城市高層樓房拆除爆破危害防控技術

李建華 曾慶國 樊保龍 張 威

(北方爆破科技有限公司)

在人口稠密的市區或各種建筑設施密布的廠礦區內，采用爆破技術拆除各種廢棄的工業與民用建筑物(樓房、廠房等)，是一種安全、經濟、高效的方法，與人工拆除和機械拆除方法相比，有著明顯的優越性[1]。近年來，隨著國家城鎮一體化進程的加快，越來越多的高層樓房在城市中拔地而起，與此同時，一些與整體布局和規劃不符的高層建筑面臨著拆除的命運，對于高度不大的建筑物可選擇人工或機械拆除，但對于一些環境相對復雜的高層和超高層建筑的拆除，選用機械拆除的方式具有一定的危險性，而采用爆破拆除的方式可瞬間使高層建筑失去支撐，在重力矩的作用下幾秒鐘內實現定向倒塌。為實現安全高效的爆破，必須對各種危害類型進行有針對性防控，達到降低甚至消除爆破危害的目的。

1 城市樓房拆除爆破概述

城市樓房的拆除爆破是一項系統工程，需要將工程概況、城市環境交通、天氣氣候、爆破時間、爆破器材、爆破設計方案、施工預處理等項目進行充分論證和考量，以最大限度提高拆除爆破的可靠性，降低爆破危害發生的幾率和效應。城市中人口眾多、交通繁忙、建筑林立、各種管線密布，爆破環境異常復雜，因此，城市拆除爆破中，爆破安全已成為拆除爆破的首要問題。特別是在目前城市建設的快速發展，城市防災減災以及對環境保護新要求的形勢下，加強城市拆除爆破中公害的研究及防護顯得尤為重要[2]。樓房類建筑物拆除爆破的基本原理是利用炸藥爆炸的能量來破壞建筑物的局部承重結構，使之失去承載能力，在重力矩的作用下，建筑物整體失穩，傾倒坍塌，落地撞擊使建筑物解體破碎。依樓房倒塌方式不同，一般可分為定向倒塌、原地坍塌和折疊倒塌3種。樓房拆除爆破切口類型有三角形切口和梯形切口2種，見圖1。

圖1 樓房拆除爆破切口類型

2 城市樓房拆除爆破的危害類型

樓房拆除爆破產生的危害主要有振動、空氣沖擊波、飛散物、爆破噪聲和粉塵等。樓房拆除爆破振動主要指樓房倒塌過程中的觸地振動，其遠大于炸藥爆炸產生的爆破振動；空氣沖擊波產生于炸藥爆炸過程中；爆破飛散物的產生有炸藥爆破產生的飛石和樓房觸地解體產生的飛石和飛散物；爆破噪聲和粉塵主要來源于炸藥爆炸和樓房觸地解體。在拆除爆破設計施工階段需對各類危害進行研判，并制定相應的爆破設計方案與控制措施，以減弱和降低爆破危害。

3 城市樓房拆除爆破危害防治

3.1 爆破振動防治

國內外高聳構筑物拆除爆破研究表明，建筑物倒塌觸地振速高、頻率低，其振動頻率接近建筑物的自振頻率(3～10 Hz)，且作用時間長，對周圍被保護建筑物危害較大[3]。在拆除爆破中建筑物倒塌觸地沖擊引起的振動遠大于炸藥爆破引起的爆破振動，因此，爆破工程設計施工中，除對炸藥爆破進行有效控制和必要防護外，更應將樓房等高聳構筑物的觸地沖擊及由此引發的振動進行控制。

3.1.1 炸藥爆破振動

根據控制單響最大段裝藥量，可達到減小爆破振動危害的目的。在實際的施工操作中，與樓房的觸地振動相比較，炸藥爆破引發的爆破振動對周邊環境及建筑物的影響微乎其微，如遇特殊情況，常根據薩道夫斯基公式對單響藥量進行校核。

3.1.2 樓房觸地振動

高層樓房的拆除爆破中應盡量防止構件同時觸地，即采用分段分區使構建依次觸地來控制塌落振動[4]。觸地振動計算公式為[5]：

v=0.08(I1/3/R)1.67，

(1)

式中，v為塌落引起的地表振速，m；I為構件觸地沖量，I=m(2gh)0.5，m為塌落質量，m，h為建筑物重心到地面的距離，m，g為重力加速度，m/s2；R為被保護體至沖擊點距離，m。

根據觸地振動公式及工程實測，距離相同時，高層建筑物觸地振動正前方振速大于側方及后方振速。為降低樓房的觸地振動，在倒塌條件允許的前提下也可將單次振動變為多次觸地振動，將單個爆破切口變為多個切口，如圖2所示的同向雙切口、雙向雙切口拆除爆破可使樓房的倒塌從單次觸地沖擊變為多次沖擊，樓房解體后分散落地，減小了沖擊的能量，從而降低了爆破振動。如2011年大連開發區金馬大廈的雙向折疊爆破，實現了單體樓房空中的解體觸地，有效降低了爆破觸地振動。

為降低樓房觸地振動，在樓房觸地倒塌范圍內用土、沙、爐渣等布置多條防護堤壩，可使樓房觸地得到一定程度緩沖，從而降低了爆破振動。同時，為降低被保護體處的質點振動速度，在靠近被保護體處與爆源之間開挖寬度和深度為1.5～2 m的減震此外對于單體高層構筑物的拆除爆破，為降低爆破觸地振動，還可以采用預切割處理方案，對單體高層構筑物進行縱向切割，分為2個或多個部分向不同的方向或實施不同的爆破方案進行拆除爆破；同時結合國內外先進的毫秒、秒差起爆及原地剪切爆破和定向倒塌爆破相結合的技術來降低爆破觸地振動。如2017年10月山西江陽工程爆破有限公司對太原市一19層高樓實施拆除爆破，該建筑高55.8 m，面積為1萬多m2，采用定向斜角微差技術，即排間微差、排內逐柱微差的復式爆破網路施工技術，使爆破缺口內立柱爆破有部分的時間差，延長立柱對樓體支撐緩沖的作用時間，降低觸地振動。

圖2 樓房拆除爆破振動防治示意

溝，也可以起到有效的降振作用。大量工程實例表明，減震溝的減震效果明顯，可達30%以上[3]。樓房拆除爆破堤壩及減震溝防護示意見圖3。

圖3 樓房拆除爆破堤壩及減震溝防護示意

3.2 爆破沖擊波防治

樓房拆除爆破中，爆破沖擊波主要是爆破切口的爆破作用產生，對于爆破沖擊波的防護，在工程實例中除采用毫秒延期爆破技術控制單次起爆藥量和精心施工外，還在爆破切口進行有效覆蓋。經計算校核，有必要時用竹竿、草簾、荊笆等設置防護排架，具有反射、導向和緩沖的作用，一般單排就可以降低爆破沖擊波強度的30%～50%[6]。對于被保護體而言，在工程施工中也可采用保護性防護的方式或打開建筑物門窗等以降低爆破沖擊波的危害。城市樓房的拆除爆破除采取以上措施外，還應關注氣候和天氣特點，同時避免在清晨、傍晚、陰雨天氣實施拆除爆破作業，以減弱空氣沖擊波的傳播，降低爆破沖擊波危害。

3.3 爆破飛散物防治

樓房拆除爆破中產生的飛散物主要有3種：第一種是爆破切口處炸藥爆破產生的飛石，第二種是樓房倒塌過程中樓體擠壓變形碰撞產生的飛散物，第三種是樓體在觸地解體過程中由于沖擊能量大，地面附近及樓體坍塌體在觸地沖擊中產生的細小塊體飛散物。在高聳構筑物拆除爆破飛石校核中，常采用硐室爆破飛石拋擲距離經驗公式來計算拆除爆破飛石距離。

Rf=20n2WKf,

(2)

式中,Rf為飛石的飛散距離，m；n為爆破作用指數；W為裝藥最小抵抗線，m；Kf為與施工作業條件有關的系數，如地形、風向、填塞等，一般取值1.5～2。

由于城市樓房周邊環境復雜，需對飛石等分散物進行有效控制。多個高聳構筑物拆除爆破工程實例表明，無覆蓋防護時，拆除爆破飛石的實測值為50～70 m[7]。

爆破飛石的危害防護主要有覆蓋防護、近體防護和保護性防護3種類型，見圖4。具體為對爆破切口覆蓋防護，對樓體內部非承重墻體、門窗玻璃等預先拆除，在樓體倒塌范圍外用腳手架設置防護排架，以及為被保護體設置近體防護。常在爆破部位交錯覆蓋草墊及3～4層高強度尼龍安全網，以降低飛散物產生的幾率。

圖4 樓房拆除爆破防護

城市高層樓房的拆除爆破中，進行墻體及其他結構的預拆除時，應事先分析結構受力狀況，確保預拆除后結構的穩定性。預拆除包括樓梯間的預拆除、爆破層部分非承重墻體拆除。多個樓房拆除爆破的工程實例表明，爆破前的預處理(特別是對樓梯間、電梯間的充分預處理)對爆堆的充分解體起到了重要的作用[8]。采用人工拆除樓房爆破切口內的非承重砌筑磚墻，以保證在爆破切口內支撐墻體及柱梁倒塌過程中，其非承重墻體不形成支撐作用而影響樓體倒塌。對于爆破切口內連接樓梯，應采用機械拆除或爆破方式進行預處理，在炸藥爆炸能量的作用下使混凝土從鋼筋網中脫出；對于非爆破切口內的各樓層樓體，亦可采用人工或爆破拆除的方式使部分混凝土脫籠，并保留鋼筋，使各層樓梯通過鋼筋與樓體連接。樓房內外部預處理的項目，見表1。同時，為檢驗爆破器材及炸藥性能，試爆工作可結合施工預處理同步進行。

表1 樓房拆除爆破施工預處理項目

3.4 爆破噪聲防治

爆破噪聲主要來源于樓房爆破切口的爆破器材及炸藥的爆破，起爆雷管采用包裹草墊的方式進行防護，避免雷管爆炸產生的碎片破壞起爆網路，同時降低雷管產生的噪音。爆破切口內炮孔及炸藥防護除進行有效填塞以防止發生躥炮和沖孔外，還應采用覆蓋防護，以降低爆破飛石的產生和爆破噪聲的傳播。

3.5 爆破粉塵防治

樓房拆除爆破的粉塵來源有3類：其一為爆破切口炸藥爆破形成的粉塵；其二為樓房內約有85%的空間充滿空氣，在樓房進行爆破倒塌過程中，空氣便受到急劇壓縮而形成壓縮噴射氣流，造成灰塵的飛揚[9]；其三是樓房觸地沖擊造成樓體與地面粉塵的揚起。對于第一種粉塵防護，淋濕爆破切口內墻體，并將覆蓋防護物噴淋灑水和懸掛水袋來降低爆破物粉塵。對于第二類粉塵防護，在爆破前噴淋樓體內外，在各樓層懸掛水袋，在樓房頂層進行注水作業。對于第三類粉塵防護，通常采用帶水炮的灑水車或消防車對倒塌樓體及時噴水覆蓋。如2018年成都某高層樓房的拆除爆破中，為降低第三類粉塵危害，爆破作業結束后采用5臺灑水車和3臺霧炮車對爆堆及周邊進行循環噴淋，達到了迅速降塵的目的。

4 城市樓房拆除爆破危害防控設備及材料

隨著科技的發展，計算機模擬技術、高性能爆破器材和高質量爆破監測設備等應用使工程爆破更加安全可靠，以城市樓房的拆除爆破為例，相較于礦山爆破，其對爆破時間精度和爆破危害控制要求的復雜程度要高很多，設計施工精度及爆破監測質量的要求非常高，容不得任何微小的失誤。

4.1 計算機輔助設計

利用計算機數值模擬技術對樓房等爆破設計方案進行檢驗和預測，可通過倒塌過程中的力學效應分析，預測樓房等構筑物的倒塌姿態和倒塌范圍，以便于對拆除爆破設計方案進行修正和完善，提高設計與施工的可靠性。以國內拆除爆破為例，應用較多的為LS-DYNA軟件，該軟件可用分離式共節點模型，對拆除爆破筒倉、煙囪(雙向折疊)、樓房等建(構)筑物模擬，模擬結果與真實倒塌過程非常接近,并被應用到爆破設計中[6]。

4.2 高性能爆破器材的應用

近年來,國內爆破器材供應商在借鑒國外先進爆破器材生產工藝和技術的基礎上，逐步實現高精度導爆管雷管和數碼雷管等爆破器材國產化，爆破性能更優越，使精細化的爆破成為可能。以數碼雷管為例，延期時間具有可編程性，能提供先進而精確的起爆時間，數碼雷管誤差精度可達到0.3%以內，雜散電流誤觸電子雷管發火程序的幾率可達1/16萬億，滿足了更高要求工程爆破的需要。如澳大利亞Orica公司生產的I-kon數碼雷管延期時間精度可達0.13 ms以內(0～1 300 ms)，延期時間可在0～1 500 ms任意選定調整，在國內三峽圍堰拆除及一些高層建筑拆除爆破中均成功運用[10]。

4.3 爆破監測設備的應用

在大型拆除爆破項目設計施工中，一些爆破公司采用高速數碼相機、三向測振儀對爆破全過程和爆破振動進行實時監測，為拆除爆破提供詳實的影像資料和振動數據。高性能監測設備的應用對驗證樓房拆除爆破質量和實現爆破過程的實時監控有重要作用。爆破監測設備見圖5。

5 結 語

以城市高層樓房的拆除爆破危害為研究對象，論述了5種危害類型及產生原因，并提出了有針對性的防控技術措施，有條件的前提下，通過增加爆破切口，可將樓體單次觸地增加為分體多次觸地，有效降低高層樓房拆除爆破產生的爆破振動；采用覆蓋、近體、保護性防護等多種技術手段，可以有效防控沖擊波、飛散物、噪聲、粉塵等爆破危害；高新科技的發展和爆破器材的革新為爆破工作提供了有力的科技支撐。先進適用的爆破安全防護技術及裝備為城市高層樓房等建筑物的拆除爆破工作提供了保障。

圖5 爆破監測設備