中心城区超高层楼群多切口折叠爆破拆除❋

刘文广

上海消防技术工程有限公司(上海，200080)

引言

随着城市的发展，越来越多的城市建筑物因不能满足新的使用要求而需要拆除。当拆除对象位于中心城市核心城区时，周围都密集分布着众多需严格保护的重要目标，对爆破拆除技术提出了更严峻的挑战。

针对上述难题，依托上海市中环商务区4栋高层楼房爆破工程实践，提出了严苛条件下的爆破拆除设计方法，运用与之相适应的大切口设计技术及爆破危害控制技术，解决了针对目标保护的安全风险防控难题。

1工程概况和环境

待爆破拆除建筑楼群位于上海市中心城区沪宁高速—中环高架的西南夹角。如图1所示，4栋高层分别命名为T1楼、T2楼、T3楼和公寓楼。其中，T1楼、T2楼均为地上25层，地下2层，高度106.2 m，单栋面积46 500 m2；T3楼为20层，高度91.4 m，面积31 300 m2；公寓楼为31层，高度96.1 m，面积33 549 m2。共计面积约157 849 m2。

图1 待爆破拆除的4栋超高层建筑Fig.1 Four super high-rise buildings to be demolished by blasting

1.1 周围环境

工程周边环境比较复杂，如图2所示。主要保护目标有:东侧的真北路中环高架，距离待爆T2楼、T3楼最小距离63 m；西侧的中环百联商业综合体，距离待爆公寓楼29 m；南侧的110 kV变电站，负责供应区政府、上海市疾控中心用电，距离待爆T3楼22 m，T3楼距离麦德龙商场60 m；北侧的G2沪宁高架，与T1楼距离110 m。

图2 爆破工程周边环境(单位:m)Fig.2 Surrounding environment of blasting project(unit:m)

1.2 待拆楼群的结构特点

待爆破拆除对象结构特点如下:

1)T1楼、T2楼结构相同，为框架核心筒结构。长58.3 m，8排柱；宽31.4 m，5排柱。爆破部位的立柱截面分别为1 200 mm×1 200 mm、1 100 mm×1 100 mm、1 000 mm×1 000 mm、900 mm×900 mm 4种规格。第1层层高5.6 m，第2层至第4层层高5.1 m，第5层层高5.2 m，第6层及以上层高3.6 m。电梯及楼梯核心筒布置于大楼平面中部，尺寸为9.20 m×3.74 m。核心筒剪力墙有0.30、0.35、0.40、0.50 m等不同厚度。5层及以下混凝土等级为C55，6层以上混凝土等级为C40。

2)T3建筑主体结构为框架结构。长45.3 m，8排柱；宽38.8 m，7排柱。爆破部位的立柱截面为1 000 mm×1 000 mm、900 mm×900 mm、800 mm×800 mm、700 mm×700 mm；5层以下混凝土等级为C55，6层及以上为C40。

3)公寓楼为全剪力墙结构，层高3.1 m。大楼东西方向9跨，长57.84 m；南北方向3跨，宽21.57 m。两个电梯及楼梯间布置于长边一侧，电梯及楼梯间尺寸为7.20 m×7.52 m。剪力墙厚度为200～240 mm不等，混凝土等级为C50，布筋(单位:mm):水平筋ø12＠150，竖向筋ø12＠150，墙体拉结筋ø 8＠450×450。

1.3 拆除工程难点

1)4栋高层包含框架核心筒结构、全框架结构、全剪力墙结构3种结构形式，要针对不同结构形式，选择合适的爆破方法。

2)毗邻城市主干道:工程北侧是G2沪宁高速入城段，东侧临近上海中环快速路，两条道路均为高架道路，车流量大，对爆破振动控制要求高。

3)工程四周涉及多个大型商业综合体:中环百联、麦德龙商场。其中，西侧临近中环百联商场玻璃幕墙仅仅29 m，南侧距离麦德龙商场60 m。

4)T3楼后侧距离110 kV变电站22 m，距离电缆隧道很近，爆破飞石和爆破振动需控制在允许范围内。

5)4栋楼一次性爆破，需合理确定大楼之间延期时间，公寓楼和T2楼的时间间隔尤其重要。延期时间过长，公寓楼落地后，气浪会冲击破坏T2楼切口正面的爆破网路，给T2楼顺利爆破带来隐患；延期时间过短，由于两栋楼距离35 m，T2楼有和公寓楼倒塌过程中相互撞击的风险，造成公寓楼西偏，影响其西侧中环百联商场的安全。

总体而言，工程周边环境复杂，车流、人流量密集，在此环境下，一次性爆破4栋密集高层，面积近16万m2，难度极大。

2 爆破拆除总体方案

分析周边倒塌场地，基于周边复杂的目标保护和严苛的危害效应控制要求，决定采用多切口折叠延期逐层、逐跨分散塌落起爆技术和高层建筑物大切口、多切口倒塌爆破方法[1-2]，实现多幢超高层建筑爆破拆除稳定引爆。如图3所示，采用同向2～3个切口的爆破工艺，能使大楼在空中解体，切口闭合逐段折叠后再触地，上部触地构件折叠在下部楼体已触地的构件上，极大地降低了上部楼体倒塌的动能。切口闭合后，上部楼体重心落高小，能够有效地控制塌落振动[3-6]。

图3 4栋楼立面及爆破切口布置Fig.3 Elevation and blasting cuts layout of four buildings

3 爆破参数设计

3.1 爆破切口角度与立柱炸高

T1楼、T2楼采用同向双切口定向倒塌，切口位置在大楼1～5层和13～15层；T1向北倾倒，T2向西倾倒；底部爆破切口倾角39°。T3楼设计成2个爆破切口，位于大楼1～5层和11～13层，向北倾倒；爆破切口倾角30°。

结合类似工程经验，大楼底部切口内立柱的爆高取3.0 m；上部切口内立柱的爆高取2.2 m。

公寓楼全剪力墙结构，采用同向三切口，向北倒塌于大楼北侧的50 m场地；切口位置分别在1～5层、13～15层以及21～23层；爆破切口倾角36°。

3.2 爆破参数

共使用岩石乳化炸药7 416 kg，导爆管雷管60 200发，塑料导爆管40 000 m。其中，T1楼、T2楼、T3楼3栋大楼的爆破参数详见表1所示。公寓楼剪力墙厚度不同，爆破参数详见表2。

表1 T1楼、T2楼、T3楼爆破参数Tab.1 Blasting parameters of T1，T2 and T3

表2 公寓楼爆破参数Tab.2 Blasting parameters of the apartment building

3.3 爆前预处理

在保证大楼结构绝对稳定的前提下，为了减少钻孔数量、降低爆破强度、保证大楼充分解体和顺利倒塌，在经过强度校核和计算的前提下，对大楼的结构进行预处理[7-9]。

1)对所有爆破切口范围内核心筒、电梯井剪力墙进行切割预处理，保留边角立柱。

2)采用微挖设备全部拆除爆破切口范围内相应楼层隔墙，以免形成支撑而影响楼体倾倒；隔墙拆除后，垃圾清理到房屋中央，留出爆破施工通道。

3)对切口范围的楼梯上、下全都破碎开口(保留钢筋)，既破坏其整体性，不至于影响楼体的倾倒，又能满足施工人员行走安全。

4)爆破前，在4栋主楼塌落位置和中环高架、沪宁高速入城段、中环百联商业综合体、110 kV变电站4个方向之间挖一条宽1 m、深2.5 m的减振沟，抽出积水。

5)在4栋楼倒塌位置地面平铺一层高2～3 m的减振垫层，垫层上方再铺设一层沙袋并盖上彩条布，可有效降低爆破触地振动。

4 起爆网路设计

沿大楼倾倒方向，T1楼、T2楼、T3楼上切口各爆区孔内起爆雷管自前至后分别使用HS3、HS4、HS5、HS6段别，下切口1～5层各爆区孔内起爆雷管分别使用HS4、HS5、HS6、HS7段别，上切口先于下切口0.5 s起爆；同一切口内各层自下而上采用MS5延期；每个墙柱孔外使用2发延期雷管簇联传爆。各爆区簇联延期雷管通过导线联接成复式起爆网路。

沿大楼倾倒方向，公寓楼上部切口各爆区孔内起爆雷管使用HS3、HS4、HS5、HS6段别，中部切口使用HS4、HS5、HS6、HS7，底部切口各爆区孔内起爆雷管使用HS6、HS7、HS8、HS9段别。通过孔内延期，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；每个墙柱孔外使用2发延期雷管簇联传爆，各爆区簇联延期雷管通过导线联接成复式起爆网路。

根据现场环境和安全要求，为了保证各楼之间的爆破不受影响，采取4栋楼结成一个大的复合网路，一次性起爆；各楼采用不同段别的半秒导爆管雷管击发，从而控制各栋楼之间的延期时间，依次倒塌，起爆顺序见表3。

表3 起爆顺序及爆破时间Tab.3 Initiation sequence and blasting time s

5 爆破危害控制

5.1 爆破振速控制

城镇拆除爆破质点峰值振速计算公式[10]

式中:v为保护对象位置振速，cm/s；K为与地质、地形有关的系数；K′为修正系数，0.25～1.00；α为衰减指数；Q为延时爆破最大单段药量，kg；R为保护目标到炸点中心的距离，m。

取K＝32.1，K′＝0.5，α＝1.54。单区爆破最大一次起爆药量控制在30 kg以内。每轴8根立柱通过孔外延期再分成2次起爆；单根立柱药量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，起爆药量取30 kg。

对照GB6722—2014《爆破安全规程》中给出典型建构筑物的安全振速，保护目标计算爆破振速大部分小于国家标准(表4)，对高架路、商场是安全的；变电站设备安全振速为0.5～0.9 cm/s，计算爆破振速大于此标准，爆破时拟采取停电措施。

表4 计算保护目标的爆破振速Tab.4 Calculated blasting vibration velocity of protection targets

5.2 塌落振速计算

拆除爆破塌落振速参照经验公式计算[11]:

式中:vt为塌落振速，cm/s；Kt、β为衰减参数，通常取Kt＝1.13，β＝1.66；M为逐层塌落的最大质量，t；g为重力加速度，9.8 m/s2；H为构件的重心高度，m；R为倒塌落地中心至保护建筑距离，m；σ为地面介质破坏强度，一般取σ＝10 MPa。

根据大楼爆破经验分析，当采用多切口、上下楼层分割解体的爆破方案时，塌落振速公式中M就不是总质量，而是设计分段爆破第一时间着地的那部分质量；底部切口上方的楼体冲击地面瞬时的触地振动为最大[12-13]。

计算重点保护建筑设施塌落振速见表5。表5中，为无任何减振防护措施前提下的安全计算，实际爆破施工还要增加振动安全防护措施，如在大楼四周开挖减振沟、爆破倒塌区域设置减振垫层等。通过以往国内外爆破监测数据及多次高楼爆破工程实践[14-15]，采用可靠的减振措施能够有效降低振速。

表5 计算保护目标的塌落振速Tab.5 Calculated collapse vibration velocity of protection targets

5.3 爆破飞散物控制措施

为有效控制爆破飞散物，在合理确定爆破单耗、保证炮孔填塞质量的同时，具体采用3层防护:

1)第1层，爆体直接防护。将旧地毯和2层竹笆由里及外依次用铁丝捆扎在爆破目标上，重点部位用6 mm细钢丝绳外侧加固，有效降低爆破飞散物初速度。

2)第2层，楼层防护。在每个楼层沿外墙四周，用竹笆和毛竹搭设一个防护体，阻挡这一层爆体产生的飞散物。

3)第3层，切口整体防护。在爆破切口顶部楼层悬挂由2层白色强力安全网加1层密目网组合形成的柔性防护毯，防护毯高度和切口同高，防护毯底部用绳索拉离建筑物一定距离，用以缓冲逃逸飞石。

经过这3层防护遮挡，能将爆破飞散物控制在30 m之内。

6 爆破效果

该项目于2020年4月20日凌晨0∶30爆破，4栋大楼按爆破设计的方向和时间依次倒塌(图4)。

图4 爆破效果Fig.4 Blasting outcome

1)T1楼和T2楼爆堆落地最远水平距离约42 m，无后座。2.0 s时，上切口开始闭合；3.0 s时，下切口闭合；4.5 s时，上、下切口间结构破坏，上切口以上结构触地；7.0 s时，上切口以上结构前倾着地。T1楼爆堆高度约7 m，T2楼有部分核心筒高度15 m。

2)T3楼爆堆落地最远水平距离只有16 m，无后座。整个倒塌时间9.0 s，可以明显分辨出逐跨塌落。爆堆高度约9 m。

3)公寓楼3个切口，落地后分成6块，前面一块爆堆落地最远水平距离40 m，后座6 m。倒塌时间共计9.0 s。3.0 s时，上切口闭合，上部结构明显下挫微倾；4.0 s时，中切口闭合，大楼下降10 m高度；5.0 s左右，加速下坠；9.0 s时，完全着地。爆堆高度约9 m。

4)爆破飞石和上部结构落地飞溅最大距离控制在30 m范围内。30 m处中环百联大楼玻璃幕墙完好无损；110 kV变电站正常运行；附近麦德龙商场、百安居商场、民房、地下管线及周围其他设施均安然无恙，爆破效果十分理想。

5)爆破期间进行了振动监测，监测仪器为Blast-UM爆破振动测试仪，布置了10个振动测点，其中8个点得出有效数据。此次是4栋楼一次性分段爆破，T1楼、公寓楼、T2楼、T3楼依次起爆。因此，所测得的爆破振动数据是多个点的爆破振动以及多个建筑物倒塌后的塌落振动叠加而成，测量结果见表6。

表6 振速监测Tab.6 Monitored vibration velocity

7 结论

1)采用大切口爆破拆除设计方法及3层立体安全防护技术，成功完成了复杂环境下不同结构类型高层楼房建筑的爆破拆除，设计方法、环境复杂性及危害控制技术对未来类似工程有一定参考价值。

2)在通过试爆并合理选用爆破单耗的同时，综合利用爆体直接防护、楼层整体防护、爆破切口整体防护三重组合防护手段，有效地控制了爆破飞散物影响范围。爆破后，30 m处的中环百联商业综合体幕墙没有损害，这种飞石防护手段是可靠的。

3)通过采取折叠爆破、分区延期起爆、减振垫层和减振沟等综合减振技术措施，4栋大楼爆破振速控制在合理区间，保护了地下浅埋管线、110 kV变电站、麦德龙商场、百安居商场的安全。