定向控制爆破拆除22層鋼筋混凝土框筒結(jié)構(gòu)辦公樓

1項目總結(jié)1.1屋頂水景。據(jù)外部的混凝土框架結(jié)構(gòu),第在北京大學的湖岸區(qū)域，有必要破碎和拆除598米的22層樓（機械拆除后的建筑面積約為1.3.4米），長44.0米，寬15.3米，高67.5米，屋頂水箱，總高度75.5米。大樓中間為框架結(jié)構(gòu),東西兩端為現(xiàn)澆鋼筋混凝土筒體,混凝土標號為350#。中間的框架體系、筒體和框架所有樓面均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板,結(jié)構(gòu)層厚15cm。剪力墻外層厚50cm、內(nèi)部厚20cm。拆除附屬建筑物后,該樓重約5×106kg。本次采用定向控制爆破技術爆破22層框筒結(jié)構(gòu)的樓房,就難度和規(guī)模來講,在全國尚屬首例。1.2離需保護的道路需爆破拆除的3號樓主樓,東側(cè)75m為延安路,136m為需要保護的樓房;南側(cè)距慶春路200m;北側(cè)為浙江大學湖濱校區(qū)待拆除區(qū),離需保護的道路約250m。爆破區(qū)域所處環(huán)境較好,對爆破安全較為有利。2爆炸拆除計劃2.1主樓主樓爆破確定僅對高22層的主樓的主體實施爆破,其余附屬建筑采用機械法拆除。根據(jù)待拆除的主樓結(jié)構(gòu)尺寸、相對位置及其分布、周圍環(huán)境和業(yè)主對爆破施工的安全等要求,確定主樓房采用控制爆破技術定向倒塌,南側(cè)為倒塌方向。為確保樓房倒塌順利,主樓爆破前利用試爆,對樓房兩端的筒體剪力墻、個別立柱進行部分爆破拆除。并采用降低爆破部位,裝藥采用半秒差延期雷管起爆,在南面鋪墊5m厚的緩沖層,開挖6條寬為3m、深為3m的減振溝等技術措施,降低爆破地震危害效應。2.2爆炸點和傷口的高度(1)背側(cè)北立柱不爆破中間框架結(jié)構(gòu)的立柱:倒塌方向(南側(cè))的1～4層第1排立柱;倒塌方向1～3層第2排立柱;倒塌方向1～2層第3排立柱;背側(cè)(北側(cè))立柱不爆破(見圖1)。兩端筒體結(jié)構(gòu):底部爆破切口內(nèi)所有墻和立柱全部炸碎,且高度大于中間立柱的爆破高度,松散區(qū)內(nèi)筒體剪力墻不爆破。(2)柱爆高的確定計算得知,每層的立柱高度只要大于1.7m,可確保完全失穩(wěn)。1層各排立柱炸高取3m,2層以上每層各排立柱炸高取2m,可確保萬無一失。倒塌背向1排的立柱切口高度取1.5m,可確保形成塑性鉸。在圖2標注的爆破切口和爆破松散范圍內(nèi)的立柱全部炸斷,即倒塌方向的前端凈爆破高度不小于18m。顯然,本設計確定的爆破切口高度遠遠大于Hp爆破切口的閉合高度,爆破范圍內(nèi)的鋼筋必定會失穩(wěn)。閉合高度與爆破切口的關系如圖2所示。2.3大樓的回轉(zhuǎn)高度爆破切口內(nèi)的立柱失穩(wěn)閉合后,樓房的重心必須偏移至大樓樓體以外才能保證其傾倒可靠性。爆破切口的閉合角β為:β=tg-1(Hp/B),其中Hp為爆破切口的閉合高度,B為大樓倒向長度(見圖2)。在轉(zhuǎn)動過程中,轉(zhuǎn)動角速度相同,樓房轉(zhuǎn)動的α角和β角相等。對于主樓:Hp=9m,B=14.4m。將有關數(shù)據(jù)代入得β=α=32°。閉合后,大樓的重心偏移出大樓外側(cè)的距離為:式中:ZC為大樓的重心高度,主樓ZC=33.55m。將有關參數(shù)代入(1)式,分別得:主樓重心偏移至樓體以外的距離為LX=9.46m。以上計算結(jié)果可以看出,主樓重心已偏移至樓體以外較大的距離(達9.46m),因此爆破切口高度的設計是合理的,說明該樓房能夠可靠地傾倒。2.4開導爆管雷管作爆本次爆破采用非電簇聯(lián)復式導爆管起爆網(wǎng)路起爆。每個藥包設置1發(fā)導爆管雷管,用四通將導爆管連成網(wǎng)狀起爆網(wǎng)路,用2發(fā)電雷管引爆。引爆非電導爆管雷管用的電雷管采用串聯(lián)起爆網(wǎng)路,用GBP413型高功率延時起爆器起爆。2.5爆炸令和延遲(1)筒體外墻的劃分主樓共分4段,第1響為第1層前兩排立柱和2、3、4層的第1排立柱,以及1、2層第1跨(由南向北的順序分跨)兩端的筒體墻壁;第2響為2、3、4層的第2排立柱及第2跨兩端的筒體墻壁;第3響為1、2兩層第3排立柱及第3跨兩端的筒體墻壁;第4響為第9層和第10層前3排的立柱。(2)段半秒差非電導爆管雷管主樓:第1段采用瞬發(fā)非電導爆管雷管;第2段采用2段半秒差非電導爆管雷管(HS2);第3段采用3段半秒差非電導爆管雷管;第4段采用4段半秒差非電導爆管雷管(HS4)。即后段遲于前段0.5s起爆;總的延期時間(從開始點火至所有裝藥爆炸完畢所需時間)為1.5s。3爆炸參數(shù)設計3.1炮孔參數(shù)(1)土筒體外墻布置對于50cm厚和20cm厚鋼筋混凝土筒體墻壁分別取25cm和10cm;對于80cm×80cm和70cm×70cm立柱分別取35cm和30cm。(2)炮孔的距離和輸入距離按a=(1.2～1.5)W和b=0.85a計算。立柱排距取10～12cm。(3)垂直短邊鉆孔對于墻壁,垂直于墻面鉆孔,L=(δ+h)/2,平行于墻面鉆孔,L=S-δ;對于立柱,垂直于短邊鉆孔L=B-δ/2(δ為墻壁或立柱厚度,h為藥包長度,B為立柱的最大邊長,S為保留墻壁的長度,應小于3m)。鉆孔時,應使炮孔深度L大于最小抵抗線,要確保炮孔裝藥后的凈填塞長度L1大于或等于(1.1～1.2)W,即L1≥(1.1～1.2)W。(4)大炮孔直徑炮孔直徑取d=38～44mm。3.2單孔裝藥量q(1)炸藥單耗K(見表1),根據(jù)試爆及實際強度、臨空面情況及爆破部位現(xiàn)場確定。(2)單孔裝藥量Q:根據(jù)體積原理計算公式,藥量可按下式確定:Q=KV(2)式中:Q為單孔裝藥量,kg;K為炸藥單耗,kg/m3;V為每個炮孔擔負的爆破體積,m3。經(jīng)計算并根據(jù)試爆效果,確定裝藥參數(shù)如表1所示。3.3截面柱的設置經(jīng)過試驗,對于承重的剪力墻,厚20cm的采用水平分層布孔;50cm的剪力墻超過2m長的,采取水平分層布孔和垂直布孔相結(jié)合的方式。墻角是承重墻建筑結(jié)構(gòu)的強固部位,一般從里面兩墻的夾角處布置水平炮孔。立柱上的炮孔,通常根據(jù)柱截面形狀尺寸進行布置。對于正方形截面支柱,一般上下布置一排孔;對于矩形截面支柱,其炮孔一般應左右交錯布置。對于只有兩個臨空面的支柱(如剪力墻的拐角、節(jié)點和交叉點),除在柱上布孔外還應在支柱兩側(cè)墻壁上布孔,為支柱創(chuàng)造臨空面。本工程共鉆孔1373個。4爆炸安全4.1爆破修正系數(shù)qx爆破地震波振動速度可根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)給出的質(zhì)點垂直振速公式(前蘇聯(lián)薩道夫斯基公式)進行計算,考慮到此次爆破為內(nèi)部裝藥多點分布的控制爆破,經(jīng)換算后得距離R與允許的最大一段(次)齊爆藥量Qmax的關系式:Qmax=(vc/KK′)3/α·R3(3)式中:Qmax為最大一段(次)起爆藥量,kg;vc為被保護目標的安全振動速度,cm/s;K′為毫秒延時控制爆破修正系數(shù),樓房爆破通常取0.5;R為爆點中心至被保護目標的距離,m;K、α為與爆破地形、地質(zhì)條件等有關的系數(shù)和地震波衰減指數(shù),可根據(jù)經(jīng)驗或通過試驗確定。根據(jù)本次爆點周圍的地質(zhì)條件,參考我們以往的工程實測數(shù)據(jù),可選取K=250、α=1.8、K′=0.5(按照最不理想條件考慮)。將vc=2.0cm/s、R=75m代入(3)式,則最大一段(次)允許裝藥量Qmax為428kg。本次爆破總藥量為257.3kg,分為4段半秒差起爆,最大一段裝藥量都不超過100kg。因此,爆破地震波對上述最近的周圍建筑設施不會產(chǎn)生任何影響。4.2爆破損失測定對于樓體落地振動效應,根據(jù)中國科學院力學所總結(jié)的公式:vt=Kt[R/(MgH/σ)1/3]β(4)式中:vt為塌落振動速度,cm/s;Kt為衰減系數(shù),Kt=3.37;σ為地面介質(zhì)的破壞強度,一般取σ=10MPa;β為衰減指數(shù),β=-1.66;R為觀測點至撞擊中心的距離,m;M為下落構(gòu)件的質(zhì)量,t;H為構(gòu)件重心高度,m。本次爆破的主樓爆破切口以上的樓體質(zhì)量不大于M=5×103t,撞擊點中心距建筑物最近的距離不小于R=75m,大樓的重心高度為H=33.5m,將上述參數(shù)代入(4)式,計算得出塌落振動速度vt=1.99cm/s。本次爆破振動速度允許值為5cm/s,因此爆破落地振動對75m以外的建筑不會有任何影響。5整體業(yè)景開裂回采主觀設計經(jīng)過專家精心設計和現(xiàn)場技術人員的科學組織與施工,爆破獲得成功。爆破后,整個大樓整體倒塌,倒塌后長度為63.5m、寬為36m,底部向南移動11.5m,東西錯位僅2m左右,完全在預定的倒塌區(qū)域內(nèi)。底部的剪力墻四周鋼筋和混凝土基本脫落,所有的鋼筋混凝土柱全部斷裂,有利于爆碴的清運。由于整體倒塌,基本上沒有飛石,濺起的泥土散落范圍未超過20m,周圍的建筑、居民住宅和臨時設施人員都安然無恙,達到了預期的爆破效果。據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明,爆破和大樓落地引起的地震速度均小于安全允許值,南側(cè)200m處浙商銀行和酒店沒有受到任何影響,西側(cè)136m和北側(cè)250m的居民區(qū)安然無恙。6對爆破區(qū)域的優(yōu)化措施(1)采用定向控制爆破技術,在能滿足樓房倒塌的前提下,適當降低爆破切口高度,對9、10層進行松動爆破,加大預處理,盡量減弱樓房的剛度,使樓房順利倒塌,并且在緩沖層的保護范圍之內(nèi),對地面的沖擊大大減小。(2)對剪力墻實行水平分層布孔裝藥,提高了炸藥的利用率;對爆破區(qū)域內(nèi)的多向剪力墻、非承重墻進行預處理拆除,并在柱子、梁和墻的節(jié)點鉆孔進行松動爆破,減小了炸藥用量,減少了飛石,保證了爆破安全,證明了所采取的裝藥結(jié)構(gòu)和預處理措施是正確的。(3)框筒結(jié)構(gòu)特點復雜,炸藥單耗只有經(jīng)過計算和試驗才能確定。本次炸藥單耗:1層的柱子和