湘祁二线船闸复杂环境定向拆除爆破技术实践

2022-07-26段元振方桂富

工程爆破 2022年3期

周灿,段元振,方桂富

(1.湖南省水运建设投资集团有限公司，长沙 410011；2.郑州防空兵学院基础部，郑州 450007)

随着湖南水运的不断发展，湘江原有通航能力日益不能满足社会需求，改扩建既有船闸成为提升通航能力的主要解决方案之一。缘于此，往往需要拆除一些原有水工建筑物或地表建筑物。

扩建的湘祁二线船闸是湘江永州至衡阳三级航道的重要组成部分和关键控制性工程之一，也是湘江高等级航道通往湖南腹地的一个瓶颈。湘祁二线船闸按1 000 t级船闸Ⅲ(3)级设计，设计单向通过能力为1.065×107t，平行布置于一线船闸左侧，一、二线船闸轴线距离80 m。湘祁二线船闸在建设过程中，其下闸首位置有2栋生产生活用楼无法避让需要拆除，考虑到项目工期对国民经济建设的影响，项目周边环境复杂以及一线船闸不得断航等因素，采用了定向拆除爆破施工工艺。

1 项目概况

1.1 待拆楼房尺寸

拟拆除的2栋楼房为一线船闸运营单位办公兼生活用途的多层建筑，钢筋混凝土框架结构，并排布置。楼房高度22.8 m共8层，单体建筑面积1 960 m2，南北长25.5 m，东西宽11 m。1～2层为办公室，3～7层为公寓，8层为顶层景观，设有2个单元楼梯。框架柱截面尺寸为45 cm×45 cm，间距4.2 m×5.5 m；构造柱截面尺寸24 cm×24 cm，间距不等。

1.2 周边环境

拟拆楼房地处湘江西岸，地势西高东低，紧邻湘江千吨级航道。该楼周边环境比较复杂，东侧距一线船闸下闸首配电房仅12 m，距下闸首控制房(含液压启闭设施及电气控制系统)33.4 m，距一线船闸下闸首人字门42.3 m；北侧距110 kV跨江高压线20 m，距屋顶高差约10 m；西侧距唯一过江的交通主干道约62 m，道路沿线为居民区且埋设有集中供水管线；南侧距离泄水闸155 m，距离湘祁水电站发电厂房约500 m。爆破周边环境如图1所示。

图1 周边环境Fig.1 Surrounding environment

1.3 工程难点

船闸运营单位提出，下闸首启闭机房内安装有液压启闭及控制系统等精密设施，毗邻建筑物具有重要的社会功能和防洪功能，失事危害极大。要求爆破振动允许值按严于规范值60%的标准即0.25～0.4 cm/s控制。鉴于上述情况，在运行船闸复杂环境实施定向拆除爆破的难点主要包括选择合理的倒塌方向防止倾砸船闸设施，控制爆破振动及触地振动防止精密仪器损毁；另外应注意杂散电流对爆破网路的影响[1]，并根据建筑物高度、一次爆破总药量、爆破环境复杂程度和爆破物特征，开展安全评估。

2 定向爆破方案设计

2.1 关键技术选择

1)倒塌方式。根据结构失稳原理，用炸药破坏建筑物局部或全部承重结构，使其倒塌或解体。建筑物爆破后塌倒可分为定向倾倒、原地塌落、折叠坍塌等形式[2]。该楼作业场地受限，东侧紧邻湘江和一线船闸下闸首启闭机控制房及相关控制系统和通航设施，是重点保护对象；南、北向为建筑的长轴方向，不宜作为倾倒方向；西北侧场地开阔，具备定向倾倒的条件。因此，采用爆破方式在楼体西北侧承重部分形成三角形切口，根据重心偏移失稳原理结合框架柱强度、刚度、承载能力极限等结构特征[3]，按经验公式计算切口高度，基于细长杆失稳理论，分析非切口部位支撑柱失稳的临界状态，使单体建筑整体向西侧(即岸侧)定向倒塌。

2)解体方式。解体大致可分为空中解体和触地二次解体等形式。空中解体是利用爆破延时雷管的“时间差”破坏受力构件支撑、利用爆破切口“高度差”和上部建筑自重形成冲击力破坏下部结构，使建筑破碎程度大，优点是便于清渣清运，但各楼层均需要设置爆破孔。触地二次解体则仅需放倒建筑即可。综合建筑高度、受保护对象安全等因素，不考虑空中解体，而采用整体倾倒、二次机械破碎的解体方案，达到降低拆除爆破的复杂程度，增大安全可靠度的目的。

3)预拆除。该建筑除了框架承重柱外，还有许多构造柱和2个单元楼梯。为减少爆破工程量和总装药量，降低爆破风险和复杂程度，顺利实现楼体坍塌，预先拆除爆破切口范围内的构造柱，同时采取“化墙为柱”的方式拆除部分山墙、隔墙和楼梯，减少约束和牵制力。在倒塌相反方向的墙体和框架柱不做处理，避免支撑不足而后坐。

4)振动控制。周家汉[4]研究表明，建筑物塌落振动往往比爆破振动大。振动来源于爆炸和建筑触地动能两方面[5]，爆破振动通过小药量、分段延时等技术来控制；塌落振动通过隔断波速传递途径、触地缓冲等措施来控制。

2.2 爆破切口高度

定向爆破的基本原理是通过爆破形成切口，利用“时间差”促使建筑物朝预定方向失稳倒塌。在这个过程中，既要防止铰连刚度过大造成后坐，偏离了预定的倾倒方向，也要确保倾倒力矩大于支撑力矩。因此，爆破切口是定向爆破的关键，切口高度与单体建筑的宽度、倾倒支点到楼房顶部高度有关。张超等[6]采用数值模拟分析方法得出大高宽比框剪结构爆破宜采用三角形切口的结论，本工程采用三角形切口以满足更快的前倾速度和更好的倒塌效果。首先采用经验公式初步确定切口高度，然后根据实践经验进一步复核。切口经验公式计算为

(1)

式中：b为楼房宽度；a为倾倒支点到楼房顶部高度。

周凤仪等[7]研究，设计抗震烈度6度以上框架结构楼房的倒塌角不宜小于29°。经计算，8层楼房爆破两层基本满足定向倾倒的要求，考虑到倾倒方向高边坡的支撑作用，切口高度不足将导致楼体不能完全倒塌触地，取爆破切口两层半，即爆破第1、2、3层的半层，高度7.5 m，倒塌角34°。爆破切口如图2所示。

图2 爆破切口Fig.2 Blasting cutting

2.3 失稳计算

第4排框架柱作为倾倒支撑铰没有作钻孔爆破处理，需要分析切口形成后第4排共计8根框架柱的承重受力情况。根据拟拆建筑的设计图示尺寸计算出总体荷载为3.7×104kN。其中，砖墙按20 kN/m3、钢筋砼梁板柱按25 kN/m3计算自重。支撑柱临界压力采用欧拉公式计算：

(2)

式中：E为砼弹性模量，按C30取值，忽略钢筋弹性模量；按两端固定取长度因数0.5。经计算，8根承重柱的临界压力为3 158 kN，远小于楼体荷载。切口形成后满足倾覆要求。

2.4 塌落振速预测

爆破设计的楼栋解体方式为整体倾倒，弊端就是塌落触地时振动较大。因此，有必要预测塌落振速。采用无量纲相似参数分析方法[4]进行计算，参数取值较为关键，要考虑建筑结构形式、解体方式、地形地貌、岩土性质等因素。

(3)

式中：Kt为衰减系数，取烟囱爆破Kt值的1/3；β为衰减系数，取值-1.8；σ为地面介质破坏强度，取值10 MPa;M为楼体质量，按单体总重量计入；g为重力加速度；H为楼房重心高度；R为监测点到塌落中心的距离。

显然，计算结果不满足船闸运营单位提出的塌落振动允许值0.25～0.4 cm/s的要求，需要采取地面减振措施。根据文献[4,8]，采取减振措施后，衰减系数Kt能降至30%，即υt降至0.36 cm/s左右。为此，在倒塌方向的触地范围挖除地面砼路面刨松地面土壤并虚铺2 m松散土壤形成松软垫层，倒塌的反方向开挖2道深度3 m的减振沟。

图3 塌落振速预测与监测值Fig.3 Prediction and monitoring value of collapse vibration velocity

表1 塌落振速预测与监测结果

2.5 爆破参数

爆破参数设计主要包括最小抵抗线、炮孔间排距、炮孔直径和深度、一次起爆药量和总药量等内容。最小抵抗线是指药包中心或重心到最近自由面的最短距离，合理的最小抵抗线能有效控制爆破部位的破碎均匀程度和块度尺寸；炮孔间排距与最小抵抗线密切相关，直接影响爆破破碎的效果，进而影响承重柱失稳性能；炮孔深度与爆破效能有关，填塞不够或是深度不够以及与抵抗线重合等问题，均有可能产生“冲天炮”，无法破坏柱体。爆破参数设计如表2所示。

表2 爆破参数设计

表3 爆破振动质点振速允许值及最大单响药量允许值

2.6 爆破网路设计

起爆网路的延时选择既是分隔总药量降低单响的措施，合理的网路设计也能确保传爆不受破坏。按“西侧倾倒”的要求，利用毫秒延时依次自西向东爆破承重柱体，分为4个爆区，框架柱排间MS1段瞬时传爆，楼栋间MS10段延时380 ms，孔内非电导爆管雷管。即第1栋第1排为1#爆区MS1段瞬时起爆、第2排为2#爆区MS3段延时50 ms起爆；第2栋第1排为3#爆区MS1段延时380+0 ms(含栋间10段)起爆、第2排为4#爆区MS3段延时380+50 ms(含栋间10段)起爆。所有爆区簇连成复式网路[10]，用击发针击发起爆。爆破网路如图4所示。

图4 起爆网路Fig.4 Initiating circuit

2.7 爆破有害效应控制

1)爆破飞石控制。除了爆炸产生的“爆飞”外，还有支撑柱在弯矩力作用下铰接处产生的“崩飞”，为安全起见，除了理论计算安全装药量外，还需要采取近体的覆盖防护和保护对象的拦挡防护等多重立体预防体系。在爆破柱体上包裹钢丝网(见图5)，保留东侧墙体作为防护屏障并在铰接部位覆盖防护网，保护对象保护面采用竹架板隔离保护。

2)噪声控制。按声环境功能区划定的有关规定，内河航道两侧区域为4A类声环境功能区，昼间不超过70 dB[11]，可实施多段毫秒延时爆破和总药量限制，降低噪声危害。

3)冲击波控制。空气冲击波的危害可忽略不计，因为在拆除爆破工程中，多为浅孔小药量分散装药延时起爆，且设在单个药包柱(墙)体内部，无法形成强劲的气流冲击。

4)粉尘控制。爆破粉尘主要来源于3个方面，一是预拆除过程中产生的灰尘和楼内的积灰在爆破过程中随冲击波扬起；二是混凝土和墙体爆炸产生的烟尘；三是爆破后楼体塌落激起的地面沙尘和爆尘，采用挂水袋主动预防、爆后洒水除尘等多项措施降低空中悬浮颗粒。

3 爆破试验及爆破效果分析

3.1 爆破试验

为验证爆破设计的可靠性和安全性，选择一根框架柱严格按爆破参数进行试验。爆破完成后，试验范围内砼全部破碎脱落，箍筋散开(见图6)，主筋略微弯曲外鼓，丧失了承载能力，达到了承重构件破坏失稳的目的。

图6 爆破试验效果Fig.6 Blasting test effect

3.2 爆破效果分析

经爆后检查，楼体按预定方向整体倒塌，达到了预期目的。受保护对象没有损伤和破坏，液压启闭设施和人字门均能正常运转；没有飞石造成的砸损痕迹，冲击波没有造成门窗及玻璃破碎；距离最近的配电房正常供电。

由启闭机房质点振动波速变化(见图7)可知，在-0.03～0.5 s可辨2个峰值，尤其是x向通道和z向通道监测波形明显，时差约500 ms，与起爆网路设计吻合，为2栋楼体爆破产生的振动；之后振幅减小，1.35～1.75 s期间振幅再度增大，可见2个明显峰值，为两栋楼体触地时产生的振动。一线船闸等重要邻近水工建筑物和下闸首启闭设施的最大峰值振动速度为0.14 cm/s，小于最小允许值0.6 cm/s，实测塌落振速小于预测值。距离爆破点180 m的上闸首监测点没有触发。居民区噪声68 dB，小于内河航运4A类允许值70 dB，飞石最大距离30 m，小于计算值72 m。