复杂环境框剪高层楼房精确转体定向拆除爆破

蒲文龙，刘 洋，公文新，刘启进，周 静，赵子琪

(1.黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨 150022；2.哈尔滨恒冠爆破工程有限公司，哈尔滨 150080；3.陕西中爆检测检验有限责任公司，西安 710000)

1 工程概况

1.1 周围环境

待拆除爆破的楼体(23层烂尾楼)位于哈尔滨市道外区北马路13号。该大楼北侧距离北环辰能五金城67 m；西侧距离民用高压线6 m，距宝宇天邑澜湾小区门市房40 m；南侧距离高压线10 m，距离建筑工地35 m；东侧距离弃用的多层楼房6 m，距离北马路小学85 m；楼房50 m范围内无任何地下管网设施(见图1)。

图1 爆区周围环境Fig.1 Surroundings of the blasting area

1.2 建筑结构

待拆主楼四周为砖砌裙楼，该楼总建筑面积约33 350 m2，主楼长50 m、宽29 m、高87 m，共计24层，其中地上23层、地下1层。1层层高4.6 m，2层层高4.0 m，3～23层层高均为3.5 m(21层层高5.3 m)，6排承重立柱由北向南分别编号为A轴～F轴，由西至东为1～6轴，1～2层圆柱直径为1.2 m，方柱每边长为1.0 m，3～10层方柱每边长为0.9 m，11～23层方柱每边长为0.7 m(见图2)。

图2 楼房框剪结构平面Fig.2 Building frame shear structure plane

剪力墙结构由2个电梯井、1个楼梯间、1个管道井及1个设备间所组成，位于楼中心东西两侧，相距3.5 m；6～23层东侧剪力墙结构中的设备间变为电梯井。剪力墙结构面积为9.5 m×6.9 m，墙内藏有暗柱，1～4层剪力墙壁厚25 cm，5～23层剪力墙壁厚20 cm，砖墙37 cm。

1.3 工程特点及难点

待拆除楼房西侧6 m处和南侧10 m处为道外区域几十万户供电的高压线，高压线高度约10 m，东侧6 m位置为多层楼房，北侧67 m处为北环辰能五金城。该待爆工程最大的技术难点为：西侧、南侧高压线和东侧建筑物距离待爆楼体非常近，楼房倒塌范围非常有限，要求精准控制楼体倒塌方向，并防止塌散物砸坏临近高压线。

2 爆破方案及切口设计

2.1 爆破方案

基于精细爆破的理念和建筑物失稳倾倒的基本力学原理[1-3]，根据爆体结构、周围环境和安全要求，提出北偏东“精确转角”定向倾倒和原地坍塌相结合的倒塌模式，采用高位切口三段切割精确控制楼体转角约为北偏东15°。楼房拆除的基本思想：三段切割五段延时，边倾倒边下坐，即达到阻尼下坐缓冲落地。

2.2 切口设计

1)切口位置。根据待拆楼房高度和北侧允许倒塌范围，确定11～12层为上切口位置，定向倾倒楼层部分的高宽比为1.63；根据待拆楼房地下一层的空间容量条件，确定3～6层和1～2层为中下切口，确保防止塌散物对临近高压线和建筑物的冲击破坏。

2)切口高度。倒塌方向的切口高度Hp通常不小于墙厚δ的2.5～3倍，即Hp≥(2.5～3)δ。根据实际，确定第1切口高度(11～12层)为4.6 m；切口角度为9.01°；第2切口高度(3～6层)为11.2 m；第3切口高度(1～2层)为3.0 m(见图3)。

图3 楼体爆破切口Fig.3 Blasting cut of the building body

hp≥k(Bmax+Hmin)

(1)

式中：k为经验系数，1.5～2.0；Bmax为立柱截面的最大边长，取1.0 m；Hmin为临界破坏高度，按照大柔度杆考虑，Hmin=12.5d，d为立柱的竖向主筋直径，本大楼立柱配筋直径为d=0.025 m(螺纹钢)，即Hmin=0.315 m。

经计算得：hp=1.97～2.63 m。

根据实际，确定1～2层立柱的爆高为3.0 m；3～6层立柱的爆高为2.8 m；11～12层立柱爆高分别为：2.3、1.28、0.64 m。

4)楼房倾倒可靠性验算。爆破切口内的立柱失稳闭合后，楼房的重心必须偏移至楼体以外才能保证其倾倒可靠性[7](见图4)，由图获得计算式：

图4 楼房倾倒可靠性分析Fig.4 Building dumping reliability analysis

(2)

(3)

式中：LX为切口闭合楼房重心偏移楼体外边缘距离；Hp为爆破切口的闭合高度，2 m；β为爆破切口闭合角，3.945°；B为大楼倒向宽度，29 m；ZC为大楼的重心高度，43.5 m。

将有关参数代入式(2)得重心偏移至楼体以外的距离为：LX=16.79 m，满足楼房倾倒要求。

在北京，大量建设项目没有考虑对水的滞留，缺少滞水、蓄水设施。 例如北京 2012 年“7·21”暴雨，全市受灾人口190万人，经济损失近百亿元。本次暴雨接近历史极值，尽管受灾严重不完全是因城市硬化率高造成的，但如果能像日本东京那样大量建设储水池，应该能有效缓解灾情。按北京城区 400km2，“7·21”北京城区平均降水量200 mm计算，总降水量超过8 000万m3。如果在全市建设一万个储水池，每个储水池容积5 000 m3（占地下平面 1000m2，高 5 m），就能收集5 000万m3的水量，极大地减缓道路积水量，给市政管网排水争取时间。

2.3切口参数设计

运用精细爆破的理念，切口爆破参数采用精确设计[7-8]。根据爆破体的材质、几何形状和尺寸、结构类型、施工条件和对爆破效果的要求，采用差异化爆破设计方法；并通过现场试爆调整优化爆破参数。根据不同立柱尺寸及层位分别采用“十”字形、“中”字形和四方形水平孔，梁、柱结点布置向下倾斜45°布孔，具体参数如表1所示。

表1 立柱爆破参数Table 1 Blasting parameters of column

3 起爆网路及楼体转角计算

3.1 起爆网路

本次楼房拆除爆破采用导爆管簇联复式立体交叉起爆网路，形成以四通连接网路为主线，簇联网路为底层支线的闭合网路，每个药孔内装填2发导爆管雷管，每楼层的接力点用四通联为两条独立的导爆管网路，上下楼层之间的网路用6根导爆管贯通(见图5)。

图5 起爆网路Fig.5 Detonating network

采用半秒延时导爆管雷管，整个楼房拆除分为5段起爆，每段间隔时间为0.5 s，其中，11～12层楼3段起爆时间分别为0、0.5、1 s，3～6层楼第4段起爆延时为1.5 s，1～2层楼第5段起爆时间为2 s，起爆范围如表2所示。

表2 起爆范围Table 2 Detonation range

3.2 楼房转角偏移计算

根据经验公式，倒塌方向偏移角度应满足以下公式：

(4)

式中：L1、L2为承重立柱的距离；α为偏移角度。

第1响楼体重心偏移角度承重立柱间距离L1为8.4 m、L2为36 m，将L1、L2代入式(4)后，偏移角度α=13.13°。楼体重心向北倒塌至10、15、20 m处，分别向东偏移距离为2.3、3.5、4.7 m。

第2响楼体重心偏移角度承重立柱间距离L1为17.3 m、L2为36 m，将L1、L2代入式(4)后，偏移角度α=25.67°。楼体重心向北倒塌至10、15、20 m处，分别向东偏移距离为4.8、7.2、9.6 m。

第3响楼体重心偏移角度承重立柱间距离L1为8.4 m、L2为7.2 m，将L1、L2代入式(4)后，偏移角度α=49°。第3响后剩余3根立柱完全支撑不住楼体质量，对楼体力的作用微乎其微(见图6)。

图6 三响偏移角度Fig.6 Offset angle of three initiation

4 预处理及安全防护

4.1 预处理

为保证本楼房顺利倒塌，减少爆破工作量和炸药用量、减小爆破振动危害效应，利于主爆体的定向倾倒与解体，对能够预先拆除的部位实施预处理，具体预处理项目为：楼房外部西侧6楼以下裙楼。楼房内部1～2层的楼板、剪力墙、承重砖墙、楼梯及旋转楼梯；5～6层、11～12层的楼板、剪力墙、承重砖墙。爆破切口内的楼体西侧1～6层的主楼外部承重砖墙、立柱及圈梁；11～12层所有砖墙。

4.2 安全防护

1)阻尼式下落技术。采用三切口五段半秒延时起爆技术，控制一次最大起爆药量使楼房充分解体，最大限度地降低爆破振动、塌落触地振动和爆破冲击波等有害效应。

2)爆破切口用4层草垫子2层金属网外挂1层建筑绿网防护，并在西侧和北侧保护目标设置防护围挡，防止飞石破坏临近高压线及建筑物。

3)为进一步减少楼体倒塌触地振动对周围建筑的影响，在楼体倾倒范围铺设8 m高土堤，并在倒塌位置周围开挖减振沟。

4)充分利用地下室吸收大量的触地冲击能量，减少振动强度和影响范围，并尽可能把倒塌后的爆堆控制在地下室的空间内。

5 爆破效果

待爆楼房周边200 m范围内为警戒区域，从设计到实施起爆共历时25 d，施工钻孔2 178个、钻孔深度879.2 m，使用炸药300.6 kg、雷管4 356发。

通过无人机航拍结果可知，楼房从失稳到坍塌历时14.7 s，起爆后楼房整体向北偏东约15°倒塌，塌散范围约为23 m，北侧对面北环五金城、西侧和南侧仅6～10 m高压线、距离爆体6 m多层楼房均安全无恙，爆后解体充分利于爆渣清运，完全达到了预期的爆破效果(见图7)。在周围保护目标附近布设了6个振动监测点，测得振动速度最大值为1.31 cm/s，在《爆破安全规程》要求的安全阈值范围内。

图7 倒塌效果Fig.7 Collapse effect