复杂环境下高层建筑拆除爆破的振动危害控制

张北龙， 邢光武， 费鸿禄， 易 克， 钟明寿

(1.广东中人集团建设有限公司， 广州 510515； 2.辽宁工程技术大学 爆破技术研究院， 辽宁阜新 123000；3.河南省现代爆破技术有限公司， 郑州 450016； 4. 解放军理工大学 野战工程学院， 南京 210007)



复杂环境下高层建筑拆除爆破的振动危害控制

张北龙1， 邢光武1， 费鸿禄2， 易 克3， 钟明寿4

(1.广东中人集团建设有限公司， 广州 510515； 2.辽宁工程技术大学 爆破技术研究院， 辽宁阜新 123000；3.河南省现代爆破技术有限公司， 郑州 450016； 4. 解放军理工大学 野战工程学院， 南京 210007)

摘要：为了安全拆除复杂环境下18层剪力墙结构楼房，采用了双切口定向折叠爆破与机械拆除相结合的方式，采取减振沟槽、减振堤、废旧轮胎及橡胶皮等措施降低爆破振动，采取草袋、草帘、竹篱笆、密目防护网、排架、缓冲挡墙等安全防护措施防止飞石及滚石危害，达到了良好的拆除爆破效果，可为城市控制拆除爆破及其他复杂环境爆破作业提供参考。

关键词：复杂环境； 高层建筑； 拆除爆破； 振动； 振动危害； 减振措施

1工程概况

1.1建筑结构特点

待拆除的楼房为花季公寓(以下简称公寓)，建筑主体18层，高63m，建筑面积21 000m2，平面呈长方形，东西长约42m，南北宽约39m。剪力墙结构，墙体呈“T”“L”“1”字型结构，墙厚20cm～30cm，混凝土强度为C30。电梯井及楼梯为筒形结构，3层～18层中间有16m×13m的天井，楼层平面结构如图1所示。

图1　平面结构Fig.1　Plane structure of the building

楼房1层～2层分别有6根600mm×600mm的立柱，其他楼层没有立柱。剪力墙主筋为直径25mm螺纹钢，间距100mm～200mm；箍筋为直径8mm螺纹钢，间距为200mm，剪力墙转角处有加强箍筋。剪力墙及配筋情况见图2。

图2　剪力墙及配筋Fig.2　Shear wall and reinforcement

1.2周围环境

该楼南侧距民房明辉楼仅3m，南侧6m有DN100球墨供水管；北侧距加油站的3个铁质储油罐仅11m；东北侧距和兴学校大门31m，正东方向40m为工厂厂房；西侧距新街大道14.4m，西侧10m有地下天然气管线和DN400砼供水管；东侧5m地下有电力、通讯管线。爆破环境复杂，见图3。

图3　周围环境示意图Fig.3　Schematic diagram of surrounding environment

2技术难点

(1)公寓周围环境复杂，安全控制要求较高，稍有疏漏会造成重大影响。

(2)公寓结构复杂、刚性大，倒塌后解体难度大。大楼承重构件全部为剪力墙，且在西南角、东北角分别有两个电梯井和一个楼梯井，爆破难度高，处理不当容易造成倒塌后解体不充分、爆堆过高。

(3)剪力墙预处理工作难度大。为削弱结构强度，爆前必须将大尺寸墙体简化为小体积的柱体。

(4)剪力墙钻孔、安全防护工作难度大。

(5)爆破振动与塌落振动控制难度较大。

3爆破方案

3.1折叠爆破拆除方案

(1)考虑该楼的结构特点及复杂环境，决定将楼体在D-E轴中间沿东西方向切缝分割为北楼、南楼，北楼采用爆破向东定向倒塌，倒塌中心线为正东方向，南楼在爆破前采用人工机械拆除至12层，12层以下爆破后采用机械拆除。

(2)为了楼体空中解体充分，减小楼房塌落触地振动，缩短倒塌长度，采取双切口同向折叠爆破〔1-2〕。

3.2预处理施工安全校核

3.2.1预处理

(1)将楼房在D-E轴中间沿东西向切割分开，将楼房分为南楼、北楼。东侧切割缝宽8.3m，西侧切割缝宽度3.8m，北楼1轴、6轴长均为21m，即支撑部长为21m，如图4所示。

图4　切割缝平面示意图Fig.4　Schematic diagram of cutting seam

(2)切口内的剪力墙采用切割机或风镐进行预拆除，将剪力墙改为50cm～120cm宽的柱体。

(3)将爆破切口楼层的楼梯混凝土横向打断，保留钢筋进行弱化处理〔3-4〕。

3.2.2安全校核

预处理剪力墙最大面积约占切口内的剪力墙的50%。经过预处理后，首层保留墙体总截面积为22.18m2，其上方荷载约为19 656t。单位截面受力为：196 560kN/22.18m2=8.86MPa

3.3爆破切口

为了缩小倒塌长度，减小塌落触地振动，增强爆破效果，布置两个爆破切口，上下切口同向正东方向。第一切口位于1层～5层，梯形切口，切口角度33°，该切口保证楼房顺利向东定向倒塌。第二切口位于10层～11层，梯形切口，切口角度29°，该切口进一步缩短倒塌长度，如图5所示。

上下切口共布置2 053个炮孔，炸药288kg，最大一段装药量14.60kg。

图5　爆破切口示意图Fig.5　The schematic diagram of blasting cuts

3.4装药结构

立柱炮孔、垂直于剪力墙的炮孔均采用孔底密实装药，选用φ32mm条状2#岩石乳化炸药；垂直于剪力墙的炮孔内放置非电毫秒延时雷管；平行于剪力墙的炮孔采用导爆索传爆间隔装药；孔口用炮泥严密填塞。

3.5起爆网路

采用复式非电起爆网路，上切口比下切口延时0.50s起爆，排间起爆间隔时间0.50s，同切口的同排相邻楼层起爆间隔时间50ms。整个爆破过程持续2.55s。

4爆破安全校核

4.1爆破振动

为控制爆破振动效应，采用了多段多区的起爆技术，以降低最大一次起爆药量Qmax。爆破振动用下式校核[2]：

v= K′•K(Qmax1/3/R)α

(1)

式中：R为保护目标至爆点距离，m；v为允许振动速度，cm/s；K为与地质条件有关的系数，取200；α为地震波衰减系数，取α=2.0；K′为修正系数，取0.5；施工中最大一段药量Qmax=14.60kg，发生位置在2楼③-，其产生的爆破振动速度见表1。

表1　爆破振动速度

由表1可以看出，切口爆破时产生的振动对于油罐设施影响较大，应采取减振措施。

4.2塌落触地振动

建筑物塌落振动经验公式〔5〕如下：

vt= Kt[R′/(MgH/σ)1/3]β

(2)

式中：vt为塌落引起的地面振动速度，cm/s；M为下落构件的质量，t；g是重力加速度，9.8m/s2；H是构件的高度，m；σ为地面介质的破坏强度，一般取10MPa；R′为观测点至冲击地面中心的距离，m；Kt、β为塌落振动速度衰减系数和指数，框架结构的高大楼房爆破拆除时的塌落振动衰减系数Kt为1.1～2.1，取中间值1.6；β取-1.8。

经计算，北楼总重量约19 656t，爆破前重心高度H≈31.50m。假设楼体倒塌触地中心在倒塌中心线与1轴交汇处，楼体塌落触地振动见表2。

表2　塌落触地振动

由表2可以看出，楼体倒塌产生的塌落触地振动可能对油罐、明辉楼、工厂及煤气管道的影响都较大，特别是对加油站设施的安全威胁最大，需要重点采取措施减小塌落触地振动。

5振动危害控制技术措施

5.1爆破振动危害的控制

通过合理设计切口爆破参数，密集布孔，分散装药，设计合理的分段延时起爆时差，严格控制最大单响药量，有效减小爆破产生的振动。

5.2楼体塌落触地振动危害的控制

(1)布置上下爆破切口，减小塌落触地振动。

(2)采用分区分段延时起爆，使构件依次触地。

(3)在倒塌方向距离楼体12m、25m处用软土和沙包垒筑两道长30m、高1.5m、底宽4m、顶宽1.5m的缓冲土堤，上面覆双层密目防护网。

(4)在倒塌方向的地下电力通讯管线的地面铺设了1cm厚的钢板，上面覆盖沙包、废旧轮胎及橡胶皮，防止塌落冲击损害地下管线。

(5)倒塌方向25m范围内铺满1.5m厚的废旧轮胎，有效降低了楼房塌落触地振动，也防止了楼体倒塌触地时前冲及产生的飞石。

(6)爆破前在楼房北侧5m、西侧5m分别开挖了深1m、宽1.5m的减振沟，并排干减振沟内积水，有效减小了向加油站及煤气管传播的地震波强度。

5.3其他防护措施

(1)爆破前清空所有储油罐内燃油，排出油气，防止爆破导致油罐爆炸。

(2)爆破前对地下燃气管道进行了断气操作，并做好应急措施。

(3)采用捆扎草袋、草帘、竹篱笆和跳板对爆破装药部位进行了多层严密防护，并在北楼外侧挂双层密目防护网防护。

(4)在加油站储油罐与待爆楼房之间用沙袋布置高1.5m、顶宽1.0m、底宽3m的缓冲挡墙，预防北楼向东倒塌后出现滚石或飞石危及油罐。

(5)在储油罐上方搭设钢管架，铺双层竹篱笆，防止飞石垂直落下损坏油罐。在加油站的加油机南侧搭设高度超过加油机的排架防止飞石破坏。

6爆破效果

北楼爆破后，楼房按预定的正东方向折叠倒塌，没有后坐现象，爆堆最远水平距离约15m，高度约9m，飞石控制在拆除楼房内，最大距离5m，附近加油站、民房、地下管线及周围其他设施均未受影响。

爆破期间，在爆破楼体周围布置了6个测振点，各个测点与爆破点最近距离10m，其中靠近明辉楼设置了速报仪，测得最大振动速度为0.75cm/s，其它5个监测点均小于此值。

爆破结果表明，采取的安全技术措施是有效的，特别是减小爆破振动、塌落振动的技术措施起到了明显的安全防护效果，有效地防止了对周围环境设施造成损害。

7结 语

(1)针对复杂环境下高层建筑物拆除爆破，采取折叠爆破、合理的切口参数、适当的分区延时起爆时差，有效减小了爆破振动和塌落振动，保护了近距离民居、加油站设施、天然气管道及电力通讯设施的安全。

(2)在倒塌方向采用软土和沙包垒筑多道缓冲土堤、铺设废旧轮胎等防护措施，对楼体塌落触地振动起到了明显的减振效果。

(3)在爆破地震波到保护物之间布置防振沟具有明显的减振效果。

(4)综合减振技术措施的实施，很大程度降低了建筑物的塌落触地振动。

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LI Gao-feng, YI Ke,LI Xing,et al. Blasting demolition of 18-storey and goblet-shape building of shear wall structure[J]. Engineering Blasting,2015,21(3)：46-49.

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ZHOU Jia-han. Discussion on calculation formula of collapsing vibration velocity caused by blasting demolition[J]. Engineering Blasting,2009,15(1):1-4.

Controlling of vibration damage in demolition blasting of high-rise building under complex environment

ZHANG Bei-long1, XING Guang-wu1, FEI Hong-lu2, YI Ke3, ZHONG Ming-shou4

(1.Guangdong Zhongren Group Construction Co.,Ltd., Guangzhou 510515, China;2.Institute of Engineering Blasting, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning, China;3.Henan Modern Blasting Technology Co.,Ltd., Zhengzhou 450016, China;4.College of Field Engineering , PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

ABSTRACT：To demolish 18-storey shear wall structure building safely under the complex environment, the double directional folding blasting incision combined with mechanical dismantling was used. Measures such as damping groove, anti-vibration dike, old tires and rubber skin were taken to reduce vibration. Security protection measures such as sack, straw mat, bamboo fence, dense mesh fence protection, bent and cushion retaining wall were used to prevent flying rocks and rolling stones. The good effect of demolition blasting was achieved. It could provide a reference for urban controlled blasting demolition operations and other blasting operations under complex environment.

KEY WORDS:Complex environment； High-rise building； Demolition blasting； Vibration； Vibration damage; Vibration reducing measures

文章编号：1006-7051(2016)02-0070-04

收稿日期：2016-01-20

作者简介：张北龙(1957-)，男，高级工程师，从事爆破工程及安全技术方面的实践及研究工作。E-mail：457941553@qq.com

中图分类号：TD235； TU746.5

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.015