高帥杰，趙玉龍，張紀(jì)云，王 曉，李龍飛，張英才

（1.河南迅達(dá)爆破有限公司，河南焦作454000；2.河南理工大學(xué)，河南焦作454000）

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

鄭州電纜廠交聯(lián)立塔位于河南省鄭州市中原區(qū)，其南側(cè)95m處為一高層居民小區(qū)，北側(cè)7m處為穎河路，路邊有市政管路和電纜，東側(cè)130m為某小區(qū)售樓部，西側(cè)9m處為一施工工地的深基坑，東南方向?yàn)榭盏?，環(huán)境復(fù)雜。詳見圖1。

圖1 交聯(lián)立塔周圍環(huán)境圖

1.2 交聯(lián)立塔結(jié)構(gòu)

交聯(lián)立塔是一座剪力墻結(jié)構(gòu)。該立塔主體結(jié)構(gòu)共14層，層高6m，總高度85.4m，總建筑面積約為4000m2。

交聯(lián)立塔俯視圖呈正方形，東西長16.15m，南北寬15.2m。西側(cè)部分有2個(gè)電梯井，尺寸分別為4.15m×4.15m和2.42m×2.42m，電梯井剪力墻壁厚300mm。主體部分為剪力墻結(jié)構(gòu)，尺寸約為12m×12m，剪力墻壁厚300mm。南側(cè)為交聯(lián)立塔梯間和辦公室，由8根500mm×500mm的柱子承重。詳見圖2。

圖2 交聯(lián)立塔結(jié)構(gòu)平面圖

2 爆破方案選擇

框剪結(jié)構(gòu)建（構(gòu)）筑物拆除爆破有定向倒塌、原地坍塌和折疊倒塌3種方案。

2.1 定向倒塌

當(dāng)被拆除的建筑物周圍某一個(gè)方向有較廣闊的空場時(shí)，任何類型的磚結(jié)構(gòu)樓房和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)均可采用定向傾倒方案。

在爆破的一瞬間，建筑物的重力全部作用在未被爆破一側(cè)的承重墻和承重柱上，這一側(cè)承重墻和承重柱的底部作為傾倒的支點(diǎn)，樓房在重力產(chǎn)生的傾覆力矩M作用下，按預(yù)定的方向傾倒，解體。

定向倒塌方案要求倒塌方向的場地的水平距離（建筑物邊緣至場地邊緣的距離）不小于建筑物高度的2/3～3/4。爆破部位的高度要求傾倒一側(cè)不小于最小破壞高度，然后依次減小，形成一個(gè)三角形的切口狀。

定向倒塌方案的優(yōu)點(diǎn)是鉆眼工作量較小，倒塌徹底，拆除效率高，場地允許時(shí)盡可能采用此方案。

2.2 原地坍塌

原地坍塌是將全部的承重支柱從底部開始爆破足夠的高度，立柱頂部與梁的結(jié)合點(diǎn)同時(shí)布孔爆破，建筑物在重力作用下，沖擊地面而解體。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是拆除效率高，坍塌范圍小，鉆爆工作量小，設(shè)計(jì)施工比較簡單。

2.3 折疊倒塌

（1）單向折疊。當(dāng)被拆建筑物四周場地狹窄，但某一方向的場地稍為開闊時(shí)，為減少建筑物傾倒坍塌堆積距離，可采用單向折疊坍塌方案?；竟に囀亲陨隙轮饘颖埔粋€(gè)切口，迫使每一層結(jié)構(gòu)在力矩M1、M2、…、Mn的作用下朝著一個(gè)方向連續(xù)折疊坍塌。這種方案要求每一層都要布置炮孔進(jìn)行爆破，因此鉆爆工作量大許多。各層之間要求采用秒延期從上至下順序起爆。

單向折疊坍塌方案要求坍塌方向的場地的水平距離不小于樓房高度的1/2～2/3（鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)不小于高度的1/2，磚結(jié)構(gòu)不小于高度的2/3）。

這種方案的特點(diǎn)是坍塌破壞較為充分，倒塌距離相對小些，但鉆爆工作量大。

（2）雙向折疊。雙向交替坍塌方案要求從上至下每一層均布置炮孔，順序爆破成一個(gè)切口，在每一層的傾覆力矩M1、M2、…、Mn作用下朝相反方向坍塌。

這種方案同樣要求從上至下秒延期起爆。此方案的特點(diǎn)是坍塌效果好，坍塌范圍小，鉆爆工作量大。

（3）內(nèi)向折疊。內(nèi)向折疊坍塌是自上而下對樓房每層內(nèi)承重構(gòu)件（墻、柱、梁）予以充分爆破破碎，樓房在內(nèi)向重力彎矩作用下從上至下向內(nèi)坍塌。此方案要自上而下采用秒延期起爆。

此方案的特點(diǎn)是要求的場地小，又可拆除較高層的建筑物，對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，拆除比較徹底，缺點(diǎn)是施工工藝復(fù)雜。

通過比較、分析，選擇該工程采用定向倒塌爆破拆除方案。

3 傾倒中心線及其支承體截面尺寸設(shè)計(jì)

3.1 傾倒中心線確定

由交聯(lián)立塔周圍環(huán)境知，立塔最大的傾倒方向?yàn)闁|南方向，傾倒中心線方位角為α=33°，距離為155m，如圖1所示。

3.2 缺口高度設(shè)計(jì)

式中：h——缺口高度，m；

H0——建筑物重心高度，取42.7m；

L——建筑物寬度，取22.8m。

經(jīng)計(jì)算可知，缺口高度取值范圍為7.35m≤h≤21.35m，根據(jù)交聯(lián)立塔實(shí)際情況將缺口高度設(shè)計(jì)為4層（1～4層），即實(shí)取缺口高度23m。

3.3 支承體截面尺寸設(shè)計(jì)

由于交聯(lián)立塔第一層與其他樓層結(jié)構(gòu)不同，加上每層缺口大小也不同，將支承體截面設(shè)計(jì)分為第一層設(shè)計(jì)，第二、三層設(shè)計(jì)和第四層設(shè)計(jì)3部分。

根據(jù)支承體形心坐標(biāo)位于設(shè)計(jì)傾倒中心線的反方向上時(shí)，建筑物才可按設(shè)計(jì)傾倒中心線方向倒塌的原理，設(shè)計(jì)支承體的尺寸，計(jì)算支承體截面位置及其形心坐標(biāo)。

①建立交聯(lián)立塔支承體截面的坐標(biāo)系，如圖3所示。

②確定傾倒中心線方程。根據(jù)公式（2）計(jì)算形心坐標(biāo)。

式中：X′、Y′——形心坐標(biāo)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)；

x1,…,xn——支承體各塊段形心橫坐標(biāo)；

y1,…,yn——支承體各塊段形心縱坐標(biāo)；

s1,…,sn——支承體各塊段面積。

根據(jù)公式（2）計(jì)算出第一層形心坐標(biāo)和支承體形心坐標(biāo)為(7.28,7.85)、(2.52,10.89)；第二、三層形心坐標(biāo)和支承體形心坐標(biāo)均為(7.11,7.64)、(2.45,10.66)；第四層形心坐標(biāo)和支承體形心坐標(biāo)為(7.11,7.64)、(2.92,10.41)。第一層傾倒中心線方程為：y=-0.639x+12496.1；第二、三層傾倒中心線方程為：y=-0.649x+12251.7；第四層傾倒中心線方程為：y=-0.649x+12328.4。由圖3可看出傾倒中心線與轉(zhuǎn)軸間的夾角接近90°，滿足支承體形心坐標(biāo)位于傾倒中心線反方向上的要求。

圖3 爆破缺口設(shè)計(jì)示意圖

4 爆破缺口設(shè)計(jì)

本次拆除工程中的承重構(gòu)件主要有剪力墻和立柱2種類型，爆破時(shí)只對立柱和剪力墻進(jìn)行破壞，因此本設(shè)計(jì)中只對爆破切口內(nèi)的立柱和剪力墻的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)預(yù)處理后剪力墻形成若干個(gè)1.5m×1.5m的支撐體（電梯井部分除了1.5m×1.5m的支撐體外，還有0.3m×1.5m和0.3m×0.75m的支撐柱）；立柱尺寸為0.5m×0.5m。

4.1 立柱爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

該聯(lián)立塔承重立柱的截面尺寸為500mm×500mm。見圖4。

（1）布孔形式：單排布孔。

圖4 立柱鉆孔及裝藥布孔圖

（2）最小抵抗線(w)：立柱采取單排鉆孔，對于單排孔w=0.5B，因此，500mm方柱，w=0.5B=250mm。

（3）間距及排距：a=(1.0～1.2)w=250～300mm，實(shí)取300mm。

（4）鉆孔深度（L）：藥孔深度的確定以保證裝藥能將構(gòu)件破壞為原則，孔深一般取L=(0.6～0.8)δ（δ為鉆孔處厚度）=300～400mm，實(shí)取350mm。

（5）單孔藥量（Q）：根據(jù)體積原理，對單孔裝藥量按下式確定：

式中：v——每個(gè)炮孔所承擔(dān)的體積，m3；

Q——炸藥單耗，取1800g/m3。

計(jì)算得Q=135g，實(shí)取130g。

4.2 剪力墻（300mm）爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

此交聯(lián)立塔的剪力墻厚度均為300mm。見圖5。

（1）布孔形式：梅花形布孔；

圖5 剪力墻鉆孔及裝藥布孔圖

（2）孔徑：d=36mm；

（3）間距及排距：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取a=300mm，b=250mm。

（4）鉆孔深度（L）：藥孔深度的確定以保證裝藥能將構(gòu)件破壞為原則，孔深一般取 L=（0.6～0.8）δ=180～240mm（δ為鉆孔處厚度0.3m），實(shí)取200mm。

（5）單孔藥量（Q）：根據(jù)體積原理，對單孔裝藥量按下式確定：

式中：v——每個(gè)炮孔所承擔(dān)的體積，m3；

Q——炸藥單耗，取3000g/m3。

計(jì)算得Q=67.5g，實(shí)取70g。

4.3 橫梁爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

橫梁的截面尺寸為1.3m×0.35m，橫梁長12m。見圖6。

（1）布孔形式：單排布孔；

圖6 橫梁鉆孔及裝藥布孔圖

（2）最小抵抗線(w)：立柱采取單排鉆孔，對于單排孔w=0.5B，因此，橫梁的厚度為350mm，w=0.5B=175mm；

（3）間距及排距：a=(1.0～1.2)w=150～180mm，實(shí)取200mm；

（4）鉆孔深度（L）：鉆孔深度的確定以保證裝藥能將構(gòu)件破壞為原則，孔深一般取 L=（0.6～0.8）δ（δ為鉆孔處厚度）=780～1040mm，實(shí)取1000mm；

（5）單孔藥量（Q）：根據(jù)體積原理，對單孔裝藥量按下式確定：

式中：v——每個(gè)炮孔所承擔(dān)的體積，m3；

Q——炸藥單耗，取3000g/m3。

計(jì)算得Q=273g（實(shí)取280g）。

4.4 爆破參數(shù)匯總表（見表1）

表1 主要承重構(gòu)件爆破參數(shù)匯總表

5 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程的特殊環(huán)境，為了避免雜散電流、射頻電流和感應(yīng)電流以及雷電對爆破網(wǎng)路的影響，工程使用非電塑料導(dǎo)爆管起爆器材。用連接管導(dǎo)爆管將同層的立柱和電梯井剪力墻分別連接，然后將柱與柱、墻與墻、墻與柱縱橫連接成閉合復(fù)式網(wǎng)路。同一層的爆破網(wǎng)路連接好后，層與層之間用導(dǎo)爆管上下連接成多通道閉合網(wǎng)路。最后用導(dǎo)爆管引至起爆站由脈沖起爆器起爆。

（1）起爆順序。本次爆破采用半秒延期起爆方式，此種方式的特點(diǎn)就是每個(gè)分區(qū)的起爆時(shí)間一致，各分區(qū)之間采用大間隔的方式起爆（半秒延期）。因此沿著設(shè)計(jì)倒塌的方向，一區(qū)首先起爆，以后幾個(gè)區(qū)域逐次起爆。

（2）延期時(shí)間。爆破切口共分為4個(gè)區(qū)，總延期時(shí)間設(shè)計(jì)為2s（從開始點(diǎn)火至所有裝藥完全爆炸所需時(shí)間），各個(gè)分區(qū)延期時(shí)間分別為：一區(qū)HS1（0s）、二區(qū)HS2（0.5s）、三區(qū)HS3（1s）、四區(qū)HS5（2s）。

（3）爆破網(wǎng)絡(luò)。爆破網(wǎng)絡(luò)采用導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)延時(shí)、孔外瞬發(fā)、雷管多點(diǎn)起爆的起爆系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接采用非電導(dǎo)爆雙回路閉合環(huán)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)安全起爆聯(lián)接技術(shù)。從炮孔內(nèi)引出的導(dǎo)爆管雷管就近以10～20根為一組，綁扎2發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管，整個(gè)爆區(qū)劃分成多個(gè)分片，每個(gè)分片連成兩復(fù)式閉合環(huán)，使整個(gè)爆區(qū)形成平面縱橫交錯(cuò)、全方位立體交叉的導(dǎo)爆管復(fù)式多重閉合環(huán)網(wǎng)路；在閉合環(huán)網(wǎng)絡(luò)中留下多個(gè)末級起爆點(diǎn)，采用主干線環(huán)繞復(fù)式非電雷管起爆技術(shù)。構(gòu)成連線獨(dú)立，而傳爆相聯(lián)；傳爆路徑，路路相通，即便只有一個(gè)起爆點(diǎn)、一根傳爆導(dǎo)爆管有效就會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠起爆。

6 安全設(shè)計(jì)

爆破振動(dòng)安全允許距離計(jì)算公式：

式中：R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；

Q——炸藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量；

V——保護(hù)對象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；

K、α——與爆破點(diǎn)至保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。本次驗(yàn)算時(shí)取K=200，α=1.65。

（3）爆破振動(dòng)安全允許距離。由設(shè)計(jì)可知單段最大起爆藥量位于第四區(qū)段，起爆藥量為112kg，因此針對一般民用建筑物，安全允許振動(dòng)速度取2.5cm/s，代入上式可得，針對一般民用建筑物安全距離為68m。通過在爆破區(qū)周圍開挖減振溝，可以確保周邊建筑物的安全。

待拆除建筑物爆破切口之上的總面積約3500m2，每平方米的重量按0.5t計(jì)算，由此可知待拆除聯(lián)立塔的觸地總重量約為1800t，由于本次爆破拆除采取高切口，切口高度達(dá)到23m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)公式，爆破瞬間重心高度為42.7m，觸地質(zhì)量取1800t。

根據(jù)全國工程爆破人員組織統(tǒng)一培訓(xùn)教材《工程爆破理論與技術(shù)》中拆除爆破推薦塌落振動(dòng)速度用公式（4）計(jì)算。

式中：Vt——塌落引起的地面振動(dòng)速度，cm/s；

M——下落構(gòu)件的質(zhì)量，t；

g——重力加速度，m/s2；

H——塌落的高度，m；

σ——地面介質(zhì)的破壞強(qiáng)度，一般取10MPa；

R——保護(hù)建筑至沖擊地面中心的距離，m；

k、β——塌落振動(dòng)速度衰減系數(shù)和指數(shù)，一般k=3.37～4.09，β=1.66～1.80；

k′——聯(lián)立塔分段下落，單體質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比，k′=1/10。

爆破時(shí)，需采取相應(yīng)減振措施（鋪設(shè)緩沖墊層），實(shí)際觸地振動(dòng)會(huì)衰減到計(jì)算值的70%。計(jì)算可知觸地振動(dòng)的安全距離為26m，距觸地中心點(diǎn)26m范圍內(nèi)沒有建筑物，觸地振動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生破壞。

7 爆破效果

起爆后，樓房按設(shè)計(jì)的東南方向傾倒，塌落姿態(tài)平穩(wěn)，振動(dòng)微弱，沒有碎塊飛出，周圍建筑物無損壞，爆堆高5m多，長60m左右，寬近16m。從爆堆及立柱斷口觀察發(fā)現(xiàn)，東北側(cè)立柱鋼筋全部折斷，整體沒有前沖。取得了良好的爆破效果。

8 結(jié)論

（1）在城市鬧市區(qū)的復(fù)雜環(huán)境下，采用不對稱傾倒中心線爆破缺口的單向爆破拆除方案安全可靠，施工方便，成本低，速度快。

（2）交聯(lián)立塔按照設(shè)計(jì)的傾倒方向倒塌，傾倒距離短，倒塌范圍小，對傾倒方向附近的建筑物能進(jìn)行有效的保護(hù)。

（3）半秒延時(shí)的選擇主要是控制了樓房倒向和降低單段爆破藥量。

（4）爆破及觸地振動(dòng)速度實(shí)測值比理論計(jì)算值小。