十九层楼房拆除爆破的震动测试及分析

张宇江,李 祥,2

(1.浙江省隧道工程公司, 浙江杭州 310012;2.宁波力拓爆破工程有限公司, 浙江宁波市 315318)

十九层楼房拆除爆破的震动测试及分析

张宇江1,李 祥1,2

(1.浙江省隧道工程公司, 浙江杭州 310012;2.宁波力拓爆破工程有限公司, 浙江宁波市 315318)

在19层大楼的爆破过程中,采用IDTS3850爆破振动记录仪对爆破震动及大楼塌落震动进行了实时监测。测试数据表明,高层建筑物爆破拆除过程中塌落震动值远大于爆破震动值,且前者的震动速度随距离的增加衰减较快;采用半秒延期雷管可以有效避免爆破震动的叠加。爆破地震波对远处建(构)筑物有较大影响。

拆除爆破;爆破震动;塌落震动;固有频率

1 工程概况

1.1 待爆大楼及四周环境简介

东阳市原吴宁镇政府办公大楼位于浙江东阳市人民路与振兴路的交汇处,总占地面积1940 m2。大楼主体东侧距离人民路中心线约35 m,东侧通讯光缆、军用通讯电缆等多种地下管线距爆体12 m,南侧距离振兴路中心线约65 m,北面25 m为国土大厦,西面10 m、南侧50 m处为居民楼。因城市规划建设需要对该办公大楼予以拆除。

大楼分为主楼、裙楼和地下室3部分,主楼地面以上19层,总高度70.3 m,建筑总面积为16372.74 m2,主楼建筑面积约为11000 m2。主楼结构为全剪力墙结构,剪力墙厚度为25 cm,以“工”字形剪力墙为主承重构件,联系梁为搭接构件;东西跨度加上电梯井为7列,南北跨度加走廊为3跨,加之现浇楼板,使得大楼整体结构十分坚固,抗剪抗弯能力极强。大楼主体西侧为双门电梯井和内楼梯,大楼主体东侧为单门电梯井和内楼梯;主楼南、北、西为4层裙楼,属框架结构;地下室一层建筑高度4.8 m。大楼平面环境如图1所示。

1.2 爆破拆除方案

根据周围环境条件,楼房倒塌方向选择为正南方向。为控制楼房的倒塌长度和触地震动,设计了3个爆破缺口,各缺口起爆顺序为下缺口、中间缺口、上缺口。同一缺口各排剪力墙按照从南向北顺序分段起爆,段与段之间各缺口之间采用半秒延期时间间隔,整个大楼共分6段爆破,总装药量为250㎏,其中最大一次齐爆药量为48.1㎏。爆破缺口的位置见图2。

图1 周围环境和测点位置

图2 爆破缺口的位置

1.3 减震及其它安全技术措施

为控制爆破震动和塌落震动,保证大楼西南侧居民楼和东侧地下管线的安全,在爆破大楼的东面和西面分别挖了深2.3 m、宽1.8 m的减震沟,同时在减震沟靠近待爆大楼一侧堆设缓冲土层并在缓冲土层上再堆设沙包,缓冲土层层高1.8 m、底宽1.5 m、顶宽1.0 m,西侧减震沟距大楼7 m,东侧减震沟距大楼7.5 m。为减小大楼爆破后触地震动,分别在大楼倒塌正前方20,30,45 m处堆设3条缓冲土层,缓冲土层底宽1.5 m、顶宽1.0 m、高1.8 m,并在缓冲土层顶端堆设一层沙包,以有效降低楼房触地时的塌落震动。同时委托东阳市建委房屋质量检测部门分别于爆前、爆后对被保护建筑物进行质量检测和评估。

1.4 震动强度的实时监测

根据业主及当地公安部门的要求,在采取上述安全技术措施的同时,还委托专业测试单位在被保护建筑物附近进行震动强度的实时监测,以便为房屋检测部门提供安全评估依据。

2 测试仪器及测试方法

2.1 观测仪器的特征

本次测试采用四川拓普测科技有限公司制造的UBOX-20016爆破振动记录仪。UBOX-20016爆破振动记录仪可用于现场爆破、振动、冲击、噪声等测试,并对信号进行记录和分析。该仪器可以检测竖直、水平两个方向的质点振动速度。

本次爆破振动检测共用检测仪器3台。编号分别为11-SD-06、11-SD-07、11-SD-08。检测设备均经过权威检测机构检定合格。

2.2 测点的布置

测点位置主要布置在重点被保护目标的附近,本次爆破重点保护的目标是距大楼西南10 m侧居民楼,故在该居民楼附近布设了3个测点(见图1中的1#、2#、3#测点),3个测点距大楼的距离分别为58,60,62 m。图1中虚线为减震沟位置。

3 测试结果及分析

3.1 测试结果

根据振动记录仪记录的振动波形(见图3),通过波形数据转换处理,得到表1所示的测试结果。

震动造成建构筑物的结构损坏,除建筑物本身的原因外,其主要因素取决于震动的幅值、频率、持续时间等。在我国的爆破安全规程中一般以质点振动速度作为安全校核依据,但目前振速-频率也已经作为震动安全评估的指标而被许多国家采用,也引起国内外爆破界科技人员的重视。下面就本次爆破的震动测试报告数据进行分析。

图3 各测点振动波形

表1 测试数据

3.2 测试数据分析

塌落震动:

V＝0.08(I1/3/R)1.67

I＝Mv

v＝(2gh)1/2

式中:

V——塌落振动速度,cm/s;

R——测点距爆体中心距离,m;

M——塌落物体质量,kg;

v——塌落物体触地速度,m/s;

h——塌落物体重心高度,m。

计算得V＝2.02 cm/s。

由于采用了逐排、逐缺口延期爆破方案,大楼前、后4排立柱先后触地(不是同时);上两个爆破缺口形成后大楼将“低头、弯腰”,即部分自由落体势能将转化为大楼结构解体的内能,因此塌落震动的强度将小于理论计算值(大楼整体的自由落体冲击地面)。

爆破震动:

V＝50(Q1/3/R)1.67＝50(481/3/60)1.67＝0.46 cm/s

式中:V——爆破振动,cm/s;

Q——单段最大起爆药量,kg;

R——测点距爆体中心距离,m。

经减震沟衰减之后,无论是爆破震动,还是塌落震动,均已显著减少;尤其是缓冲层的作用,使塌落震动进一步减少,两者已相差无几。

监测结果表明,3个测点在震动测试过程中都出现了3个振幅峰值,第一个信号即第1波峰值是炸药起爆后引起的爆破振动,第2波峰值是大楼起爆后本体垂直下落触地振动,第3波峰值是大楼上缺口闭和着地时的振动,也就是爆体的塌落振动。第1波峰值与第2波峰值之间所持续的时间即为大楼起爆到大楼本体垂直下落着地的时间,约为2.7 s,而楼房前端触地后,上端未爆部分仍以此为支点继续向前倒塌,直到上部分完全倒塌,大约在6.1 s时大楼上缺口着地,即爆破缺口闭合时的塌落震动,因此楼房倒塌完全时间应稍大于该值。

测量数据显示,爆破震动明显小于爆体塌落震动。对于1#测点垂向最大振动速度的3次峰值、振动持续时间以及两波峰时间间隔都有别于2#、3#测点,主要原因可能与测点所处位置地质地层有关。2#、3#测点3个波峰振幅值按照一定的递减规律有明显变化,说明爆破地震波随距离增大而衰减,由于2#、3#两个测点距爆体中心的距离差别不是很大,所以各测点波峰值以及爆破震动和塌落震动衰减数据比较接近。在周围地质条件基本相同的情况下,爆破地震波的最大值主要由最大一次齐爆药量决定,本次爆破最大一次齐爆药量就是下缺口第一段装药量。

通过分析可以看出楼房拆除爆破时,爆破振动幅值较小,在同一测点的塌落振动幅值大。从实测的振动速度曲线分析,楼房倒塌触地时,其振动速度幅值最大。因此塌落的震动强度对临近建筑物的影响应引起足够的重视,在一定距离以外,震动强度将很快衰减。对于两层结构的民房来说,其固有频率为4～12 Hz,可见爆破地震波谱中低频成分与建(构)筑物的固有频率较为接近,容易产生共振。因此,低频对建筑物危害较大,爆破测试中应尽量减少低频测试误差。

4 结束语

工程爆破地震效应对建(构)筑物的安全评价,不仅要考虑振动速度的安全指标,同时也应该注重振动的频率因素。本次19层全剪力墙楼房拆除爆破中的爆破振动和塌落振动实测数据分析表明:

(1)对于爆破地震,它的地震波形是非周期的瞬态波形,频率高(达数十至上百赫兹)、持续时间较短,大楼倾倒触地引起的振动波其幅值大、频率低(几赫兹至十几赫兹)、持续时间较长,相比较而言,高耸建筑物爆破拆除时,塌落震动比爆破震动对四周环境的影响或危害要大得多,故在爆破设计方案中,更应注意对塌落震动的控制,应在爆破设计和辅助安全措施的结合上,尽可能减少或消除塌落的危害;

(2)采用半秒延期时间间隔爆破的技术措施,可避免爆破震动的叠加,从而有效地控制爆破震动的危害。

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[4]周家汉.高烟囱拆除爆破及塌落振动测量和分析[A].工程爆破文集[C].2001.

[5]唐 勇.高层建筑物爆破拆除中震动的测试及分析[A].工程爆破[C].2004.

[6]王恒富,陈寿如,袁非亮.浅埋隧道掘进开挖的爆破震动控制[J].采矿技术,2007(4).

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2012-03-08)

张宇江(1978-),男,浙江诸暨市人,工程师,主要从事隧道施工、爆破施工、地灾治理的研究工作。