復雜環境下框剪高樓拆除爆破技術研究

張耀良,梁曉國,單寶來,武 哲,夏云鵬

(1.江蘇長江爆破工程有限公司，江蘇 鎮江 212000；2.湖南省長沙市公安局，長沙 410000)

1 工程概況

1.1 周邊環境

待爆樓房位于長沙市開福區，東側(倒塌方向)56 m處為基坑支護和懸臂剪力墻；西側8 m處為長沙市的主要交通干道芙蓉中路；南側33 m處是地下停車場的出入口，72 m處為富興金融大樓；北側70 m處為好來登酒店(見圖1)。

圖1 待爆大樓周邊環境Fig.1 Environmental of the building to be blasted

待爆大樓附近地上地下管網錯綜復雜，主要集中位于待爆樓房西側人行橫道以及輔道處，共有電力、燃氣、自來水、路燈供電線路、通信、軍用光纜、城通管線等10種不同類型的管線及重要設備，距離弱電線路(最近)為1.5 m(見圖2)。

圖2 待爆大樓周邊管線Fig.2 Pipeline around the building to be blasted

1.2 樓房結構

樓房屬于鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，地面以上18層，地面以下1層，地面以上建筑高73 m，主樓長48.85 m，寬17.075 m，高73 m，裙樓寬4.4 m，高8.6 m，大樓總面積13 707.9 m2。大樓東西向4排鋼筋混凝土承重立柱自東向西分別編號為A、B、C、D軸，大樓外墻、電梯井及樓梯間均為剪力墻支撐。主樓中每層承重立柱尺寸分為3種：1 000 mm×1 000 mm、600 mm×600 mm和800 mm×800 mm，剪力墻厚度均為25 cm；墻柱鋼筋最大直徑為φ28 mm(見圖3)。

圖3 待爆大樓結構Fig.3 Structure of the building to be blasted

待爆大樓有2個電梯井，2個人行樓梯，分別在大樓的東半部的A、B軸之間。其中南側的電梯井只到10樓。大樓地下室層高4 m，1層層高4.5 m，2層層高3.6 m，3～8層層高4.0 m，9～14層層高3.6 m，15層層高6 m，16層層高5.7 m，17層層高3 m，18層層高5.8 m(見圖3b)。

樓內10層以上的剪力墻主要分布在樓的東半部，西半部10～15層的C、D軸間為漏空(見圖3)；西側中部9～15層外墻為大面積玻璃幕墻，幕墻支撐為鋼結構。

2 施工難點分析

1)倒塌場地受限。待爆大樓高73 m，其四周只有向東56 m的空場地，其他方向均無倒塌場地。

2)環境十分復雜。待爆大樓東側的基坑支護及懸臂剪力墻不能承受較大的側向和正向沖擊荷載；西側的芙蓉中路車流量大；南側富興大廈有大面積玻璃幕墻以及地下停車場的出入口和地下通道幕墻頂棚；北側好來登酒店，除入住客人外，還有一月嫂會所，必須嚴格控制爆破飛石和爆破振動。

3)管線特別豐富。在待爆大樓的西側有電力、燃氣、自來水、通信、軍用光纜等10條管線通過，距離大樓最近的管線僅有1.5 m，其中電力電纜為芙蓉中路沿線主要供電線路，因此待爆大樓的后坐不得損壞任何管線。

4)結構比較異樣。樓內10～15層西半部樓板漏空，剪力墻集中于東半部，所以整個大樓“偏重”東側，且剪力墻的厚度較厚，東側相當堅固。

5)預處理工作量大。樓房向東單向折疊倒塌的剪力墻、電梯井均分布在東側的切口內，必須提前預處理，且上部切口機械無法展開，只能人工處理，其預處理工作量較大。

6)高空防護較難。上部切口開設在10～12層，且周邊有大面積玻璃幕墻，切口部位的遮擋防護工作量及防護難度都比較大，還要做好防風、防雨的措施。

7)警戒清場任務重。由于待爆大樓周邊有密集的商鋪、酒店、寫字樓和居民小區，并有交通流量較大的城市干道，還有建筑工地施工現場，清場、警戒任務較重。

3 方案設計

3.1 單向折疊爆破技術

如采用底部單切口定向爆破的方式，73 m高的樓房按2/3倒塌長度計算近50 m，而從樓邊到基坑邊緣只有56 m，樓內剪力墻不會在倒塌過程中解體，整體壓向基坑邊緣會對基坑支護產生振動和沖擊。為確保基坑安全，故采用雙切口向東單向折疊的爆破技術，即在10～12層及底部1～3層分別開設切口(見圖4)。

圖4 單向折疊Fig.4 Unidirectional successive folding

3.2 預處理

1)電梯井、樓梯間。2個電梯井及2個樓梯間正好位于倒塌方向一側，如處理不利索，在倒塌過程中將會形成新的支撐“剪力筒”，出現樓房炸而不倒的現象。因此，必須對切口范圍內的電梯井和樓梯踏步進行徹底處理。為確保折疊倒塌的可靠性，對下部切口的電梯井處理至1～4層，上部切口的電梯井處理10～12層，人行樓梯每跑橫向打斷2個踏步(見圖5)。

圖5 預處理Fig.5 Pretreatment

2)剪力墻。剪力墻的存在，尤其是與倒塌方向一致的剪力墻，將阻礙切口的閉合，影響樓房爆破后的倒塌和解體，剪力墻的預處理如圖6所示。

圖6 剪力墻預處理Fig.6 Shear wall pretreatment

3)樓內管線。樓內有多道鑄鐵或鋼制的上下水管以及消防水管，必須切斷切口范圍內的所有管線，否則它將影響樓房的倒塌。

4)外立面玻璃幕墻。外立面玻璃如不處理，在樓房倒塌過程中，會被“抖”在樓內的“壓縮氣體”沖擊飛出，對周邊造成幕墻的損傷。因此必須在爆破前將“密閉”的玻璃幕墻敲碎，讓爆后樓內的氣體自由釋放出來。

5)南側路燈桿和樹木。在倒塌方向的反方向(西側)的11 m處有5棵樹和3個路燈桿，爆后樓房的后座會造成樹木和路燈桿的損壞，在爆前將其移走。

3.3 防護措施

1)爆破部位的多次覆蓋防護。在需要裝藥的立柱和預處理后余留下的剪力墻外側用5層高強度安全網、1層塑料骨骼網和1層地毯外包門板的組合覆蓋防護，組成“第1道防線”，防止個別飛石的溢散(見圖7)。

圖7 覆蓋防護Fig.7 Covered protection

2)切口外側的近體防護。在切口部位的外側外掛2層抗拉密目遮陽網全切口近體覆蓋，在網的外側再用鐵絲拉緊，與樓房“捆為一體”，形成“第2道防線”。個別飛石即使突破“第1道防線”后，觸碰“第2道防線”后，被“柔性反彈”而“跌落”。

3)周邊排架的遮擋防護。在距待爆大樓的兩側10 m，倒塌方向53 m處搭設懸掛雙層安全網的雙排高位遮擋防護排架，組成“第3道防線”，防止突破“第2道防線”的個別飛石和著地飛濺對周邊幕墻的損壞(見圖8)。

圖8 待爆大樓防護Fig.8 Protection of the building to be blasted

4)對重要目標的主動防護。在距離待爆大樓南側33 m處，有富興廣場地下車庫的出入口，其上部有平面覆蓋著大面積玻璃幕墻，而上部切口位于36 m的高處，爆后個別飛石的拋射極易損壞此處的幕墻。因此，在此玻璃頂蓋的西、北及頂部采用全覆蓋離空懸掛安全網，主動防護預防個別飛石的“直擊”(見圖9)。對東北角上的56 m處的配電柜，采用四周及頂部全覆蓋的腳手架與安全網，確保配電柜的安全(見圖10)。

圖9 地下車庫防護Fig.9 Underground garage protection

圖10 配電箱防護Fig.10 Distribution box protection

5)開挖減振溝。在倒塌方向與在建大樓基坑懸臂剪力墻之間開挖一條寬2 m，深度大于基坑底的減振溝，防止爆破振動和塌落振動對基坑的影響。

6)堆筑防沖堤。為防止待爆大樓倒塌著地時，頂部水箱、樓頂活動頂蓋的“沖、滾”，在待爆大樓東側的52 m處堆筑了一道高2.5 m，底寬3.5 m，頂寬2 m的防沖堤，確保基坑內懸臂剪力墻不受損壞(見圖11)。

圖11 防沖堤Fig.11 Fending groin

7)設置減振“墻”。在倒塌方向一側距待爆大樓30 m處，設置1道由2道3層輪胎疊加并鐵絲相互固定的減振墻，以減小樓房著地時的塌落振動(見圖12)。

圖12 輪胎減振墻Fig.12 Tire damping wall

8)在管線部位鋪設鋼板。在待爆大樓西側的10 道管線上鋪設厚2 cm的鋼板，以防止后坐沖擊管線，確保管線的安全(見圖13)。

圖13 待爆大樓管線防護Fig.13 Pipeline protection of the building to be blasted

為防止爆后二次事故的發生，爆前30 min關閉大樓西側的水、電、氣等易燃易爆的管線，并組織水、電、氣、通信、醫療、消防等多行業的應急搶險分隊，在距爆區不遠的指定地點待命。一旦發生意外情況可立即前去搶險，把可能發生的風險降至最低。爆后15 min檢查確認安全后再進行通氣、通電、通水。

3.4 合理精確的技術設計

1)精確計算爆破參數。本次爆破的參數是根據樓房的結構和現場條件結合以往的經驗而確定的，具體參數如表1所示。

表1 爆破參數

2)爆前試炮調整參數。在正式裝藥前要選取不同類型的立柱、剪力墻進行爆前試炮，摸清其砼強度、內部配筋，判別裝藥是否合理，防護是否有效，試炮時應按正常設計時1∶1的裝藥和防護進行，爆后根據效果調整參數。

3)合理選擇延時時間。網路能否可靠起爆，是解決必須“響”的第一要素，而段間及切口間的時差是決定樓房倒的是否徹底，是否會產生前沖、后坐的關鍵。此次爆破，我們采用段間半秒，切口間1.5 s的延時時間。起爆延時時間如表2所示，起爆網路如圖14所示。

表2 起爆延時時間

圖14 起爆網路Fig.14 Detonation network

3.5 嚴密組織施工

裝藥前要根據設計將每柱、每墻、每孔的裝藥情況繪制成每層的裝藥圖，裝藥前對所有施工人員進行技術交底，進行分藥、裝藥、填塞、網路連接的明確分工，并講清各環節的技術要點，便于施工人員明白地按圖施工。

按裝藥圖由上至下、由前至后、由右向左，每層、每段、每柱進行分割裝藥，一柱二人領藥領雷管，簽字確認，確保分裝藥準確，填塞嚴密。

對每孔、每柱、每段、每層的藥量和雷管段別實行分藥組、裝填組、連接網絡組三級復核，確認無誤后方可連接起爆網絡。

在待爆四周需要防護的重點目標附近布置了24個檢測點，并且專業檢測公司、監理和爆破公司三方同時布置不同點進行檢測，對于周邊的“危房”等可能會引起爭議的建筑(設施)，爆前請專業的第三方鑒定和取證，避免爆后糾紛。

3.6 爆破安全計算

1)爆破振動校核

(1)

式中：v為爆破允許質點振動速度，cm/s；Q為單段最大起爆藥量，kg；R為保護對象至爆破點的距離，m；k、α分別為與爆區地形、地質條件有關的系數和衰減指數；k′為修正系數，k′=0.25。

對最近的地下停車場入口(距待爆大樓33 m)，通過計算得出炸藥爆炸產生的爆破振動速度為0.35 cm/s，根據爆破安全規程(GB 6722-2014)，爆破振動速度不會對爆區建筑物及設施造成影響

2)觸地振動校核

(2)

式中：vt為塌落引起的地面振動速度，cm/s；R為觀測點至沖擊地面中心的距離，m；m為下落構件的質量，t；H為構件的高度，m；σ、g、kt、β分別為地面介質的破壞強度、重力加速度、觸地振動速度衰減系數、觸地振動速度衰減指數，可按經驗取σ=10 MPa，g=9.8 m/s2，kt=3.37～4.09，β=1.66～1.80。

經計算，在采取減振溝、緩沖墻等措施，衰減系數kt僅為原狀地面的1/4～1/3，因此計算的觸地振動速度為1.81 cm/s，在允許范圍內。

3)飛石距離校核

Rmax=KtqD

(3)

式中：Kt為與爆破方式、填塞長度、地質和地形條件有關的系數，結構物爆破一般取Kt=1.0～1.5；q為炸藥單耗,kg/m3；D為藥孔直徑，mm。

經計算，Rmax為101 m,此計算是在無任何防護措施下所達到的飛石距離，爆破時采取一系列的防護措施，完全可以將飛石控制在安全范圍內。

4 結果與討論

4.1 爆破解體情況

2019年12月23日1時18分待爆大樓起爆，4.5 s完成，大樓定向折疊在預先設計的范圍，解體比較徹底。經爆后現場測量,密集坍塌長度45 m，樓頂個別構件拋至最遠處50 m，密集坍塌寬度54.9 m，個別至59 m，爆堆最高12 m，后坐8 m，西側有3棵樹和2根路燈電線桿被擠倒(預先需拆的)。

圖15 爆破過程Fig.15 Blasting process

大樓按預定方向倒塌，說明了①折疊效果明顯，對東側基坑絲毫沒影響；②多向閉合復式網路設計可行，起爆可靠；③防沖堤堅固，阻擋了樓頂水箱等構件的沖出，反沖效果明顯；④雖然后坐明顯，但在預計之中。

4.2 爆后周邊情況

待爆大樓折疊著地后，產生的強有力的“氣浪”將東、北兩側防護架吹倒，南側臨近樓房觸地中心處排架上懸掛的防護網部分被吹落，但周邊幕墻和門窗無損壞。說明3道防護強有力地阻擋了個別飛石的產生；盡管“氣浪”沖倒了排架，但排架上懸掛的安全網有效阻擋了個別飛石和“氣浪”中夾帶的保溫材料及二次飛濺，減少了對周邊環境的損壞和污染，防護效果明顯。

4.3 單向折疊效果結果

從現場和視頻中可以看到，起爆后，折疊“點頭”的效果非常明顯，大大縮短了倒塌距離，有效防止了前沖。但是現場折疊效果表明上下切口的時差略長了一點，在上部結構形成了明顯的“點頭”下落的趨勢后，下部切口才起爆。這樣下部切口起爆后形成的向東推力已“推不動”上部結構，上部結構著地時，反而阻礙了下部結構“向前運動”，因此只能向后“擠”，導致后坐加大。

上下切口的延時時間在1 s左右，但這要看切口范圍內剪力墻、電梯井等影響切口閉合的“障礙”處理得是否徹底。如處理徹底，則切口閉合速度加快，上下切口的延時時間就要短些；如處理不是太徹底，上下切口的閉合速度就會慢些，延時時間就要略長一些。

4.4 爆破振動監測

從爆后各點檢測結果看，只有2個點數據有些異常，經調查和分析，其中一個是設置在倒塌方向上防護堤外側的點，可能測點位置土質較軟，被倒塌的排架砸到而出現異常；另一個是設置南側輔道管線上的點，可能是瀝青路面間隙較大而導致。其它各點測得的振動數據都在2.5 cm/s以下，確保了周邊建筑物的安全。

5 結語

1)在城市中心地帶場地受限的情況下，采用折疊爆破的方法可縮短倒塌長度，減小對周邊環境的影響，方法可行。

2)3道防線防護可有效阻擋和防護個別飛石、著地飛濺以及壓縮氣體夾帶“產物”對周邊幕墻、門窗等建(構)筑物及設施的損壞，防護方法有效。

3)折疊爆破時，上下切口間的延時時間在1～1.5 s間較為適宜，內部剪力墻處理干凈，則取最小值，留有部分剪力墻時，取最大值。

4)開挖減振溝，設置減振緩沖輪胎墻，堆筑防沖堤是減小爆破振動、保護周邊建筑物和設置安全的必要措施。

5)爆前對周邊“危房”及重要保護目標的取證以及爆中測振是避免爆后糾紛的必要措施。