重庆米兰大厦控制爆破拆除
重庆米兰大厦控制爆破拆除
The Blasting Demolition 0f Chongqing Milan Building
施富强1 梁震宇1 张卫彪2
1．西南交通大学科技产业集团，成都610031；
2．西南交通大学机械工程学院，成都610031。
摘要：在闹市区狭小的空间内拆除高层钢筋混凝土框剪结构是近几年频繁遇到的问题。根据重庆米兰大厦建筑结构特点和环境条件，应用运动学、动力学原理，针对性地研究、设计控爆方案，有效控制结构体爆后运动规律。同时应充分利用坍落时结构体的相互运动，将重力势能转化为对结构体自我破碎的机械能，减轻坍落时的触地振动，有效控制压迫空气成风量级，合理利用有限的坍堆空间，大大降低工程风险。
关键词：高层建筑；控制爆破；振动；刚体运动。
1 工程概况
重庆米兰大厦位于重庆市江北区欧式一条街，由一幢22层的主楼(A楼)与一幢10层的附楼(B楼)组成，A、B两楼由西向东依次排列。大厦正南11.1m处平行分布桃花源住宅小区；正北是城市主干道——欧式一条街，其中人行道距大厦仅3m，且地下布有通讯、供电、排污等设施；正东距B楼2m处为地下停车场；正西距A楼5m处是城市排污设施。四周密布商业建筑、高层住宅，作业环境十分复杂。详见图1。
图1 爆破环境示意图
Fig.1 Sketch 0f blasting surroundings
大厦始建于1994年，次年主体工程完工。由于存在着严重的质量问题，未通过质监验收，以烂尾楼的形式保留，2007年9月实施爆破拆除。
2 爆破设计
2.1爆破方案确定
根据现场勘察分析，采用控制爆破手段实施米兰大楼的拆除存在以下危险有害因素：
(1)A楼总高78m，B楼40.7m，受场地限制，爆后堆积体极易伤及大厦北侧的地下管网和东侧的地下停车场；
(2)触地振动可能给周边建筑及设施造成的损伤；
(3)楼体坍落过程中，由于空气受到挤压，在狭小的空间内，瞬间会产生强风，可能伤及桃花源小区的民宅。
针对上述分析结果，设计确定风险控制技术要求和爆破方案：
(1)充分利用南侧可利用的7m空间，确保东侧2m的控制要求，最大可能地减轻北侧3m处地下管网的伤害程度。决定对A、B两楼分部实施爆破。首先对B楼采取向内折叠式原地坍落爆破，通过逐排延时起爆，实现B楼东西两侧向正中牵引坍落。同时，适当延迟北侧外墙的起爆时间，使其略向南堆积。在完成B楼堆积物的清理工作后，再对A楼实施定向爆破。
(2)延长逐跨起爆时间，从运动学、动力学的角度减缓触地冲击程度。同时，在坍落区域堆码厚约1.5～3m缓冲垫层，消除局部过大的冲击载荷。
(3)预处理时，拆除迎风面墙体，使空气可以贯通楼体背向逸出。同时，在气浪集中区，搭设防风排架，保护小区民宅。
2.2 爆破技术设计
2.2.1 B楼控爆设计
鉴于B楼所处的环境及其结构特征，采取向内折叠原地坍塌方案最为合理，但必须满足爆后结构运动过程中梁、柱能够充分解体的要求。实现这一目标，一是采取逐梁、逐柱布孔的方案；二是应用强迫振动原理，在爆破过程中，通过有效的时序控制，在尚未施爆的梁柱结构上产生l～2Hz的低频振动，并且强迫振动需持续5个周期以上。经分析从中心轴(⑨轴)开始，对称向东西递延可制造出ƒ=1Hz左右的强迫振动四个周期。再将A轴与B、C轴制造一个ｔ=0.5s的时差，则可产生ƒ=l～2Hz左右的强迫振动8个周期。这样，就能保证在爆破过程中未炸梁体通过强迫振动实现迫振解体的要求。B楼东西向从⑤轴至⒀轴共计8跨62m长，南北向为A、B、C、D、E 5轴共计32m宽。东西两端各设一电梯间和应急楼道。根据对比研究结果，确定爆破时序见表1。
表1 B楼控爆时序表
Table 1 The order 0f delay controlling
|
轴号 |
5、13 6、12 5、11 5、12 5 |
A B、C、D、E |
|
薄序 |
4 3 2 1 |
2 1 |
|
延时/s |
3.5 2.5 1 0 |
0.5 0 |
即纵向以⑨轴为中心，分别对称向东西两侧延时推进，间隔在l～1.5s之间；横向以B、C、D、E轴为主体，A轴延时0.5s。详见图2。
B楼爆破楼层为负一层、一至三层，八层、十层为节点性松动爆破区，对每轴纵梁端部进行弱化预处理，位置选择在电梯间前沿。
图2 结构平面及网控图
Fig.2 Plane 0f the structure
考虑到西、东两电梯间相向运动，为避免空中迎面撞击，同时减缓触地冲击，将电梯间在5层、8层实施切割爆破。
2.2.2 A楼控爆设计
在完成B楼堆积物的清理工作后对A楼实施由西向东的定向爆破。为使爆破后的A楼能够准确地倾倒在清理后的B楼场地上，有效地保护B楼东侧的地下车库，确定A楼地面以上炸高13m，并要求楼体后排从地面以上标高15m处折断，以控制爆破后向东倾倒的范围不超过60m，同时兼顾保护A楼西侧5m处城市排污系统的安全。
由于A楼总高度为78m，在确定炸高为13m后，爆后楼体的高度尚有65m。而前排立柱（④轴）距东侧地下车库边线为62m，综合A楼结构特点及环境因素，将转动中心设计在地面以上15m处（1/2）轴前端，较前排立柱（④轴）向后(向西)移约17m。考虑到转动中心在运动过程中仅保持平动，因此，A楼触地后，倒塌距离应是从（1/2）轴起，向东延伸65m。这样距东侧地下车库边线尚有约15m的安全距离，可实现对地下车库的有效保护。
A楼①～④轴的爆破时差不宜过大以利于定向精度。经研究选择最大延时量小于350ms。由于A楼总高78m，倾倒时，两侧最窄空间仅13m，因此爆前打通迎风面是一项重要工作。
为了获得可靠的经验数据，施爆过程中重点监测A楼坍落时的触地振动和气浪遇到建筑物时的风扰速度。
2.2.3药量总体设计
鉴于该楼存在的质量问题，经过现场试验确定各层楼体的装药量参数见表2。
表2 装药分布表
Table 2 The distribution 0f explosive charge
|
楼 层 |
-1 |
1 |
2 |
3 |
剪力墙 |
|
平均单耗/ g·m-3 |
1000 |
800 |
600 |
600 |
2000 |
3 安全性分析设计要求
3.1 爆破振动分析
大厦地下室周边为岩石开挖基坑且地下结构爆破单耗较高，因此，有必要对其最大单响药量进行严格控制。综合分析大厦周边设施，我们认为爆破振动对东侧地下车库的影响将最为明显。由于地下车库距B楼13轴仅有3m，因此，设计决定对B轴地下12、13两轴给予保留。这样待爆破的11轴距地下车库距离为20m。由此，计算限制11轴的最大单响药量。这里取k=150，α=1.5，υ=2.5 cm/s于是得出：Q=[R(υ/κ)1/2]3=[20(2.5/150)1/1.5]3=2.22kg。据此给出不同距离时的最大单响药量，确定地下结构的装药量参数(表3)，充分保护周边不同方位的地下排污设施、管道、缆沟等。
表3 地下结构爆破药量控制表
Table 3 The explosives allowance of underground structure
|
R/m |
5 |
8 |
10 |
15 |
20 |
|
Q/kg |
0.035 |
0.14 |
0.28 |
0.94 |
2.22 |
3.2 结构体触地振动分析
A楼为定向爆破，由于其总高78m，需要对其倾倒触地时的振动做一分析。参照中科院工程力学研究所提供的塌落振动速度计算公式：
υ＇=0.08(I1/3/R)1.67
式中，I为触地冲量，I=M(2gh)1/2；M为塌落构件质量，kg；h为塌落构件重心落差，m；R为目标点与构件触地中心的距离，m。分析对塌落触地振动最为敏感的周边建筑有：东侧地下车库，按设计方案，R1=20m；南侧桃花源小区最近民宅距A楼触地中心距离R2=24.9m。根据A楼设计资料得知，四至二十一层为商住楼，平均每层现有重量约为250t，总重量4500t。也就是说，若将一至三层大部分实施爆破后，触地时A楼总重量应在5000t左右。于是，塌落触地振动速度为：
根据以往经验，设计要求在地面堆积缓冲建渣的厚度应大于1m，并开挖隔振沟。这样，可将测点振速降至20％，约为3.66cm/s。
3.3 下落过程气浪风速分析
A楼定向爆破后，快速向东侧倾倒，南侧狭窄空间最小值为11m，将会在桃花源小区的邻近楼房外墙产生高速风扰现象。根据下式计算距倒塌建筑外缘10m处狭腔内的最大风速：
式中，μ结构物风阻系数，对于矩形结构μ=0.55；h为建筑物最大倾覆高度(这里为转心以上高差)，h=63m。于是，
由于积极采用疏风措施，将大楼迎风向的墙体打通，使得气流可穿越楼体向四周扩散，预计可有效降低狭腔内最大风速约70％左右，即瞬时最大风速可达6m/s左右。
4 安全监测与分析
鉴于作业环境复杂，爆破实施过程中，我们在重要区段设置了爆破振动监测仪、风速监测仪，并委托重庆交通大学同步监测，振动监测分布如下：
1号测点布置在E轴南侧11 m处的桃花源小区住宅的基础上；
2号测点布置在E轴南侧11m处的重庆市招生办大楼的基础上；
3号测点布置在13轴东侧10m处地下停车库的顶面上；
4号测点布置在A轴与1/2轴交点基础上。
监测分析结果：在B楼爆破触地冲击振动最大值出现在2号点，振速为υ=0.72cm/s；E
轴南侧11m处的狭腔内瞬间最大风速约为7m/s。A楼爆破触地振动最大值出现在1号测点，
振速为υ=1.16cm/s；最大风速出现在楼体与地面夹角大约成45◦以后，在距楼体5m位置上最大风速约为13m/ s，而在距楼体13m处，瞬时最大风速约为8m/s。
5 结束语
爆破坍塌效果如图3所示。
图 3 爆破坍塌效果
Fig.3 The effect of blasting demolition
A、B两楼爆后效果与设计完全一致。B楼梁体全部迫振解体，仅保留三角形现浇屋顶结构。残渣最高堆点约为6m，周边设施均没有受到影响。A楼转点完全按垂直平动规律运动，倾倒后的楼体未发生任何偏移，楼顶触地位置距东侧地下车库17m，准确实现了爆后上部结构体的刚体运动。A楼触地后，结构保持完整。
(1)分析、设计结构控制爆破的运动规律是复杂环境下拆除爆破的重要环节，重点是设计刚体的转动中心，并通过局部弱化处理，保证可靠的刚体转动。
(2)重力势能是驱动爆后结构体运动的唯一动力源，也是造成触地冲击伤害的本质能量。研究爆破过程中重力势能向结构解体的机械能转化一种可行的、科学的方法。
(3)在狭窄的环境中实施控制爆破应考虑建筑物坍落过程中压迫空气形成风扰的影响。
参考文献
[1]汪旭光．中国典型365体育与技术[M]．北京：冶金工业出版社，2006．
[2]刘殿中，杨仕春．工程爆破实用手册[M]．北京：冶金工业出版社，2003
[3]孙秀贞．微机在物理学中的应用[M]．北京：高等教育出版社，1998．