復雜環境下框-筒結構樓房內向折疊爆破拆除技術研究

費鴻祿，張廣貝，何文斌，錢起飛，胡 剛

(1.遼寧工程技術大學 爆破技術研究院，阜新 123000;2.遼寧工大爆破工程有限責任公司，阜新 123000)

1 工程概況

待拆建筑物為沈陽市沈河區敬賓街的富麗華大酒店，主樓(含工藝裝飾塔高度)高度144.29 m，共29層，建筑面積32 732 m2，該建筑物于90年代由于多種外界因素變為爛尾樓，應市政規劃要求對其主樓部分進行爆破拆除。受場地限制與多種周圍環境因素影響，將主樓分為兩部分拆除作業：7～29層爆破協同機械作業降層拆除，1～6層一次性作業爆破拆除。本文為1～6層一次性爆破技術研究。

1.1 工程環境

待拆建筑物地處人口密集區，周圍環境復雜，臨近建筑物最近距離為39 m，為爆破作業帶來了各種困難。其中北側86 m為沈陽市沈醫二院心理衛生醫院，東北側83 m處為中鐵九局六公司大廈，西北側92 m處為客車售票處，東側39 m為別墅區及龍漢城市花園，南側54 m處為沈陽市消防廣場，西側44 m敬賓街為城市主干道，車流量較大。主要爆破環境如圖1所示。

圖 1 爆破周圍環境示意圖(單位：m)Fig. 1 Schematic diagram of surrounding environment of blasting(unit:m)

1.2 建筑物結構特點

7～29層降層拆除后，剩余待爆主樓部分二次加固結構繁多，強度高且穩定性強，一至五層鋼筋混凝土立柱標號C60，梁C40；六層立柱C50,梁C30。樓高為29.55 m，南北長為35.8 m，東西寬為32.8 m。1層樓高為6 m，2-4層樓高為4.8 m，5層樓高為3.8 m，5、6層之間夾層為2.2 m的管道層，6層為3.15 m。主樓中每層有5排5列共22根立柱，分別對應圖2中A～E排、Ⅰ～Ⅴ列，其中1～5層立柱的截面尺寸為1200 mm×1200 mm，6層立柱的截面尺寸為1100 mm×1100 mm。主樓中心核心筒結構南北方向長15.7 m，東西方向寬9.1 m，內含2個樓梯間，4個電梯井。待爆樓體平面圖及北側立面圖分別如圖2、圖3所示。

圖 2 待爆樓體平面示意圖(單位：mm)Fig. 2 Plan of the building to be blasted(unit:mm)

圖 3 待爆樓體北側立面示意圖Fig. 3 North elevation of the building to be blasted

2 爆破方案設計

剩余待爆樓體高垮比較小，采用定向爆破法不易倒塌，且倒塌后觸地沖擊大，也不易達到良好的爆破解體效果；西側臨近別墅建有地下民用儲藏室，該建筑各項指標標準較低；北側心理衛生醫院警戒工作與患者疏散作業難度較大，通過環境因素和方案比較選用內向折疊法。內向折疊法即自上而下對樓房每層的內承重構件予以充分破壞，結構在重力的作用下由中心開始向下垮落，并拉動外側墻柱梁向中心移動，從而實現內向的折疊坍塌[1,2]。

2.1 預處理

對于框-筒結構的建筑物，核心筒自成一體，重量大，整體性較好[3]，如不預處理爆后不會充分解體，影響爆堆高度，還會產生相當大的觸地振動。因此將樓房的一至三層的核心筒結構、隔斷墻以及樓板進行機械拆除處理并清運騰空，為樓房倒塌提供空間。

結合工程實例，利用ABAQUS數值模擬軟件對初步預處理后的建筑結構穩定性進行分析，根據剪力墻分布情況，選取樓房配重較大的東半側部分建立數值模擬模型。梁板結構的應力分布特征如圖4(a)所示，數據表明剪力墻與框架的聯系梁處較多出現應力集中，最為集中受力的部位在6層剪力墻開口上方的短梁梁端處；框架結構中各梁存在的內力適中，梁系所有截面中，最大拉應力45 MPa，鋼筋處于彈性工作狀態；板上無明顯應力，剛度連續性良好；立柱受彎矩較為明顯，整體應力最大位置為C排Ⅳ列立柱中心高度為14.5 m處，拉應力達到83.52 MPa。框架結構以向中心方向的平面彎曲變形為主，結構整體位移如圖4(d)所示，整體撓度3層與6層保持一致，具有內(核心筒)沉外(框架梁柱體系)升的變形趨勢，為樓房結構內向折疊倒塌方向奠定基礎。

綜上所述，初步預拆除結構呈穩定狀態，且配重方向合理。結合數值模擬數據及工程經驗對各樓層制定具體預處理方案[4]：(1)由于樓板無明顯應力，為降低樓板對樓體的支撐作用和擠壓作用，只保留3、6層頂板，其余不影響作業的樓板部分全部清除。(2)3層與6層頂板預處理方案如圖5(a)所示，在Ⅰ-Ⅱ、Ⅳ-Ⅴ列立柱之間的樓板處人工破碎混凝土形成60 cm的倒塌擠壓緩沖帶。(3)6層核心筒的中心位置剔出一條南北方向寬為2 m的貫穿裂縫帶(只破碎混凝土，保留鋼筋)，并與3層4 m裂縫帶相銜接，使之整體呈現出梯形形狀，處理后效果如圖6所示。(4)4層至管道層預處理方案如圖5(b)(c)(d)所示，其中5層與管道層的剪力墻與框架的聯系梁處應力最為集中，在施工過程中要實時觀察。(5)由于待爆樓體的鏡面對稱性，采用人工或機械預處理Ⅲ列的兩根立柱，保留與外墻銜接的短梁部分起到高處防護作用。(6)根據以往工程經驗，應使用風鎬將核心筒內樓梯“攔腰斬斷”，將混凝土破碎露出鋼筋；對于保留樓層的樓板采用“十字型”切割縫；核心筒東西兩側的剪力墻打圓弧形預留洞做弱化處理。見圖5。

2.2 爆破切口

針對預處理后的建筑物，采用“化整為零”原則，分為1-3東、1-3西、4-6東、4-6西共4個爆破區域，選擇在1、2、4、5層的承重結構進行鉆眼爆破作業。每個區域2個爆破切口，共8個爆破切口實現區域性東西方向內收倒塌[5,6]。

樓體待爆立柱為C60混凝土，32根φ25 mm豎向鋼筋，加密網格式箍筋直徑為φ12 mm，上下間距為10 cm，鋼筋混凝土立柱強度較高，因此設計炸高要略大于理論炸高。立柱破壞高度計算公式如下[7,8]

H=K(B+Hmin)

(1)

式中：H為立柱破壞高度，m；K為經驗系數，K=1.5～2.0；B為立柱截面的長邊長，m；Hmin為立柱的最小破壞高度，Hmin=(30～50)d,d為鋼筋直徑，cm。

根據理論計算并結合施工經驗，并對(1)式計算做出適當調整；4、5層Ⅰ、Ⅴ列立柱炸高取1.5 m；5層Ⅱ、Ⅳ列立柱炸高取2 m；4層Ⅱ、Ⅳ列立柱炸高取3 m。1、2層Ⅰ、Ⅴ列排立柱炸高取2 m；2層Ⅱ、Ⅳ列立柱炸高取3 m；1層Ⅱ、Ⅳ列立柱炸高取4.5 m。爆破切口示意圖如圖6所示。

圖 4 初步預處理建筑結構有限元分析Fig. 4 Finite element analysis of preliminary pretreatment building structure

圖 5 各層樓板預處理示意圖Fig. 5 Schematic diagram of floor pretreatment of each floor

2.3 爆破參數設計

每層待爆立柱20根，總數量80根，截面尺寸均為1200 mm×1200 mm，布置三排梅花型炮孔，排距取300 mm，孔距500 mm。選取不同的炸藥單耗進行試爆，并根據試爆效果對于不同部位的鋼筋混凝土立柱選取炸藥單耗從而確定單孔裝藥量。具體裝藥量及參數見表1。

表 1 爆破參數表Table 1 Blasting parameters

2.4 起爆順序以及爆破網路

起爆順序與爆破網路對爆破效果具有很大的影響，內向折疊爆破法等同于兩次單向折疊爆破模式，宜采用自上而下的起爆順序[9,10]。起爆網路采用孔內半秒延期非電導爆管雷管與孔外毫秒延期非電導爆管雷管兩種雷管，待爆立柱孔內采用雙發半秒延期非電導爆管雷管，孔外用毫秒延期雷管實現孔外延期，并用導爆管與四通連接從而形成復式閉合導爆網路。1～6層A排立柱爆破網路如圖7所示，爆破網路以A排Ⅱ列立柱為起爆點，相鄰排、列、樓層的立柱增加一個雷管段位，E排立柱爆破網路如圖8所示。爆破網路立面及平面呈‘v’字型，有利于樓體在塌落過程中受到扭曲、拉壓和剪切，解體更充分[11-13]。為保證樓房倒塌方向，1～4層Ⅱ列立柱孔內延期雷管段位在原有爆破網路基礎上減少一個段位，1層Ⅴ列立柱孔內延期雷管段位在原有爆破網路基礎上增加兩個段位。4、5樓孔外延期采用MS-1段雷管，3樓孔外延期采用MS-3段雷管，1樓孔外延期采用MS-5段雷管。

圖 6 爆破切口示意圖Fig. 6 Schematic diagram of blasting cut

圖 7 A排立柱爆破網路立面示意圖Fig. 7 Vertical view of blasting network of row a column

圖 8 E排立柱爆破網路立面示意圖Fig. 8 Vertical view of e-row column blasting network

3 安全防護

立柱截面尺寸較大，炮孔數量多，立柱的安全防護措施為作業的重中之重。覆裹9層草苫與2層鐵絲網，最外層用菱形網格勾花網封裹。勾花網的整體性強，可以對爆炸產生的瞬時沖擊力起到很大的減緩作用，有效地控制爆破飛石。內向折疊坍塌爆破碎石的平拋運動主要在樓房內部，且不易有二次飛濺現象產生，因此，對于外墻皮裸露部位及窗框同樣采用兩層加濕后的草苫搭配層鐵絲網懸掛覆蓋，加強外部飛石防護與降塵效應，并在每層樓板處采用鋼絲索斜拉固定。

減震溝：因地制宜，根據現場的特點在原樓房建筑的裙樓基礎上開挖減震溝，其中東側圓弧式裙樓保留做圍擋。

4 爆破效果與總結

待拆主樓與2020年5月20日5時25分起爆，爆破效果如圖9所示。大樓4～6層西側結構率先塌落，拉動東側結構，部分結構在扭轉、剪切作用下空中解體，東西兩側樓體在傾覆力矩的作用下向中間倒塌。由圖9(b)(c)可得東半區域的傾斜角度較大，所以爆堆具有向西側的前沖趨勢[14]，同理，受爆破網路延期時間的影響，也具有向北側的前沖趨勢。整個過程無任何爆破飛石產生，未對周邊建筑物、設施等產生任何影響。經測量爆堆的南北長度為42.2 m，是原來的1.179倍；東西寬度為37.1 m，是原來的1.131倍；高度為13.1 m，是原來的0.443倍，爆破整體效果較好，與設計預期相符合。

圖 9 爆破效果Fig. 9 Blasting effect

(1)內向折疊法爆破屬于原地坍塌的一種特殊爆破方式，最大化預處理對傾倒方向無影響的配重結構和影響樓房破碎度的結構，布設多個由上而下逐漸增大的爆破切口，兩側結構在重力作用下向中間坍塌。這種爆破方式爆破飛石控制范圍小，場地要求低，適用于工程環境比較復雜的情況。

(2)框-筒結構樓房的內向折疊法爆破拆除中預處理工作對爆破效果有較大影響，基于ABAQUS有限元分析軟件對基本預處理后的建筑結構穩定性分析，結合數值模擬為制定具體預處理方案提供技術支持，為爆破倒塌方向奠定基礎，最大程度優化樓房破碎效果。

(3)起爆點位置影響兩側倒塌的傾斜角度，從而決定爆堆在東西方向的前沖趨勢方向；爆破網路中延期時間遞減的方向與爆堆在南北方向的前沖趨勢方向一致。事實表明調整1層Ⅴ列與1～4層Ⅱ列立柱雷管延期段位取得了較為明顯的成果。