復(fù)雜環(huán)境下14層框剪樓房折疊拆除爆破

馬世明，余興春，任少華，趙端豪，蔡永彬

(河南富順實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，鄭州 450000)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，其中老城區(qū)改造是城市化建設(shè)的重要一部分。在對(duì)老城區(qū)改造的過程中，許多高層建筑物需要拆除爆破[1]，因此控制爆破拆除得益于其安全、快速和高效等特點(diǎn)[2]，得到了廣泛的應(yīng)用。隨著建筑結(jié)構(gòu)抗振要求的提高，特別是10層以上的樓房，一般均使用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)以增加結(jié)構(gòu)的抗振性能。正是由于剪力墻的存在，既增加了結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固程度，也增加了樓房拆除爆破的難度[3]。特別是現(xiàn)代城市控制爆破中，大多處于城市鬧市區(qū)，環(huán)境都比較復(fù)雜，需要針對(duì)待拆樓房的各自特點(diǎn)，采取各種各樣的爆破方案給予應(yīng)對(duì)，如定向倒塌、原地倒塌、折疊爆破等。

本文介紹了鄭州市復(fù)雜環(huán)境下14層框剪結(jié)構(gòu)的冰熊大廈拆除的爆破設(shè)計(jì)與施工過程，和針對(duì)樓房特點(diǎn)采取的單向折疊拆除爆破技術(shù)方案，闡述了折疊爆破、預(yù)拆除、延時(shí)爆破技術(shù)、安全防護(hù)、減振溝堤等措施，以及在保證周邊建筑設(shè)施安全的同時(shí)，取得的樓房倒塌方向和坍塌解體效果。

1 工程概況

冰熊大廈系鄭州市原地標(biāo)建筑，建成于1999年，根據(jù)城市發(fā)展及建設(shè)用地規(guī)劃，需對(duì)其進(jìn)行拆除。冰熊大廈位于經(jīng)三路與紅專路交匯處西南角，地處交通要道及人口稠密的鬧市區(qū)，環(huán)境十分復(fù)雜。東面距主樓13 m處有南北向110 kV高壓線，燃?xì)夤艿兰叭細(xì)忾y門井；東北角12 m處有聯(lián)通公司信號(hào)塔；南面緊鄰待拆除配樓，南面距離待拆祭城辦事處家屬樓25 m，距離60 m為在建施工工地；西面為已拆除樓房空地，距離45 m為待拆除居民樓，有部分住戶尚未搬遷。距離50 m為統(tǒng)計(jì)局家屬院車庫。北面10.5 m是紅專路，距離8 m處地下有東西向自來水管、供熱主管道及通訊光纜，路邊空中架設(shè)有東西向通訊光纜，距離43 m為中信銀行，西北距離54 m為實(shí)力大廈(見圖1)。

注：①～⑨為測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置。圖1 周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment

待拆冰熊大廈主樓為框剪結(jié)構(gòu)(見圖2)，南北長36 m，東西寬17.7 m、共15層(地下1層、地上14層)，地面以上高度55 m，1～2樓層層高5.0 m，3～13樓層層高3.4 m，14樓層層高6.0 m。建筑面積12 643.68 m2。該主樓的立柱共28根，1～3層立柱截面尺寸為800 mm×800 mm，剪力墻厚300 mm；7～8層立柱截面尺寸為700 mm×700 mm，剪力墻厚250 mm。

注：①～⑦為南北軸線，A～D為東西軸線。圖2 樓房結(jié)構(gòu)(平面)Fig.2 Structure of the building(plane)

2 爆破方案

2.1 預(yù)拆除

由于樓房為框剪結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，且在樓房的北面和東面無倒塌場(chǎng)地，南面為爆破附樓和在建工地，正西方向距離最近建筑物(有住戶尚未搬遷)45 m。因此，確定樓房向西倒塌，為確保建筑物安全和待拆樓房坍塌解體效果，采用單向折疊爆破，即在樓房1～3層和7～8層分別設(shè)計(jì)1 個(gè)爆破切口，采用延時(shí)起爆技術(shù)先后起爆，利用時(shí)間差和爆破高度達(dá)到空中解體的目的[3]。

根據(jù)待拆樓房的承重特點(diǎn)，為了減小鉆爆工程量，同時(shí)使樓房順利倒塌和解體充分，需對(duì)樓房進(jìn)行預(yù)拆除。預(yù)拆除就是在保證建筑物穩(wěn)定的前提下，將爆破切口范圍內(nèi)的非承重墻及裝修等進(jìn)行拆除，拆除時(shí)切口倒塌方向盡量全部拆除，倒塌反方向的墻體保留。

1層、7層預(yù)拆除時(shí)，A軸墻體保留，其余非承重墻全部拆除，只保留立柱和部分剪力墻，B軸以東剪力墻拆除至A軸成三角形切口。

2層預(yù)拆除時(shí)，A軸保留，B軸以東剪力墻拆除一半，其余非承重墻全部拆除，保留立柱和部分剪力墻。

3層、8層預(yù)拆除時(shí)，A、B軸保留，拆除C軸以西的非承重墻和部分剪力墻。

C軸以西的剪力墻(除電梯井)全部拆除，1～3層采用機(jī)械進(jìn)行預(yù)拆除，7～8層剪力墻采用繩鋸切割拆除，隔間墻采用風(fēng)鎬、大錘人工拆除。

電梯井在樓房的倒塌方向，處理不當(dāng)會(huì)影響樓房的倒塌和解體，所以電梯井剪力墻只保留成4個(gè)1 m寬的墻柱鉆孔爆破，其余全部拆除；樓體用風(fēng)鎬在轉(zhuǎn)角休息平臺(tái)和樓層平臺(tái)間上下各開鑿一道縫槽，剔除混凝土露出鋼筋，槽寬50 cm。

2.2 爆破切口

按照樓房上部結(jié)構(gòu)重心位于傾倒方向的支撐點(diǎn)外側(cè)計(jì)算[4]：

(1)

式中：L為2個(gè)外承重柱(墻)之間的跨度，取17.5 m；H為上部結(jié)構(gòu)的重心高度，取25 m；h為立柱破壞高度，計(jì)算得h≥10.73 m。

主樓第1爆破切口(1～3層)高13.0 m，滿足樓房?jī)A倒條件。

第2爆破切口(7～8層)高6.2 m，在第1切口之后起爆，爆破后下落的構(gòu)件將沖擊先已下落著地的構(gòu)件，充分利用上層構(gòu)件的下落勢(shì)能部分著地轉(zhuǎn)變成下層構(gòu)件的破壞能，進(jìn)一步解體破碎[3]。

主樓拆除爆破的2個(gè)切口都采用梯形切口(見圖3)。第1爆破切口每層立柱炸高2.5～4.0 m，剪力墻炸高2.0 m，上下段各1 m，鉸鏈軸A立柱炸高0.5 m；第2爆破切口立柱炸高2.25 m，剪力墻炸高2.0 m，上下段各1 m。

圖3 爆破切口及網(wǎng)路延時(shí)Fig.3 Blasting cutting and network delay

2.3 爆破孔網(wǎng)參數(shù)及藥量設(shè)計(jì)

本次爆破立柱較大，為保證立柱爆破效果，布置成雙排孔，排距適當(dāng)減小，采用連續(xù)裝藥；剪力墻保留為1 m寬的墻柱，平行于墻面鉆單排孔，采用導(dǎo)爆索+藥卷間隔裝藥。炮孔直徑d=38 mm；立柱的最小抵抗線W=30 cm，孔距a=50 cm，排距b=20 cm，炮孔深度L=(3/5～2/3)δ，δ為鉆孔方向立柱的厚度，cm；單孔裝藥量按Q=qV計(jì)算[3]，q為炸藥單耗，g/m3；V為單孔破壞介質(zhì)的體積，m3；爆破孔網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 爆破孔網(wǎng)參數(shù)

2.4 起爆網(wǎng)路

采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路，炮孔內(nèi)裝填數(shù)碼電子雷管，按軸線D-C-B-A(自西向東)每根立柱的每發(fā)雷管進(jìn)行編號(hào)注冊(cè)，設(shè)置每排立柱的延時(shí)時(shí)間(見圖3)。將雷管用起爆線并聯(lián)方式連接，將所有雷管均分為4 條線路，保證每條線路的雷管數(shù)量均衡，最后將4 條線路的起爆器連接到1臺(tái)主起爆器上進(jìn)行起爆。

3 爆破安全校核與防護(hù)

3.1 爆破振動(dòng)

爆破振動(dòng)可按下式進(jìn)行校核[5]：

(2)

式中:v為振動(dòng)速度，cm/s；Q為最大單響藥量，kg；K,α分別為與地形、地質(zhì)因素有關(guān)的系數(shù)，K=150，α=1.6；K′為衰減系數(shù)，取0.25；R為藥包布置中心至保護(hù)建筑物之間的距離，m。

此次爆破最大單響藥量為60 kg，需保護(hù)的最近建筑物為43 m，經(jīng)計(jì)算得v=0.81 cm/s<3 cm/s，符合《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)的規(guī)定[6]。

3.2 塌落振動(dòng)

塌落振動(dòng)速度可按公式[3]驗(yàn)算：

(3)

式中：vt為塌落引起的地面振動(dòng)速度，cm/s；m為下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；g為重力加速度，m/s2；H為構(gòu)建中心高度，m；R為觀測(cè)點(diǎn)至沖擊地面中心的距離，m；σ為地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，MPa，一般取10 MPa；Kt、β分別為塌落振動(dòng)速度衰減系數(shù)和指數(shù)，Kt=3.37～4.09，β=-1.80～-1.66。

此次爆破的塌落振動(dòng)，經(jīng)預(yù)處理和采用2個(gè)爆破切口后，m=7 500 t；Kt取3.37,β取-1.66，H=20 m。取周邊建筑物最近的距離帶入式(3)，得vt=2.75 cm/s<3 cm/s，小于安全允許振動(dòng)速度。在7、8層設(shè)計(jì)第2爆破切口，建筑物觸地時(shí)分兩段，可使樓房在坍塌解體過程中起到一定的減振效果。

在樓房倒塌方向的正西面筑3道減振壩，開挖減振溝。因?yàn)殚_挖減振溝、筑減振壩等措施[3]，Kt可減小到原值的1/3～1/2。

3.3 安全防護(hù)

待拆樓房位于鬧市區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，為防止爆破飛石對(duì)周邊建筑和設(shè)施造成破壞，必須做好安全防護(hù)措施。

1)裝藥部位的防護(hù)[7]。對(duì)裝藥的立柱和預(yù)留剪力墻，采用單層棉氈和雙層鋼絲網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，將立柱和剪力墻四周包裹，鋼絲網(wǎng)搭接部位不少于20 cm，用鐵絲在每段鋼絲網(wǎng)上、中、下位置進(jìn)行捆綁牢固。

2)樓房外圍安全防護(hù)屏障。在待拆樓房北面和西面⑤～⑦軸的1～3層外墻，用1 m×15 m的鋼絲網(wǎng)片從4層欄桿位置垂到地面，用膨脹螺絲上下固定，網(wǎng)片間搭接10 cm，每隔50 cm用鐵絲進(jìn)行捆綁。在樓房7～8層北面、南面和西面⑤～⑦軸外墻，采用同樣的方法進(jìn)行防護(hù)(見圖4)。

圖4 安全防護(hù)Fig.4 Safety protection

4 爆破效果

2019年4月18日5時(shí)36分準(zhǔn)時(shí)起爆，樓房按照設(shè)計(jì)方向完全倒塌。經(jīng)爆后檢查，周邊建筑物及設(shè)施完好無損，取得了預(yù)期的爆破效果。

為準(zhǔn)確判斷爆破對(duì)周邊建筑物是否產(chǎn)生影響，結(jié)合樓房周邊環(huán)境，布置了9臺(tái)測(cè)振儀器，測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置如圖1所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各測(cè)振點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由爆破各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析可知，最大振動(dòng)速度為③號(hào)測(cè)點(diǎn)2.07 cm/s，各測(cè)點(diǎn)振速均明顯降低，說明采取的減振壩和開挖減振溝等措施是切實(shí)有效的，對(duì)樓房倒塌觸地振動(dòng)產(chǎn)生了一定的隔斷與減弱作用[8]，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度均在安全允許范圍內(nèi)。

樓房整個(gè)倒塌過程歷時(shí)5.3 s，樓房無后坐，6層以下基本上原地坍塌，最遠(yuǎn)倒塌距離43 m，樓房倒塌后解體效果較好，爆堆最高8.5 m。通過對(duì)樓房爆破過程(見圖5)進(jìn)行分析，樓房倒塌過程中在空中有解體趨勢(shì)，倒塌著地后，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在前沖過程中進(jìn)一步解體。

圖5 爆破過程Fig.5 Blasting process

5 結(jié)語

1)根據(jù)樓房的特點(diǎn)和周邊環(huán)境，精心設(shè)計(jì)爆破方案。綜合考慮環(huán)境影響，設(shè)計(jì)出合理的爆破參數(shù)和起爆網(wǎng)路，采取了有效的減振措施，選擇了可靠的安全防護(hù)方案。本次爆破可為同類工程提供參考。

2)在倒塌范圍和距離受限制的情況下，采用折疊爆破，有利于樓房倒塌范圍的控制和樓房解體效果。

3)框剪結(jié)構(gòu)樓房由于穩(wěn)定性好，一般解體效果較差，需適當(dāng)延長前后排立柱爆破時(shí)差。通過對(duì)爆破過程的分析，在爆破過程1.48 s時(shí)，由于前后爆破時(shí)差，樓房西半部分在重力作用下，對(duì)承重梁造成剪切破壞，使樓房在倒塌過程中部分解體。在整個(gè)樓體坍塌著地后，進(jìn)一步解體破壞。

4)為防止樓房后坐，倒塌反向后排必須預(yù)留足夠的支撐，特別是跨度較大的樓房爆破，后排支撐較弱，可適當(dāng)減少后兩排的延時(shí)時(shí)差，保證有足夠的支撐力來支撐樓房朝設(shè)計(jì)方向倒塌。本次爆破6層以下樓房基本原地坍塌，說明支撐力不夠，再者，也受樓房第2爆破切口閉合時(shí)對(duì)下部樓體造成的勢(shì)能沖擊影響。