复杂环境下地下车库拆除爆破优化

江云星，黄 刚，刘福高，裴 勇，齐 鹏，裴 杰

(1.荆州石磊爆破工程有限公司，湖北 荆州 434200；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070；3.浙江京安爆破工程有限公司，杭州 310000)

21世纪以来，我国城市发展的脚步不断地加快，在城市的改建和扩建中，拆除爆破以其快捷、方便等优点，在现代工业中发挥着重要的作用[1]。目前，许多学者在对地表以上高大建(构)筑物从失稳倒塌过程、爆堆范围控制和周围设施安全防护等方面都做了大量的研究，并且取得了很大的研究成果[2]。但是在对地下建(构)筑物的研究上还较为落后。Koji Uenishi等[3]开发了一个全三维有限差分程序，用于模拟固体中的波和裂缝传播，并研究了钢筋混凝土结构拆除爆破的物理过程，通过与现场钢筋混凝土梁试件爆破试验结果的对比，验证了该程序的有效性，并以某公路桥梁桥墩拆除爆破为例，验证了该程序的实用性。Michaloudis G等[4]对利用LS-DYNA对哈根市某高层建筑的拆除过程进行了复杂模拟，并通过实际拆除验证了模拟结果。计算表明，使用简单的拉伸断裂准则可以精确地再现观察到的断裂模式。余红兵等[5]为控制地下室拆除爆破过程中爆破冲击波和爆破振动对邻近保护建筑的危害，以某两层地下车库部分区域拆除爆破为工程实例，探讨了其爆破方案设计问题，研究发现合理的爆破方案与机械预处理可有效控制危害，保护临近建筑。季杉等[6]针对某城市大型高架桥梁的爆破工程，利用LS-DYNA程序，计算分析了高架桥的爆破坍塌全过程，并与最终的实测数据进行了对比分析。验证了该模拟方法的有效性，为今后类似工程的计算分析提供重要参考依据。国内外研究学者们针对地表高大建(构)筑物的拆除爆破模型试验、数值模拟技术、现场观测以及理论分析做了大量的研究，并取得了较多的适用性成果。但是针对地下建(构)筑物的拆除爆破研究还较为滞后，远远没有达到生产需求，特别是在社会发展迅速的今天，更加凸显了这种矛盾。笔者在前人拆除爆破研究成果的基础上，利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对框架式地下车库拆除爆破进行模拟研究，模拟采用各种不同爆破方案时建筑物坍塌的过程，结合实际工程实例将数值模拟结果与实际工程爆破结果进行对比分析，验证数值模拟的可行性，为类似工程提供指导。

1 工程概况

1.1 周边环境

工程位于贵州省遵义市新蒲新区，地下车库及配套建筑物处于遵义市新政府大楼东侧，爆区西侧距离新政府大楼240 m；东侧距离播州大道250 m，且爆区与人民公园湖泊相距较近，紧邻湖泊上的廊桥；东南侧距离遵义市城市规划展览馆180 m；南侧紧邻保护车二通道；北侧距离奥体路300 m。待拆除爆破区域长130 m，宽105 m，地表平面面积约为12 904 m2，总拆除面积24 286 m2。待拆地下建筑物为地下双层车库，地下车库分拆除爆破区(A区)和保留区(B区)。A区为两层地下框架结构，南北长110 m，东西宽105 m，第1层板顶距离地面4.9 m，第2层板顶距离地面8.8 m(地面表土层1 m)，A区与B区之间有构造缝。爆区周围环境如图1所示，爆区平面如图2所示。

图1 爆区四周环境

图2 爆区平面

1.2 工程特点及难点

1)地下车库分为A、B两个相邻区域，需要在尽量不影响B区域的前提下成功拆除A区域。对爆破技术要求较高。

2)地下建筑是一面开口，其他面全部封闭的建筑结构，不同于地上建筑物四面环空的环境，在爆破时从地下室垂直面冲出的爆炸气体和冲击波较为集中，因此危害较大。有效控制气压倾泻的大小和方向是控制拆除爆破危害的难点。

3)该建筑层数少，自重轻，靠自然荷载顺利坍塌难度大，并且靠坍塌时构件相互碰撞解体不充分。

4)爆堆最高不能超过1.8 m，同时降低大块对地面的触地冲量，降低触地振动效应。控制爆堆高度和爆破的块度也是重点。

5)需要有效控制爆破气压危害，不会因A区地下车库爆破下塌时气压向B区倾泻问题而影响保护B区车库的稳定性，危及西侧保护区域B区车库和地面建筑的安全。

6)该拆除爆破工程量大，要钻孔数目多，保护地下区域距离待拆除区域近，防护工作量大。

7)拆除体要充分解体，以利于爆破区域的整体下塌和爆碴清运。

8)最近廊桥紧邻爆破区域边墙，拆除时不能对其造成危害，爆破产生的振动、飞石、冲击波不得危及周围建(构)筑物安全。

2 拆除爆破方案

2.1 预处理

B区边界连接处与A区、南侧行车通道1连接处，距离A区边柱50 cm处全部采用机械破碎进行切割断开(包括钢筋)，南侧行车斜坡道入口1要保留，行车斜坡道入口采用机械破碎(见图3)。

图3 机械切缝处理

北侧廊桥与A区边界连接处，切开所有联接廊桥与车库顶面的水管线缆，车库距离A区边柱外50 cm采用机械挖沟并破碎顶板断开连接，使A区拆除时不会对廊桥造成破坏；A区负一层、二层砖砌非承重墙结构全部采用机械破碎处理，包括所有立柱之间的砖砌隔墙，楼梯间和风井位置处隔墙；采用机械开挖的区域主要是A区南北两侧边墙外的泥质土层，土层深4 m，底部宽3 m，并且采用机械破碎边墙不是立柱的部分；隔墙和地下室周围的土壤对于爆炸的倾泻都有阻挡作用，在做预处理时都要将其清除掉。同时除去地下室南北两侧的泥土以形成减振沟，可极大地减弱爆破振动。

在车库A区的4个立柱范围内，位于地表和负一层楼板上每400 m2开凿1个面积为3 m×3 m的泄压窗，上下两层楼板一一对应(见图4)。

图4 地表和负一层A区地下车库泄压窗位置和大小

2.2 爆破方案对比

由于工程自身的特殊性决定采用拆除爆破和机械拆除相结合的方式施工。先对爆区做预处理工作，然后采用爆破方法破碎地下车库的部分承重立柱与联系梁，使上部预应力结构塌落在地面上，最后用破碎机械对塌落的结构进行二次破碎。由于地下车库周围的约束较多可供选择的爆破方案较少，拟采用的爆破方案有单向倾倒、原地坍塌齐发以及原地向内坍塌。

1)单向倾倒爆破方案。由于实际工程情况较为特殊，待拆的地下车库A区有且只有东侧为自由临空面，其西侧与地下车库B区相邻，而B区车库为保护区域，其南北两侧皆有土体约束。因此若采用单向倾倒坍塌方案则起爆方向只能从车库A区的东侧向西侧起爆，而采用此方案时，由于地下车库结构的特殊性，当爆破产生的高压气体来不及从泄压孔排出时，爆破高压气体就会随建筑物的倾倒逐级叠加，最终会在车库A区与B区的交界处形成巨大的冲击气压与爆破振动，会对需要被保护的B区车库造成巨大的不良影响。

按照以往经验同一建筑采用单向倾倒爆破方案时的爆堆一般不如原地向内坍塌方案以及齐发爆破原地坍塌爆破方案集中，不利于二次破碎和装运。

2)原地坍塌齐发爆破方案。由于车库周围的约束较多，采用原地坍塌齐发爆破方案，能使车库较为顺利地原地坍塌，但原地坍塌齐发爆破方案会有较大的爆破振动、产生较为集中的爆破高压气体会给爆区周围的建筑和人员带来较大的安全隐患。

3)原地向内坍塌爆破方案。采用原地向内坍塌爆破方案与单向倾倒爆破方案的布孔数量大致相同，只是起爆方向与顺序不同，研究发现它能较好地满足爆破要求，既能克服工程难点又能满足相关安全要求。

3种方案的具体参数对比如表1所示。

表1 3种爆破方案比较

综上所述，决定采用原地向内坍塌爆破方案。

2.3 爆破方案设计

大楼属框架结构，立柱承重，风井、楼梯井、立柱隔墙构成筒体结构；剪力墙转角的暗柱钢筋，墙体与楼板结合处的联系圈梁，建筑整体性较好，结构非常坚固。立柱的结构特点主要是有两种不规格的立柱：0.9 m×0.9 m和0.5 m×0.5 m(见图5)。

图5 A区车库内不同规格型号立柱

2.3.1 爆破参数

待拆建筑的结构规格较多，根据配筋图布置炮孔，δ为立柱厚度，最小抵抗线W=δ/2，孔深L=0.66δ，孔距a=(1.3～1.8)W，排距b=(0.7～0.8)W，炸药单耗q=2 000 g/m3，单孔药量计算式如下。

Q=qV

(1)

式中：Q为单孔装药量，g；q为炸药单耗，g/m3；V为单孔爆破体积，m3。

汇总计算整个工程的用药量，作为网路设计和安全校核的依据，各个结构参数如表2所示。

表2 爆破装药量

2.3.2 爆破网路

采用非电延时导爆管雷管连接网路，为了控制爆破齐发的危害，将整个爆破区分解，从两侧向中间起爆，从下到上分成两大区域，A区-2层为一个大区，A区-1层为一个大区，层间管采用MS9段延时，每跨之间排间管采用MS5段延时。所有孔内采用MS15段导爆管雷管簇联，汇总的过渡连接管采用MS1段管(10 m脚线)双管复式交叉连接，主网路采用双管复式交叉连接。

3 数值模拟

3.1 数值模拟方案

根据上文所讨论的3种拆除爆破方案进行数值模拟，建立模型如图6所示。

图6 地下室框架数值模型

给模型赋予不同的参数进行计算。设置求解时间设置为2.5 s，时间步长为0.9，并且输出k文件，并在k文件中修改材料模型参数以及设置接触和重力荷载。混凝土单元与地面的接触设置为：*CONTACT_ERODING_SING—E_SURFACE；为防止钢筋穿透地面，需要设置钢筋单元与地面的接触方式为：*CONTACT_NODES_TO_SURFACE。并施加重力荷载，设置重力荷载为9.8 m/s2，方向为y轴负向，设置完成之后进行计算求解，混凝土及钢筋材料模型参数如表3所示。

表3 混凝土及钢筋材料模型参数

3.2 结果分析

3.2.1 采用原地向内坍爆破方案的倒塌过程

将建立好k文件用ANSYS/LS-DYNA程序进行求解，采用LS-PREPOST读取结果，显示出采用单向倾倒爆破方案时整个地下车库的坍塌过程，坍塌过程如图7所示。

图7 原地坍塌齐发爆破方案地下室框架坍塌过程

3.2.2 不同爆破方案对触地振动的影响

建筑物在拆除爆破过程中所产生的爆破振动主要为两种：塌落振动和爆破振动，实际工程测量表明塌落振动远大于爆破振动，因此通常情况下只考虑塌落振动对建筑物的影响。以下对不同爆破方案的塌落振动进行对比分析，选取地面距东西两侧支持柱15 m的单元点为研究对象，这些单元点y方向上的速度时间曲线即为塌落振动的研究对象(见图8)，3种方案的塌落振动峰值速度如表4所示。

图8 不同爆破方案的触地振动

表4 3种方案的塌落振动峰值振速

由图8和表4可以看出，若只考虑塌落振动时，采用原地坍塌齐发爆破方案的塌落振动明显比其他两种方案要高，塌落振动峰值速度超出允许值，会带来较大的安全隐患。因此可以得出在地下车库的拆除爆破中不宜采用原地坍塌齐发爆破方案。

3.2.3 不同爆破方案对爆堆形态的影响

为研究不同的爆破方案对地下车库坍塌后形成的爆堆大小影响，在后处理软件LS-Prepost里导出地下车库坍塌后所形成的爆堆图(见图9)。

图9 不同爆破方案爆堆

不同爆破方案的爆堆大小如表5所示。

表5 3种方案的爆堆大小

由图9和表5可以看出，若只考虑爆堆因素时，采用定向倾倒爆破方案的效果明显比其他两种方案要差，较其他两种方案其爆堆的堆叠长度明显超出地下室模型本身的长度，且爆堆长度为3种方案中最长。因此可以得出在地下车库的拆除爆破中采用定向倾倒爆破方案会导致爆堆堆叠过长不利于二次破碎与装运。

综合考虑各方面因素，原地向内坍塌爆破方案为最优，模拟结果与方案优选分析结果一致。

4 安全分析与振动检测

4.1 爆破地震效应验算

本次爆破炮孔孔径为φ40 mm，药卷直径φ32 mm，其装药结构为不耦合装药，也就延长了爆炸压力的作用时间，从而相应地降低爆轰波的峰值压力进而降低了地震效应。

根据公式：

(2)

式中：v为介质质点的振动速度，cm/s；R为爆点至测点距离，在本工程中，一次起爆破中心距离最近需要保护的B区只有15 m；距离最近需保护的建构筑物为180 m；K、α为与爆破地质条件等有关的系数，取K=180，α=2；Q为炸药量，kg，虽然一次起爆的总药量为1 190.825 kg，但通过网路延时单元划分最大单响药量时，可计算出最大单响起爆药量为45 kg；K1为修正系数，跟爆破方式有关的系数，临空面n=1时取1，n=2时取0.5，n=4时取0.2，本工程取0.2。

根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)规定“工业和商业建筑物”爆破振动安全允许标准10 Hz

4.2 坍塌振动验算

拆除爆破触地产生的地震危害甚至会超过爆破产生的振动。在方案设计中，我们把地下室坍塌拆分为36个单元依次爆破垮塌，尽量使楼房垮塌触地振动减少到最小范围内。倒塌触地冲量引起的地震波，按经验公式

(3)

式中：v为触地质点振动速度；I为触地冲量，I=m(2gH)1/2；m为单元块质量,按钢筋混凝土容重2.8×103kg/ m3计算得细分单元垮塌体的质量，现以每次起爆区间的整体质量为3.5×105kg进行计算；g为重力加速度，10 m/s2；H为重心落差高度，取A区几何中心为4 m；R为触地点到最近保护建筑的距离，R=15 m，计算得v=3.58 cm/s，故触地倒塌引起的地震波传播到保护体的质点振速度在地下室B区允许的振速为v安全=4.0 cm/s范围内。

5 现场振动监测数据

在B区距离A区爆区30 m左右设置了振动监测点，测量所得的振动波形图如图10所示，各方向振动参数值如表6所示。

图10 3方向合成波形

表6 各方向振动参数

实测中采用原地向内坍塌爆破方案的爆破振动峰值振速为0.745 cm/s，通过计算30 m处的塌落振动速度为1.13 cm/s，结果有一定差距。

6 爆破效果分析

工程在起爆后，地下室未发现有飞石飞出，且体感冲击波较小，灰尘控制得当，地下建筑物原地坍塌，坍塌后整体的爆堆高度低于1.8 m，平均高度为1.5 m左右，倒塌时间2.2 s左右，塌散效果良好。从爆破现场和周边环境勘察的情况反馈，基本无爆破飞石产生，仅有少量碎渣伴随强气流喷出。爆破所产生粉尘在5 min内即散尽，未对周围环境造成明显影响。振动监测的振速完全小于规范值。经过对周边建筑物的检查之后，没有发现周边建筑物有任何飞石撞击的现象出现并且无结构损伤，控制措施有效。爆破效果如图11所示，实际爆破结果与数值模拟结果对比如表7所示。

图11 现场爆破情况

表7 爆破与模拟结果对比

在工程实例中，拆除爆炸后得到的爆堆平均高度在1.5 m左右，与数值模拟的1.19 m相差仅0.31 m；实际倒塌时间2.2 s左右，与数值模拟的1.95 s相差仅0.25 s左右，表明数值模拟的结果具有工程应用价值。

7 结论

1)地下空间的冲击波效应较地上空间更为明显，爆炸冲击波在地下反射，会造成较大危害，在实际施工中，应采取开凿泄压窗的方式来降低该危害的产生。

2)在建筑物只考虑塌落振动对建筑物的影响的情况下，对3种不同爆破方案的塌落振动进行对比分析，定向倾倒爆破方案的效果明显比原地坍塌齐发爆破方案、原地向内坍塌爆破方案要差，其爆堆的堆叠长度明显超出建筑物模型本身的长度，且爆堆长度为3种方案中最长，不利于二次破碎与装运。原地坍塌齐发爆破方案的塌落振动明显比其他两种方案要高，塌落振动的最大峰值超出允许值，会带来较大的安全隐患。此结果对实际工程具有一定借鉴价值。

3)在数值模拟中，由于失效单元直接被删除，下坠的框架结构重力势能会因为失效单元的删除而逐渐积累，造成框架结构的一部分重力势能转换成冲击动能，实际情况下并非如此，失效的混凝土会缓冲一部分框架结构的动能，因此数值模拟的爆堆高度会小于工程实例的爆堆高度。