质量不均衡大高宽比框剪结构楼房控制爆破实践

2021-09-06李卫群周浩仓

工程爆破 2021年4期

李卫群，钟云，周浩仓

(江西省高端爆破工程有限公司，江西吉安 343000)

1 工程概况

景德镇市金岸名都1号楼位于景德镇市昌江区，为配合景德镇市道路规划要求，景德镇房地产开发管理办公室拟将该1号楼(总共14层)进行爆破拆除。该楼1楼层高4.9 m，2楼层高5.8 m，3～14楼层高2.9 m，大楼总高度45.5 m，长36.2 m，宽15.3 m，另主楼西面、北面各有1个2层的附楼，大楼总建筑面积11 000 m2。大楼共1个单元，1梯2户，坐北朝南，框剪结构，目前大楼仅完成了框架浇筑。

1.1 建筑结构

1号楼1层有圆柱4根，立柱12根，剪力墙异形柱8组，电梯井、楼梯间为剪力墙结构，异形柱、剪力墙内部设有暗柱；2层及以上的楼层有立柱8根，剪力墙异形柱与1层相同结构；楼梯间、电梯间设在大楼正中的北面；大楼圆柱、立柱、剪力墙及连梁混凝土强度等级：基础顶至4层楼面混凝土强度等级为C35；4层楼面至7层楼面混凝土强度等级为C30；7层楼面以上混凝土强度等级为C25。大楼平面结构如图1所示，暗柱结构如图2所示。

图1 大楼平面结构Fig.1 Plane structure of the building

图2 暗柱结构Fig.2 Structure of inner columns

1.2 周围环境

大楼坐北朝南，东面为沿江路，与该路最近距离6 m(大楼与路之间有围墙)，路的东面为2层商铺楼(砖混结构，已封待拆)距离15 m，东南方向的商铺后面40 m处为防洪堤并有一水利基准点，距离昌江码头直线距离约25 m；东南角距离浮桥约50 m；南面15 m处为浮桥西路，路两边有地下排水管网、电缆管、自来水管等，约35 m处有城市高压线路及高压线杆，路以外为空地，约300 m范围内无楼房；西北角约10 m处有一在建楼房地下室基础，该基础距离大楼倒塌中心线约15 m，160 m处为金岸名都售楼部及大片居民房，190 m处为瓷都大道；西南向紧挨浮桥西路32 m处有一路灯杆及城市照明线路，该处距离大楼倒塌中心线最近距离约10 m，146 m处为国税局大楼；北面距离金岸名都2号楼25 m，该楼基础高于被爆大楼基础5 m；距离其他大楼最近65 m，约150 m处为公园路，200 m处为人民公园。待拆大楼与2号楼间还有待拆的附属楼，爆区5 m范围内无地下管线等须保护对象。周围环境如图3所示。

图3 周围环境Fig.3 Surrounding environment

2 爆破方案

2.1 工程特点难点分析

1)因爆区周围环境限制，政府要求向西倾倒；大楼高45.5 m、宽15.3 m，高宽比约3倍，倒塌方向为大楼的长边(纵向)方向，大高宽比对楼房在坍塌过程中的稳定性影响很大，需合理设计爆破切口方式、切口高度及延时时间，确保大楼稳定顺利坍塌。

2)整体大楼重心偏北，大楼纵向中心轴的北边为全剪力墙结构，剪力墙异形柱及暗柱结构较多，为减少钻孔工作量，预处理工作量较大，预处理前，需认真计算保留部分的载荷计算，避免倾倒时偏移方向伤及周边保护对象造成严重后果。

3)大楼倾倒方向空间距离有限，爆破危害的控制难度大，需精心设计，确保前冲、坍塌物扩散等有害效应不伤及保护对象。

2.2 爆破方案确定

根据大楼周边环境情况及大楼的结构特征，设计采用梯形切口、利用“时间差”，使用数码电子雷管、一次延时起爆、向西定向倾倒的爆破方式。

2.3 爆破切口

1)根据经验公式[1-2]计算切口高度：

H=L·tanα

(1)

式中：H为切口高度，m；L为楼房跨度；本工程跨度为36.2 m；α为倾倒角，取25°。

爆破切口如图4所示。

图4 爆破切口Fig.4 Blasting cutting

2)根据经验公式[1-2]计算承重立柱破坏高度：

H=K(B1+Hmin)

(2)

式中:H为承重立柱破坏高度，m；K为与建筑物倒塌有关的经验系数，一般取1.5～2.0；B1为立柱截面的长边，m；Hmin为承重立柱的最小破坏高度，m。

整体大楼只进行了框架浇筑，整体重量偏轻，柱、剪力墙规格复杂，为使大楼平衡稳定地顺利倾倒，经计算后根据规格大小来调整不同的破坏高度。柱、剪力墙设计切口高度参数如表1所示。

表1 柱、剪力墙切口高度

2.4 预处理

为消减钻孔量，降低装药量以减小爆破振动及飞石，在不影响主体结构稳定的情况下，进行预拆除。

1)机械预拆除大楼周边的附楼及A轴，在预拆除作业的同时，必须注意大楼各层的房屋结构，防止出现意外倒塌的危险。

2)拆除与待拆建筑物相连的电线、水管、天然气管及其他管线。

3)采取线切的方式预拆除切口内部分剪力墙、电梯井及楼梯间，但必须保留暗柱及承重构件，预处理切割高度应高于设计切口高度不小于0.5 m；将每段楼梯与平台以及和剪力墙连接处的混凝土打掉。

4)预拆除要求自上而下，逐块放落至地面，每拆除一层即将楼梯口封闭，并严禁下方有人作业。

5)爆破前对倾倒方向及周边设施进行拆除、移除或加强防护，如管线、设施等。

附属部分预拆除如图5所示。

图5 附属部分预拆除Fig.5 Preliminary demolition appendage

2.5 爆破参数

1)炮孔直径D。剪力墙取38 mm，立柱取40 mm。

2)最小抵抗线W。立柱通常取断面短边B的一半，剪力墙取壁厚的一半，即W=B/2。

3)炮孔间距a和排距b。孔间距取a=(1.2～2.0)W，多排布孔时，排距取b=(0.8～1.2)a。

离地(楼)面30 cm处开始布孔，采用水平孔钻孔，所有立柱采用连续装药，剪力墙按爆破作业现场实际情况分别采用连续装药或间隔装药，间隔装药时将计算药量分成2～3段，相邻炮孔药包上下错开装药；孔内全部使用数码电子雷管，每个药包装1发雷管。炮孔布置及装药结构如图6所示。

注：A-长边边长;B-短边边长;a-孔距;D-孔径;L-孔深;L装-装药段;L填-填塞段;Ф-圆柱直径。图6 炮孔布置及装药结构Fig.6 Hole arrangement and charging structure

4)单孔装药量。选用φ32乳化炸药；雷管选用数码电子雷管，脚线长5 m。

根据装药量公式[1-2]来计算单孔装药量：

Q单=qV

(3)

式中：Q单为单孔装药量，kg；q为单位体积炸药消耗量，kg /m3；V为炮孔负担的爆破体积，m3。

根据计算，本工程在2楼选取了一根立柱进行试爆，试爆参数如表2所示，试爆效果如图7所示。

表2 试爆参数

图7 试爆效果Fig.7 Explosion test effect

根据试爆效果分析，试爆单耗过小，未能充分破坏其整体性，混凝土未完全脱笼，为了达到立柱完全失稳的爆破效果，需增大爆破单耗，调整后的爆破参数如表3所示。

表3 爆破参数

续表3

5)铰链处理。在建筑物拆除爆破中，往往对铰链处要进行适当处理，使铰链在同一水平面上折断，以确保建筑物按照设计要求平稳倾倒；若不进行处理，建筑物在倾倒过程中有可能在其他结构较薄弱处拉断，影响倒塌效果；如果处理的高度符合设计要求，但处理的太过彻底，会致使铰链处失去支撑力而产生过大的后坐；如果处理高度过高，建筑物在倾倒过程中的下坐及后滑作用而产生严重后坐并改变倾倒闭合角度，有可能爆而不倒，产生严重的安全隐患。本工程在20轴1楼底部对立柱及北向转角的纵向剪力墙采取弱爆破，以松动为主，其他剪力墙不处理，剪力墙布1个孔，立柱在同一水平面上布2个孔(见表3)。

3 起爆网路

在大高宽比建筑物拆除爆破中，除了设计合理的爆破切口外，网路延时设计至关重要，爆破有害效应的控制、确保大楼平稳顺利的按照设计要求倾倒，都需通过合理的网路设计而达到理想的爆破效果。全网路设计为工业电子雷管[3]，其延时精准性、延时可调性、安全性及准爆率可确保网路安全及满足网路设计要求，并有效地降低和控制爆破有害效应。起爆顺序从西而东、从下而上分区延时一次起爆，设计雷管总量1 504发，采用5条起爆主线，5台主线起爆器，总起爆器1台，起爆器共6台。

根据图纸所示，E～H轴为剪力墙、电梯间及楼梯间，B～D轴为立柱，剪力墙进行部分预拆除后的钢筋支撑力要小于B～D轴立柱钢筋支撑力。因该楼房质量的不对称结构，重心偏E～H轴，使倾倒方向的梁结构在自重作用下产生的剪力荷载大于B～D轴的剪力载荷，所形成的塑性铰时间要短，为保证大楼倾倒不发生偏斜和扭转，设计E～H轴比B～D轴延时100 ms起爆，20轴同段起爆。

根据建筑物倾倒过程分析[4]，当第1排柱爆破失效时，在后2排的支撑下，还能保持稳定性，但是，当第2排失效时，建筑物发生倾斜，上部有前倾的速度，下部有后滑的速度，当第3排失效时，建筑上部前倾速度增大，下部后滑速度也相对增大，在最后排的支撑下，当支撑时间过长，伴随着前倾和后滑的速度增大，后坐也增大，而且支撑的时间有限，在极短的时间就会形成塑性铰并破坏，当支撑时间过短，产生的前倾速度不够，重心偏移不够，有可能导致爆而不倒的情况。在大高宽比且梯形切口的建筑物拆除中，通过各排柱间合理的延时时间，确保形成足够的倾覆力矩，和切口以上倾倒方向的梁结构在剪力荷载作用下形成塑性铰并破坏。如果各排柱间延时时间过短，在未能形成塑性铰之前就倾倒，大高宽比重心又偏离不出最前排立柱，切口角度又小，极有可能导致爆而不倒。如果各排柱间延时时间过大，则出现倾倒方向部分构件落地后，因各层连接梁的拉扯作用而不能倾倒，堆积在后起爆的排柱前面影响其倒塌，有可能造成整栋楼房爆而不倒的严重后果。一般来讲，梯形切口偏心载荷小于三角形偏心载荷，形成的前倾速度也较小，触地速度也小于三角形切口，相应的形成的爆堆前冲及扩散范围、塌落振动也较小。本工程因倒塌范围限制及对振动的要求，设计梯形切口较为合理。

综合以上分析及减少一次触地质量，设计分区分层延时爆破，降低塌落振动及爆破振动，本工程设计1层4个爆区，2、3、4层各3个爆区，4轴为1区、6轴为2区、9～15轴(电梯间、楼梯间处)为3区、18～20轴为4区。当前3区形成后，产生的后坐集中于第4区，根据图纸所示，20轴少了B柱且支撑力较弱，支撑时间较短，为克制后坐，确保倾覆力矩及大楼的稳定性，将18轴与20轴设计为铰链支座[5]。参考有关案例[6]，梁结构在剪力荷载的作用下被破坏一般大于200 ms，本大楼设计1～3区的区间延时450 ms，4区的区间延时为650 ms，层间延时20 ms。3区跨度只有7 m，有电梯间、楼梯间及4根70 cm×70 cm的立柱，布筋远大于其他爆区，设计4区延时相应增加200 ms。4区的18-B、18-D有Ф100 cm圆柱2根且大楼的重心偏E～H轴，设计比4区的其他支撑柱提前100 ms起爆。整个网路设计总延时为1 650 ms。网路延时如表4所示。

表4 网路延时

4 安全设计与振动监测

4.1 爆破振动计算

楼房拆除药包数量多且分散，而且药包置于梁、柱上，经建筑物向地表传播，比装药集中的地表爆破振动要小得多，采用萨道夫斯基公式[7]计算：

(4)

式中：k、α为与爆破点至保护对象间的地形、地质因素有关的系数和衰减指数；k′为与爆破方式有关的装药分散经验系数，一般取0.25～1，距离爆源近且爆破体临空面较少时取大值，反之取小值；Q为同段炸药量，kg；R为爆破点与保护对象间的距离，m；v为允许质点振动速度，cm/s。本次爆破分别取k=31.81，k′=1，α=1.44。

根据以上表1、3、4所示，计算得出最大一段起爆总药量Q，根据图3周围环境，计算得出距最近保护对象的距离R，经以上爆破振动经验公式计算得出最大一段起爆药量对最近保护对象的振速计算值(见表5)。

表5 振速计算值

4.2 塌落振动计算

建筑物塌落时冲击地面引起的振动有可能大于爆破本身引起的振动，本工程按以下经验公式[7]计算：

(5)

式中：υt为塌落振速，cm/s；kt为衰减系数3.37～4.09，取kt=3.37，若塌落位置有垫层，kt值取前者的1/4～1/3，取1/3；R为保护对象至撞击中心的距离，m；m为下落构建的重量，t；g为重力加速度，9.8 m/s2；H为重心高度，m；σ为材料破坏强度，10 MPa；β为衰减指数1.66～1.80，取β=1.66。

通过分区起爆后，最大触地质量为9～18轴，约3 100 t，触地中心点距离北边居民房约36 m，距离西北向在建基础约18 m。东南方向水准点，最大触地质量为18～20轴，约1 900 t，距离约60 m。触地质量对保护对象塌落振动计算值如表6所示。

表6 塌落振动计算值

经以上爆破振动及塌落振动计算得出：北面居民楼最大振动值为塌落振动1.40 cm/s；西北方向在建基础最大振动值为塌落振动4.44 cm/s；东南方向水准点最大振动值为塌落振动0.46 cm/s。

根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)规定，一般民用建筑物的安全允许质点振动速度为2.0～3.0 cm/s，新浇大体积C20混泥土28 d以上的安全允许质点振动速度为8.0～12.0 cm/s；北侧居民楼为框剪式结构；西侧在建基础应为大体积钢筋混泥土结构，龄期超过了28 d。因此本工程产生的振动对周边保护对象是安全的。

4.3 爆破飞散物安全距离计算

在无覆盖的情况下，飞散物距离与炸药单耗之间的关系用以下经验公式[8]计算：

S=70q0.58

(6)

式中：S为飞散物距离，m；q为炸药单耗，kg/m3，本大楼最大设计单耗为3.1 kg/m3。

则：S=70×3.10.58=135 m。

根据飞散物安全距离计算结果以及周围环境的实际情况，对爆破飞散物采取加强防护技术措施。无覆盖情况下飞散物最远距离为135 m，根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)规定，拆除爆破安全距离根据设计来定。在确保安全的前提下，应充分考虑周围居民的疏散量、交通管制性、安全警戒便利性及防护情况来划定警戒距离。

4.4 安全防护措施

对所有墙(柱)的爆破部位用棉被进行第1道防护，以降低爆破噪音、冲击波、爆破飞散物的初始速度；对爆破部位用加厚网格栅进行第2道防护。该道防护材料要求有一定的强度，绑扎时要有适当的松弛度及缓冲性；用竹笆进行第3道防护，进一步阻挡冲破前两道防护的大块飞散物；切口外围悬挂竹笆进行第4道防护，阻挡大块飞石、粉尘及降低噪音和冲击波；竹笆外围再悬挂3层密目网，进行第5道防护，防止小飞石、粉尘及降低噪音及冲击波；装药前严格校核孔网参数，如有变化，必须修正装药量，不准超装药量；严格按照设计施工，保证足够的充填长度和充填质量；地下管网、路面、地面设施、飞溅物及塌落振动的预防措施：坍塌位置的地面为黄土层，只需加盖1层密目网预防地面飞溅物；在邻近坍塌位置的地下管网及路面上，先覆盖1 m厚黄棉土，上面加盖钢板，钢板上面再铺上2 m厚的黄棉土，黄棉土上再铺上1层密目网预防飞溅物；爆破时应关闭邻近爆破对象的气、电、水等设施；爆破后及时洒水降尘，做到文明、环保施工。

4.5 对周边环境影响的监测结果

为评爆破估振动对周边重点保护对象的影响，爆破时进行了振动监测，在距爆区最近的保护对象处共布置了3个监测点，即西北方向10 m处的在建基础，北面25 m处的居民房，东南方向40 m处的水利基准点。监测结果分析，本工程设计总延时为1.65 s，振速最大值时刻在3.91 s，最小值时刻在2.88 s，从而得出此次爆破3个测点最大振动为塌落振动，西北方向在建基础的塌落振动最大计算值为4.44 cm/s，实测值为4.26 cm/s，实测值与计算值基本接近；北面居民房的塌落振动最大计算值为1.40 cm/s，实测值为0.28 cm/s，实测值小于计算值，居民房建筑地基比被爆大楼地基高出5 m，降振效果明显；东南方向水准点的塌落振动最大计算值为0.46 cm/s，实测值为0.92 cm/s，实测振动速度值大于计算值。3个测点的振动速度符合《爆破安全规程》(GB 6722-2014)规定的安全允许振速，此次爆破产生的振动不会影响保护对象的安全。振动实际监测值如表7所示。

表7 振动实际监测值

5 爆破效果及分析

1)在大高宽比且倒塌空间有限的楼房拆除中，采取梯形切口较为适合，梯形切口的倒塌方式与三角形切口有所不同，梯形切口第1排柱先行着地，而后逐段坍塌，所产生的倾覆力矩、前倾速度及后坐一般比三角形切口要小，塌落振动、塌落距离及扩散也较小，但形成的爆堆稍高。起爆后按照设计的方式由西向东逐跨顺利坍塌，坍塌方向无偏差，爆破无后坐，解体充分，破损较均匀，爆破有害效应对周围建筑物及设施无影响；塌落距离24 m，爆堆最大高度10 m(支座铰链处)，爆堆最大宽度19 m。此次爆破效果良好，爆后效果如图8所示。

图8 爆后效果Fig.8 After blasting effect

2)倾倒过程如图9所示，由图分析可知，当第1区爆破形成时，建筑物结构基本稳定；第2区形成时，在自重的作用下倒塌轴线方向梁结构形成较大的剪力荷载并形成塑性铰，下坐不较明显；第3区形成时，随着区段逐步形成，下坐质量的逐步增加，作用于倒塌轴线方向的梁结构形成的剪力荷载增大，15～18轴各层节点处瞬间形成塑性铰并很快被拉断，大楼重心在第3区中心位置，在偏心荷载的作用下，大楼在下坐的同时很快向前倾斜，18轴及20轴的第2层顶部被压屈，因层高较高容易形成压屈点，此时支座铰链较稳定。当爆破切口全部形成，随着倾覆力矩的增大，前倾的速度也增大，20轴铰链处很快被破坏并向前倾倒，同时2层的压屈点被向前拉断，大楼沿着设计方向缓缓倾倒。根据倾倒过程视频分析，在质量不对称的楼房拆除中，因重心偏向，作用于梁结构上的剪力荷载不同，使其形成的塑性铰而破坏的时间也不同，可通过剪力墙结构部位与框架结构部位的延时来达到平衡。图中可以看出，1、2区延时较为合适，3区因有电梯间及楼梯间，剪力墙部位质量大于其他区，在第3区与第4区之间，楼梯间及电梯间部位被拉伸破坏的时间逐渐缩短，说明延时时间宜相应增大。第2区与第3区之间拉断不够明显，第3区整体延时再相应增大100～150 ms应能取得更好的爆破效果。