列,南北跨度加走廊為3跨,加之現澆樓板,使得大樓整體結構十分堅固,抗剪抗彎能力極強。大樓主體西側為雙門電梯井和內樓梯,大樓主體東側為單門電梯井和內樓梯;主樓南、北、西為4層裙樓,屬框架結構;地下室一層建筑高度4.8 m。大樓平面環境如圖1所示。

1.2 爆破拆除方案

根據周圍環境條件,樓房倒塌方向選擇為正南方向。為控制樓房的倒塌長度和觸地震動,設計了3個爆破缺口,各缺口起爆順序為下缺口、中間缺口、上缺口。同一缺口各排剪力墻按照從南向北順序分段起爆,段與段之間各缺口之間采用半秒延期時間間隔,整個大樓共分6段爆破,總裝藥量為250㎏,其中最大一次齊爆藥量為48.1㎏。爆破缺口的位置見圖2。

圖1 周圍環境和測點位置

圖2 爆破缺口的位置

1.3 減震及其它安全技術措施

為控制爆破震動和塌落震動,保證大樓西南側居民樓和東側地下管線的安全,在爆破大樓的東面和西面分別挖了深2.3 m、寬1.8 m的減震溝,同時在減震溝靠近待爆大樓一側堆設緩沖土層并在緩沖土層上再堆設沙包,緩沖土層層高1.8 m、底寬1.5 m、頂寬1.0 m,西側減震溝距大樓7 m,東側減震溝距大樓7.5 m。為減小大樓爆破后觸地震動,分別在大樓倒塌正前方20,30,45 m處堆設3條緩沖土層,緩沖土層底寬1.5 m、頂寬1.0 m、高1.8 m,并在緩沖土層頂端堆設一層沙包,以有效降低樓房觸地時的塌落震動。同時委托東陽市建委房屋質量檢測部門分別于爆前、爆后對被保護建筑物進行質量檢測和評估。

1.4 震動強度的實時監測

根據業主及當地公安部門的要求,在采取上述安全技術措施的同時,還委托專業測試單位在被保護建筑物附近進行震動強度的實時監測,以便為房屋檢測部門提供安全評估依據。

2 測試儀器及測試方法

2.1 觀測儀器的特征

本次測試采用四川拓普測科技有限公司制造的UBOX-20016爆破振動記錄儀。UBOX-20016爆破振動記錄儀可用于現場爆破、振動、沖擊、噪聲等測試,并對信號進行記錄和分析。該儀器可以檢測豎直、水平兩個方向的質點振動速度。

本次爆破振動檢測共用檢測儀器3臺。編號分別為11-SD-06、11-SD-07、11-SD-08。檢測設備均經過權威檢測機構檢定合格。

2.2 測點的布置

測點位置主要布置在重點被保護目標的附近,本次爆破重點保護的目標是距大樓西南10 m側居民樓,故在該居民樓附近布設了3個測點(見圖1中的1#、2#、3#測點),3個測點距大樓的距離分別為58,60,62 m。圖1中虛線為減震溝位置。

3 測試結果及分析

3.1 測試結果

根據振動記錄儀記錄的振動波形(見圖3),通過波形數據轉換處理,得到表1所示的測試結果。

震動造成建構筑物的結構損壞,除建筑物本身的原因外,其主要因素取決于震動的幅值、頻率、持續時間等。在我國的爆破安全規程中一般以質點振動速度作為安全校核依據,但目前振速-頻率也已經作為震動安全評估的指標而被許多國家采用,也引起國內外爆破界科技人員的重視。下面就本次爆破的震動測試報告數據進行分析。

圖3 各測點振動波形

表1 測試數據

3.2 測試數據分析

塌落震動:

V＝0.08(I1/3/R)1.67

I＝Mv

v＝(2gh)1/2

式中:

V——塌落振動速度,cm/s;

R——測點距爆體中心距離,m;

M——塌落物體質量,kg;

v——塌落物體觸地速度,m/s;

h——塌落物體重心高度,m。

計算得V＝2.02 cm/s。

由于采用了逐排、逐缺口延期爆破方案,大樓前、后4排立柱先后觸地(不是同時);上兩個爆破缺口形成后大樓將“低頭、彎腰”,即部分自由落體勢能將轉化為大樓結構解體的內能,因此塌落震動的強度將小于理論計算值(大樓整體的自由落體沖擊地面)。

爆破震動:

V＝50(Q1/3/R)1.67＝50(481/3/60)1.67＝0.46 cm/s

式中:V——爆破振動,cm/s;

Q——單段最大起爆藥量,kg;

R——測點距爆體中心距離,m。

經減震溝衰減之后,無論是爆破震動,還是塌落震動,均已顯著減少;尤其是緩沖層的作用,使塌落震動進一步減少,兩者已相差無幾。

監測結果表明,3個測點在震動測試過程中都出現了3個振幅峰值,第一個信號即第1波峰值是炸藥起爆后引起的爆破振動,第2波峰值是大樓起爆后本體垂直下落觸地振動,第3波峰值是大樓上缺口閉和著地時的振動,也就是爆體的塌落振動。第1波峰值與第2波峰值之間所持續的時間即為大樓起爆到大樓本體垂直下落著地的時間,約為2.7 s,而樓房前端觸地后,上端未爆部分仍以此為支點繼續向前倒塌,直到上部分完全倒塌,大約在6.1 s時大樓上缺口著地,即爆破缺口閉合時的塌落震動,因此樓房倒塌完全時間應稍大于該值。

測量數據顯示,爆破震動明顯小于爆體塌落震動。對于1#測點垂向最大振動速度的3次峰值、振動持續時間以及兩波峰時間間隔都有別于2#、3#測點,主要原因可能與測點所處位置地質地層有關。2#、3#測點3個波峰振幅值按照一定的遞減規律有明顯變化,說明爆破地震波隨距離增大而衰減,由于2#、3#兩個測點距爆體中心的距離差別不是很大,所以各測點波峰值以及爆破震動和塌落震動衰減數據比較接近。在周圍地質條件基本相同的情況下,爆破地震波的最大值主要由最大一次齊爆藥量決定,本次爆破最大一次齊爆藥量就是下缺口第一段裝藥量。

通過分析可以看出樓房拆除爆破時,爆破振動幅值較小,在同一測點的塌落振動幅值大。從實測的振動速度曲線分析,樓房倒塌觸地時,其振動速度幅值最大。因此塌落的震動強度對臨近建筑物的影響應引起足夠的重視,在一定距離以外,震動強度將很快衰減。對于兩層結構的民房來說,其固有頻率為4～12 Hz,可見爆破地震波譜中低頻成分與建(構)筑物的固有頻率較為接近,容易產生共振。因此,低頻對建筑物危害較大,爆破測試中應盡量減少低頻測試誤差。

4 結束語

工程爆破地震效應對建(構)筑物的安全評價,不僅要考慮振動速度的安全指標,同時也應該注重振動的頻率因素。本次19層全剪力墻樓房拆除爆破中的爆破振動和塌落振動實測數據分析表明:

(1)對于爆破地震,它的地震波形是非周期的瞬態波形,頻率高(達數十至上百赫茲)、持續時間較短,大樓傾倒觸地引起的振動波其幅值大、頻率低(幾赫茲至十幾赫茲)、持續時間較長,相比較而言,高聳建筑物爆破拆除時,塌落震動比爆破震動對四周環境的影響或危害要大得多,故在爆破設計方案中,更應注意對塌落震動的控制,應在爆破設計和輔助安全措施的結合上,盡可能減少或消除塌落的危害;

(2)采用半秒延期時間間隔爆破的技術措施,可避免爆破震動的疊加,從而有效地控制爆破震動的危害。

[1]劉殿中.工程爆破實用手冊[M].北京:冶金工業出版社, 1999:295.

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2012-03-08)

張宇江(1978-),男,浙江諸暨市人,工程師,主要從事隧道施工、爆破施工、地災治理的研究工作。