高层框架楼房单向折叠爆破拆除

郭 进， 公文新

(1. 黑龙江省公安厅治安总队，哈尔滨 150000；2. 哈尔滨恒冠爆破工程有限公司，哈尔滨 150070)

高层框架楼房单向折叠爆破拆除

郭 进1， 公文新2

(1. 黑龙江省公安厅治安总队，哈尔滨 150000；2. 哈尔滨恒冠爆破工程有限公司，哈尔滨 150070)

以哈尔滨市一座17层框架-剪力墙结构楼房的成功爆破拆除为例，介绍在复杂环境下，由于高层框架楼房倒塌距离受限，运用单向折叠控制爆破技术，有效控制高大楼房倒塌范围和实现最佳解体破碎效果的方法和措施，同时介绍有效控制高层楼房爆破飞石、爆破振动和塌落振动的具体方法和措施。重点剖析了爆破切口部位、角度、起爆顺序、起爆延时时间等因素对高大楼房倒塌距离产生的影响，为复杂环境下对高大框架-剪力墙结构楼房实施单向折叠倒塌爆破提供参考。

复杂环境；高层建筑；框架-剪力墙结构；单向折叠爆破

1 工程概况

1.1 周边环境

黑龙江省电视台原办公大楼位于哈尔滨市中心。西南方向30 m处地下有水、电、通信管线，42 m处为中山路，路对面即是哈尔滨市工人文化宫和多个大型酒店、商场(保护建筑)，该路为哈尔滨市最繁忙的道路之一，除维修和扩建外，从未被封阻过。西北方向120 m处为一小学校；东北方向25 m处为需保留的变电所和办公楼；东南侧110 m处为酒店；其他方向50 m范围内均有八九十年代的老旧居民楼(见图1)。

图1 爆破现场平面示意图Fig.1 Schematic plane of blasting site

1.2 楼房结构

该楼长13 m、宽10 m、高69 m，地上17层、地下2层，是我国高寒地区第一座框架-剪力墙结构的高层建筑。楼房由3排立柱组成，每排8根立柱，东侧设有电梯井和管道井、楼梯间，西侧局部设有剪力墙(见图2)。

图2 待爆破楼房结构平面结构示意图Fig.2 Schematic graph of building structure

1.3 工程特点与难点

(1)爆破对象所处环境复杂。该楼所在区域为老城区，四周不仅有众多建筑物，还有各种地上、地下管线，尤其是东侧30 m的一组通往龙塔(新电视台)的通信光缆，一旦发生意外将切断电视信号传输。

(2)爆破对象构件尺寸较大。该楼为省内第一个“滑模”建筑，两端钢筋混凝土墙体的厚度为0.5 m，远远超出了正常剪力墙的厚度。

(3)爆破对象整体性非常好。框架-剪力墙结构是建筑结构中整体结构最稳定的一种，所有立柱、墙体、圈梁、横梁、纵梁均浇筑成一体。

(4)爆破对象的预处理工作量极大。根据设计要求，部分剪力墙、电梯井等钢筋混凝土墙体均须预拆除或削弱处理，尤其在高楼层作业难度极大，既要保证进度、又要保证安全。

2 爆破方案

该楼主体高度为69 m，短轴方向：倒塌距离均受限，其中北侧必须控制在25 m内，南侧应控制在30 m以内；长轴方向：西侧允许倒塌距离不超过20 m，东侧允许倒塌距离在80 m以上。从外部环境上不难看出，东侧是最佳方向，其他方向倒塌均非常困难。

然而，该楼的东端为电梯井、管道井和楼梯间，结构十分复杂，无论预拆除还是爆破切口的确定，难度都非常大。若在长轴方向定向爆破时，前排必须倒塌彻底，为后排结构倒塌创造空间，否则就会造成爆破失败，因而该楼不易向此方向倒塌。

短轴方向倒塌相对容易，该楼的电梯井和管道井均在楼房的北侧，南侧仅有楼梯间。相对来讲，南侧更容易预拆除和形成爆破切口，且允许倒塌距离相对大些。因此，选择南方向倒塌相对较安全，操作难度较小。但由于倒塌距离只有30 m，所以必须采取折叠爆破的方式。

2.1 总体方案

经综合分析，最终确定爆破方案为向南单向折叠倒塌，爆破期间临时切断中山路交通和楼房倒塌范围内的水、电管线。

2.2 预处理

爆破前进行必要的预处理，将门窗全部拆除，切断该楼的水、电、气等金属管线，破坏电梯井、管道井、楼梯间的强度和刚性，完全切断电梯井内的电梯轨道。

2.3 爆破切口

(1)爆破切口位置。爆破切口位置的高低决定了倒塌距离的长短，爆破切口后楼房的剩余高度不应大于允许倒塌长度，并要保留1/3的前冲距离。该方案允许倒塌距离为30 m，故爆破切口之上最多可保留22 m的未爆破楼体，共计5层楼房高度,即自上而下每5层楼房作为一个折叠段。

(2)爆破切口高度和角度〔1〕。爆破切口的破坏高度是爆破设计的主要参数，它对爆破后估算塌落范围具有重要作用。

在框剪结构中，主要承重构件是立柱，剪力墙承担横向受力，因此，爆破前按照设计切口的大小和角度，将剪力墙预先切口。在切口范围内，只保留立柱，从而简化和弱化楼体结构强度。各切口高度见表1。

表1 楼房立柱(墙)炸高

(3)爆破切口起爆顺序。爆破切口的起爆顺序直接影响实际的倒塌距离，自顶部起爆，可以有效减小楼房倒塌或折叠长度，从而有效地缩短倒塌距离。因此，确定上部切口先行起爆，待楼房倾倒30°～45°后，再起爆中部和下部切口。

2.4 延时时间

根据楼房结构特点，采取爆破切口间延时与立柱(支点)排间延时相结合的方法，延时间隔时间为0.5 s；上部爆破切口采取齐爆方式，中部和下部爆破切口采取排间延时起爆方式〔1-2〕。具体延时时间见表2，延时起爆顺序见图3。

表2 爆破药量统计

图3 爆破切口及起爆顺序示意图Fig.3 Schematic of the blasting notch and initiation sequence

采用孔内分段延时、“大把抓”和四通相结合的爆破网路。将每根立柱上的孔内导爆管作为一组，捆绑上两枚相同段别的导爆管雷管，作为孔外接力雷管。再将这两枚雷管，分别用四通连接在不同立柱上的孔外连接雷管，从而组成复式交叉网路，见图4。

图4 起爆网路示意图Fig.4 Schematic graph of initiation network

3 安全校核与防护

3.1 倾倒可靠分析

在满足楼房的高宽比Hc≥1.4×(L/2)的条件下，爆破切口高度h的选取范围〔3-4〕为

(1)

式中：L为两外承重柱(墙)之间的跨度或爆破切口方向的水平长度，实取10 m；H为上部结构的重心高度，该楼层整体结构相同，近似为质量均匀的规则几何体，由于该楼房总高度为69 m，故其几何中心高度按34.5 m计算；h为爆破切口的相对高度，m。

计算得1.5≤h≤16.7，上部切口取3层楼房的高度、中部切口取2层楼房的高度，均能满足上述条件。

3.2 单响起爆药量校核

根据计算及试爆，确定单孔装药量及单响药量(见表2)，其中最大单响段位在1～5层楼房的A轴立柱，延时时间为2.5 s，最大单响药量为34.16 kg，根据萨道夫斯基公式〔5〕：

v=k′k(Q1/3/R)α

(2)

式中：Q为最大单响药量，kg；R为与保护目标的距离，m；v为安全允许质点振速，cm/s；k、α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关系数和衰减指数，取k=150、α=1.5；k′为修正指数，取k′=0.2。

爆破部位距离需要保护的建筑物最近为25 m，经计算v=1.4 cm/s，符合GB 6722-2014 《爆破安全规程》〔5〕的规定。

3.3 塌落振动校核

楼房塌落会对地面产生强烈的冲击而形成塌落振动，其强度比爆破振动大但频率低，对周围保护建筑危害更大。塌落振动根据下式〔4-6〕计算：

v=0.08(I1/3/R)1.67

(3)

式中：v为塌落引起的振动速度，cm/s；I为构件触地冲量，I=m(2gh)0.5；R为保护物与冲击点距离，m，主要塌落位置距离最近保护物为东北方向的变电所和办公楼，估算R=45 m；m为塌落质量，估算解体后最大单体质量m=3 245 t；h为建筑物重心到地面的距离，m，解体后最大单体塌落距离为上切口以上部位，估算h上=58 m。

经计算，v落=4.16cm/s，略大于允许速度。因此必须采取降振措施：

(1)通过排间延时起爆方式，使各排立柱塌落触地时间不同步，从而减小触地振动；

(2)在1层楼体内，用预拆除残渣堆积出若干个2 m高的缓冲堆，减小楼体原地塌落产生的振动；

(3)在倒塌方向铺设2 m厚土堆，减小解体后的楼房坠地产生的振动；

(4)在楼房四周开挖一条宽1.5 m、深4 m的减振沟，阻断地震波向外传输。

3.4 安全防护

(1)对所有立柱爆破部位用5层草垫子进行第一道防护；对剪力墙所有的爆破部位用3层草垫子进行第一层防护。降低爆破噪音、减少冲击波、降低爆破飞溅物的初始速度〔6〕。

(2)对所有爆破部位用两层铁筛网进行第二道防护。该道防护要求适当有些松弛度，缓冲、阻滞飞出的爆破物。

(3)用1层潮湿杨木板进行第三道防护，将冲破前两道防护的大块混凝土阻挡住。

(4)再用3层草垫子加2层铁筛网进行第四道防护。要求用淬火线适当兜紧即可，尽可能将所有爆出的混凝土块全部挡住。

(5)在所有爆破部位的外部防护，主要用1层高密度安全网，宽松地围绕楼体防护1层。

(6)10～12层用1层木板和1层草垫子对所有窗口进行封堵。

4 爆破效果与体会

伴随着4次连续的爆破声，大楼按设计解体、倾倒、塌落。实际倒塌长度为19 m，最高爆堆8 m，无任何爆破飞溅物产生。全部倒塌历时5 s，楼房解体充分、折叠过程明显，达到了预期效果，见图5。

图5 爆破倒塌过程Fig.5 Collapsing process

(1)框架-剪力墙结构楼房的拆除爆破，采取预先拆除、预先弱化结构等处理措施，不仅能够减小爆破量，降低大楼整体刚性，还可以使大楼解体更加充分，爆破效果更加理想。

(2)延时时间对倒塌距离影响较大。最佳的延时时间是使楼房倾倒30°～45°后，使解体部分大落差地垂直下落，更容易使楼房的梁、柱、墙体解体成片状。

(3)通过缓冲带和减振沟，可以使地震波有效衰减，从而保护周边建筑和设施。

〔1〕 汪旭光. 爆破设计与施工[M]. 北京：冶金工业出版社，2011:201-203.

WANG Xu-guang. Blasting design and construction[M]. Beijing:Metallurgical Industry Press，2011：201-203.

〔2〕 李勇，汪浩. 复杂环境中三角形大楼的分区定向爆破拆除工程[M]//汪旭光. 中国典型爆破工程与技术. 北京：冶金工业出版社，2006:631-635.

LI Yong,WANG Hao. Zoning directional demolition of trangular buildings in complex environment[M]//WANG Xu-guang. Typical Blasting Engineering and Technology in China. Beijing: Metallurgical Industry Press,2006:631-635.

〔3〕 辛振坤，泮红星，骆利锋，等. 18层大厦双向三次折叠控制爆破技术[J]. 工程爆破，2015，21(4)：33-36.

XIN Zhen-kun, PAN Hong-xing, LUO Li-feng,et al. The controlled blasting technology in bidirection-3-times-folding of 18-storey building[J]. Engineering Blasting，2015，21(4)：33-36.

〔4〕 葛勇，汪旭光，魏格平.复杂环境下11层框架楼房拆除爆破[J].工程爆破，2014，20(3):13-15.

GE Yong, WANG Xu-guang, WEI Ge-ping. Demolition blasting of a 11-storey frame building under complicated engineering[J]. Engineering Blasting，2014，20(3)：13-15.

〔5〕 国家安全生产监督管理. 爆破安全规程：GB 6722-2014[S]. 北京：中国标准出版社，2014.

State Administration of Work Safety. Safety regulations for blasting：GB 6722-2014[S]. Beijing: China Standards Press, 2014.

〔6〕 顾毅成，史雅语，金骥良. 工程爆破安全[M]. 合肥：中国科技大学出版社，2009:542-543.

GU Yi-cheng, SHI Ya-yu, JIN Ji-liang. Engineering Blasting Safety[M]. Hefei: University of Science and Technology of China Press,2009:542-543.

Demolition of high-rise frame building by unidirectional folding blasting

GUO Jin1， GONG Wen-xin2

(1．Heilongjiang Provincial Public Security Bureau, Harbin 150001, China；2．Harbin Henguang Blasting Engineering Co.,Ltd., Harbin 150070, China)

Taking the successful blasting demolition of a 17-story frame-shear wall structure building in Harbin as an example, the collapsed distance of the high-rise frame building is limited under complicated environment and unidirectional folding control blasting technology using to effectively control the collapse extent of tall building is introduced. The methods and measures to achieve the best disintegration effect are introduced. At the same time, the concrete methods and measures to control the blasting fly rocks, blasting vibration and collapse vibration of the high-rise building are introduced. The influence of blasting incision location, angle, detonation sequence and delay initiation time on collapse distance of tall building is analyzed in detail, which could provide a reference for unidirectional folding blasting of tall frame-shear wall structure building in complex environment.

Complicated environment; High-rise building; Frame-shear wall structure; Unidirectional folding blasting

1006-7051(2016)06-0058-04

2015-12-25

郭 进(1965-)，男，从事爆炸物品的安全管理和研究工作。E-mail: gongwenxin@139.com

TU746.5

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.013