復雜環境高層建筑物拆除爆破振動控制與影響分析*

畢業武，公文新，劉啟進，金珠鵬，周 靜，趙子琪

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022； 2.哈爾濱恒冠爆破工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080；3.陜西中爆檢測檢驗有限責任公司，陜西 西安 710000； 4.黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

近年來，隨著我國城鎮化進程的加快，在城市建設中改擴建項目與拆遷工程日益增多。被拆除建筑物高度、體量不斷增加，結構及周圍環境愈加復雜，工程質量與安全要求愈加嚴格。由于機械拆除存在工期長、風險高、效率低、費用高等缺點，尤其是對于高層建筑物的拆除，爆破技術的優勢更加突出。近30年來，我國諸多城市高層建筑物都是采用爆破技術進行拆除的，目前該技術已經成為城市高層建筑物拆除的主要手段[1-3]。由于爆破環境的復雜性、爆破建筑物結構的特殊性、倒塌范圍的局限性，倒塌落地沖擊振動強度大，爆破拆除難度大，使得爆破安全控制難度增大，如何保證復雜環境下爆破安全成為拆除爆破領域關注的重點[4-6]。本文以哈爾濱道外區復雜環境23層框-剪結構爛尾樓爆破拆除工程為例，針對爆破振動有害效應，對其安全控制進行探討和研究，采用遠程測振系統進行爆破振動現場測試，對爆破振動影響和爆破效果進行分析評價，以期為復雜環境類似爆破工程實踐提供參考。

1 工程概況

1.1 周圍環境

哈爾濱糧油批發市場在建工程項目(23層爛尾樓)爆破待拆除的樓體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67m；西側距離民用高壓線6m，距寶宇天邑瀾灣小區門市房40m；南側距離高壓線10m，距離建筑工地35m；東側距離待拆樓房6m，距離北馬路小學校85m；樓房50m范圍內無任何地下管網設施(見圖1)。

圖1 爆區周圍環境

1.2 工程特點及難點

待拆除樓房西側6m處和南側10m處為道外區域供電高壓線，高壓線高度約10m、走向為北偏東15°左右，東側6m位置為多層建筑物，北側67m處為北環辰能五金城(見圖1)。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。

1.3 爆破設計方案

根據爆體結構、周圍環境和安全要求，提出高位切口3段切割精確控制樓體轉角爆破技術，基本思路為高位切口3段切割5段延時，邊傾倒邊下座，阻尼下座緩沖落地。具體方案：北偏東約15°“精確轉角”定向傾倒和原地坍塌，1～6層原地坍塌，11～12層定向傾倒，整個樓房設計3個爆破切口：11～12層樓為爆破上切口，3～6層為中切口，1～2層為下切口(見圖2a)。爆破部位裝藥分為5段起爆，每段間隔時間為0.5s，其中，11～12層樓3段起爆用時分別為0，0.5s和1s(見圖2b)，3～6層樓第4段起爆延時為1.5s，1～2層樓第5段起爆延時為2s。

圖2 樓體爆破切口、上切口延時起爆順序及轉角

2 爆破振動災害分析與控制

2.1 樓體觸地振動分析

高層建筑物拆除爆破振動主要指建筑物倒塌過程中的觸地振動，其遠大于炸藥爆炸產生的爆破振動，因此，爆破工程設計施工中，除對炸藥爆破進行有效控制和必要防護外，更應對高層建筑物的觸地沖擊及由此引發的振動進行控制。

根據觸地振動公式及工程實測，距離相同時，高層建筑物觸地振動正前方振速大于側方及后方振速。為降低高層建筑物的觸地振動，在倒塌條件允許的前提下可將單次振動變為多次觸地振動，將單個爆破切口變為多個切口，可使高層建筑物倒塌從單次觸地沖擊變為多次沖擊，高層建筑物解體后分散落地，減小了沖擊能量，從而降低了爆破振動。

2.2 樓體觸地振動控制

1)采用5段延時起爆精準轉角，1～2層、3～6層、11～12層(3段)均采用0.5s延時，樓體上切口定向轉角，根據式(1)計算，第1響樓體重心偏移角度13.13°、第2響25.67°、第3響49°(見圖2b，2c)。倒塌方向偏移角度應滿足式(1)：

(1)

式中：L1，L2為承重立柱的距離；α為偏移角度。

2)設計采取3個爆破切口，其中1～2，3～6，11～12層分別設置1個切口，弱化樓體整體強度，控制解體構件尺寸，有效分解樓體觸地動能。

3)在樓體倒塌位置地面堆放8m高砂土堤，在倒塌位置周圍設置減振溝及圍擋，3個爆破切口均覆蓋防護網，有效緩沖樓體倒塌觸地振動。

4)控制樓體倒塌觸地位置在地下室范圍內，充分利用地下室降低爆堆和吸能減振，控制塌落振動影響范圍。

3 爆破振動監測與影響分析

為保證爆破施工安全，本次爆破使用遠程測振系統，該系統以工程爆破云計算中心為基礎平臺，以測振專家系統和數據庫為技術支撐，以網絡測振儀、瞬態校準儀為外部配套設備，為爆破振動實時測試、數據處理和服務用戶實現數字化、實時化提供了條件，該系統對建筑物拆除爆破過程中產生的爆破振動及塌落振動進行了實時監測與動態反饋，并對爆破效果進行了全面分析。

3.1 傳感器布置

此次爆破振動監測共布設6個測點，編號分別為1～6，其布置情況如圖3所示。

圖3 測點布置平面

1)1號測點 布設在待爆破樓房東側的待拆樓房地基上，距爆破樓房直線距離為6m。

2)2號測點 布設在待爆破樓房南側新建樓房門口地基上，距爆破樓房直線距離為40m。

3)3號測點 布設在新馬路與北馬路交口西南側3層樓房地基上，距爆破樓房直線距離為70m。

4)4號測點 布設在待爆樓房基本呈一條直線的正西側寶宇天邑瀾灣小區商服旁地基上，距爆破樓房直線距離為40m。

5)5號測點 布設在待爆破樓房西北側寶宇天邑瀾灣小區商服(交通銀行)旁地基上，距爆破樓房直線距離為60m。

6)6號測點 布設在待爆破樓房北側的北環辰能五金城南門前旁地基上，距爆破樓房直線距離為67m。

3.2 測試數據及其結果分析

3.2.1振動測試波形分析

1)振動波形

采用遠程測振系統監測得到本次拆除爆破振動實測波形和幅頻特性，測試數據如表1所示。

表1 拆除爆破振動信號測試結果

2)波形分析

由爆破振動實測波形和幅頻特性分析可知，6個測點在振動測試過程中均出現了不同階段振幅峰值，基本呈現如下規律：①在起爆2s內的峰值信號均為炸藥起爆后(5響)引起的爆破振動，在約8.7～12.7s內的峰值信號是樓體起爆后垂直下落觸地振動，即爆體塌落振動。②2s內峰值與約8.7～12.7s內峰值之間所持續的時間即為樓房起爆到樓房本體垂直下落著地的時間，約為12.7s，樓房1～6層原地倒塌觸地后，上部11～23層爆體隨阻尼下座并向前倒塌，直到上部分完全倒塌，大約在14s時樓體上切口著地，即爆破切口閉合時的塌落振動，因此樓房倒塌完全時間應稍大于該值。③監測數據顯示，爆破振動明顯小于爆體塌落振動。如4～6號測點垂向最大振動速度出現時間為8.7～12.7s，由此可知塌落振動峰值、振動持續時間都有別于1～3號測點，主要原因可能與測點所處位置(1～3號測點背向爆體倒塌方向)、地質地層和距離有關。整體而言，在周圍類似地質條件下，爆破地震波最大值主要取決于最大一次齊爆藥量即3～6樓層切口的第4段裝藥量192kg。

3.2.2振動測試數據分析

1)破振動產生的質點峰值振動速度在0.52～1.91cm/s，主振頻率在3.80～4.92Hz。

2)待爆破樓房東側的待拆樓房(6m處)最大振速為1.78cm/s，主振頻率為4.72Hz；待爆破樓房南側新建樓房門口(40m處)最大振速為0.52cm/s，主振頻率為3.8Hz；在新馬路與北馬路交口西南側3層樓房(70m處)最大振速為0.87cm/s，主振頻率為4.92Hz；待爆破樓房基本呈一條直線的正西側寶宇天邑瀾灣小區商服(40m處)最大振速為1.91cm/s，主振頻率為3.86Hz；待爆破樓房西北側寶宇天邑瀾灣小區商服(交通銀行)(6m處)最大振速為1.20cm/s，主振頻率為4.15Hz；待爆破樓房北側的北環辰能五金城南門前旁(67m處)最大振速為1.49cm/s，主振頻率為3.83 Hz。

3)檢測到最大振動速度為1.91cm/s，位于正西側寶宇天邑瀾灣小區商服(40m處)，滿足GB6722—2014《爆破安全規程》規定的安全允許標準1.5～2.0cm/s。

4)測試結果表明，本次拆除產生的爆破振動及塌落振動危害效應都控制在《爆破安全規程》要求的安全閾值范圍內，周邊建筑物處于安全狀態。

3.3 影響分析及效果評價

爆破后經現場勘查，起爆后樓房整體向北偏東約15°倒塌，塌散距離約為23m，重點保護目標西側寶宇小區及臨近6～10m高壓線、北側對面北環商城等均完好無損，爆后解體充分，利于爆渣清運，達到了預期效果。

4 結語

綜合分析現場爆破振動控制技術及監測結果，結論如下。

1)通過高位切口3段分割5段延時精準轉角定向爆破，合理設置爆破切口，鋪設砂土堤及圍擋，開挖減振溝，充分利用地下室及采用覆蓋防護等爆破振動控制技術，最大限度地降低了爆破振動有害效應。

2)通過遠程測振系統，實現了爆破振動及塌落振動的全程、在線監測，監測結果表明：測點質點峰值振動速度在0.52～1.91cm/s，主振頻率在3.8～4.92Hz，在《爆破安全規程》要求的安全閾值范圍內。爆破后建筑物整體向北偏東倒塌，北側對面北環商城及西側靠近樓體近6m高壓線及其周圍其他建筑物完好無損，爆后解體充分，利于爆渣清運，達到了預期爆破效果。

3)本次工程爆破振動控制技術取得了良好效果，該研究對復雜環境建筑物拆除爆破工程實踐具有重要參考價值。