复杂环境高层建筑物拆除爆破振动控制与影响分析*

毕业武，公文新，刘启进，金珠鹏，周 静，赵子琪

(1.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022； 2.哈尔滨恒冠爆破工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150080；3.陕西中爆检测检验有限责任公司，陕西 西安 710000； 4.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

0 引言

近年来，随着我国城镇化进程的加快，在城市建设中改扩建项目与拆迁工程日益增多。被拆除建筑物高度、体量不断增加，结构及周围环境愈加复杂，工程质量与安全要求愈加严格。由于机械拆除存在工期长、风险高、效率低、费用高等缺点，尤其是对于高层建筑物的拆除，爆破技术的优势更加突出。近30年来，我国诸多城市高层建筑物都是采用爆破技术进行拆除的，目前该技术已经成为城市高层建筑物拆除的主要手段[1-3]。由于爆破环境的复杂性、爆破建筑物结构的特殊性、倒塌范围的局限性，倒塌落地冲击振动强度大，爆破拆除难度大，使得爆破安全控制难度增大，如何保证复杂环境下爆破安全成为拆除爆破领域关注的重点[4-6]。本文以哈尔滨道外区复杂环境23层框-剪结构烂尾楼爆破拆除工程为例，针对爆破振动有害效应，对其安全控制进行探讨和研究，采用远程测振系统进行爆破振动现场测试，对爆破振动影响和爆破效果进行分析评价，以期为复杂环境类似爆破工程实践提供参考。

1 工程概况

1.1 周围环境

哈尔滨粮油批发市场在建工程项目(23层烂尾楼)爆破待拆除的楼体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67m；西侧距离民用高压线6m，距宝宇天邑澜湾小区门市房40m；南侧距离高压线10m，距离建筑工地35m；东侧距离待拆楼房6m，距离北马路小学校85m；楼房50m范围内无任何地下管网设施(见图1)。

图1 爆区周围环境

1.2 工程特点及难点

待拆除楼房西侧6m处和南侧10m处为道外区域供电高压线，高压线高度约10m、走向为北偏东15°左右，东侧6m位置为多层建筑物，北侧67m处为北环辰能五金城(见图1)。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。

1.3 爆破设计方案

根据爆体结构、周围环境和安全要求，提出高位切口3段切割精确控制楼体转角爆破技术，基本思路为高位切口3段切割5段延时，边倾倒边下座，阻尼下座缓冲落地。具体方案：北偏东约15°“精确转角”定向倾倒和原地坍塌，1～6层原地坍塌，11～12层定向倾倒，整个楼房设计3个爆破切口：11～12层楼为爆破上切口，3～6层为中切口，1～2层为下切口(见图2a)。爆破部位装药分为5段起爆，每段间隔时间为0.5s，其中，11～12层楼3段起爆用时分别为0，0.5s和1s(见图2b)，3～6层楼第4段起爆延时为1.5s，1～2层楼第5段起爆延时为2s。

图2 楼体爆破切口、上切口延时起爆顺序及转角

2 爆破振动灾害分析与控制

2.1 楼体触地振动分析

高层建筑物拆除爆破振动主要指建筑物倒塌过程中的触地振动，其远大于炸药爆炸产生的爆破振动，因此，爆破工程设计施工中，除对炸药爆破进行有效控制和必要防护外，更应对高层建筑物的触地冲击及由此引发的振动进行控制。

根据触地振动公式及工程实测，距离相同时，高层建筑物触地振动正前方振速大于侧方及后方振速。为降低高层建筑物的触地振动，在倒塌条件允许的前提下可将单次振动变为多次触地振动，将单个爆破切口变为多个切口，可使高层建筑物倒塌从单次触地冲击变为多次冲击，高层建筑物解体后分散落地，减小了冲击能量，从而降低了爆破振动。

2.2 楼体触地振动控制

1)采用5段延时起爆精准转角，1～2层、3～6层、11～12层(3段)均采用0.5s延时，楼体上切口定向转角，根据式(1)计算，第1响楼体重心偏移角度13.13°、第2响25.67°、第3响49°(见图2b，2c)。倒塌方向偏移角度应满足式(1)：

(1)

式中：L1，L2为承重立柱的距离；α为偏移角度。

2)设计采取3个爆破切口，其中1～2，3～6，11～12层分别设置1个切口，弱化楼体整体强度，控制解体构件尺寸，有效分解楼体触地动能。

3)在楼体倒塌位置地面堆放8m高砂土堤，在倒塌位置周围设置减振沟及围挡，3个爆破切口均覆盖防护网，有效缓冲楼体倒塌触地振动。

4)控制楼体倒塌触地位置在地下室范围内，充分利用地下室降低爆堆和吸能减振，控制塌落振动影响范围。

3 爆破振动监测与影响分析

为保证爆破施工安全，本次爆破使用远程测振系统，该系统以工程爆破云计算中心为基础平台，以测振专家系统和数据库为技术支撑，以网络测振仪、瞬态校准仪为外部配套设备，为爆破振动实时测试、数据处理和服务用户实现数字化、实时化提供了条件，该系统对建筑物拆除爆破过程中产生的爆破振动及塌落振动进行了实时监测与动态反馈，并对爆破效果进行了全面分析。

3.1 传感器布置

此次爆破振动监测共布设6个测点，编号分别为1～6，其布置情况如图3所示。

图3 测点布置平面

1)1号测点 布设在待爆破楼房东侧的待拆楼房地基上，距爆破楼房直线距离为6m。

2)2号测点 布设在待爆破楼房南侧新建楼房门口地基上，距爆破楼房直线距离为40m。

3)3号测点 布设在新马路与北马路交口西南侧3层楼房地基上，距爆破楼房直线距离为70m。

4)4号测点 布设在待爆楼房基本呈一条直线的正西侧宝宇天邑澜湾小区商服旁地基上，距爆破楼房直线距离为40m。

5)5号测点 布设在待爆破楼房西北侧宝宇天邑澜湾小区商服(交通银行)旁地基上，距爆破楼房直线距离为60m。

6)6号测点 布设在待爆破楼房北侧的北环辰能五金城南门前旁地基上，距爆破楼房直线距离为67m。

3.2 测试数据及其结果分析

3.2.1振动测试波形分析

1)振动波形

采用远程测振系统监测得到本次拆除爆破振动实测波形和幅频特性，测试数据如表1所示。

表1 拆除爆破振动信号测试结果

2)波形分析

由爆破振动实测波形和幅频特性分析可知，6个测点在振动测试过程中均出现了不同阶段振幅峰值，基本呈现如下规律：①在起爆2s内的峰值信号均为炸药起爆后(5响)引起的爆破振动，在约8.7～12.7s内的峰值信号是楼体起爆后垂直下落触地振动，即爆体塌落振动。②2s内峰值与约8.7～12.7s内峰值之间所持续的时间即为楼房起爆到楼房本体垂直下落着地的时间，约为12.7s，楼房1～6层原地倒塌触地后，上部11～23层爆体随阻尼下座并向前倒塌，直到上部分完全倒塌，大约在14s时楼体上切口着地，即爆破切口闭合时的塌落振动，因此楼房倒塌完全时间应稍大于该值。③监测数据显示，爆破振动明显小于爆体塌落振动。如4～6号测点垂向最大振动速度出现时间为8.7～12.7s，由此可知塌落振动峰值、振动持续时间都有别于1～3号测点，主要原因可能与测点所处位置(1～3号测点背向爆体倒塌方向)、地质地层和距离有关。整体而言，在周围类似地质条件下，爆破地震波最大值主要取决于最大一次齐爆药量即3～6楼层切口的第4段装药量192kg。

3.2.2振动测试数据分析

1)破振动产生的质点峰值振动速度在0.52～1.91cm/s，主振频率在3.80～4.92Hz。

2)待爆破楼房东侧的待拆楼房(6m处)最大振速为1.78cm/s，主振频率为4.72Hz；待爆破楼房南侧新建楼房门口(40m处)最大振速为0.52cm/s，主振频率为3.8Hz；在新马路与北马路交口西南侧3层楼房(70m处)最大振速为0.87cm/s，主振频率为4.92Hz；待爆破楼房基本呈一条直线的正西侧宝宇天邑澜湾小区商服(40m处)最大振速为1.91cm/s，主振频率为3.86Hz；待爆破楼房西北侧宝宇天邑澜湾小区商服(交通银行)(6m处)最大振速为1.20cm/s，主振频率为4.15Hz；待爆破楼房北侧的北环辰能五金城南门前旁(67m处)最大振速为1.49cm/s，主振频率为3.83 Hz。

3)检测到最大振动速度为1.91cm/s，位于正西侧宝宇天邑澜湾小区商服(40m处)，满足GB6722—2014《爆破安全规程》规定的安全允许标准1.5～2.0cm/s。

4)测试结果表明，本次拆除产生的爆破振动及塌落振动危害效应都控制在《爆破安全规程》要求的安全阈值范围内，周边建筑物处于安全状态。

3.3 影响分析及效果评价

爆破后经现场勘查，起爆后楼房整体向北偏东约15°倒塌，塌散距离约为23m，重点保护目标西侧宝宇小区及临近6～10m高压线、北侧对面北环商城等均完好无损，爆后解体充分，利于爆渣清运，达到了预期效果。

4 结语

综合分析现场爆破振动控制技术及监测结果，结论如下。

1)通过高位切口3段分割5段延时精准转角定向爆破，合理设置爆破切口，铺设砂土堤及围挡，开挖减振沟，充分利用地下室及采用覆盖防护等爆破振动控制技术，最大限度地降低了爆破振动有害效应。

2)通过远程测振系统，实现了爆破振动及塌落振动的全程、在线监测，监测结果表明：测点质点峰值振动速度在0.52～1.91cm/s，主振频率在3.8～4.92Hz，在《爆破安全规程》要求的安全阈值范围内。爆破后建筑物整体向北偏东倒塌，北侧对面北环商城及西侧靠近楼体近6m高压线及其周围其他建筑物完好无损，爆后解体充分，利于爆渣清运，达到了预期爆破效果。

3)本次工程爆破振动控制技术取得了良好效果，该研究对复杂环境建筑物拆除爆破工程实践具有重要参考价值。