抗震加固磚混樓房拆除的控制爆破技術

馬世明,余興春,王新閣

(河南富順實業(yè)集團有限公司,鄭州450000)

1 工程概況

根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃及用地需要,安徽省淮南市政府決定采用控制爆破技術將市政府原辦公樓拆除后改造成市民活動中心。辦公樓建于上世紀70年代,位于田家庵區(qū)洞山中路原市政府院內(nèi)。樓房北面15 m為保留道路,20 m為保留綠化樹木,130 m為洞山中路;樓房南面10 m為車庫和3座運行的變壓器和高壓線,60 m處為保留樓房(在建老年大學),110 m處為劉家山路;樓房西面90 m為廣場南路,距離沿街商鋪120 m;樓房東面110 m為文明村社區(qū);樓房東北50 m處為附近小區(qū)及周邊公共設施供水的增壓泵房(見圖1)。

圖1 辦公樓周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding environment of office buildings

待拆的市政府原辦公樓為磚混結構,主樓地下1層,地上7層,兩側配樓地下1層,地上5層,局部6層,中間內(nèi)走廊,主樓和配樓間有施工縫,樓房中間樓梯兩側有2個電梯井,均為磚混結構。樓長130 m,寬16.4 m,內(nèi)走廊寬1.8 m,樓高28.6 m,建筑面積為13 657.84 m2。樓房一層外墻、隔間墻、走廊墻及電梯井墻均為50墻,衛(wèi)生間填充墻為37墻,墻厚分別為60、55、55、55、40 cm。二層以上外墻、電梯井墻為50墻,隔間墻和走廊墻為37墻,填充墻為24墻,墻厚分別為55、40、30 cm。樓房后期進行過抗震加固處理,即樓房每隔兩道隔間墻在房間的四個墻角加設鋼筋混凝土立柱,立柱緊貼墻角,為等腰直角三角形結構,斜邊長42 cm,共26個加固墻角柱,鋼筋直徑22 mm(見圖2)。每隔一道隔間墻雙面加固有10 cm厚的內(nèi)置鋼筋抹灰層,鋼筋直徑8 mm,鋼筋網(wǎng)格為20 cm×20 cm。1～3層中間門樓部位每層中部有4根鋼筋混凝土立柱,立柱規(guī)格40 cm×40 cm,門樓部位走廊以北兩側南北墻為30 cm厚鋼筋混凝土剪力墻。樓板為現(xiàn)澆混凝土結構,樓房在中部和兩端共有3處樓梯,均為現(xiàn)澆混凝土結構。

圖2 辦公樓二層(平面)Fig.2 Second floor of office building(plan)

2 爆破方案及參數(shù)設計

2.1 爆破方案

為確保拆除辦公樓的控制爆破安全、順利進行,必須根據(jù)周圍環(huán)境、樓房本身的特點及工程要求確定出合理的、切實可行的控制爆破方案[1]。因為待拆辦公樓長度較長,東西方向不易倒塌,且樓房東西兩側3 m均有保留樹木,向南有運行變壓器,所以確定樓房向北定向倒塌。

此辦公樓經(jīng)過抗震加固處理,樓梯和樓板均為現(xiàn)澆混凝土,比較穩(wěn)定。為防止樓房倒塌距離過遠損壞路面和確保樓房倒塌后解體充分,將主樓前排炸高提高到4層,配樓前排炸高提高到3層,為防止樓房后坐和保證樓房在傾倒過程中形成傾覆力矩,樓房最后一排墻體不鉆孔,并且預留2 m寬的隔間墻支撐。樓梯不布置炮孔,采用人工切縫,縫寬20～30 cm。

2.2 預處理

為減少鉆孔工作量,保證樓房順利倒塌且解體充分[2],先對樓房進行預處理。在確保樓體主體結構穩(wěn)定的前提下[3],將爆破切口內(nèi)的非承重墻全部拆除,承重墻采用化墻為柱的方法進行預拆除。由于待拆辦公樓樓體寬,因此將隔間墻兩邊對稱處理成2個拱形洞,中間預留2 m寬的墻柱進行鉆孔。外墻也預留2 m寬的墻柱進行鉆孔,每個電梯井預留4個55 cm×80 cm的墻柱進行鉆孔。

因為該辦公樓面積大、墻體厚,而且經(jīng)過抗震加固處理,所以預拆除工作量非常大。若采用人工預拆除較為困難,不能滿足工期要求和經(jīng)濟要求。若采用爆破預處理,費時費力,同樣不能滿足工期要求和經(jīng)濟要求。因此,經(jīng)過考察研究,決定采用小型挖掘機破碎錘進行預拆除,既經(jīng)濟高效,又能滿足工期。此小型挖掘機破碎錘整機質(zhì)量不足1 000 kg,寬1～1.5 m,帶臂長3.5 m。而辦公樓寬16.4 m,內(nèi)走廊寬1.8 m,樓高28.6 m,且樓房樓板為現(xiàn)澆混凝土結構,經(jīng)過驗算,可承載此小型機械的正常作業(yè)。小型挖掘機破碎錘可直接經(jīng)過樓梯進入樓體內(nèi)部進行預拆除作業(yè)(見圖3)。

圖3 預拆除效果Fig.3 Preliminary demolition effect

2.3 爆破參數(shù)設計

2.3.1 爆破切口

爆破切口位置決定待拆辦公樓的倒塌方向,為確保倒塌方向準確,符合設計要求,爆破切口應滿足以下條件:

1)切口方向須與樓房的倒塌方向一致;

2)爆破切口高度應滿足樓房的上部結構重心偏離傾倒方向的支撐點外;

3)切口預留支撐立柱或墻體,應具有較高的抗壓強度,保證爆破后樓體按設計方向定向倒塌和不產(chǎn)生后坐現(xiàn)象。

根據(jù)待拆辦公樓周邊環(huán)境及爆破切口位置的要求,采用梯形爆破切口,在主樓的1～4層鉆孔,高13 m,在配樓的1～3層鉆孔,高10 m,形成切口,使樓房向北定向傾倒。

由于待拆辦公樓高度較低,下部墻體較厚,樓房的重心較低,為確保樓房按設計方向順利倒塌和解體,必須有足夠的切口高度。因此采用階梯形切口,在內(nèi)走廊以北將主樓樓房切口提高到4層,配樓提高到3層。內(nèi)走廊以南切口高度一層半形成三角形切口,切口角度大于30°(見圖4)。

圖4 爆破切口和延時分布Fig.4 Blasting incision and delay distribution

2.3.2 爆破孔網(wǎng)參數(shù)及藥量

采用梅花形布置炮孔,炮孔直徑d取38 mm;最小抵抗線W=δ/2,δ為墻壁厚度,m;炮孔深度L=(3/5～2/3)δ;炮孔間距a=(1.2～2.0)W,排距b=(0.8～0.9)a。單孔裝藥量Q,可按下式[4]計算:

式中:q為炸藥單耗,g/m3(磚墻取800～1 500 g/m3,鋼筋混凝土立柱及加固墻角取1 000 g/m3);V為單孔破壞介質(zhì)的體積。

具體參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

3 起爆網(wǎng)路

由于待拆辦公樓周邊有電視臺、變壓器等,若采用電雷管起爆網(wǎng)路容易受到雜散電流和射頻電流的影響;而且樓房炮孔數(shù)較多,一次起爆規(guī)模較大。為保證起爆網(wǎng)路安全、可靠[5],決定采用非電導爆管起爆網(wǎng)路。

主樓先起爆,兩邊配樓后起爆,主樓與配樓延時1.2 s,主、配樓爆破切口排間、層間的延時時間為300 ms左右(見圖4)。

孔內(nèi)裝填延時雷管,孔外用2發(fā)瞬發(fā)雷管捆扎,每15～20發(fā)為1捆。主樓用 MS3、MS10、MS12段別延時,兩邊配樓采用MS19和MS20段延時(見圖4)。每個激發(fā)點用四通連接到主線上,主線采用雙股導爆管。每層連接成閉合網(wǎng)路,每層橫向進行一次搭接,縱向每隔20 m進行一次搭接,縱、橫向交叉處進行搭接,樓層之間每隔20 m,前后、上下各搭接2道線。整體組成立體交叉的閉合網(wǎng)路(見圖5)。

圖5 辦公樓起爆網(wǎng)路Fig.5 Detonation network of office buildings

4 安全防護

此次待拆辦公樓位于原市政府院內(nèi),處于鬧市區(qū),爆破施工環(huán)境較復雜,安全要求高;且由于采用控制爆破技術,鉆孔多、裝藥分散、藥量小[6],爆破振動、沖擊波危害較微弱。因此,爆破安全防護的重點是爆破飛石、爆破粉塵和塌落振動造成的危害。

1)裝藥炮孔防護。對爆破的立柱和預拆除后留下需要爆破的墻體,內(nèi)層用棉氈包裹1層,外層再用孔隙率為2 cm的鋼絲網(wǎng)覆蓋2層,進行遮擋防護,用10#鐵絲捆綁牢固。

2)周邊設施防護。為防止爆破產(chǎn)生的飛石對周邊設施產(chǎn)生危害,對靠進保護目標的樓房窗戶、孔洞等用鋼絲網(wǎng)進行封堵,對于南面的變壓器,在變壓器外周圍搭設鋼管腳手架,在腳手架上懸掛竹笆和鋼絲網(wǎng)。

3)爆破粉塵防護。樓房爆破時產(chǎn)生大量的粉塵,會對環(huán)境造成較大的粉塵污染。爆破前對樓體進行灑水浸潤,懸掛水袋。同時根據(jù)場地條件,準備足量的降塵機械設備,配備消防車、霧炮抑塵車,樓房爆破倒塌后,車輛到達設計的安全位置,立即進行噴灑降塵。

4)塌落振動防護。在樓房倒塌方向的地面采取了土層覆蓋措施,因而降低了塌落振動速度。

5 爆破安全校核

1)爆破振動。爆破振動主要來源于炸藥爆炸,其振動強弱取決于起爆藥量的大小。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014[7]給出的公式并修正進行計算:

式中:v為安全允許質(zhì)點振動速度,cm/s;Q為最大一段起爆藥量,kg;K,α分別為與地形、地質(zhì)因素有關的系數(shù),取K=150,α=1.6;K′為衰減系數(shù),取0.25;R為藥包布置中心至保護建筑物之間的距離,m。

此次爆破最大一段的起爆藥量為142 kg;將有關數(shù)據(jù)代入式(2)中進行計算,經(jīng)驗算,v=1.0 cm/s,小于規(guī)定標準,因此爆破振動不會對周邊保護建筑造成危害。但會對待拆辦公樓南面10 m處的變壓器造成影響,因此需要在爆破前將變壓器斷電停用,待爆破后恢復。

2)塌落振動。樓房在定向爆破傾倒時,樓體落地會對地面產(chǎn)生強烈的沖擊而形成塌落振動,其強度比爆破振動大、頻率低[2],對周邊建筑設施危害性比較大。塌落振動速度可按下面公式[4]驗算:

式中:vt為塌落引起的地面振動速度,cm/s;m為下落樓體的質(zhì)量,t;g為重力加速度,m/s2;h為構建中心高度,m;R為觀測點至沖擊地面中心的距離,m;σ為地面介質(zhì)的破壞強度,MPa,一般取10 MPa;Kt、β分別為塌落振動速度衰減系數(shù)和指數(shù),Kt=3.37～4.09,β=-1.80～-1.66,當采取開挖減振溝、筑防振壩等措施時[4],Kt可減小到原值的1/3～1/2。

取m=4 827 t;Kt=3.37,β=-1.66,h=15 m,將R=70 m帶入式(3)得vt=1.425 cm/s。由計算結果可知,此次爆破的塌落振動不會對周邊建筑設施造成危害。說明待拆樓房高度較低,爆破坍塌時樓體著地面積大,且著地時逐漸解體,質(zhì)量分散,所以塌落振動小。

6 爆破效果及結語

樓房于2018年8月12日下午3時56分實施爆破,樓房倒塌方向準確。經(jīng)檢查,樓房無后坐,解體充分,周邊建筑及設施完好(見圖6)。

圖6 爆破效果Fig.6 Blasting effect

1)因為待拆辦公樓的面積大、墻體厚且經(jīng)過加固處理,所以預拆除工作量大。為保證工期和質(zhì)量,選擇使用小型機械進入樓房內(nèi)部進行預拆除作業(yè),提高了施工效率和經(jīng)濟效益。但在選擇此類機械時應先進行樓板承載力的驗算,經(jīng)校核驗算,確認安全后方可使用。

2)此次辦公樓的拆除爆破中提高了爆破切口的高度,樓房解體達到預期效果。對于層數(shù)較低,結構較好的樓體,提高爆破切口的高度更有利于樓房的倒塌和解體。本次爆破網(wǎng)路設計成立體交叉式的閉合網(wǎng)路,延時時間設置在300 ms左右,為防止樓房產(chǎn)生后坐,后排留有足夠的支撐。

3)結合樓房自身的特點和樓房墻體厚且經(jīng)過抗震加固的情況,在預拆除過程中,將樓房的非承重墻體全部進行了拆除。但在樓房的倒塌方向,外部墻體只拆除了窗臺下面坎墻以便于爆破安全防護。對于承重墻體,樓體內(nèi)中間走廊兩側墻體的預拆除利用門洞進行了小的修整,樓體以內(nèi)的房間分割墻預留墻柱。預拆除過程中一定要結合爆破樓體的實際情況,保證樓體的穩(wěn)定。

4)綜合考慮辦公樓的周邊環(huán)境和樓房的結構特點,制定針對性強的技術方案,特殊部位特殊處理,選取合理的爆破參數(shù),設計安全可靠的起爆網(wǎng)路,精心設計,精細施工,取得了良好的爆破效果。