江云星，黃 剛，劉福高，裴 勇，齊 鵬，裴 杰

(1.荊州石磊爆破工程有限公司，湖北 荊州 434200；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070；3.浙江京安爆破工程有限公司，杭州 310000)

21世紀(jì)以來，我國(guó)城市發(fā)展的腳步不斷地加快，在城市的改建和擴(kuò)建中，拆除爆破以其快捷、方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用[1]。目前，許多學(xué)者在對(duì)地表以上高大建(構(gòu))筑物從失穩(wěn)倒塌過程、爆堆范圍控制和周圍設(shè)施安全防護(hù)等方面都做了大量的研究，并且取得了很大的研究成果[2]。但是在對(duì)地下建(構(gòu))筑物的研究上還較為落后。Koji Uenishi等[3]開發(fā)了一個(gè)全三維有限差分程序，用于模擬固體中的波和裂縫傳播，并研究了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拆除爆破的物理過程，通過與現(xiàn)場(chǎng)鋼筋混凝土梁試件爆破試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了該程序的有效性，并以某公路橋梁橋墩拆除爆破為例，驗(yàn)證了該程序的實(shí)用性。Michaloudis G等[4]對(duì)利用LS-DYNA對(duì)哈根市某高層建筑的拆除過程進(jìn)行了復(fù)雜模擬，并通過實(shí)際拆除驗(yàn)證了模擬結(jié)果。計(jì)算表明，使用簡(jiǎn)單的拉伸斷裂準(zhǔn)則可以精確地再現(xiàn)觀察到的斷裂模式。余紅兵等[5]為控制地下室拆除爆破過程中爆破沖擊波和爆破振動(dòng)對(duì)鄰近保護(hù)建筑的危害，以某兩層地下車庫部分區(qū)域拆除爆破為工程實(shí)例，探討了其爆破方案設(shè)計(jì)問題，研究發(fā)現(xiàn)合理的爆破方案與機(jī)械預(yù)處理可有效控制危害，保護(hù)臨近建筑。季杉等[6]針對(duì)某城市大型高架橋梁的爆破工程，利用LS-DYNA程序，計(jì)算分析了高架橋的爆破坍塌全過程，并與最終的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。驗(yàn)證了該模擬方法的有效性，為今后類似工程的計(jì)算分析提供重要參考依據(jù)。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者們針對(duì)地表高大建(構(gòu))筑物的拆除爆破模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)以及理論分析做了大量的研究，并取得了較多的適用性成果。但是針對(duì)地下建(構(gòu))筑物的拆除爆破研究還較為滯后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到生產(chǎn)需求，特別是在社會(huì)發(fā)展迅速的今天，更加凸顯了這種矛盾。筆者在前人拆除爆破研究成果的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)框架式地下車庫拆除爆破進(jìn)行模擬研究，模擬采用各種不同爆破方案時(shí)建筑物坍塌的過程，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工程爆破結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可行性，為類似工程提供指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

工程位于貴州省遵義市新蒲新區(qū)，地下車庫及配套建筑物處于遵義市新政府大樓東側(cè)，爆區(qū)西側(cè)距離新政府大樓240 m；東側(cè)距離播州大道250 m，且爆區(qū)與人民公園湖泊相距較近，緊鄰湖泊上的廊橋；東南側(cè)距離遵義市城市規(guī)劃展覽館180 m；南側(cè)緊鄰保護(hù)車二通道；北側(cè)距離奧體路300 m。待拆除爆破區(qū)域長(zhǎng)130 m，寬105 m，地表平面面積約為12 904 m2，總拆除面積24 286 m2。待拆地下建筑物為地下雙層車庫，地下車庫分拆除爆破區(qū)(A區(qū))和保留區(qū)(B區(qū))。A區(qū)為兩層地下框架結(jié)構(gòu)，南北長(zhǎng)110 m，東西寬105 m，第1層板頂距離地面4.9 m，第2層板頂距離地面8.8 m(地面表土層1 m)，A區(qū)與B區(qū)之間有構(gòu)造縫。爆區(qū)周圍環(huán)境如圖1所示，爆區(qū)平面如圖2所示。

圖1 爆區(qū)四周環(huán)境

圖2 爆區(qū)平面

1.2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

1)地下車庫分為A、B兩個(gè)相鄰區(qū)域，需要在盡量不影響B(tài)區(qū)域的前提下成功拆除A區(qū)域。對(duì)爆破技術(shù)要求較高。

2)地下建筑是一面開口，其他面全部封閉的建筑結(jié)構(gòu)，不同于地上建筑物四面環(huán)空的環(huán)境，在爆破時(shí)從地下室垂直面沖出的爆炸氣體和沖擊波較為集中，因此危害較大。有效控制氣壓傾瀉的大小和方向是控制拆除爆破危害的難點(diǎn)。

3)該建筑層數(shù)少，自重輕，靠自然荷載順利坍塌難度大，并且靠坍塌時(shí)構(gòu)件相互碰撞解體不充分。

4)爆堆最高不能超過1.8 m，同時(shí)降低大塊對(duì)地面的觸地沖量，降低觸地振動(dòng)效應(yīng)?？刂票迅叨群捅频膲K度也是重點(diǎn)。

5)需要有效控制爆破氣壓危害，不會(huì)因A區(qū)地下車庫爆破下塌時(shí)氣壓向B區(qū)傾瀉問題而影響保護(hù)B區(qū)車庫的穩(wěn)定性，危及西側(cè)保護(hù)區(qū)域B區(qū)車庫和地面建筑的安全。

6)該拆除爆破工程量大，要鉆孔數(shù)目多，保護(hù)地下區(qū)域距離待拆除區(qū)域近，防護(hù)工作量大。

7)拆除體要充分解體，以利于爆破區(qū)域的整體下塌和爆碴清運(yùn)。

8)最近廊橋緊鄰爆破區(qū)域邊墻，拆除時(shí)不能對(duì)其造成危害，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)、飛石、沖擊波不得危及周圍建(構(gòu))筑物安全。

2 拆除爆破方案

2.1 預(yù)處理

B區(qū)邊界連接處與A區(qū)、南側(cè)行車通道1連接處，距離A區(qū)邊柱50 cm處全部采用機(jī)械破碎進(jìn)行切割斷開(包括鋼筋)，南側(cè)行車斜坡道入口1要保留，行車斜坡道入口采用機(jī)械破碎(見圖3)。

圖3 機(jī)械切縫處理

北側(cè)廊橋與A區(qū)邊界連接處，切開所有聯(lián)接廊橋與車庫頂面的水管線纜，車庫距離A區(qū)邊柱外50 cm采用機(jī)械挖溝并破碎頂板斷開連接，使A區(qū)拆除時(shí)不會(huì)對(duì)廊橋造成破壞；A區(qū)負(fù)一層、二層磚砌非承重墻結(jié)構(gòu)全部采用機(jī)械破碎處理，包括所有立柱之間的磚砌隔墻，樓梯間和風(fēng)井位置處隔墻；采用機(jī)械開挖的區(qū)域主要是A區(qū)南北兩側(cè)邊墻外的泥質(zhì)土層，土層深4 m，底部寬3 m，并且采用機(jī)械破碎邊墻不是立柱的部分；隔墻和地下室周圍的土壤對(duì)于爆炸的傾瀉都有阻擋作用，在做預(yù)處理時(shí)都要將其清除掉。同時(shí)除去地下室南北兩側(cè)的泥土以形成減振溝，可極大地減弱爆破振動(dòng)。

在車庫A區(qū)的4個(gè)立柱范圍內(nèi)，位于地表和負(fù)一層樓板上每400 m2開鑿1個(gè)面積為3 m×3 m的泄壓窗，上下兩層樓板一一對(duì)應(yīng)(見圖4)。

圖4 地表和負(fù)一層A區(qū)地下車庫泄壓窗位置和大小

2.2 爆破方案對(duì)比

由于工程自身的特殊性決定采用拆除爆破和機(jī)械拆除相結(jié)合的方式施工。先對(duì)爆區(qū)做預(yù)處理工作，然后采用爆破方法破碎地下車庫的部分承重立柱與聯(lián)系梁，使上部預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)塌落在地面上，最后用破碎機(jī)械對(duì)塌落的結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次破碎。由于地下車庫周圍的約束較多可供選擇的爆破方案較少，擬采用的爆破方案有單向傾倒、原地坍塌齊發(fā)以及原地向內(nèi)坍塌。

1)單向傾倒爆破方案。由于實(shí)際工程情況較為特殊，待拆的地下車庫A區(qū)有且只有東側(cè)為自由臨空面，其西側(cè)與地下車庫B區(qū)相鄰，而B區(qū)車庫為保護(hù)區(qū)域，其南北兩側(cè)皆有土體約束。因此若采用單向傾倒坍塌方案則起爆方向只能從車庫A區(qū)的東側(cè)向西側(cè)起爆，而采用此方案時(shí)，由于地下車庫結(jié)構(gòu)的特殊性，當(dāng)爆破產(chǎn)生的高壓氣體來不及從泄壓孔排出時(shí)，爆破高壓氣體就會(huì)隨建筑物的傾倒逐級(jí)疊加，最終會(huì)在車庫A區(qū)與B區(qū)的交界處形成巨大的沖擊氣壓與爆破振動(dòng)，會(huì)對(duì)需要被保護(hù)的B區(qū)車庫造成巨大的不良影響。

按照以往經(jīng)驗(yàn)同一建筑采用單向傾倒爆破方案時(shí)的爆堆一般不如原地向內(nèi)坍塌方案以及齊發(fā)爆破原地坍塌爆破方案集中，不利于二次破碎和裝運(yùn)。

2)原地坍塌齊發(fā)爆破方案。由于車庫周圍的約束較多，采用原地坍塌齊發(fā)爆破方案，能使車庫較為順利地原地坍塌，但原地坍塌齊發(fā)爆破方案會(huì)有較大的爆破振動(dòng)、產(chǎn)生較為集中的爆破高壓氣體會(huì)給爆區(qū)周圍的建筑和人員帶來較大的安全隱患。

3)原地向內(nèi)坍塌爆破方案。采用原地向內(nèi)坍塌爆破方案與單向傾倒爆破方案的布孔數(shù)量大致相同，只是起爆方向與順序不同，研究發(fā)現(xiàn)它能較好地滿足爆破要求，既能克服工程難點(diǎn)又能滿足相關(guān)安全要求。

3種方案的具體參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 3種爆破方案比較

綜上所述，決定采用原地向內(nèi)坍塌爆破方案。

2.3 爆破方案設(shè)計(jì)

大樓屬框架結(jié)構(gòu)，立柱承重，風(fēng)井、樓梯井、立柱隔墻構(gòu)成筒體結(jié)構(gòu)；剪力墻轉(zhuǎn)角的暗柱鋼筋，墻體與樓板結(jié)合處的聯(lián)系圈梁，建筑整體性較好，結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)固。立柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要是有兩種不規(guī)格的立柱：0.9 m×0.9 m和0.5 m×0.5 m(見圖5)。

圖5 A區(qū)車庫內(nèi)不同規(guī)格型號(hào)立柱

2.3.1 爆破參數(shù)

待拆建筑的結(jié)構(gòu)規(guī)格較多，根據(jù)配筋圖布置炮孔，δ為立柱厚度，最小抵抗線W=δ/2，孔深L=0.66δ，孔距a=(1.3～1.8)W，排距b=(0.7～0.8)W，炸藥單耗q=2 000 g/m3，單孔藥量計(jì)算式如下。

Q=qV

(1)

式中：Q為單孔裝藥量，g；q為炸藥單耗，g/m3；V為單孔爆破體積，m3。

匯總計(jì)算整個(gè)工程的用藥量，作為網(wǎng)路設(shè)計(jì)和安全校核的依據(jù)，各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 爆破裝藥量

2.3.2 爆破網(wǎng)路

采用非電延時(shí)導(dǎo)爆管雷管連接網(wǎng)路，為了控制爆破齊發(fā)的危害，將整個(gè)爆破區(qū)分解，從兩側(cè)向中間起爆，從下到上分成兩大區(qū)域，A區(qū)-2層為一個(gè)大區(qū)，A區(qū)-1層為一個(gè)大區(qū)，層間管采用MS9段延時(shí)，每跨之間排間管采用MS5段延時(shí)。所有孔內(nèi)采用MS15段導(dǎo)爆管雷管簇聯(lián)，匯總的過渡連接管采用MS1段管(10 m腳線)雙管復(fù)式交叉連接，主網(wǎng)路采用雙管復(fù)式交叉連接。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方案

根據(jù)上文所討論的3種拆除爆破方案進(jìn)行數(shù)值模擬，建立模型如圖6所示。

圖6 地下室框架數(shù)值模型

給模型賦予不同的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置求解時(shí)間設(shè)置為2.5 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.9，并且輸出k文件，并在k文件中修改材料模型參數(shù)以及設(shè)置接觸和重力荷載?；炷羻卧c地面的接觸設(shè)置為：*CONTACT_ERODING_SING—E_SURFACE；為防止鋼筋穿透地面，需要設(shè)置鋼筋單元與地面的接觸方式為：*CONTACT_NODES_TO_SURFACE。并施加重力荷載，設(shè)置重力荷載為9.8 m/s2，方向?yàn)閥軸負(fù)向，設(shè)置完成之后進(jìn)行計(jì)算求解，混凝土及鋼筋材料模型參數(shù)如表3所示。

表3 混凝土及鋼筋材料模型參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 采用原地向內(nèi)坍爆破方案的倒塌過程

將建立好k文件用ANSYS/LS-DYNA程序進(jìn)行求解，采用LS-PREPOST讀取結(jié)果，顯示出采用單向傾倒爆破方案時(shí)整個(gè)地下車庫的坍塌過程，坍塌過程如圖7所示。

圖7 原地坍塌齊發(fā)爆破方案地下室框架坍塌過程

3.2.2 不同爆破方案對(duì)觸地振動(dòng)的影響

建筑物在拆除爆破過程中所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)主要為兩種：塌落振動(dòng)和爆破振動(dòng)，實(shí)際工程測(cè)量表明塌落振動(dòng)遠(yuǎn)大于爆破振動(dòng)，因此通常情況下只考慮塌落振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。以下對(duì)不同爆破方案的塌落振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，選取地面距東西兩側(cè)支持柱15 m的單元點(diǎn)為研究對(duì)象，這些單元點(diǎn)y方向上的速度時(shí)間曲線即為塌落振動(dòng)的研究對(duì)象(見圖8)，3種方案的塌落振動(dòng)峰值速度如表4所示。

圖8 不同爆破方案的觸地振動(dòng)

表4 3種方案的塌落振動(dòng)峰值振速

由圖8和表4可以看出，若只考慮塌落振動(dòng)時(shí)，采用原地坍塌齊發(fā)爆破方案的塌落振動(dòng)明顯比其他兩種方案要高，塌落振動(dòng)峰值速度超出允許值，會(huì)帶來較大的安全隱患。因此可以得出在地下車庫的拆除爆破中不宜采用原地坍塌齊發(fā)爆破方案。

3.2.3 不同爆破方案對(duì)爆堆形態(tài)的影響

為研究不同的爆破方案對(duì)地下車庫坍塌后形成的爆堆大小影響，在后處理軟件LS-Prepost里導(dǎo)出地下車庫坍塌后所形成的爆堆圖(見圖9)。

圖9 不同爆破方案爆堆

不同爆破方案的爆堆大小如表5所示。

表5 3種方案的爆堆大小

由圖9和表5可以看出，若只考慮爆堆因素時(shí)，采用定向傾倒爆破方案的效果明顯比其他兩種方案要差，較其他兩種方案其爆堆的堆疊長(zhǎng)度明顯超出地下室模型本身的長(zhǎng)度，且爆堆長(zhǎng)度為3種方案中最長(zhǎng)。因此可以得出在地下車庫的拆除爆破中采用定向傾倒爆破方案會(huì)導(dǎo)致爆堆堆疊過長(zhǎng)不利于二次破碎與裝運(yùn)。

綜合考慮各方面因素，原地向內(nèi)坍塌爆破方案為最優(yōu)，模擬結(jié)果與方案優(yōu)選分析結(jié)果一致。

4 安全分析與振動(dòng)檢測(cè)

4.1 爆破地震效應(yīng)驗(yàn)算

本次爆破炮孔孔徑為φ40 mm，藥卷直徑φ32 mm，其裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合裝藥，也就延長(zhǎng)了爆炸壓力的作用時(shí)間，從而相應(yīng)地降低爆轟波的峰值壓力進(jìn)而降低了地震效應(yīng)。

根據(jù)公式：

(2)

式中：v為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，cm/s；R為爆點(diǎn)至測(cè)點(diǎn)距離，在本工程中，一次起爆破中心距離最近需要保護(hù)的B區(qū)只有15 m；距離最近需保護(hù)的建構(gòu)筑物為180 m；K、α為與爆破地質(zhì)條件等有關(guān)的系數(shù)，取K=180，α=2；Q為炸藥量，kg，雖然一次起爆的總藥量為1 190.825 kg，但通過網(wǎng)路延時(shí)單元?jiǎng)澐肿畲髥雾懰幜繒r(shí)，可計(jì)算出最大單響起爆藥量為45 kg；K1為修正系數(shù)，跟爆破方式有關(guān)的系數(shù)，臨空面n=1時(shí)取1，n=2時(shí)取0.5，n=4時(shí)取0.2，本工程取0.2。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)規(guī)定“工業(yè)和商業(yè)建筑物”爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)10 Hz

4.2 坍塌振動(dòng)驗(yàn)算

拆除爆破觸地產(chǎn)生的地震危害甚至?xí)^爆破產(chǎn)生的振動(dòng)。在方案設(shè)計(jì)中，我們把地下室坍塌拆分為36個(gè)單元依次爆破垮塌，盡量使樓房垮塌觸地振動(dòng)減少到最小范圍內(nèi)。倒塌觸地沖量引起的地震波，按經(jīng)驗(yàn)公式

(3)

式中：v為觸地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；I為觸地沖量，I=m(2gH)1/2；m為單元塊質(zhì)量,按鋼筋混凝土容重2.8×103kg/ m3計(jì)算得細(xì)分單元垮塌體的質(zhì)量，現(xiàn)以每次起爆區(qū)間的整體質(zhì)量為3.5×105kg進(jìn)行計(jì)算；g為重力加速度，10 m/s2；H為重心落差高度，取A區(qū)幾何中心為4 m；R為觸地點(diǎn)到最近保護(hù)建筑的距離，R=15 m，計(jì)算得v=3.58 cm/s，故觸地倒塌引起的地震波傳播到保護(hù)體的質(zhì)點(diǎn)振速度在地下室B區(qū)允許的振速為v安全=4.0 cm/s范圍內(nèi)。

5 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在B區(qū)距離A區(qū)爆區(qū)30 m左右設(shè)置了振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量所得的振動(dòng)波形圖如圖10所示，各方向振動(dòng)參數(shù)值如表6所示。

圖10 3方向合成波形

表6 各方向振動(dòng)參數(shù)

實(shí)測(cè)中采用原地向內(nèi)坍塌爆破方案的爆破振動(dòng)峰值振速為0.745 cm/s，通過計(jì)算30 m處的塌落振動(dòng)速度為1.13 cm/s，結(jié)果有一定差距。

6 爆破效果分析

工程在起爆后，地下室未發(fā)現(xiàn)有飛石飛出，且體感沖擊波較小，灰塵控制得當(dāng)，地下建筑物原地坍塌，坍塌后整體的爆堆高度低于1.8 m，平均高度為1.5 m左右，倒塌時(shí)間2.2 s左右，塌散效果良好。從爆破現(xiàn)場(chǎng)和周邊環(huán)境勘察的情況反饋，基本無爆破飛石產(chǎn)生，僅有少量碎渣伴隨強(qiáng)氣流噴出。爆破所產(chǎn)生粉塵在5 min內(nèi)即散盡，未對(duì)周圍環(huán)境造成明顯影響。振動(dòng)監(jiān)測(cè)的振速完全小于規(guī)范值。經(jīng)過對(duì)周邊建筑物的檢查之后，沒有發(fā)現(xiàn)周邊建筑物有任何飛石撞擊的現(xiàn)象出現(xiàn)并且無結(jié)構(gòu)損傷，控制措施有效。爆破效果如圖11所示，實(shí)際爆破結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如表7所示。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)爆破情況

表7 爆破與模擬結(jié)果對(duì)比

在工程實(shí)例中，拆除爆炸后得到的爆堆平均高度在1.5 m左右，與數(shù)值模擬的1.19 m相差僅0.31 m；實(shí)際倒塌時(shí)間2.2 s左右，與數(shù)值模擬的1.95 s相差僅0.25 s左右，表明數(shù)值模擬的結(jié)果具有工程應(yīng)用價(jià)值。

7 結(jié)論

1)地下空間的沖擊波效應(yīng)較地上空間更為明顯，爆炸沖擊波在地下反射，會(huì)造成較大危害，在實(shí)際施工中，應(yīng)采取開鑿泄壓窗的方式來降低該危害的產(chǎn)生。

2)在建筑物只考慮塌落振動(dòng)對(duì)建筑物的影響的情況下，對(duì)3種不同爆破方案的塌落振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，定向傾倒爆破方案的效果明顯比原地坍塌齊發(fā)爆破方案、原地向內(nèi)坍塌爆破方案要差，其爆堆的堆疊長(zhǎng)度明顯超出建筑物模型本身的長(zhǎng)度，且爆堆長(zhǎng)度為3種方案中最長(zhǎng)，不利于二次破碎與裝運(yùn)。原地坍塌齊發(fā)爆破方案的塌落振動(dòng)明顯比其他兩種方案要高，塌落振動(dòng)的最大峰值超出允許值，會(huì)帶來較大的安全隱患。此結(jié)果對(duì)實(shí)際工程具有一定借鑒價(jià)值。

3)在數(shù)值模擬中，由于失效單元直接被刪除，下墜的框架結(jié)構(gòu)重力勢(shì)能會(huì)因?yàn)槭卧膭h除而逐漸積累，造成框架結(jié)構(gòu)的一部分重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成沖擊動(dòng)能，實(shí)際情況下并非如此，失效的混凝土?xí)彌_一部分框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)能，因此數(shù)值模擬的爆堆高度會(huì)小于工程實(shí)例的爆堆高度。