高层楼房单向折叠拆除爆破

张 斌，刘 嵩，盖四海，吴 江，付 雷

(1.河南省永联中野爆破工程有限公司，郑州 450000；2.河南省永联民爆器材股份有限公司，郑州 450000；3.河南迅达爆破有限公司，河南 焦作 454000)

1 工程概况

由于城市发展规划原因，信阳市浉河区有1栋18层全剪力墙安置楼房需要拆除爆破，被爆楼房周边环境复杂(见图1)，东北侧89 m是居民小区，南侧距离金色家园1号楼仅8.6 m，西侧85 m是沿河居民楼，北侧46 m是民用电线杆以及架空电线、54 m是中环置业项目部、48 m是办事处，再北侧90 m为信阳市新七大道。

图1 周围环境

目前该楼房仅完成主体施工和二次砌体。楼房为全剪力墙结构，地上18层地下1层，南北长51.6 m、东西宽14.7 m、高60.5 m，共2个单元，每个单元有2部电梯和1部楼梯。标准层由北侧电梯井及楼梯等单元分割，南部呈异型断截面(见图2)。总拆除爆破面积约12 000 m2。

图2 底层平面

2 爆破方案确定

2.1 难点分析

1)南侧距水泥柱栅栏围墙6 m，距金色家园小区一号楼10 m，对防止楼房后坐以及爆破产生的振动、飞石控制要求高。

2)北侧46 m为架空电线，48 m为办事处及原项目部办公区域。需严格控制倒塌距离，以及倒塌后楼房的前冲。

3)该楼房为东西对称剪力墙结构，北侧有倒塌方向。南侧突出的阳台造成南北不对称，爆破切口形成后，爆破扭矩的支撑点不在同一轴线上，对受力支撑位置选择提出新的问题。

2.2 爆破总体方案

为保证楼房爆破倒塌过程中不产生后坐而危及南侧居民楼，北侧缩短倒塌距离而保证原项目部办公室及街道办事处的安全，根据楼房周围环境及结构特点，确定总体方案为：布置上下2个切口，采用延时分段控制爆破技术，起爆后主体同向折叠向北坍塌。即保留南侧A、B轴线间剪力墙不破坏，C轴部分爆破；对楼房1～3层和8～9层布置2个切口，按照自上而下、从北往南的顺序依次延时起爆，使楼房在自重作用下形成剪切和倾覆力矩在空中解体向正北方向倒塌。

3 楼房控制爆破设计

3.1 预处理工作

由于该楼房为全剪力墙结构，北部有电梯井及楼梯间，对倒塌解体有一定的阻碍作用，同时考虑施工工期的要求，为加快钻孔进度，实施爆破前需在稳定性验算的基础上对剪力墙和楼梯进行部分预拆除,选择三角形切口[1](见图3)。

图3 剪力墙预处理

1)首先拆除剪力墙中间的二次填充墙(加气块砖)，为平行于剪力墙水平钻孔提供方便。

2)楼梯间和电梯井位于倒塌方向上，为了保证楼房的顺利倒塌，爆破前拆除切口内电梯井的南北向剪力墙，并切断钢筋。

3)对切口东西边墙，按照三角形切口形式机械处理到位。

4)为减少钻孔数量，对长度超过1.5 m以上的剪力墙“化墙为柱”预拆除[1]，保留拐角、交叉等关键部位，但总处理量不得超过剪力墙面积的30%。1层预处理B-H轴线，2层预处理C-H轴线，3层预处理E-H轴线，8层预处理B-H轴线，9层预处理D-H轴线。

3.2 爆破切口设计

1)切口形式。根据爆破力学和结构力学原理，用控制爆破法拆除建筑物，主要是破坏承重结构部位或大部分的材料强度，使其失去承载能力，必要时需破坏某些结构的刚度，从而使构筑物整体失去稳定性，重心产生位移，在本身自重的作用下形成倾覆力矩，迫使建筑物按设计方向倒塌。此次拆除爆破的为全剪力墙结构楼房，采用三角形切口形式为宜。

2)切口高度。一般情况下爆破楼房切口角度不低于30°即可完成定向倾倒，本次待爆破的楼房的宽度为14.7 m。经综合考虑，为确保楼房可靠倒塌并缩小倒塌距离，下部爆破切口角为30°，即切口高度为8.49 m，上部爆破切口角为22°，即切口高度为6 m(见图4)。

图4 切口布置

3)支撑体分隔线选择。由于此楼为非对称体的全剪力墙结构，剪力墙厚度200 mm。楼体距南侧居民楼较近，为保证爆破后不产生后坐危及居民楼的安全，选取了较大的支撑体，且根据不同部位结构强度选择不同的支撑长度。

3.3 炮孔布置

本次爆破楼房为全剪力墙结构，剪力墙厚度为20 cm，造型“T”“L”“一”3种不同类型。预处理后的剪力墙长度约为0.5～1.8 m，大部分采用平行于剪力墙水平钻孔，少量不便施工的部位采用垂直墙面的钻孔，对于墙角部位采用不同方向交叉钻孔方式，确保装药到位。

剪力墙厚度0.2 m，孔径38 mm，钻孔深度水平孔0.4～1.5 m，垂直孔0.12 m；最小抵抗线0.1 m，孔距0.2 m，排距0.2 m，炸药单耗3 000 g/m3，采用导爆索空气间隔装药，导爆管雷管引爆，总钻孔数3 000个，总延米2 500 m，炮孔装药结构如图5所示。

图5 装药结构

3.4 爆破器材使用量

全楼共使用膏状乳化炸药288 kg、数码电子雷管600发、导爆管雷管3 300发、导爆索1 800 m。

3.5 爆破网路设计

对于高大的建筑物定向拆除爆破，必须做到每孔每个药包可靠爆破。考虑到周边环境的复杂性及延时要求，采用数码电子雷管-导爆管雷管双起爆网路。整个网路自上而下、自北向南分为7个响次延时起爆，上部分3个响次，下部分4个响次。起爆延时采用孔内孔外双延时的方法，上、下部切口孔内用HS5段(延时2 000 ms)，孔外用2发数码电子雷管连接并设置延时，各层剪力墙雷管段位分布如表1所示。为提高起爆的可靠性，每个孔外数码雷管击发点上并联1发瞬发导爆管雷管，相同延时的击发点上的导爆管雷管用“四通”连接形成导爆管闭合网路(见图6)，用数码电子雷管起爆器起爆，该起爆网路比较安全。

表1 各层剪力墙雷管段位分布

图6 起爆网路

4 安全校验及安全防护措施

4.1 爆破振动安全校验

根据萨道夫斯基经验公式[2]计算

(1)

式中：v为被保护对象所在地面质点峰值振动速度，cm/s；R为测点到爆区中心的距离，m；Q为最大分段装药量，kg；K为与爆破场地条件有关的系数；α为与爆破场地地质条件有关的系数，进行爆破振动速度计算时，取K=150，α=1.6；k为离散系数，k=0.4。计算得到最近保护建筑物南侧楼房爆破振动速度为1.94 cm/s，在开挖减振沟后能够满足爆破安全规程要求。

4.2 触地振动安全校验

高层建筑物拆除爆破倒塌触地时，对地面的冲击较大，产生塌落振动。其经验公式[3]为

(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为重力加速度，取9.8 m/s2；H为构件的重心高度，m；σ为地面介质的破坏强度，一般取10 MPa；R为保护建筑物至冲击地面中心的距离，m；K、β为塌落振动速度衰减系数和指数，一般K=3.37～4.09，β=-1.66～-1.80；k为采取挖沟槽、垒筑土墙减振措施时减振系数，k=1/4～1/3。

根据拆除楼房的图纸和实际情况，估算上部切口质量为5 000 t，下部切口质量为4 600 t，重心高度分别为39 m和12 m。计算可知，对于距离爆破体最近的南侧居民楼质点塌落振动速度为0.96～1.93 cm/s，在规程安全要求范围之内(实际监测爆破振动速度为1.17 cm/s)。

4.3 爆破飞石的安全距离校验

采用以下公式[3]计算爆破飞石距离：

(3)

式中：L为个别飞石的最大距离，m；QL为炸药单耗，kg/m3。

将炸药单耗q=3.0 kg/m3代入式(3)，得L=125.3 m，经计算爆破飞石距离在安全警戒范围之内；对距离较近的建筑物应进行防护，并在炮孔外部使用石棉布、铁丝网和胶皮带等防飞石措施。

4.4 减振安全技术措施

1)铺设缓冲垫层，对倒塌区域内的地面杂物进行清理，防止落地飞溅。采用多排小间距高沙堤可有效降低楼房倒塌冲击荷载和振动[4]，沿着倾倒方向距楼房北墙15 、45 m处铺设2道2.5 m厚的沙堤，既起到减振作用又阻止溅起飞石。

2)采用分区起爆。各分区之间毫秒间隔起爆，这样使同时爆炸的各段药量相对分散，因此加强了地震波在传播过程中的互相干扰，起到了减振的作用。

3)随着距爆源水平距离的增加，爆破振动速度逐渐减小[5]，所以在倒塌方向上开挖减振沟，能阻断触地振动传播。

4.5 防飞石安全措施

1)沿爆破切口用1层石棉布保护起爆器材，然后用2层钢丝网，外加1层胶皮带全覆盖防护，用铁丝固定在爆破切口上。

2)待爆楼房南侧10 m有居民楼。因此，所有安放炸药的楼层南侧窗户、门洞等用双层钢丝网覆盖。

3)南侧居民楼所有窗户用单层钢丝网遮挡防护。

5 爆破效果

2020年1月20日11时，剪力墙高楼成功爆破，南侧楼房未受到任何影响。爆破瞬间楼房整体下坐，同时向北倾斜，切口落地后，整体向北定向倒塌。楼房9层以下部分全部下坐破碎落入底层空间，由于南侧保留较多的支撑体，后部无下坐及后坐情况，南侧2层以下保留少量剪力墙，也起到了防飞石作用；上部各层整体倒塌，少量破碎，倒塌长度约40 m，顶部有1 m见方顶板抛出2 m，部分钢筋裸露；由于开挖了2条减振沟和铺设了缓冲垫层，未有明显下陷入土现象(见图7)。

图7 爆破效果

6 结语

1)对于全剪力墙的建构物拆除爆破，爆破切口高度除按理论计算外，还应充分考虑结构抗剪性强的结构特征，在条件允许时适当提高爆破切口位置，以确保顺利倒塌。

2)拆除爆破剪力墙建筑物，在稳定性验算的基础上对切口进行预处理，减少钻孔工作量和总装药量，可有效控制爆破振动的影响。

3)对于异型剪力墙非对称支撑，为降低下坐及对后方的影响，可部分加大支撑面积，同时采用导爆索空气间隔装药结构，能够破碎均匀，使建筑物顺利倒塌。

4)异型全剪力墙非对称高层楼房，起支撑作用的剪力墙截面窄小、支点多且不对称，受力破坏后结构变形失稳的速度介于砖混结构楼房和框架结构楼房之间，排间延时时差可参照该特点选择。

5)采用上下2个切口，通过合理的延时时差，能有效减小倒塌距离。