近體被動防護在城市高聳建筑物爆破拆除時重要性研究

趙玉龍，高帥杰，張紀(jì)云，王 曉，張英才

（1.河南迅達爆破有限公司，河南焦作454000；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作454000）

1 工程概況

為響應(yīng)合肥市政府實行的“退城進園”戰(zhàn)略部署，合力叉車廠歷經(jīng)7年的搬遷，目前除了規(guī)劃保留的2棟紅磚圓頂結(jié)構(gòu)的老廠房，僅剩行政辦公樓等待拆除。

1.1 周圍環(huán)境

該15層大廈是高53.4m的鋼筋混凝土建筑并歷經(jīng)21年的服務(wù)周期，由于地處望江西路與金寨高架橋十字交叉口西南角，車多、人多、建筑物多，東側(cè)緊鄰人行道不足1m，5m處有國防光纜和供排水地下管線，15m處為金寨路高架橋上行匝道口；北側(cè)距望江西路40m；西側(cè)36m處有某工程項目部的臨建設(shè)施，西南方向為臨時材料堆放場地；南側(cè)有待拆除的舊廠房。

1.2 工程重點難點分析

待拆除建筑地處市區(qū)商業(yè)繁華地帶，周邊環(huán)境極為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為以下幾點。

（1）該樓為框架結(jié)構(gòu)，樓房整體穩(wěn)定性好，爆破前必須對電梯井和步梯2處剪力墻結(jié)構(gòu)及爆破切口內(nèi)的剪力墻結(jié)構(gòu)做充分預(yù)處理，消弱其對樓房結(jié)構(gòu)的剛度影響。預(yù)處理工程量大，安全要求高。

（2）倒塌反方向緊鄰金寨路人行道約4m，要做到爆破后無后坐現(xiàn)象。

（3）爆破地處市區(qū)繁華交通主干道旁，人流車流大，施工組織困難，爆破粉塵、飛石、爆破振動和塌落沖擊振動都要嚴(yán)格控制，安全工作為重中之重。

2 總體爆破拆除方案設(shè)計

2.1 爆破方案選擇

針對此工程，因周圍環(huán)境所限，采用原地坍塌爆破方式，事后產(chǎn)生的建筑垃圾必定會堆到旁邊的金寨路，影響正常交通。另外，此種爆破方式缺口處于較高層，防護量大、防護困難、鉆孔量大，總造價相當(dāng)高。結(jié)合我公司已有的成熟技術(shù)和豐富的爆破經(jīng)驗，最終確定采用定向爆破，方向為正西。

2.2 預(yù)處理

預(yù)處理目的是為確保建筑順利、安全、定向倒塌；原則是在不影響建筑物整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，盡可能多處理，倒塌反方向應(yīng)少處理一些，對于倒塌反方向最后一面的結(jié)構(gòu)少處理或不處理。對于墻體的處理形式最終成之字形結(jié)構(gòu)，將墻內(nèi)鋼筋切斷。

①電梯井剪力墻預(yù)處理：1～4層剪力墻采用破碎錘進行預(yù)處理，最終形成6個寬度為0.8m的支撐柱。

②步梯預(yù)處理：用風(fēng)鎬將步梯兩端鑿斷露筋，用割槍燒筋將樓梯放空。電梯井掏洞、留拐角，拐角處鉆孔爆破。

③橫梁預(yù)處理：為了使樓房倒塌過程中能夠充分解體，針對本工程爆破前對部分橫梁進行適當(dāng)切割，破壞其整體性。

2.3 炮孔參數(shù)

待拆除樓房主體為框架結(jié)構(gòu)，東西長25m，南北寬25m，總高度53.4m。樓房鋼筋混凝土承重柱的斷面尺寸有直徑1.1m（圓柱4根）、750mm×750mm（方柱4根）、800mm×800mm（方柱8根）、厚度200mm的剪力墻4種規(guī)格，考慮到爆區(qū)鋼筋的密度，最小抵抗線取立柱短邊的1/2，孔距a=1.2～1.8W，排距b=0.6～1.0a，孔深L≥1.1～1.2W，炮孔直徑d=36mm。布孔方式采用梅花形。

2.4 爆破高度

鋼筋混凝土樓房結(jié)構(gòu)在定向控制爆破拆除中，承重支柱偏心失穩(wěn)是整棟樓框架倒塌的關(guān)鍵。為保證爆破后整個框架失穩(wěn)倒塌，處于倒塌方向上的支柱須有足夠的破壞高度。根據(jù)力學(xué)理論分析[1-2]和以往公司積累的爆破經(jīng)驗，并結(jié)合立柱和梁抗彎強度的理論公式共同確定合理的爆破缺口高度。本工程經(jīng)合理分析確定炸高為18.3m（6.5層）。

2.5 爆破參數(shù)

爆區(qū)均采用梅花型布孔，單孔裝藥量根據(jù)鋼筋配比情況結(jié)合混凝土強度，依據(jù)Q=qabH計算，H為墻厚，進行現(xiàn)場試爆確定炸藥單耗q。各部位爆破參數(shù)見表1。

表1 主要爆破參數(shù)表

采用雙回路立體交差網(wǎng)路起爆，將爆破缺口劃分為5個段別進行爆破，減小單段起爆藥量，從而達到減小爆破振動的目的。

2.6 試爆

為確保爆破安全進行及評估爆破飛石的影響范圍，在主體實施爆破前進行試爆，為避免試爆對建筑整體穩(wěn)定性的影響，選擇第6層樓沿倒塌方向中間一根截面為800mm×800mm的立柱為試爆點。

試爆柱采用2層地毯、1層鋼絲網(wǎng)做防護，單耗取1800g/m3。按預(yù)先設(shè)計方案試爆區(qū)的混凝土全部呈松散破碎狀，只剩余鋼筋框架結(jié)構(gòu)，失去承載能力。當(dāng)炸高達到一定高度時，能保證整棟樓按預(yù)定方向順利倒塌。所以預(yù)定單耗不做變動，依原方案進行。

3 安全防護設(shè)計與分析

3.1 振動校核與控制措施

3.1.1 爆破振動校核

本工程單段最大起爆藥量為61.3kg。

根據(jù)爆破振動計算公式[3]：

式中：R——距離爆破點的距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；

v——距爆破點距離為R處質(zhì)點振動速度，cm/s；

K、α——與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，取K=33.6，α=1.62。

將K、α、R代入上式，經(jīng)計算距離樓房15m處鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高架橋的振動速度v=1.36cm/s，小于爆破安全規(guī)程的允許的振動速度Vmax=3.5cm/s。

3.1.2 塌落觸地振動校核

對于塌落觸地振動速度的計算，采用中科院力學(xué)所給出的理論計算公式[4]：

式中：vt——塌落引起地面振動速度，cm/s；

M——下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；

g——重力加速度，9.8m/s2；

H——構(gòu)件的重心高度，m；

σ——地面介質(zhì)的破壞強度，一般取10MPa；

R——離沖擊觸地點的距離，m；

kt、β——塌落振動速度衰減系數(shù)和指數(shù)，kt=3.37～4.09，β=-1.66 ～ -1.80。

經(jīng)計算15m處高架橋的振動速度為0.993cm/s，滿足構(gòu)筑物的安全要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于爆破安全規(guī)程規(guī)定的臨界速度。

3.2 近體被動防護措施

近體被動防護是指在城市高聳建筑物拆除爆破時，通過鋪設(shè)緩沖墊層、開挖減振溝、搭設(shè)防護屏障等措施，以減弱觸地振動能量、阻斷振動波傳播途徑、防止飛石飛濺，最終達到爆破安全的目的。

3.2.1 飛石距離理論計算

結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，炮孔爆破飛石距離可由下式計算[3,5]：

式中：q——單耗，kg/m3；

S——個別飛石水平方向的距離，m。

代入數(shù)據(jù)得S為98m，實際施工中為保證安全，根據(jù)工程經(jīng)驗采取防護措施后，飛石距離可減少70%。因此在采取防護措施后，本工程飛石最遠(yuǎn)距離約為30m。

3.2.2 合理布設(shè)減振溝

本工程充分利用現(xiàn)有的條件合理布設(shè)減振溝，合力大廈為望江西路正在施工的市政工程挖有深度達10m的溝渠，為路北側(cè)望江綜合樓搭建了一道天然的防護屏障。

3.2.3 觸地飛石的控制與防護

（1）合理鋪設(shè)緩沖墊層。樓房倒塌觸地瞬間具有較大的沖量，接觸面剛度大觸地振動則明顯。本工程通過計算受力分析并總結(jié)之前的經(jīng)驗，決定采用側(cè)面為三角形、長度40m、高度0～3m的緩沖墊層鋪設(shè)形狀，材料就地取材主要采用周圍的建筑垃圾，這樣把瞬間接觸面由剛性變成了柔性，增大了接觸時間、吸收了觸地產(chǎn)生的能量，極大地減小沖擊力。如圖1所示。

圖1 緩沖墊層布設(shè)示意圖

（2）加蓋尼龍布。本工程在鋪設(shè)建筑廢料作為緩沖墊層的前提下，在建筑廢料上面加蓋一層高強度、高韌性的尼龍布和一層邊長為1cm×1cm正方形孔狀的鋼絲網(wǎng)，這樣相對松散的建筑廢料緩沖墊層受到一定的束縛作用，此時可把兩者看作一個整體。在建筑廢料緩沖墊層受到倒塌建筑物強大的沖擊力時，原本已經(jīng)失去承載作用的介質(zhì)，在外力的束縛作用下繼續(xù)提供承載力，直至中間的縫隙從最大變?yōu)榱悖_到最大的觸地時間，已達到減小觸地振動的目的。

3.2.4 爆破飛石的控制與防護

在爆破缺口范圍內(nèi)采用重點部位加強防護著重處理的方法，最北側(cè)靠近望江綜合樓的一排柱為重點防護區(qū)，采用4層地毯（高強度）、2層鋼絲網(wǎng)作為主動防護，其它部位采用2層地毯、1層鋼絲網(wǎng)作為主動防護；在建筑物南側(cè)懸掛一層強韌性的尼龍布；另外在倒塌的反方向和北側(cè)分別搭設(shè)寬4m、高10m、長20m和寬4m、高10m、長40m的鋼管架，并掛鋼絲網(wǎng)一層，在飛石突破第一道主動保護后起到被動保護的作用，切斷飛石的傳播途徑，以確保后方的安全；對局部裸露管線電纜進行包裹。本工程采取全方位防護、重點處理的措施后，飛石控制效果良好。

4 爆破效果與體會

合肥市合力大廈在為社會服務(wù)21年后，于2015年5月19日凌晨5∶30在當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)部門的全力配合下準(zhǔn)時起爆。

本次爆破效果良好，得到市民和媒體的一致好評，現(xiàn)有如下體會，供同行討論：

(1)對影響倒塌方向的電梯井和樓梯剪力墻進行預(yù)處理，將其先破碎混凝土，然后切斷其內(nèi)部鋼筋，使其與樓身完全分離。

(2)通過試爆不斷優(yōu)化爆破參數(shù)確定單耗的選擇。

（3）爆破后，樓房按設(shè)計朝正北方向傾倒，樓身完全塌落在鋪設(shè)的三角柱形緩沖墊層上，振動微弱，無碎石飛出，這取決于合理緩沖墊層選形和接觸面的重點防護。

（4）倒塌后樓身整體破碎效果良好，僅有樓頂?shù)膬λ貨]有破碎，是因為儲水池與樓體部分是獨立的，不是通過預(yù)制結(jié)合在一起的，在樓房倒塌瞬間儲水池與樓身產(chǎn)生裂隙并逐漸分離。

（5）實踐發(fā)現(xiàn)在采取近體被動防護措施后，通過理論計算和實測分析，減振效果在78.9%～84.4%。

（6）公司堅持重防護的原則，是本工程取得良好爆破效果的另一法寶。