抗震加固砖混楼房拆除的控制爆破技术

马世明,余兴春,王新阁

(河南富顺实业集团有限公司,郑州450000)

1 工程概况

根据城市发展规划及用地需要,安徽省淮南市政府决定采用控制爆破技术将市政府原办公楼拆除后改造成市民活动中心。办公楼建于上世纪70年代,位于田家庵区洞山中路原市政府院内。楼房北面15 m为保留道路,20 m为保留绿化树木,130 m为洞山中路;楼房南面10 m为车库和3座运行的变压器和高压线,60 m处为保留楼房(在建老年大学),110 m处为刘家山路;楼房西面90 m为广场南路,距离沿街商铺120 m;楼房东面110 m为文明村社区;楼房东北50 m处为附近小区及周边公共设施供水的增压泵房(见图1)。

图1 办公楼周边环境Fig.1 Surrounding environment of office buildings

待拆的市政府原办公楼为砖混结构,主楼地下1层,地上7层,两侧配楼地下1层,地上5层,局部6层,中间内走廊,主楼和配楼间有施工缝,楼房中间楼梯两侧有2个电梯井,均为砖混结构。楼长130 m,宽16.4 m,内走廊宽1.8 m,楼高28.6 m,建筑面积为13 657.84 m2。楼房一层外墙、隔间墙、走廊墙及电梯井墙均为50墙,卫生间填充墙为37墙,墙厚分别为60、55、55、55、40 cm。二层以上外墙、电梯井墙为50墙,隔间墙和走廊墙为37墙,填充墙为24墙,墙厚分别为55、40、30 cm。楼房后期进行过抗震加固处理,即楼房每隔两道隔间墙在房间的四个墙角加设钢筋混凝土立柱,立柱紧贴墙角,为等腰直角三角形结构,斜边长42 cm,共26个加固墙角柱,钢筋直径22 mm(见图2)。每隔一道隔间墙双面加固有10 cm厚的内置钢筋抹灰层,钢筋直径8 mm,钢筋网格为20 cm×20 cm。1～3层中间门楼部位每层中部有4根钢筋混凝土立柱,立柱规格40 cm×40 cm,门楼部位走廊以北两侧南北墙为30 cm厚钢筋混凝土剪力墙。楼板为现浇混凝土结构,楼房在中部和两端共有3处楼梯,均为现浇混凝土结构。

图2 办公楼二层(平面)Fig.2 Second floor of office building(plan)

2 爆破方案及参数设计

2.1 爆破方案

为确保拆除办公楼的控制爆破安全、顺利进行,必须根据周围环境、楼房本身的特点及工程要求确定出合理的、切实可行的控制爆破方案[1]。因为待拆办公楼长度较长,东西方向不易倒塌,且楼房东西两侧3 m均有保留树木,向南有运行变压器,所以确定楼房向北定向倒塌。

此办公楼经过抗震加固处理,楼梯和楼板均为现浇混凝土,比较稳定。为防止楼房倒塌距离过远损坏路面和确保楼房倒塌后解体充分,将主楼前排炸高提高到4层,配楼前排炸高提高到3层,为防止楼房后坐和保证楼房在倾倒过程中形成倾覆力矩,楼房最后一排墙体不钻孔,并且预留2 m宽的隔间墙支撑。楼梯不布置炮孔,采用人工切缝,缝宽20～30 cm。

2.2 预处理

为减少钻孔工作量,保证楼房顺利倒塌且解体充分[2],先对楼房进行预处理。在确保楼体主体结构稳定的前提下[3],将爆破切口内的非承重墙全部拆除,承重墙采用化墙为柱的方法进行预拆除。由于待拆办公楼楼体宽,因此将隔间墙两边对称处理成2个拱形洞,中间预留2 m宽的墙柱进行钻孔。外墙也预留2 m宽的墙柱进行钻孔,每个电梯井预留4个55 cm×80 cm的墙柱进行钻孔。

因为该办公楼面积大、墙体厚,而且经过抗震加固处理,所以预拆除工作量非常大。若采用人工预拆除较为困难,不能满足工期要求和经济要求。若采用爆破预处理,费时费力,同样不能满足工期要求和经济要求。因此,经过考察研究,决定采用小型挖掘机破碎锤进行预拆除,既经济高效,又能满足工期。此小型挖掘机破碎锤整机质量不足1 000 kg,宽1～1.5 m,带臂长3.5 m。而办公楼宽16.4 m,内走廊宽1.8 m,楼高28.6 m,且楼房楼板为现浇混凝土结构,经过验算,可承载此小型机械的正常作业。小型挖掘机破碎锤可直接经过楼梯进入楼体内部进行预拆除作业(见图3)。

图3 预拆除效果Fig.3 Preliminary demolition effect

2.3 爆破参数设计

2.3.1 爆破切口

爆破切口位置决定待拆办公楼的倒塌方向,为确保倒塌方向准确,符合设计要求,爆破切口应满足以下条件:

1)切口方向须与楼房的倒塌方向一致;

2)爆破切口高度应满足楼房的上部结构重心偏离倾倒方向的支撑点外;

3)切口预留支撑立柱或墙体,应具有较高的抗压强度,保证爆破后楼体按设计方向定向倒塌和不产生后坐现象。

根据待拆办公楼周边环境及爆破切口位置的要求,采用梯形爆破切口,在主楼的1～4层钻孔,高13 m,在配楼的1～3层钻孔,高10 m,形成切口,使楼房向北定向倾倒。

由于待拆办公楼高度较低,下部墙体较厚,楼房的重心较低,为确保楼房按设计方向顺利倒塌和解体,必须有足够的切口高度。因此采用阶梯形切口,在内走廊以北将主楼楼房切口提高到4层,配楼提高到3层。内走廊以南切口高度一层半形成三角形切口,切口角度大于30°(见图4)。

图4 爆破切口和延时分布Fig.4 Blasting incision and delay distribution

2.3.2 爆破孔网参数及药量

采用梅花形布置炮孔,炮孔直径d取38 mm;最小抵抗线W=δ/2,δ为墙壁厚度,m;炮孔深度L=(3/5～2/3)δ;炮孔间距a=(1.2～2.0)W,排距b=(0.8～0.9)a。单孔装药量Q,可按下式[4]计算:

式中:q为炸药单耗,g/m3(砖墙取800～1 500 g/m3,钢筋混凝土立柱及加固墙角取1 000 g/m3);V为单孔破坏介质的体积。

具体参数如表1所示。

表1 爆破参数Table 1 Blasting parameters

3 起爆网路

由于待拆办公楼周边有电视台、变压器等,若采用电雷管起爆网路容易受到杂散电流和射频电流的影响;而且楼房炮孔数较多,一次起爆规模较大。为保证起爆网路安全、可靠[5],决定采用非电导爆管起爆网路。

主楼先起爆,两边配楼后起爆,主楼与配楼延时1.2 s,主、配楼爆破切口排间、层间的延时时间为300 ms左右(见图4)。

孔内装填延时雷管,孔外用2发瞬发雷管捆扎,每15～20发为1捆。主楼用 MS3、MS10、MS12段别延时,两边配楼采用MS19和MS20段延时(见图4)。每个激发点用四通连接到主线上,主线采用双股导爆管。每层连接成闭合网路,每层横向进行一次搭接,纵向每隔20 m进行一次搭接,纵、横向交叉处进行搭接,楼层之间每隔20 m,前后、上下各搭接2道线。整体组成立体交叉的闭合网路(见图5)。

图5 办公楼起爆网路Fig.5 Detonation network of office buildings

4 安全防护

此次待拆办公楼位于原市政府院内,处于闹市区,爆破施工环境较复杂,安全要求高;且由于采用控制爆破技术,钻孔多、装药分散、药量小[6],爆破振动、冲击波危害较微弱。因此,爆破安全防护的重点是爆破飞石、爆破粉尘和塌落振动造成的危害。

1)装药炮孔防护。对爆破的立柱和预拆除后留下需要爆破的墙体,内层用棉毡包裹1层,外层再用孔隙率为2 cm的钢丝网覆盖2层,进行遮挡防护,用10#铁丝捆绑牢固。

2)周边设施防护。为防止爆破产生的飞石对周边设施产生危害,对靠进保护目标的楼房窗户、孔洞等用钢丝网进行封堵,对于南面的变压器,在变压器外周围搭设钢管脚手架,在脚手架上悬挂竹笆和钢丝网。

3)爆破粉尘防护。楼房爆破时产生大量的粉尘,会对环境造成较大的粉尘污染。爆破前对楼体进行洒水浸润,悬挂水袋。同时根据场地条件,准备足量的降尘机械设备,配备消防车、雾炮抑尘车,楼房爆破倒塌后,车辆到达设计的安全位置,立即进行喷洒降尘。

4)塌落振动防护。在楼房倒塌方向的地面采取了土层覆盖措施,因而降低了塌落振动速度。

5 爆破安全校核

1)爆破振动。爆破振动主要来源于炸药爆炸,其振动强弱取决于起爆药量的大小。根据《爆破安全规程》GB 6722-2014[7]给出的公式并修正进行计算:

式中:v为安全允许质点振动速度,cm/s;Q为最大一段起爆药量,kg;K,α分别为与地形、地质因素有关的系数,取K=150,α=1.6;K′为衰减系数,取0.25;R为药包布置中心至保护建筑物之间的距离,m。

此次爆破最大一段的起爆药量为142 kg;将有关数据代入式(2)中进行计算,经验算,v=1.0 cm/s,小于规定标准,因此爆破振动不会对周边保护建筑造成危害。但会对待拆办公楼南面10 m处的变压器造成影响,因此需要在爆破前将变压器断电停用,待爆破后恢复。

2)塌落振动。楼房在定向爆破倾倒时,楼体落地会对地面产生强烈的冲击而形成塌落振动,其强度比爆破振动大、频率低[2],对周边建筑设施危害性比较大。塌落振动速度可按下面公式[4]验算:

式中:vt为塌落引起的地面振动速度,cm/s;m为下落楼体的质量,t;g为重力加速度,m/s2;h为构建中心高度,m;R为观测点至冲击地面中心的距离,m;σ为地面介质的破坏强度,MPa,一般取10 MPa;Kt、β分别为塌落振动速度衰减系数和指数,Kt=3.37～4.09,β=-1.80～-1.66,当采取开挖减振沟、筑防振坝等措施时[4],Kt可减小到原值的1/3～1/2。

取m=4 827 t;Kt=3.37,β=-1.66,h=15 m,将R=70 m带入式(3)得vt=1.425 cm/s。由计算结果可知,此次爆破的塌落振动不会对周边建筑设施造成危害。说明待拆楼房高度较低,爆破坍塌时楼体着地面积大,且着地时逐渐解体,质量分散,所以塌落振动小。

6 爆破效果及结语

楼房于2018年8月12日下午3时56分实施爆破,楼房倒塌方向准确。经检查,楼房无后坐,解体充分,周边建筑及设施完好(见图6)。

图6 爆破效果Fig.6 Blasting effect

1)因为待拆办公楼的面积大、墙体厚且经过加固处理,所以预拆除工作量大。为保证工期和质量,选择使用小型机械进入楼房内部进行预拆除作业,提高了施工效率和经济效益。但在选择此类机械时应先进行楼板承载力的验算,经校核验算,确认安全后方可使用。

2)此次办公楼的拆除爆破中提高了爆破切口的高度,楼房解体达到预期效果。对于层数较低,结构较好的楼体,提高爆破切口的高度更有利于楼房的倒塌和解体。本次爆破网路设计成立体交叉式的闭合网路,延时时间设置在300 ms左右,为防止楼房产生后坐,后排留有足够的支撑。

3)结合楼房自身的特点和楼房墙体厚且经过抗震加固的情况,在预拆除过程中,将楼房的非承重墙体全部进行了拆除。但在楼房的倒塌方向,外部墙体只拆除了窗台下面坎墙以便于爆破安全防护。对于承重墙体,楼体内中间走廊两侧墙体的预拆除利用门洞进行了小的修整,楼体以内的房间分割墙预留墙柱。预拆除过程中一定要结合爆破楼体的实际情况,保证楼体的稳定。

4)综合考虑办公楼的周边环境和楼房的结构特点,制定针对性强的技术方案,特殊部位特殊处理,选取合理的爆破参数,设计安全可靠的起爆网路,精心设计,精细施工,取得了良好的爆破效果。