复杂环境下3栋框架砖混结构楼房的控制爆破拆除

2014-03-26刘福高钟冬望

武汉科技大学学报 2014年6期

刘福高，钟冬望，朱宽,3

(1.武汉科技大学理学院，湖北武汉，430065；2.浙江京安爆破工程有限公司，浙江杭州，310011；3.葛洲坝易普力股份有限公司，重庆，401120)

1 工程概况

为配合推动湖州市德清县“三改一拆”工作的顺利进行，需对德清县武康镇英溪北路西侧、丰桥港北侧的3栋5层框架砖混结构楼房进行爆破拆除，其周边环境如图1所示。待爆楼房建于20世纪90年代末期，沿英溪北路人行道西侧南北向一字排开，南北向总长度约50 m，东西向宽约12.5 m，建筑总面积约3200 m2。东侧为交通主干道英溪北路，其车流量较大，人行道上有架空通信电缆线，地下有上水管、污水管及雨水管等市政设施，待爆楼房与通信电缆线的水平距离仅有1 m；西侧100 m范围内均为待拆除的旧房；北侧为一片待拆旧房及一处待保护砖结构旧房，待爆楼房与待保护砖房的水平距离约25 m；南侧为便道及无名小溪，路边有架空高压电线(电压10 kV)和通信电缆线，高压电线和通信电缆线与待爆楼房的水平距离约6 m。

图1 待爆楼房周边环境(单位：m)Fig.1 Surroundings of the buildings to be blasted

待爆楼房结构如图2所示。3栋楼房均有5层，高度约20 m，主体结构相类似，1～2层东侧沿街部位为现浇框架结构，西侧厨卫部位为混合结构，3层以上均为砖混结构。另外，1#楼有1个楼梯间，2#、3#楼各有两个楼梯间。1#楼南北向长约11.5 m，共3跨4列立(墙)柱承重，东西向宽约12.5 m(包括外挑部分)，由4排立(墙)柱承重；2#楼南北向长约18.5 m，共5跨6列立(墙)柱承重，东西向宽约12.5 m(包括外挑部分)，由4排立(墙)柱承重；3#楼南北向长约18.5 m，共5跨6列立(墙)柱承重，东西向宽约12.5 m(包括外挑部分)，由4排立(墙)柱承重。

图2 待爆楼房结构示意图Fig.2 Structure diagram of the buildings to be blasted

2 爆破设计原则

(1) 保证在实施爆破过程中的人员安全，爆破塌落的残骸对人行通道及其上下各类管线不产生破坏，尽可能减少对周围建(构)筑物的影响。

(2)尽可能减少爆渣对主干道英溪北路的交通影响，设计3栋楼房全都背离英溪北路向正西方向倾倒，爆后道路经简单清扫后可迅速恢复正常交通。

(3)位于3栋大楼倾倒方向的待拆房屋会对爆破效果产生不同程度的影响，故爆破前先采用机械拆除法对部分毗邻的待拆房屋进行处理。根据以往的工程经验，在倒塌方向预留7 m空间以保证大楼的顺利倾倒。

3 爆破参数设计

3.1 爆破切口

3栋楼房的底下两层主体为框架结构，均采用定向倾倒的方式进行拆除。爆破切口设计使用梯形切口，具体方法是：A、B两排立柱炸掉以形成最大爆高，对D排立柱只在其底部造成一定破坏，以形成支撑铰点。充分考虑倒塌环境要求，为保证楼体的整体坍塌效果，降低爆堆，装药位置设计至第三层楼底部，最大爆高初步设计为9.5 m，由公式H=Btanα来验证设计的合理性，其中B为1#～3#楼宽(不含外挑部分宽度)，m；α为1#～3#楼爆破切口倾角，(°)。由H=9.5 m、B=11.6 m，计算得α=39°。

爆破切口内的立(墙)柱失稳闭合后，楼房的重心必须偏移至大楼楼体以外才能保证其顺利倾倒，楼体重心偏移如图3所示。楼房的重心高度ZC=12 m(根据现场实际情况，底楼绝大部分为立柱，只有少部分的墙体，故将楼房的重心高度取为12 m)，大楼重心偏移至楼体外边线的临界切口高度H临=Btanβ，其中，β为确保楼房顺利倒塌的最小倾角。利用三角函数关系计算得β=38°，代入公式得H临=9.0 m。因α>β、H>H临，故设计爆高H=9.5 m完全满足要求，设计合理。爆破切口如图4所示，1#～3#楼爆破切口内各排立柱(墙)的设计爆高如表1所示。

图3 重心偏移示意图(单位：m)Fig.3 Schematic diagram of the gravity center’s offset

图4 爆破切口示意图(单位：m)Fig.4 Schematic diagram of the blasting cut

表1爆破切口内各排立柱(墙)的设计爆高

Table1Designedblastingheightofcolumns(walls)intheblastingcut

轴线设计炸高/m一层二层三层A43.52B43.50C410D0.500

3.2 爆破前预处理

为提高爆破可靠度，确保爆破效果，需预先对建筑物冗余结构及附属结构进行预处理[1-3]，具体包括：

(1)爆破前应拆除爆破切口内所有的非承重墙，同时应对部分承重墙开设孔洞，使其简化成类似墙柱形式，开设孔洞的高度应大于或等于该区的设计爆高，洞宽约为1.5 m；

(2)由于3栋楼的楼梯位于倾倒方向前排，应人工拆除或弱化至3层；

(3)对爆破切口内厨房、卫生间的承重墙体进行局部破坏。

预拆除和预处理过程严格执行《GB6722—2011爆破安全规程》的相关要求，在技术人员的指导下进行上述步骤，不能影响到大楼的整体稳定和结构安全。

3.3 爆破孔网参数

爆破切口内混合结构部分承重墙面布孔原则上采用多孔均布，使炮孔前后方向上的最小抵抗线基本相等以确保墙体完全破坏，并适当减少单孔药量以利于控制爆破飞石。墙面布孔如图5所示，自室内地坪+50 cm起布孔，底部布3排炮孔，顶部布2排炮孔，平均墙厚27 cm，平均孔深16 cm，孔排距35 cm×25 cm。根据以往工程经验，炮孔装药起爆后砖墙会发生自然解体，失去承重能力。砖墙体为薄壁结构，为确保爆破效果，炸药单耗适当加大，取为1500 g/m3，计算得每孔装药量约为35 g。

图5 墙面布孔示意图(单位：cm)Fig.5 Distribution of metope blasting holes

4 起爆网路

4.1 延期分段

由于待爆大楼周边有房屋需保护，且3#楼距最近的待保护砖房的水平距离仅为25 m，为减小爆破振动和塌落振动，拟将1#、2#、3#楼分别分成2段起爆，前后段时间间隔500 ms，1#、2#楼之间的时间间隔为0，2#、3#楼之间的时间间隔为380 ms。采用毫秒微差技术依次逐栋逐跨进行爆破，爆破次序如图6所示，这样可实现大楼倾倒时的先后触地，从而有效控制大楼的塌落振动，以确保周边建筑物的安全，也有利于大楼的充分解体。

4.2 起爆网路设计

为减少杂散电流、感应电流等对起爆网路的干扰，设计使用非电微差起爆系统，并采用塑料导爆管和四通连接块组成复式闭合多通道传爆网路，以确保网路的可靠性，同时网路设计要求满足以下条件：

图6 延期分段图Fig.6 Schematic diagram of delay blasting order

(1) 立(墙)柱上的炮孔采用两发ms-2段雷管绑扎起爆，每两发传爆雷管绑扎的雷管数量最多不超过20发；

(2)用导爆管将所有ms-2段传爆雷管连成复式闭合传爆网路；

(3)上下楼层网路之间保证至少有6条通路；

(4)起爆主线由爆区6个点随机引出，汇总成2条总线后引至起爆站。

5 爆破安全

5.1 爆破振动控制

爆破振动可按以下经验公式进行评估：

V=K(Q1/3/R)1.57

(1)

式中：V为爆破振动速度，cm/s；K为与地形、地质条件有关的系数，取K=32.1；Q为最大一段齐爆药量，kg；R为爆破几何中心至待保护建筑物的最近距离，m。

设计最大单响药量约为30 kg，R=35 m(即3#楼平面几何中心到待保护砖房的最近距离)，由式(1)计算得V=0.72 cm/s。《爆破安全规程》规定，对一般砖结构，爆破(浅孔爆破)振动速度应控制在2.3 cm/s以下，故本工程中爆破振动对周围建筑物不会造成影响。

5.2 塌落振动

与爆破振动相比，一般情况下大楼(重达数百吨)倾倒触地时产生的振动对周围环境更具威胁性及破坏性。不考虑建筑物在空中解体时的相互牵制作用，在极端情况下，当楼体的某一部分以自由落体形式冲击地面时，其激发的最大地表振动速度Ve为[4]：

Ve=0.08(I1/3/Re)1.67

(2)

(3)

式中：I为建筑物触地冲量，kg·m/s；M为每次触地的楼体质量，kg；h为楼体重心高度，m；Re为建筑物触地中心至待保护建筑物的最近距离，m。

尽管本工程中的待爆楼体离周边房屋建筑物较近，但由于在爆破方案中采用了单个楼体前后分成两段、各个楼体之间进行分段的延期起爆技术，所以爆后楼体将分段、分块依次触地。3#楼起爆后，触地几何中心至最近的待保护砖房约为35 m，楼体分两段逐排依次触地，每次触地时的最大质量约为850 t，重心高度约为12 m，计算得出离3#楼最近的砖房处最大振速约为1.83 cm/s。《爆破安全规程》规定，一般砖结构建筑的振动速度应控制在2 cm/s以下，故本工程中楼体塌落引起的振动对周围最近的建筑物不会造成影响。由于大楼为分段起爆，触地时爆破缺口内钢筋的反撑力和前后梁板的拉扯等因素也会使实际的触地振动影响进一步减小。