高層框-剪結構建筑的定向爆破拆除?

姚顯春 姚 堯 張 偉 姚 均 謝海香

①西安理工大學巖土工程研究所(陜西西安，710048)②陜西四方平安爆破工程有限公司(陜西寶雞，721000)

引言

建筑爆破的預拆除又稱預處理，是保證爆破安全與被拆建(構)筑物順利定向倒塌的重要環節[1]。預拆除是在樓房倒塌爆破前，在保證樓房整體結構穩定的前提下，預先用人工、機械或爆破的方法，拆除或削弱樓房結構中的部分構件，例如門窗、非承重墻體、剪力墻、樓梯等，達到減小爆破工程量，從而減少鉆孔、減小藥量、簡化起爆網路的目的，并可降低爆破振動和有利于結構物順利定向倒塌。在框-剪結構中，剪力墻具有承力作用。工程中，對剪力墻均“拆墻留角”，即將不含拐角暗柱部位的墻面預拆除掉，將留下的剪力墻角柱連有部分剪力墻墻體隨同樓體一起爆破。工程實踐表明[2-9]，合理選擇預拆除方案，既減小了爆破作業工作量，降低了炸藥用量，也可減小爆破作業帶來的有害效應，達到了良好的爆破效果。

1 工程概況

1.1 周邊環境

擬拆除的大樓位于市區，緊鄰經二路、紅旗路及一號大院。周圍主要建筑為：東側44 m處一幢18層框架結構樓房，60 m處為紅旗路；西側12 m處一挖深14 m的基坑；西南67 m處一幢32層框架結構樓房；南側4 m處一號大院住宅區地下車庫，52 m處一幢32層框架結構樓房；北側64 m處為經二路。此外，待拆除辦公樓東側、南側、北側地下均布置有城市供水、排水、通訊、電纜、天然氣等多條市政管道。周邊具體情況如圖1。

1.2 大樓結構

該樓為框架-剪力結構，共13層，其中，地下1層，地上12層。地上、地下總高度59 m，大樓南北結構對稱，平面布置呈矩形，東西長度56.70 m，南北寬度為17.22 m。地上部分總建筑面積11 000 m2。柱墻混凝土標號高，布筋密集，箍筋拉筋布置多，因此結構強度高。

立柱尺寸有：0.50 m×0.50 m、0.65 m×0.65 m、0.50 m ×0.70 m、0.50 m ×0.90 m 方形立柱，直徑0.8 m圓形立柱，直徑0.6 m圓形立柱。樓房結構詳見平面圖2。

2 爆破方案設計

2.1 拆除方案選擇

大樓拆除爆破倒塌方式主要有原地坍塌、單側定向倒塌、折疊倒塌[10]3種。考慮到本大樓北側有較寬闊的場地，故決定采用爆破開出1個切口的單側定向倒塌方案設計，倒塌方向為正北。但須嚴格控制爆破飛石對一號大院高層住宅樓及經二路沿街建筑的影響。

大樓正北方向的磚圍墻，距離大樓B軸62.4 m，圍墻北側(臨經二路一側)2 m有2臺變壓器柜，不容損壞。圍墻距離62.4 m與樓體高度44.0 m(樓頂8.4 m高的鋼筋混凝土屋檐已預拆除掉)之比為1.42，已大于1.2倍的要求值，所以樓體倒塌不會損壞北側圍墻。

圖1 周圍環境圖(單位：m)Fig.1 Schematic diagram of surrounding environment

2.2 爆破切口設計

選擇在樓體下部開1個爆破切口。國內有研究認為[10-11]，在爆破形成切口后，樓體重力作用線應移至切口邊沿之外(圖3)。以切口爆破后，樓體重心能移至切口邊沿以外，作為切口高度選定的條件，仍有參考價值。如圖3所示，樓房底寬為B，重心高度為hc，經過推導，得出樓房重心移至切口邊線的臨界角θlj與hc/B的關系式為

圖2 樓房結構平面圖(2、3層)(單位：mm)Fig.2 Floor plan of the building structure(2，3 floors)

圖3 爆破切口角度Fig.3 Angle of the blasting cut

圖4 樓房爆破切口位置分布(單位：m)Fig.4 Location map of building blasting cut(unit：m)

現B=14.2 m，hc=22 m，代入式(1)，經過試算，得出倒塌時切口臨界角θlj=20.1°，其相應的臨界切口高度為5.2 m。

參照國內工程經驗，并結合本工程情況[12-17]，切口選在1～3樓，高度為4.8＋4.8＋3.4=13.0 m，相應的切口角為42.5°，可保證樓體順利傾倒。切口形狀選用梯形(圖4)，只爆破切口范圍內的前3排(B、C、D軸)立柱及橫梁端點。立柱炸高即立柱上最低孔至最高孔的軸心距離，見表1。

表1 立柱炸高Tab.1 Blasting height of columns m

2.3 預拆除

本大樓A軸為8根直徑0.8 m或0.6 m的鋼筋混凝土圓形立柱。此柱不承擔大樓樓體載荷，只用橫梁(南北向)與B軸立柱相連接，增強大樓南北橫向水平方向的承載能力。將此8根圓形柱用液壓破碎錘預拆除掉，切除鋼筋。圓柱與B軸立柱之間的橫梁，在保證橫梁不塌落掉塊的原則下，可不拆除切口范圍內的非承重磚墻，與大樓倒塌方向一致的南北向墻體，均于爆前全部預拆除掉；但大樓東西兩側山墻，其中，B軸與C軸間的剪力墻除預留角柱和預留1.0 m長的墻體外，其余均要預拆除掉；C軸、D軸、E軸間的磚墻，為防飛石，只拆掉頂部0.5 m高度，其余保留不拆。

與倒塌方向垂直的墻體，除南側外墻保留不動外，只在每面墻上鑿開一道寬1.5 m的縫即可，或全部拆除；D軸③～④及⑤～⑥的兩面平直剪力墻全部預拆除。拆除時，保留頂部與天花板相連的0.6 m高度的墻體不拆。電梯井剪力墻含暗角柱的拐角處，每個拐角邊保留0.8 m長度(因為角柱配筋長度為0.5 m或0.6 m)，其余拆除掉；拆除部分底部達到地板，頂部留0.6 m不拆除；將1～2樓、2～3樓、3～4樓西樓梯每段斷開兩個踏步，保留鋼筋，使其在樓房爆破倒塌時形成塑性鉸；東樓梯在預處理后期將混凝土全部砸掉，只保留鋼筋。

3 爆破參數設計

3.1 孔網參數設計

爆破一律用手風鉆鉆孔，孔徑40 mm；炸藥品種選用2#巖石乳化炸藥，?32 mm藥卷。參照國內工程經驗，炸藥單耗q初選為：第1層2 200 g/m3、第2層2 000 g/m3、第3層1 800 g/m3。爆破立柱的斷面有4種尺寸：0.50 m×0.50 m、0.65 m×0.65 m、0.50 m×0.70 m、0.50 m×0.90 m。除了0.65 m×0.65 m立柱布置雙排孔外，其他均為1排孔。單排炮孔最小抵抗線W=0.25 m，孔距a=0.35 m，a/W=1.4，炮孔依次在立柱軸線左右2 cm位置布置；雙排孔W=0.25 m，a=0.35 m，排距b=0.15 m，炮孔呈三角形布置。立柱炮孔及與剪力墻面垂直的炮孔均采用密實裝藥結構。橫梁斷面尺寸有：B′×H=0.3 m×0.6 m、0.3 m×0.4 m 2種，炸藥單耗取q=800 g/m3。梁的炮孔裝藥結構：藥包放入裝藥段底部，藥包與填塞段之間為空氣層，不填炮泥。

剪力墻爆破孔均與墻面平行，一字形布排孔，孔長比墻長短0.2 m；L形2排孔；T形3排孔，孔距a=0.25 m，孔底距交匯點5 cm。炮孔最小抵抗線W=0.125/0.15 m。炸藥單耗q=2 000 g/m3，與剪力墻面平行的炮孔為空氣間隔裝藥結構。

3.2 起爆網路設計

采用同排齊爆、排間時差的方案，爆破分為3段，采用毫秒導爆管雷管，總歷時0.88 s。具體為：第一響位于B軸(包含B軸上的立柱、梁)范圍內，導爆管雷管采用MS1段毫秒雷管(0 ms)；第二響位于C軸，采用MS10段毫秒雷管(380 ms)；第三響位于D軸，采用MS15段毫秒雷管(880 ms)。為了避免周邊環境中的射頻電流、感應電流、雜散電流對網路的干擾和影響，采用導爆管與四通環形復式交叉網路，見圖5。圖5中，爆孔含立柱、梁、剪力墻中的炮孔。A為從炮孔引出的導爆管，不超過25根，爆聯；B為2發MS1段毫秒導爆管雷管捆聯；C為四通連接件；D為導爆管環形線路；E為第1層和第2層間的導爆管連接線路；F為第2層與第3層間的導爆管連接線路；G為瞬發電雷管2發并聯。

圖5 導爆管與四通環形復式交叉網路Fig.5 Ring compound cross network of detonators and four way pipes

4 安全防護措施

拆除爆破所產生的有害效應主要有振動、飛散物(簡稱飛石)、飛濺物、噪聲、粉塵、空氣沖氣波及有害氣體等。

4.1 飛石防護

對于飛石采用以下措施：覆蓋防護、近體防護和保護性防護。在以往的樓房爆破拆除施工中，只對立柱進行防護，考慮該大樓配筋率高，混凝土強度大，使用了較大的爆破單耗，為了減小飛石危害，不僅對立柱、剪力墻進行了防護，也對爆破切口范圍內的外墻進行了防護。從爆破后的效果看，此防護設計有效地阻隔了爆破飛石。

為了防止飛濺物，對大樓內的預拆除垃圾全部清理出樓，飛濺物隱患大大降低。

4.2 粉塵

爆破粉塵主要來源于幾個方面：大樓各個角落原有的灰塵；預拆除時留下的碎渣；爆破時炸毀的墻柱粉末及樓體塌落地揚起的地面粉塵。在建筑物倒塌時所引起的壓縮空氣的作用下，上述3種類型的粉塵迅速噴向大氣，造成粉塵污染。對于粉塵采取了清除塵源、爆炸水霧降塵和其他降塵措施，對粉塵危害進行了嚴格控制。預先采用清掃及灑水濕化的方式，對大樓內外的粉塵源進行了處理，同時在倒塌方向的地面、土堤進行了澆水處理；爆破時大樓東側安排了2輛消防車、大樓西側安排了2套消防水槍進行噴灑降塵；爆破后及時清掃，減小爆破粉塵對環境及周邊居民生產、生活的影響。

4.3 振動

高大建筑物在爆破拆除過程中，會引起3方面的地面質點振動：一是炸藥在爆炸時引起的振動(爆破振動)；二是建筑物在傾倒起始時后坐引起的振動(后坐振動)；三是建筑物倒塌落地時引起的振動(塌落振動)。大量的工程實踐表明，上述3種振動中，塌落振動引起的地面質點振動速度最大；其次是爆破振動；后坐振動最小(或無)，只在特殊情況下考慮。為此，只考慮爆破振動與塌落振動[12]。

對于城市建筑物拆除爆破，質點振動速度采用修正的薩道夫斯基公式：

計算如表2。

表2 不同建筑物的爆破振動速度Tab.2 Blasting vibration velocity of different buildings

對于爆破振動，通過計算得出樓房爆破引起周圍建筑物的振速均遠小于《爆破安全規程》[18]和《中國地震烈度表》所規定的安全允許振速，所以建筑物是安全的。對于大樓南側地下車庫，為了保證不對地下車庫造成爆破振動和塌落振動的影響，在樓房塌落范圍內鋪設虛土墊層(厚度大于1.0 m)和減振堤。

當前，國內外對于建筑物倒塌落地振動尚無一個完整而準確的理論計算公式，多為一些經驗公式。主要有中科院力學所公式、中科院工程力學研究所公式、解放軍理工大學公式：

對于塌落振動，計算出距倒塌中心(在大樓南北向的軸線上，距離樓體北邊沿24 m)不同距離處的塌落振動速度如表3。

表3 不同建筑物的塌落振動速度Tab.3 Collapse vibration velocity of different buildings

實測距離倒塌樓房15 m處地下車庫區域爆破振動速度小于2 cm/s，達到預期效果，其余測點均小于1 cm/s。振速均遠小于《爆破安全規程》和《中國地震烈度表》所規定的安全允許振速。

5 爆破效果及結論

大樓倒塌后，從B軸到爆堆頂端測量倒塌長度35 m，寬度65 m，爆堆高度12 m，爆堆集中，結構解體比較充分；爆堆頂端結構未有脫離主爆堆向前撲的現象；爆破飛濺物控制在警戒區域內；實測距離倒塌樓房15 m處地下車庫區域爆破振動速度小于2 cm/s，達到預期效果。

1)由于多因素相互制約，復雜環境下的大樓拆除爆破是一項復雜的系統工程，不僅在于爆破方案與參數的有效，還需要與之相互協調的防護方案，確保在安全的前提下，實現爆破拆除。

2)采用預拆除處理，有效地降低了爆破作業的鉆孔、裝藥、防護等工作量，同時也降低了炸藥量的消耗，降低了對鄰近建筑物爆破振動的影響。

3)采用導爆管與四通環形復式交叉網路，有效提高了網路的準爆性，保證了拆除爆破的可靠性。

4)采用精細化施工，設計施工不僅對立柱、剪力墻進行了防護，也對爆破切口范圍內的外墻進行了防護，有效地阻隔了爆破飛石。