復雜環境框剪高層樓房精確轉體定向拆除爆破

蒲文龍，劉 洋，公文新，劉啟進，周 靜，趙子琪

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，哈爾濱 150022；2.哈爾濱恒冠爆破工程有限公司，哈爾濱 150080；3.陜西中爆檢測檢驗有限責任公司，西安 710000)

1 工程概況

1.1 周圍環境

待拆除爆破的樓體(23層爛尾樓)位于哈爾濱市道外區北馬路13號。該大樓北側距離北環辰能五金城67 m；西側距離民用高壓線6 m，距寶宇天邑瀾灣小區門市房40 m；南側距離高壓線10 m，距離建筑工地35 m；東側距離棄用的多層樓房6 m，距離北馬路小學85 m；樓房50 m范圍內無任何地下管網設施(見圖1)。

圖1 爆區周圍環境Fig.1 Surroundings of the blasting area

1.2 建筑結構

待拆主樓四周為磚砌裙樓，該樓總建筑面積約33 350 m2，主樓長50 m、寬29 m、高87 m，共計24層，其中地上23層、地下1層。1層層高4.6 m，2層層高4.0 m，3～23層層高均為3.5 m(21層層高5.3 m)，6排承重立柱由北向南分別編號為A軸～F軸，由西至東為1～6軸，1～2層圓柱直徑為1.2 m，方柱每邊長為1.0 m，3～10層方柱每邊長為0.9 m，11～23層方柱每邊長為0.7 m(見圖2)。

圖2 樓房框剪結構平面Fig.2 Building frame shear structure plane

剪力墻結構由2個電梯井、1個樓梯間、1個管道井及1個設備間所組成，位于樓中心東西兩側，相距3.5 m；6～23層東側剪力墻結構中的設備間變為電梯井。剪力墻結構面積為9.5 m×6.9 m，墻內藏有暗柱，1～4層剪力墻壁厚25 cm，5～23層剪力墻壁厚20 cm，磚墻37 cm。

1.3 工程特點及難點

待拆除樓房西側6 m處和南側10 m處為道外區域幾十萬戶供電的高壓線，高壓線高度約10 m，東側6 m位置為多層樓房，北側67 m處為北環辰能五金城。該待爆工程最大的技術難點為：西側、南側高壓線和東側建筑物距離待爆樓體非常近，樓房倒塌范圍非常有限，要求精準控制樓體倒塌方向，并防止塌散物砸壞臨近高壓線。

2 爆破方案及切口設計

2.1 爆破方案

基于精細爆破的理念和建筑物失穩傾倒的基本力學原理[1-3]，根據爆體結構、周圍環境和安全要求，提出北偏東“精確轉角”定向傾倒和原地坍塌相結合的倒塌模式，采用高位切口三段切割精確控制樓體轉角約為北偏東15°。樓房拆除的基本思想：三段切割五段延時，邊傾倒邊下坐，即達到阻尼下坐緩沖落地。

2.2 切口設計

1)切口位置。根據待拆樓房高度和北側允許倒塌范圍，確定11～12層為上切口位置，定向傾倒樓層部分的高寬比為1.63；根據待拆樓房地下一層的空間容量條件，確定3～6層和1～2層為中下切口，確保防止塌散物對臨近高壓線和建筑物的沖擊破壞。

2)切口高度。倒塌方向的切口高度Hp通常不小于墻厚δ的2.5～3倍，即Hp≥(2.5～3)δ。根據實際，確定第1切口高度(11～12層)為4.6 m；切口角度為9.01°；第2切口高度(3～6層)為11.2 m；第3切口高度(1～2層)為3.0 m(見圖3)。

圖3 樓體爆破切口Fig.3 Blasting cut of the building body

hp≥k(Bmax+Hmin)

(1)

式中：k為經驗系數，1.5～2.0；Bmax為立柱截面的最大邊長，取1.0 m；Hmin為臨界破壞高度，按照大柔度桿考慮，Hmin=12.5d，d為立柱的豎向主筋直徑，本大樓立柱配筋直徑為d=0.025 m(螺紋鋼)，即Hmin=0.315 m。

經計算得：hp=1.97～2.63 m。

根據實際，確定1～2層立柱的爆高為3.0 m；3～6層立柱的爆高為2.8 m；11～12層立柱爆高分別為：2.3、1.28、0.64 m。

4)樓房傾倒可靠性驗算。爆破切口內的立柱失穩閉合后，樓房的重心必須偏移至樓體以外才能保證其傾倒可靠性[7](見圖4)，由圖獲得計算式：

圖4 樓房傾倒可靠性分析Fig.4 Building dumping reliability analysis

(2)

(3)

式中：LX為切口閉合樓房重心偏移樓體外邊緣距離；Hp為爆破切口的閉合高度，2 m；β為爆破切口閉合角，3.945°；B為大樓倒向寬度，29 m；ZC為大樓的重心高度，43.5 m。

將有關參數代入式(2)得重心偏移至樓體以外的距離為：LX=16.79 m，滿足樓房傾倒要求。

在北京，大量建設項目沒有考慮對水的滯留，缺少滯水、蓄水設施。 例如北京 2012 年“7·21”暴雨，全市受災人口190萬人，經濟損失近百億元。本次暴雨接近歷史極值，盡管受災嚴重不完全是因城市硬化率高造成的，但如果能像日本東京那樣大量建設儲水池，應該能有效緩解災情。按北京城區 400km2，“7·21”北京城區平均降水量200 mm計算，總降水量超過8 000萬m3。如果在全市建設一萬個儲水池，每個儲水池容積5 000 m3（占地下平面 1000m2，高 5 m），就能收集5 000萬m3的水量，極大地減緩道路積水量，給市政管網排水爭取時間。

2.3切口參數設計

運用精細爆破的理念，切口爆破參數采用精確設計[7-8]。根據爆破體的材質、幾何形狀和尺寸、結構類型、施工條件和對爆破效果的要求，采用差異化爆破設計方法；并通過現場試爆調整優化爆破參數。根據不同立柱尺寸及層位分別采用“十”字形、“中”字形和四方形水平孔，梁、柱結點布置向下傾斜45°布孔，具體參數如表1所示。

表1 立柱爆破參數Table 1 Blasting parameters of column

3 起爆網路及樓體轉角計算

3.1 起爆網路

本次樓房拆除爆破采用導爆管簇聯復式立體交叉起爆網路，形成以四通連接網路為主線，簇聯網路為底層支線的閉合網路，每個藥孔內裝填2發導爆管雷管，每樓層的接力點用四通聯為兩條獨立的導爆管網路，上下樓層之間的網路用6根導爆管貫通(見圖5)。

圖5 起爆網路Fig.5 Detonating network

采用半秒延時導爆管雷管，整個樓房拆除分為5段起爆，每段間隔時間為0.5 s，其中，11～12層樓3段起爆時間分別為0、0.5、1 s，3～6層樓第4段起爆延時為1.5 s，1～2層樓第5段起爆時間為2 s，起爆范圍如表2所示。

表2 起爆范圍Table 2 Detonation range

3.2 樓房轉角偏移計算

根據經驗公式，倒塌方向偏移角度應滿足以下公式：

(4)

式中：L1、L2為承重立柱的距離；α為偏移角度。

第1響樓體重心偏移角度承重立柱間距離L1為8.4 m、L2為36 m，將L1、L2代入式(4)后，偏移角度α=13.13°。樓體重心向北倒塌至10、15、20 m處，分別向東偏移距離為2.3、3.5、4.7 m。

第2響樓體重心偏移角度承重立柱間距離L1為17.3 m、L2為36 m，將L1、L2代入式(4)后，偏移角度α=25.67°。樓體重心向北倒塌至10、15、20 m處，分別向東偏移距離為4.8、7.2、9.6 m。

第3響樓體重心偏移角度承重立柱間距離L1為8.4 m、L2為7.2 m，將L1、L2代入式(4)后，偏移角度α=49°。第3響后剩余3根立柱完全支撐不住樓體質量，對樓體力的作用微乎其微(見圖6)。

圖6 三響偏移角度Fig.6 Offset angle of three initiation

4 預處理及安全防護

4.1 預處理

為保證本樓房順利倒塌，減少爆破工作量和炸藥用量、減小爆破振動危害效應，利于主爆體的定向傾倒與解體，對能夠預先拆除的部位實施預處理，具體預處理項目為：樓房外部西側6樓以下裙樓。樓房內部1～2層的樓板、剪力墻、承重磚墻、樓梯及旋轉樓梯；5～6層、11～12層的樓板、剪力墻、承重磚墻。爆破切口內的樓體西側1～6層的主樓外部承重磚墻、立柱及圈梁；11～12層所有磚墻。

4.2 安全防護

1)阻尼式下落技術。采用三切口五段半秒延時起爆技術，控制一次最大起爆藥量使樓房充分解體，最大限度地降低爆破振動、塌落觸地振動和爆破沖擊波等有害效應。

2)爆破切口用4層草墊子2層金屬網外掛1層建筑綠網防護，并在西側和北側保護目標設置防護圍擋，防止飛石破壞臨近高壓線及建筑物。

3)為進一步減少樓體倒塌觸地振動對周圍建筑的影響，在樓體傾倒范圍鋪設8 m高土堤，并在倒塌位置周圍開挖減振溝。

4)充分利用地下室吸收大量的觸地沖擊能量，減少振動強度和影響范圍，并盡可能把倒塌后的爆堆控制在地下室的空間內。

5 爆破效果

待爆樓房周邊200 m范圍內為警戒區域，從設計到實施起爆共歷時25 d，施工鉆孔2 178個、鉆孔深度879.2 m，使用炸藥300.6 kg、雷管4 356發。

通過無人機航拍結果可知，樓房從失穩到坍塌歷時14.7 s，起爆后樓房整體向北偏東約15°倒塌，塌散范圍約為23 m，北側對面北環五金城、西側和南側僅6～10 m高壓線、距離爆體6 m多層樓房均安全無恙，爆后解體充分利于爆渣清運，完全達到了預期的爆破效果(見圖7)。在周圍保護目標附近布設了6個振動監測點，測得振動速度最大值為1.31 cm/s，在《爆破安全規程》要求的安全閾值范圍內。

圖7 倒塌效果Fig.7 Collapse effect