近体被动防护在城市高耸建筑物爆破拆除时重要性研究

赵玉龙，高帅杰，张纪云，王 晓，张英才

（1.河南迅达爆破有限公司，河南焦作454000；2.河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000）

1 工程概况

为响应合肥市政府实行的“退城进园”战略部署，合力叉车厂历经7年的搬迁，目前除了规划保留的2栋红砖圆顶结构的老厂房，仅剩行政办公楼等待拆除。

1.1 周围环境

该15层大厦是高53.4m的钢筋混凝土建筑并历经21年的服务周期，由于地处望江西路与金寨高架桥十字交叉口西南角，车多、人多、建筑物多，东侧紧邻人行道不足1m，5m处有国防光缆和供排水地下管线，15m处为金寨路高架桥上行匝道口；北侧距望江西路40m；西侧36m处有某工程项目部的临建设施，西南方向为临时材料堆放场地；南侧有待拆除的旧厂房。

1.2 工程重点难点分析

待拆除建筑地处市区商业繁华地带，周边环境极为复杂，主要表现为以下几点。

（1）该楼为框架结构，楼房整体稳定性好，爆破前必须对电梯井和步梯2处剪力墙结构及爆破切口内的剪力墙结构做充分预处理，消弱其对楼房结构的刚度影响。预处理工程量大，安全要求高。

（2）倒塌反方向紧邻金寨路人行道约4m，要做到爆破后无后坐现象。

（3）爆破地处市区繁华交通主干道旁，人流车流大，施工组织困难，爆破粉尘、飞石、爆破振动和塌落冲击振动都要严格控制，安全工作为重中之重。

2 总体爆破拆除方案设计

2.1 爆破方案选择

针对此工程，因周围环境所限，采用原地坍塌爆破方式，事后产生的建筑垃圾必定会堆到旁边的金寨路，影响正常交通。另外，此种爆破方式缺口处于较高层，防护量大、防护困难、钻孔量大，总造价相当高。结合我公司已有的成熟技术和丰富的爆破经验，最终确定采用定向爆破，方向为正西。

2.2 预处理

预处理目的是为确保建筑顺利、安全、定向倒塌；原则是在不影响建筑物整体结构稳定性的前提下，尽可能多处理，倒塌反方向应少处理一些，对于倒塌反方向最后一面的结构少处理或不处理。对于墙体的处理形式最终成之字形结构，将墙内钢筋切断。

①电梯井剪力墙预处理：1～4层剪力墙采用破碎锤进行预处理，最终形成6个宽度为0.8m的支撑柱。

②步梯预处理：用风镐将步梯两端凿断露筋，用割枪烧筋将楼梯放空。电梯井掏洞、留拐角，拐角处钻孔爆破。

③横梁预处理：为了使楼房倒塌过程中能够充分解体，针对本工程爆破前对部分横梁进行适当切割，破坏其整体性。

2.3 炮孔参数

待拆除楼房主体为框架结构，东西长25m，南北宽25m，总高度53.4m。楼房钢筋混凝土承重柱的断面尺寸有直径1.1m（圆柱4根）、750mm×750mm（方柱4根）、800mm×800mm（方柱8根）、厚度200mm的剪力墙4种规格，考虑到爆区钢筋的密度，最小抵抗线取立柱短边的1/2，孔距a=1.2～1.8W，排距b=0.6～1.0a，孔深L≥1.1～1.2W，炮孔直径d=36mm。布孔方式采用梅花形。

2.4 爆破高度

钢筋混凝土楼房结构在定向控制爆破拆除中，承重支柱偏心失稳是整栋楼框架倒塌的关键。为保证爆破后整个框架失稳倒塌，处于倒塌方向上的支柱须有足够的破坏高度。根据力学理论分析[1-2]和以往公司积累的爆破经验，并结合立柱和梁抗弯强度的理论公式共同确定合理的爆破缺口高度。本工程经合理分析确定炸高为18.3m（6.5层）。

2.5 爆破参数

爆区均采用梅花型布孔，单孔装药量根据钢筋配比情况结合混凝土强度，依据Q=qabH计算，H为墙厚，进行现场试爆确定炸药单耗q。各部位爆破参数见表1。

表1 主要爆破参数表

采用双回路立体交差网路起爆，将爆破缺口划分为5个段别进行爆破，减小单段起爆药量，从而达到减小爆破振动的目的。

2.6 试爆

为确保爆破安全进行及评估爆破飞石的影响范围，在主体实施爆破前进行试爆，为避免试爆对建筑整体稳定性的影响，选择第6层楼沿倒塌方向中间一根截面为800mm×800mm的立柱为试爆点。

试爆柱采用2层地毯、1层钢丝网做防护，单耗取1800g/m3。按预先设计方案试爆区的混凝土全部呈松散破碎状，只剩余钢筋框架结构，失去承载能力。当炸高达到一定高度时，能保证整栋楼按预定方向顺利倒塌。所以预定单耗不做变动，依原方案进行。

3 安全防护设计与分析

3.1 振动校核与控制措施

3.1.1 爆破振动校核

本工程单段最大起爆药量为61.3kg。

根据爆破振动计算公式[3]：

式中：R——距离爆破点的距离，m；

Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，kg；

v——距爆破点距离为R处质点振动速度，cm/s；

K、α——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，取K=33.6，α=1.62。

将K、α、R代入上式，经计算距离楼房15m处钢筋混凝土结构的高架桥的振动速度v=1.36cm/s，小于爆破安全规程的允许的振动速度Vmax=3.5cm/s。

3.1.2 塌落触地振动校核

对于塌落触地振动速度的计算，采用中科院力学所给出的理论计算公式[4]：

式中：vt——塌落引起地面振动速度，cm/s；

M——下落构件的质量，t；

g——重力加速度，9.8m/s2；

H——构件的重心高度，m；

σ——地面介质的破坏强度，一般取10MPa；

R——离冲击触地点的距离，m；

kt、β——塌落振动速度衰减系数和指数，kt=3.37～4.09，β=-1.66 ～ -1.80。

经计算15m处高架桥的振动速度为0.993cm/s，满足构筑物的安全要求，远远低于爆破安全规程规定的临界速度。

3.2 近体被动防护措施

近体被动防护是指在城市高耸建筑物拆除爆破时，通过铺设缓冲垫层、开挖减振沟、搭设防护屏障等措施，以减弱触地振动能量、阻断振动波传播途径、防止飞石飞溅，最终达到爆破安全的目的。

3.2.1 飞石距离理论计算

结合工程实践经验，炮孔爆破飞石距离可由下式计算[3,5]：

式中：q——单耗，kg/m3；

S——个别飞石水平方向的距离，m。

代入数据得S为98m，实际施工中为保证安全，根据工程经验采取防护措施后，飞石距离可减少70%。因此在采取防护措施后，本工程飞石最远距离约为30m。

3.2.2 合理布设减振沟

本工程充分利用现有的条件合理布设减振沟，合力大厦为望江西路正在施工的市政工程挖有深度达10m的沟渠，为路北侧望江综合楼搭建了一道天然的防护屏障。

3.2.3 触地飞石的控制与防护

（1）合理铺设缓冲垫层。楼房倒塌触地瞬间具有较大的冲量，接触面刚度大触地振动则明显。本工程通过计算受力分析并总结之前的经验，决定采用侧面为三角形、长度40m、高度0～3m的缓冲垫层铺设形状，材料就地取材主要采用周围的建筑垃圾，这样把瞬间接触面由刚性变成了柔性，增大了接触时间、吸收了触地产生的能量，极大地减小冲击力。如图1所示。

图1 缓冲垫层布设示意图

（2）加盖尼龙布。本工程在铺设建筑废料作为缓冲垫层的前提下，在建筑废料上面加盖一层高强度、高韧性的尼龙布和一层边长为1cm×1cm正方形孔状的钢丝网，这样相对松散的建筑废料缓冲垫层受到一定的束缚作用，此时可把两者看作一个整体。在建筑废料缓冲垫层受到倒塌建筑物强大的冲击力时，原本已经失去承载作用的介质，在外力的束缚作用下继续提供承载力，直至中间的缝隙从最大变为零，达到最大的触地时间，已达到减小触地振动的目的。

3.2.4 爆破飞石的控制与防护

在爆破缺口范围内采用重点部位加强防护着重处理的方法，最北侧靠近望江综合楼的一排柱为重点防护区，采用4层地毯（高强度）、2层钢丝网作为主动防护，其它部位采用2层地毯、1层钢丝网作为主动防护；在建筑物南侧悬挂一层强韧性的尼龙布；另外在倒塌的反方向和北侧分别搭设宽4m、高10m、长20m和宽4m、高10m、长40m的钢管架，并挂钢丝网一层，在飞石突破第一道主动保护后起到被动保护的作用，切断飞石的传播途径，以确保后方的安全；对局部裸露管线电缆进行包裹。本工程采取全方位防护、重点处理的措施后，飞石控制效果良好。

4 爆破效果与体会

合肥市合力大厦在为社会服务21年后，于2015年5月19日凌晨5∶30在当地政府相关部门的全力配合下准时起爆。

本次爆破效果良好，得到市民和媒体的一致好评，现有如下体会，供同行讨论：

(1)对影响倒塌方向的电梯井和楼梯剪力墙进行预处理，将其先破碎混凝土，然后切断其内部钢筋，使其与楼身完全分离。

(2)通过试爆不断优化爆破参数确定单耗的选择。

（3）爆破后，楼房按设计朝正北方向倾倒，楼身完全塌落在铺设的三角柱形缓冲垫层上，振动微弱，无碎石飞出，这取决于合理缓冲垫层选形和接触面的重点防护。

（4）倒塌后楼身整体破碎效果良好，仅有楼顶的储水池没有破碎，是因为储水池与楼体部分是独立的，不是通过预制结合在一起的，在楼房倒塌瞬间储水池与楼身产生裂隙并逐渐分离。

（5）实践发现在采取近体被动防护措施后，通过理论计算和实测分析，减振效果在78.9%～84.4%。

（6）公司坚持重防护的原则，是本工程取得良好爆破效果的另一法宝。