复杂环境下非对称框剪结构交联立塔定向爆破技术

高帅杰，赵玉龙，张纪云，王 晓，李龙飞，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，河南焦作454000）

1 工程概况

1.1 工程环境

郑州电缆厂交联立塔位于河南省郑州市中原区，其南侧95m处为一高层居民小区，北侧7m处为颖河路，路边有市政管路和电缆，东侧130m为某小区售楼部，西侧9m处为一施工工地的深基坑，东南方向为空地，环境复杂。详见图1。

图1 交联立塔周围环境图

1.2 交联立塔结构

交联立塔是一座剪力墙结构。该立塔主体结构共14层，层高6m，总高度85.4m，总建筑面积约为4000m2。

交联立塔俯视图呈正方形，东西长16.15m，南北宽15.2m。西侧部分有2个电梯井，尺寸分别为4.15m×4.15m和2.42m×2.42m，电梯井剪力墙壁厚300mm。主体部分为剪力墙结构，尺寸约为12m×12m，剪力墙壁厚300mm。南侧为交联立塔梯间和办公室，由8根500mm×500mm的柱子承重。详见图2。

图2 交联立塔结构平面图

2 爆破方案选择

框剪结构建（构）筑物拆除爆破有定向倒塌、原地坍塌和折叠倒塌3种方案。

2.1 定向倒塌

当被拆除的建筑物周围某一个方向有较广阔的空场时，任何类型的砖结构楼房和钢筋混凝土框架结构均可采用定向倾倒方案。

在爆破的一瞬间，建筑物的重力全部作用在未被爆破一侧的承重墙和承重柱上，这一侧承重墙和承重柱的底部作为倾倒的支点，楼房在重力产生的倾覆力矩M作用下，按预定的方向倾倒，解体。

定向倒塌方案要求倒塌方向的场地的水平距离（建筑物边缘至场地边缘的距离）不小于建筑物高度的2/3～3/4。爆破部位的高度要求倾倒一侧不小于最小破坏高度，然后依次减小，形成一个三角形的切口状。

定向倒塌方案的优点是钻眼工作量较小，倒塌彻底，拆除效率高，场地允许时尽可能采用此方案。

2.2 原地坍塌

原地坍塌是将全部的承重支柱从底部开始爆破足够的高度，立柱顶部与梁的结合点同时布孔爆破，建筑物在重力作用下，冲击地面而解体。

此方案的优点是拆除效率高，坍塌范围小，钻爆工作量小，设计施工比较简单。

2.3 折叠倒塌

（1）单向折叠。当被拆建筑物四周场地狭窄，但某一方向的场地稍为开阔时，为减少建筑物倾倒坍塌堆积距离，可采用单向折叠坍塌方案。基本工艺是自上而下逐层爆破一个切口，迫使每一层结构在力矩M1、M2、…、Mn的作用下朝着一个方向连续折叠坍塌。这种方案要求每一层都要布置炮孔进行爆破，因此钻爆工作量大许多。各层之间要求采用秒延期从上至下顺序起爆。

单向折叠坍塌方案要求坍塌方向的场地的水平距离不小于楼房高度的1/2～2/3（钢筋混凝土框架结构不小于高度的1/2，砖结构不小于高度的2/3）。

这种方案的特点是坍塌破坏较为充分，倒塌距离相对小些，但钻爆工作量大。

（2）双向折叠。双向交替坍塌方案要求从上至下每一层均布置炮孔，顺序爆破成一个切口，在每一层的倾覆力矩M1、M2、…、Mn作用下朝相反方向坍塌。

这种方案同样要求从上至下秒延期起爆。此方案的特点是坍塌效果好，坍塌范围小，钻爆工作量大。

（3）内向折叠。内向折叠坍塌是自上而下对楼房每层内承重构件（墙、柱、梁）予以充分爆破破碎，楼房在内向重力弯矩作用下从上至下向内坍塌。此方案要自上而下采用秒延期起爆。

此方案的特点是要求的场地小，又可拆除较高层的建筑物，对于钢筋混凝土框架结构，拆除比较彻底，缺点是施工工艺复杂。

通过比较、分析，选择该工程采用定向倒塌爆破拆除方案。

3 倾倒中心线及其支承体截面尺寸设计

3.1 倾倒中心线确定

由交联立塔周围环境知，立塔最大的倾倒方向为东南方向，倾倒中心线方位角为α=33°，距离为155m，如图1所示。

3.2 缺口高度设计

式中：h——缺口高度，m；

H0——建筑物重心高度，取42.7m；

L——建筑物宽度，取22.8m。

经计算可知，缺口高度取值范围为7.35m≤h≤21.35m，根据交联立塔实际情况将缺口高度设计为4层（1～4层），即实取缺口高度23m。

3.3 支承体截面尺寸设计

由于交联立塔第一层与其他楼层结构不同，加上每层缺口大小也不同，将支承体截面设计分为第一层设计，第二、三层设计和第四层设计3部分。

根据支承体形心坐标位于设计倾倒中心线的反方向上时，建筑物才可按设计倾倒中心线方向倒塌的原理，设计支承体的尺寸，计算支承体截面位置及其形心坐标。

①建立交联立塔支承体截面的坐标系，如图3所示。

②确定倾倒中心线方程。根据公式（2）计算形心坐标。

式中：X′、Y′——形心坐标的横坐标、纵坐标；

x1,…,xn——支承体各块段形心横坐标；

y1,…,yn——支承体各块段形心纵坐标；

s1,…,sn——支承体各块段面积。

根据公式（2）计算出第一层形心坐标和支承体形心坐标为(7.28,7.85)、(2.52,10.89)；第二、三层形心坐标和支承体形心坐标均为(7.11,7.64)、(2.45,10.66)；第四层形心坐标和支承体形心坐标为(7.11,7.64)、(2.92,10.41)。第一层倾倒中心线方程为：y=-0.639x+12496.1；第二、三层倾倒中心线方程为：y=-0.649x+12251.7；第四层倾倒中心线方程为：y=-0.649x+12328.4。由图3可看出倾倒中心线与转轴间的夹角接近90°，满足支承体形心坐标位于倾倒中心线反方向上的要求。

图3 爆破缺口设计示意图

4 爆破缺口设计

本次拆除工程中的承重构件主要有剪力墙和立柱2种类型，爆破时只对立柱和剪力墙进行破坏，因此本设计中只对爆破切口内的立柱和剪力墙的参数进行设计。经预处理后剪力墙形成若干个1.5m×1.5m的支撑体（电梯井部分除了1.5m×1.5m的支撑体外，还有0.3m×1.5m和0.3m×0.75m的支撑柱）；立柱尺寸为0.5m×0.5m。

4.1 立柱爆破参数设计

该联立塔承重立柱的截面尺寸为500mm×500mm。见图4。

（1）布孔形式：单排布孔。

图4 立柱钻孔及装药布孔图

（2）最小抵抗线(w)：立柱采取单排钻孔，对于单排孔w=0.5B，因此，500mm方柱，w=0.5B=250mm。

（3）间距及排距：a=(1.0～1.2)w=250～300mm，实取300mm。

（4）钻孔深度（L）：药孔深度的确定以保证装药能将构件破坏为原则，孔深一般取L=(0.6～0.8)δ（δ为钻孔处厚度）=300～400mm，实取350mm。

（5）单孔药量（Q）：根据体积原理，对单孔装药量按下式确定：

式中：v——每个炮孔所承担的体积，m3；

Q——炸药单耗，取1800g/m3。

计算得Q=135g，实取130g。

4.2 剪力墙（300mm）爆破参数设计

此交联立塔的剪力墙厚度均为300mm。见图5。

（1）布孔形式：梅花形布孔；

图5 剪力墙钻孔及装药布孔图

（2）孔径：d=36mm；

（3）间距及排距：根据经验取a=300mm，b=250mm。

（4）钻孔深度（L）：药孔深度的确定以保证装药能将构件破坏为原则，孔深一般取 L=（0.6～0.8）δ=180～240mm（δ为钻孔处厚度0.3m），实取200mm。

（5）单孔药量（Q）：根据体积原理，对单孔装药量按下式确定：

式中：v——每个炮孔所承担的体积，m3；

Q——炸药单耗，取3000g/m3。

计算得Q=67.5g，实取70g。

4.3 横梁爆破参数设计

横梁的截面尺寸为1.3m×0.35m，横梁长12m。见图6。

（1）布孔形式：单排布孔；

图6 横梁钻孔及装药布孔图

（2）最小抵抗线(w)：立柱采取单排钻孔，对于单排孔w=0.5B，因此，横梁的厚度为350mm，w=0.5B=175mm；

（3）间距及排距：a=(1.0～1.2)w=150～180mm，实取200mm；

（4）钻孔深度（L）：钻孔深度的确定以保证装药能将构件破坏为原则，孔深一般取 L=（0.6～0.8）δ（δ为钻孔处厚度）=780～1040mm，实取1000mm；

（5）单孔药量（Q）：根据体积原理，对单孔装药量按下式确定：

式中：v——每个炮孔所承担的体积，m3；

Q——炸药单耗，取3000g/m3。

计算得Q=273g（实取280g）。

4.4 爆破参数汇总表（见表1）

表1 主要承重构件爆破参数汇总表

5 爆破网路设计

根据本工程的特殊环境，为了避免杂散电流、射频电流和感应电流以及雷电对爆破网路的影响，工程使用非电塑料导爆管起爆器材。用连接管导爆管将同层的立柱和电梯井剪力墙分别连接，然后将柱与柱、墙与墙、墙与柱纵横连接成闭合复式网路。同一层的爆破网路连接好后，层与层之间用导爆管上下连接成多通道闭合网路。最后用导爆管引至起爆站由脉冲起爆器起爆。

（1）起爆顺序。本次爆破采用半秒延期起爆方式，此种方式的特点就是每个分区的起爆时间一致，各分区之间采用大间隔的方式起爆（半秒延期）。因此沿着设计倒塌的方向，一区首先起爆，以后几个区域逐次起爆。

（2）延期时间。爆破切口共分为4个区，总延期时间设计为2s（从开始点火至所有装药完全爆炸所需时间），各个分区延期时间分别为：一区HS1（0s）、二区HS2（0.5s）、三区HS3（1s）、四区HS5（2s）。

（3）爆破网络。爆破网络采用导爆管雷管孔内延时、孔外瞬发、雷管多点起爆的起爆系统。网络的联接采用非电导爆双回路闭合环网络网络安全起爆联接技术。从炮孔内引出的导爆管雷管就近以10～20根为一组，绑扎2发瞬发导爆管雷管，整个爆区划分成多个分片，每个分片连成两复式闭合环，使整个爆区形成平面纵横交错、全方位立体交叉的导爆管复式多重闭合环网路；在闭合环网络中留下多个末级起爆点，采用主干线环绕复式非电雷管起爆技术。构成连线独立，而传爆相联；传爆路径，路路相通，即便只有一个起爆点、一根传爆导爆管有效就会使整个网络可靠起爆。

6 安全设计

爆破振动安全允许距离计算公式：

式中：R——爆破振动安全允许距离，m；

Q——炸药量，延时爆破为最大单段药量；

V——保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；

K、α——与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定。本次验算时取K=200，α=1.65。

（3）爆破振动安全允许距离。由设计可知单段最大起爆药量位于第四区段，起爆药量为112kg，因此针对一般民用建筑物，安全允许振动速度取2.5cm/s，代入上式可得，针对一般民用建筑物安全距离为68m。通过在爆破区周围开挖减振沟，可以确保周边建筑物的安全。

待拆除建筑物爆破切口之上的总面积约3500m2，每平方米的重量按0.5t计算，由此可知待拆除联立塔的触地总重量约为1800t，由于本次爆破拆除采取高切口，切口高度达到23m，根据经验，结合相关公式，爆破瞬间重心高度为42.7m，触地质量取1800t。

根据全国工程爆破人员组织统一培训教材《工程爆破理论与技术》中拆除爆破推荐塌落振动速度用公式（4）计算。

式中：Vt——塌落引起的地面振动速度，cm/s；

M——下落构件的质量，t；

g——重力加速度，m/s2；

H——塌落的高度，m；

σ——地面介质的破坏强度，一般取10MPa；

R——保护建筑至冲击地面中心的距离，m；

k、β——塌落振动速度衰减系数和指数，一般k=3.37～4.09，β=1.66～1.80；

k′——联立塔分段下落，单体质量占总质量的百分比，k′=1/10。

爆破时，需采取相应减振措施（铺设缓冲垫层），实际触地振动会衰减到计算值的70%。计算可知触地振动的安全距离为26m，距触地中心点26m范围内没有建筑物，触地振动不会产生破坏。

7 爆破效果

起爆后，楼房按设计的东南方向倾倒，塌落姿态平稳，振动微弱，没有碎块飞出，周围建筑物无损坏，爆堆高5m多，长60m左右，宽近16m。从爆堆及立柱断口观察发现，东北侧立柱钢筋全部折断，整体没有前冲。取得了良好的爆破效果。

8 结论

（1）在城市闹市区的复杂环境下，采用不对称倾倒中心线爆破缺口的单向爆破拆除方案安全可靠，施工方便，成本低，速度快。

（2）交联立塔按照设计的倾倒方向倒塌，倾倒距离短，倒塌范围小，对倾倒方向附近的建筑物能进行有效的保护。

（3）半秒延时的选择主要是控制了楼房倒向和降低单段爆破药量。

（4）爆破及触地振动速度实测值比理论计算值小。