楼房拆除爆破降振和解体优化

罗福友，颜嘉俊，刘成敏，王云茂，肖国喜，陶 明

(1.江西国泰五洲爆破工程有限公司，南昌 330096；2.江西国泰集团股份有限公司，南昌 330096；3.江西省爆破工程技术研究中心，南昌 330012)

随着国民经济的高速发展，城市建设和基础建设投入逐年递增，因此城市中棚户改造的项目也相应增多，一大批八九十年代建设的高层住宅和办公楼需要拆除爆破，由于地处城市中心地带，往往爆破环境复杂，被拆除爆破的楼房结构也逐渐复杂化，这对我们控制拆除爆破的技术难度也是大大增加。以往楼房拆除爆破方案基本是以横向倒塌为主[1-5]，如王小波等[6]利用单向折叠爆破拆除技术将1栋10层高的楼房分成上下2个爆区并沿楼房横向进行爆破；陶明等[7]提出了楼房支撑铰链向倒塌方向前移，由原来1排承重墙或柱作为铰链改为2排以上承重墙或柱作为最后支撑铰链，有效的缩短了楼房爆破拆除后坐的距离；王洪刚等[8]研究了以逐跨纵向倒塌拆除爆破，充分利用楼房解体过程的拉伸和剪切，使解体更加完全；罗福友等[9]进行了分块斜线起爆网路的研究，使的楼房更破碎，减小了触地时的塌落振动。上述学者对爆破切口或者单一起爆网路进行了研究，没有对逐跨连续倒塌爆破技术和分块斜线起爆技术相结合做进一步地研究。本文采用独特数码电子雷管斜线起爆网路和逐跨连续倒塌方案，对南昌市原刑侦支队办公楼进行拆除爆破，有效降低爆破振动和塌落振动，并且楼房解体效果良好，这对于楼房逐跨连续倒塌拆除爆破方案中爆破切口高度的选择、起爆网路延时时间的设计和爆破危害的控制有一定的参考意义。

1 工程概况

1.1 周边环境

待拆大楼为原南昌市公安局刑侦支队办公楼，位于江西省南昌市红谷中大道与庐山南大道交叉口西北侧。具体周边环境如图1所示。东面：56 m处有建筑工棚，118 m为红谷中大道；东北面：为已拆除民房区域，117 m有废弃待拆民房，160 m为庐山南大道辅路，220 m为八一大桥引桥；北面：多栋待拆废弃民房，最近距离25 m；西面：市公安局刑侦大队办公停车场，107 m为红谷滩第一小学；南面：20 m处为世茂天城居民小区围墙，距民房30 m。距待拆楼房最近的地下管线为世茂天城小区燃气管道，距离50 m。

1.2 楼房结构

根据现场勘察及该楼的设计、施工图纸可知，办公楼主楼为11层，裙楼为2层，为钢筋水泥框架结构楼房，主楼形状为规整的长条状，待拆除总面积为7 300 m2，地面标最高点为40.2 m。主体部分楼房长42.24 m，宽度15.6 m，楼房顶部有一20 m高的金属信号塔，内部有2个楼梯，1个电梯井，每层均由立柱和剪力墙组成，电梯井为剪力墙结构，厚度为24 cm，平面结构如图2所示。

2 爆破设计

2.1 爆破方案

根据工程经验，倒塌方向的水平距离一般为2/3～3/4楼房的高度[10]。根据办公大楼的周边环境及施工条件，本工程拟向北偏东实现逐跨连续倒塌。此次被拆除楼房倒塌方向为纵向倒塌(即从主楼的窄边方向倒塌)，倒塌跨度为42.24 m，倒塌方向宽度只有15.6 m，长宽比为2.71，若爆破切口高度不够，将造成重心难以移出楼房外侧，甚至出现炸而不倒的现象，因此，该建筑的重心高度和切口高度需要进行精确的计算。本次爆破作业将借助数码电子雷管在设置延时时间上的高精度，采用分块斜线起爆网路，利用“高差”和“时差”共同作用的原理使建筑物向北偏东逐跨连续倒塌，预计偏离角度10°～15°，使办公楼在倒塌过程中完成空中解体，并可以顺利将楼房的重心移出楼外。

2.2 切口设计

根据办公楼结构条件，楼高11层，结构自重大，可采用单个单向梯形切口[11]分区逐跨倒塌的方案。在楼房拆除作业中，切口高度h的计算公式[10]为

h=Bxtanα

(1)

式中：Bx为楼房跨度；α为倒塌角；据以往分区逐跨倒塌工程经验，实施该倒塌方法的楼房会受自重作用，先垮塌约1/4跨度部分，故Bx取32，框架结构α取29°，计算得h=17.74。

因此，本次爆破作业爆破切口高度为18 m(见图3)。为确保大楼可爆性，将切口范围内的所有砖墙、剪力墙以及楼体都作预处理[12-13]，为提高可靠性，对办公楼除预拆除墙体外，电梯间和楼梯间剪力墙进行打孔装药爆破，剪力墙厚度为 24 cm，采取在四角窄边打孔的方式。

由于楼房层高和立柱上梁的限制，为确保此次爆破作业顺利，根据铁道科学院的工程经验公式[10]：

H=K(B+Hmin)

(2)

式中：K为经验系数；B为立柱截面长边的长度；Hmin=(31～50)d，d为钢筋直径。因此，本次爆破作业钢筋混凝土结构承重立柱的爆破破坏高度为1.6～2.2 m；剪力墙炸高取1.4～1.7 m。

2.3 爆破参数

选择钻杆直径36 mm的手持式钻机，炮孔布置如图4所示。爆破切口内承重立柱爆破高度布置炮孔，每根立柱布置5～7个孔，采用单排炮孔。预留剪力墙沿纵向单排布孔，具体爆破参数如表1所示。

表1 爆破参数

为减小爆破产生的飞石，振动以及噪声等危害对周边环境的污染，因此，在保证爆破可靠性的情况下，严格计算单个炮孔药量，根据立柱尺寸和炮孔深度，让药包均匀分布在立柱截面的炮孔内，因此采用间隔装药和连续装药结构，间隔装药的多个药包采用导爆索连接，孔内放置1发数码电子雷管。炮孔布置是指根据破坏要求和炮孔参数所在的爆破部位，确定炮孔的具体位置、方向和排列形式。钻孔及装药结构如图5～图6所示。

2.4 起爆网路设计

待拆楼房为标准长方形截面，此类建筑物定向拆除爆破通常以最后一排立柱作为铰链轴，根据以往一些案例分析，有2种可能情况：一是可能会由于铰链轴立柱支撑力不足，导致楼房下坐，出现爆而不倒现象；二是前轴先爆形成倾覆力矩对后支撑轴有水平剪切力，导致支撑轴在梁柱交叉点附近断裂产生后坐，进而也可能发生爆而不倒现象。

为确保爆破可靠性，本次爆破作业是纵向倒塌，设计切口为梯形，相当于将后支撑链前移，同时又能使楼房爆破后形成倾覆力矩使楼房顺利倒塌，南北轴方向，利用电子数码雷管的精确性，使1～9轴按照设定的起爆时间依次斜线起爆；东西方向，J轴最先起爆，适当延长E轴起爆时间，使得E轴作为铰链轴较J、G轴后爆，控制倒塌方向略微偏东。

同时为了使楼房的横梁、楼板能够解体充分，且降低塌落振动，设计起爆网路将建筑物在竖直方向上逐层增加100 ms延时时间，南北轴方向上分为3跨先后倒塌，1、2、3轴作为第1跨，4、5、6轴作为第2跨，7、8、9轴作为第3跨。每个分块的相同延时区域呈斜线走向，将该起爆网路定义为分块斜线起爆网路。该起爆网路和切口形式使得楼房在爆破作用下于空中扭曲、拉扯，立柱、梁和楼板弯曲变形，先后受到剪切、挤压和冲击破坏而充分解体，具体网路延时时间设置如表2所示。

表2 延时时间

2.5 安全防护

此次待拆建筑物南侧20 m为小区围墙，北偏西为废弃住宅楼，楼内有杂散人员，爆破环境复杂，警戒的难度较大，安全防护重点是避免爆破飞石和塌落振动造成的危害。主要是对装药立柱进行安全防护工作。根据以往经验，立柱炮孔位置采用地毯与竹篱笆相结合的多层包裹式防护；需重点加强防护的立柱还需包裹2～3层铁丝网进行防护。对预处理过的爆破切口用密目网进行全部密封。

3 爆破效果与振动分析

3.1 爆破效果

对楼房爆破变形过程进行分析可知，0 ms时J-1柱子开始爆破，并精确按照所设定的延时时间进行传爆，1 500 ms 时楼房北侧立柱基本完成爆破，楼体开始变形，2 500 ms时办公楼北侧楼体受自身重力开始垂直向下坐，呈现略微向东倾倒的趋势，4 500 ms 时7～8轴柱子爆破，此时仅剩西南角落几根立柱作为铰链支撑楼体，并控制倒塌方向。5 000 ms时大楼整体发生倾倒，大楼南侧与北侧楼体于空中碰撞、拉扯。在楼房从开始爆破到解体完成到完全倒地大概用时7 000 ms。爆堆倒塌区域如图9所示，爆堆高度9 m。

在爆破初期办公楼北侧按预期设想垂直向下坐，将大楼沿东西方向切割，受倒塌区域的拉应力影响，楼房重心向北侧偏移，且受力的作用呈现略微向东倾斜，待办公楼南侧开始倒塌，于空中解体的同时，加快楼体北侧的倾倒并按照预期的北偏东方向倒塌；楼体南侧发生略微后坐现象，分析可能是南侧9轴立柱截面小，作为支撑铰链极限承载力小，并不足以支撑上部整个楼体的自重。爆堆集中，高度合适，解体较为完全。从上述爆破效果分析可看出本次爆破作业按预期圆满完成。

3.2 振动分析

本次爆破作业委托第三方对爆破现场进行振动监测。根据爆破施工环境和需重点防护对象的具体情况，在周边保护楼房内共布置了4个振动监测点，采用的监测设备为Blast-UM 型爆破测振仪，具体爆破振动和塌落振动监测结果如表3所示。

表3 振动监测结果

根据规程标准[14]，居民楼对应于此频率的允许振速为1.5 cm/s，此次爆破振动及塌落振动在1#、2#、3#、4#监测点的最大振速分别为0.201 1、0.398 7、0.126 3、0.188 0 cm/s，均远小于1.5 cm/s。因此，此次办公大楼拆除爆破施工，不会引起距建筑物坍塌中心的1#测点(45 m)、2#测点(30 m)、3#测点(110 m)、4#测点(90 m)以及上述距离以外的周边房屋产生结构性损伤。

4 结语

1)对长宽比较大，且楼体重心不易移出楼体外侧的待拆建筑物进行纵向倒塌时，可采用分区斜线起爆网路的爆破技术，使部分楼体先向下坐，利用其自身重量大的特性将楼体分割，能有效减小塌落振动。爆破振动监测值远小于爆破振动安全允许标准。

2)利用斜线起爆网路还能严格控制建筑物倒塌方向，大体倒塌方向是沿切口方向，由于斜线起爆，所以后爆的立柱可以起铰链支撑左右来微调爆破方向，一般控制在10°～15°，同时利用数码电子雷管的延时精确性，此法可以广泛推广应用于场地受限的爆破环境。

3)以分割法的思路将楼房分成若干爆破单元，在各块区域之间设计横向起爆延时时间，同时在楼房纵向上设计相应的爆破缺口，在缺口范围内设置纵向延时时间，整体上横向延时与爆破缺口的方向互成交叉，通过数码电子雷管精密的延时特性，楼房在起爆后分区破坏，各区域之间在空中互相牵扯，互相碰撞完成空中解体。

4)本次爆破作业楼体有略微的后坐现象，在往后的爆破作业中，在确保爆破可靠性的情况下，可以增加轴向的立柱来适当前移后支座铰链，以解决此类问题。