中心城區(qū)超高層樓群多切口折疊爆破拆除?

劉文廣

上海消防技術(shù)工程有限公司(上海，200080)

引言

隨著城市的發(fā)展，越來(lái)越多的城市建筑物因不能滿(mǎn)足新的使用要求而需要拆除。當(dāng)拆除對(duì)象位于中心城市核心城區(qū)時(shí)，周?chē)济芗植贾姸嘈鑷?yán)格保護(hù)的重要目標(biāo)，對(duì)爆破拆除技術(shù)提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述難題，依托上海市中環(huán)商務(wù)區(qū)4棟高層樓房爆破工程實(shí)踐，提出了嚴(yán)苛條件下的爆破拆除設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用與之相適應(yīng)的大切口設(shè)計(jì)技術(shù)及爆破危害控制技術(shù)，解決了針對(duì)目標(biāo)保護(hù)的安全風(fēng)險(xiǎn)防控難題。

1工程概況和環(huán)境

待爆破拆除建筑樓群位于上海市中心城區(qū)滬寧高速—中環(huán)高架的西南夾角。如圖1所示，4棟高層分別命名為T(mén)1樓、T2樓、T3樓和公寓樓。其中，T1樓、T2樓均為地上25層，地下2層，高度106.2 m，單棟面積46 500 m2；T3樓為20層，高度91.4 m，面積31 300 m2；公寓樓為31層，高度96.1 m，面積33 549 m2。共計(jì)面積約157 849 m2。

圖1 待爆破拆除的4棟超高層建筑Fig.1 Four super high-rise buildings to be demolished by blasting

1.1 周?chē)h(huán)境

工程周邊環(huán)境比較復(fù)雜，如圖2所示。主要保護(hù)目標(biāo)有:東側(cè)的真北路中環(huán)高架，距離待爆T2樓、T3樓最小距離63 m；西側(cè)的中環(huán)百聯(lián)商業(yè)綜合體，距離待爆公寓樓29 m；南側(cè)的110 kV變電站，負(fù)責(zé)供應(yīng)區(qū)政府、上海市疾控中心用電，距離待爆T3樓22 m，T3樓距離麥德龍商場(chǎng)60 m；北側(cè)的G2滬寧高架，與T1樓距離110 m。

圖2 爆破工程周邊環(huán)境(單位:m)Fig.2 Surrounding environment of blasting project(unit:m)

1.2 待拆樓群的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

待爆破拆除對(duì)象結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:

1)T1樓、T2樓結(jié)構(gòu)相同，為框架核心筒結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)58.3 m，8排柱；寬31.4 m，5排柱。爆破部位的立柱截面分別為1 200 mm×1 200 mm、1 100 mm×1 100 mm、1 000 mm×1 000 mm、900 mm×900 mm 4種規(guī)格。第1層層高5.6 m，第2層至第4層層高5.1 m，第5層層高5.2 m，第6層及以上層高3.6 m。電梯及樓梯核心筒布置于大樓平面中部，尺寸為9.20 m×3.74 m。核心筒剪力墻有0.30、0.35、0.40、0.50 m等不同厚度。5層及以下混凝土等級(jí)為C55，6層以上混凝土等級(jí)為C40。

2)T3建筑主體結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)45.3 m，8排柱；寬38.8 m，7排柱。爆破部位的立柱截面為1 000 mm×1 000 mm、900 mm×900 mm、800 mm×800 mm、700 mm×700 mm；5層以下混凝土等級(jí)為C55，6層及以上為C40。

3)公寓樓為全剪力墻結(jié)構(gòu)，層高3.1 m。大樓東西方向9跨，長(zhǎng)57.84 m；南北方向3跨，寬21.57 m。兩個(gè)電梯及樓梯間布置于長(zhǎng)邊一側(cè)，電梯及樓梯間尺寸為7.20 m×7.52 m。剪力墻厚度為200～240 mm不等，混凝土等級(jí)為C50，布筋(單位:mm):水平筋?12＠150，豎向筋?12＠150，墻體拉結(jié)筋? 8＠450×450。

1.3 拆除工程難點(diǎn)

1)4棟高層包含框架核心筒結(jié)構(gòu)、全框架結(jié)構(gòu)、全剪力墻結(jié)構(gòu)3種結(jié)構(gòu)形式，要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式，選擇合適的爆破方法。

2)毗鄰城市主干道:工程北側(cè)是G2滬寧高速入城段，東側(cè)臨近上海中環(huán)快速路，兩條道路均為高架道路，車(chē)流量大，對(duì)爆破振動(dòng)控制要求高。

3)工程四周涉及多個(gè)大型商業(yè)綜合體:中環(huán)百聯(lián)、麥德龍商場(chǎng)。其中，西側(cè)臨近中環(huán)百聯(lián)商場(chǎng)玻璃幕墻僅僅29 m，南側(cè)距離麥德龍商場(chǎng)60 m。

4)T3樓后側(cè)距離110 kV變電站22 m，距離電纜隧道很近，爆破飛石和爆破振動(dòng)需控制在允許范圍內(nèi)。

5)4棟樓一次性爆破，需合理確定大樓之間延期時(shí)間，公寓樓和T2樓的時(shí)間間隔尤其重要。延期時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，公寓樓落地后，氣浪會(huì)沖擊破壞T2樓切口正面的爆破網(wǎng)路，給T2樓順利爆破帶來(lái)隱患；延期時(shí)間過(guò)短，由于兩棟樓距離35 m，T2樓有和公寓樓倒塌過(guò)程中相互撞擊的風(fēng)險(xiǎn)，造成公寓樓西偏，影響其西側(cè)中環(huán)百聯(lián)商場(chǎng)的安全。

總體而言，工程周邊環(huán)境復(fù)雜，車(chē)流、人流量密集，在此環(huán)境下，一次性爆破4棟密集高層，面積近16萬(wàn)m2，難度極大。

2 爆破拆除總體方案

分析周邊倒塌場(chǎng)地，基于周邊復(fù)雜的目標(biāo)保護(hù)和嚴(yán)苛的危害效應(yīng)控制要求，決定采用多切口折疊延期逐層、逐跨分散塌落起爆技術(shù)和高層建筑物大切口、多切口倒塌爆破方法[1-2]，實(shí)現(xiàn)多幢超高層建筑爆破拆除穩(wěn)定引爆。如圖3所示，采用同向2～3個(gè)切口的爆破工藝，能使大樓在空中解體，切口閉合逐段折疊后再觸地，上部觸地構(gòu)件折疊在下部樓體已觸地的構(gòu)件上，極大地降低了上部樓體倒塌的動(dòng)能。切口閉合后，上部樓體重心落高小，能夠有效地控制塌落振動(dòng)[3-6]。

圖3 4棟樓立面及爆破切口布置Fig.3 Elevation and blasting cuts layout of four buildings

3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 爆破切口角度與立柱炸高

T1樓、T2樓采用同向雙切口定向倒塌，切口位置在大樓1～5層和13～15層；T1向北傾倒，T2向西傾倒；底部爆破切口傾角39°。T3樓設(shè)計(jì)成2個(gè)爆破切口，位于大樓1～5層和11～13層，向北傾倒；爆破切口傾角30°。

結(jié)合類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，大樓底部切口內(nèi)立柱的爆高取3.0 m；上部切口內(nèi)立柱的爆高取2.2 m。

公寓樓全剪力墻結(jié)構(gòu)，采用同向三切口，向北倒塌于大樓北側(cè)的50 m場(chǎng)地；切口位置分別在1～5層、13～15層以及21～23層；爆破切口傾角36°。

3.2 爆破參數(shù)

共使用巖石乳化炸藥7 416 kg，導(dǎo)爆管雷管60 200發(fā)，塑料導(dǎo)爆管40 000 m。其中，T1樓、T2樓、T3樓3棟大樓的爆破參數(shù)詳見(jiàn)表1所示。公寓樓剪力墻厚度不同，爆破參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表1 T1樓、T2樓、T3樓爆破參數(shù)Tab.1 Blasting parameters of T1，T2 and T3

表2 公寓樓爆破參數(shù)Tab.2 Blasting parameters of the apartment building

3.3 爆前預(yù)處理

在保證大樓結(jié)構(gòu)絕對(duì)穩(wěn)定的前提下，為了減少鉆孔數(shù)量、降低爆破強(qiáng)度、保證大樓充分解體和順利倒塌，在經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核和計(jì)算的前提下，對(duì)大樓的結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理[7-9]。

1)對(duì)所有爆破切口范圍內(nèi)核心筒、電梯井剪力墻進(jìn)行切割預(yù)處理，保留邊角立柱。

2)采用微挖設(shè)備全部拆除爆破切口范圍內(nèi)相應(yīng)樓層隔墻，以免形成支撐而影響樓體傾倒；隔墻拆除后，垃圾清理到房屋中央，留出爆破施工通道。

3)對(duì)切口范圍的樓梯上、下全都破碎開(kāi)口(保留鋼筋)，既破壞其整體性，不至于影響樓體的傾倒，又能滿(mǎn)足施工人員行走安全。

4)爆破前，在4棟主樓塌落位置和中環(huán)高架、滬寧高速入城段、中環(huán)百聯(lián)商業(yè)綜合體、110 kV變電站4個(gè)方向之間挖一條寬1 m、深2.5 m的減振溝，抽出積水。

5)在4棟樓倒塌位置地面平鋪一層高2～3 m的減振墊層，墊層上方再鋪設(shè)一層沙袋并蓋上彩條布，可有效降低爆破觸地振動(dòng)。

4 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

沿大樓傾倒方向，T1樓、T2樓、T3樓上切口各爆區(qū)孔內(nèi)起爆雷管自前至后分別使用HS3、HS4、HS5、HS6段別，下切口1～5層各爆區(qū)孔內(nèi)起爆雷管分別使用HS4、HS5、HS6、HS7段別，上切口先于下切口0.5 s起爆；同一切口內(nèi)各層自下而上采用MS5延期；每個(gè)墻柱孔外使用2發(fā)延期雷管簇聯(lián)傳爆。各爆區(qū)簇聯(lián)延期雷管通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)聯(lián)接成復(fù)式起爆網(wǎng)路。

沿大樓傾倒方向，公寓樓上部切口各爆區(qū)孔內(nèi)起爆雷管使用HS3、HS4、HS5、HS6段別，中部切口使用HS4、HS5、HS6、HS7，底部切口各爆區(qū)孔內(nèi)起爆雷管使用HS6、HS7、HS8、HS9段別。通過(guò)孔內(nèi)延期，上切口先于中切口0.5 s起爆，中切口先于下切口1.0 s起爆；每個(gè)墻柱孔外使用2發(fā)延期雷管簇聯(lián)傳爆，各爆區(qū)簇聯(lián)延期雷管通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)聯(lián)接成復(fù)式起爆網(wǎng)路。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和安全要求，為了保證各樓之間的爆破不受影響，采取4棟樓結(jié)成一個(gè)大的復(fù)合網(wǎng)路，一次性起爆；各樓采用不同段別的半秒導(dǎo)爆管雷管擊發(fā)，從而控制各棟樓之間的延期時(shí)間，依次倒塌，起爆順序見(jiàn)表3。

表3 起爆順序及爆破時(shí)間Tab.3 Initiation sequence and blasting time s

5 爆破危害控制

5.1 爆破振速控制

城鎮(zhèn)拆除爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速計(jì)算公式[10]

式中:v為保護(hù)對(duì)象位置振速，cm/s；K為與地質(zhì)、地形有關(guān)的系數(shù)；K′為修正系數(shù)，0.25～1.00；α為衰減指數(shù)；Q為延時(shí)爆破最大單段藥量，kg；R為保護(hù)目標(biāo)到炸點(diǎn)中心的距離，m。

取K＝32.1，K′＝0.5，α＝1.54。單區(qū)爆破最大一次起爆藥量控制在30 kg以?xún)?nèi)。每軸8根立柱通過(guò)孔外延期再分成2次起爆；單根立柱藥量1.1×1.1×3×1.5＝5.445 kg，一次控制最多5根立柱，5.445×5＝27.225 kg；因此，起爆藥量取30 kg。

對(duì)照GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》中給出典型建構(gòu)筑物的安全振速，保護(hù)目標(biāo)計(jì)算爆破振速大部分小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(表4)，對(duì)高架路、商場(chǎng)是安全的；變電站設(shè)備安全振速為0.5～0.9 cm/s，計(jì)算爆破振速大于此標(biāo)準(zhǔn)，爆破時(shí)擬采取停電措施。

表4 計(jì)算保護(hù)目標(biāo)的爆破振速Tab.4 Calculated blasting vibration velocity of protection targets

5.2 塌落振速計(jì)算

拆除爆破塌落振速參照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[11]:

式中:vt為塌落振速，cm/s；Kt、β為衰減參數(shù)，通常取Kt＝1.13，β＝1.66；M為逐層塌落的最大質(zhì)量，t；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為構(gòu)件的重心高度，m；R為倒塌落地中心至保護(hù)建筑距離，m；σ為地面介質(zhì)破壞強(qiáng)度，一般取σ＝10 MPa。

根據(jù)大樓爆破經(jīng)驗(yàn)分析，當(dāng)采用多切口、上下樓層分割解體的爆破方案時(shí)，塌落振速公式中M就不是總質(zhì)量，而是設(shè)計(jì)分段爆破第一時(shí)間著地的那部分質(zhì)量；底部切口上方的樓體沖擊地面瞬時(shí)的觸地振動(dòng)為最大[12-13]。

計(jì)算重點(diǎn)保護(hù)建筑設(shè)施塌落振速見(jiàn)表5。表5中，為無(wú)任何減振防護(hù)措施前提下的安全計(jì)算，實(shí)際爆破施工還要增加振動(dòng)安全防護(hù)措施，如在大樓四周開(kāi)挖減振溝、爆破倒塌區(qū)域設(shè)置減振墊層等。通過(guò)以往國(guó)內(nèi)外爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及多次高樓爆破工程實(shí)踐[14-15]，采用可靠的減振措施能夠有效降低振速。

表5 計(jì)算保護(hù)目標(biāo)的塌落振速Tab.5 Calculated collapse vibration velocity of protection targets

5.3 爆破飛散物控制措施

為有效控制爆破飛散物，在合理確定爆破單耗、保證炮孔填塞質(zhì)量的同時(shí)，具體采用3層防護(hù):

1)第1層，爆體直接防護(hù)。將舊地毯和2層竹笆由里及外依次用鐵絲捆扎在爆破目標(biāo)上，重點(diǎn)部位用6 mm細(xì)鋼絲繩外側(cè)加固，有效降低爆破飛散物初速度。

2)第2層，樓層防護(hù)。在每個(gè)樓層沿外墻四周，用竹笆和毛竹搭設(shè)一個(gè)防護(hù)體，阻擋這一層爆體產(chǎn)生的飛散物。

3)第3層，切口整體防護(hù)。在爆破切口頂部樓層懸掛由2層白色強(qiáng)力安全網(wǎng)加1層密目網(wǎng)組合形成的柔性防護(hù)毯，防護(hù)毯高度和切口同高，防護(hù)毯底部用繩索拉離建筑物一定距離，用以緩沖逃逸飛石。

經(jīng)過(guò)這3層防護(hù)遮擋，能將爆破飛散物控制在30 m之內(nèi)。

6 爆破效果

該項(xiàng)目于2020年4月20日凌晨0∶30爆破，4棟大樓按爆破設(shè)計(jì)的方向和時(shí)間依次倒塌(圖4)。

圖4 爆破效果Fig.4 Blasting outcome

1)T1樓和T2樓爆堆落地最遠(yuǎn)水平距離約42 m，無(wú)后座。2.0 s時(shí)，上切口開(kāi)始閉合；3.0 s時(shí)，下切口閉合；4.5 s時(shí)，上、下切口間結(jié)構(gòu)破壞，上切口以上結(jié)構(gòu)觸地；7.0 s時(shí)，上切口以上結(jié)構(gòu)前傾著地。T1樓爆堆高度約7 m，T2樓有部分核心筒高度15 m。

2)T3樓爆堆落地最遠(yuǎn)水平距離只有16 m，無(wú)后座。整個(gè)倒塌時(shí)間9.0 s，可以明顯分辨出逐跨塌落。爆堆高度約9 m。

3)公寓樓3個(gè)切口，落地后分成6塊，前面一塊爆堆落地最遠(yuǎn)水平距離40 m，后座6 m。倒塌時(shí)間共計(jì)9.0 s。3.0 s時(shí)，上切口閉合，上部結(jié)構(gòu)明顯下挫微傾；4.0 s時(shí)，中切口閉合，大樓下降10 m高度；5.0 s左右，加速下墜；9.0 s時(shí)，完全著地。爆堆高度約9 m。

4)爆破飛石和上部結(jié)構(gòu)落地飛濺最大距離控制在30 m范圍內(nèi)。30 m處中環(huán)百聯(lián)大樓玻璃幕墻完好無(wú)損；110 kV變電站正常運(yùn)行；附近麥德龍商場(chǎng)、百安居商場(chǎng)、民房、地下管線(xiàn)及周?chē)渌O(shè)施均安然無(wú)恙，爆破效果十分理想。

5)爆破期間進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器為Blast-UM爆破振動(dòng)測(cè)試儀，布置了10個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，其中8個(gè)點(diǎn)得出有效數(shù)據(jù)。此次是4棟樓一次性分段爆破，T1樓、公寓樓、T2樓、T3樓依次起爆。因此，所測(cè)得的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)是多個(gè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)以及多個(gè)建筑物倒塌后的塌落振動(dòng)疊加而成，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 振速監(jiān)測(cè)Tab.6 Monitored vibration velocity

7 結(jié)論

1)采用大切口爆破拆除設(shè)計(jì)方法及3層立體安全防護(hù)技術(shù)，成功完成了復(fù)雜環(huán)境下不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型高層樓房建筑的爆破拆除，設(shè)計(jì)方法、環(huán)境復(fù)雜性及危害控制技術(shù)對(duì)未來(lái)類(lèi)似工程有一定參考價(jià)值。

2)在通過(guò)試爆并合理選用爆破單耗的同時(shí)，綜合利用爆體直接防護(hù)、樓層整體防護(hù)、爆破切口整體防護(hù)三重組合防護(hù)手段，有效地控制了爆破飛散物影響范圍。爆破后，30 m處的中環(huán)百聯(lián)商業(yè)綜合體幕墻沒(méi)有損害，這種飛石防護(hù)手段是可靠的。

3)通過(guò)采取折疊爆破、分區(qū)延期起爆、減振墊層和減振溝等綜合減振技術(shù)措施，4棟大樓爆破振速控制在合理區(qū)間，保護(hù)了地下淺埋管線(xiàn)、110 kV變電站、麥德龍商場(chǎng)、百安居商場(chǎng)的安全。