高大建筑物爆破拆除工程实践
曲广建 崔允武 朱朝祥 单翔 夏裕帅
(广东中人集团建设有限公司，广东广州，510515)
摘要：本文论述了爆破拆除技术在高大建(构)筑物拆除工程中的应用，根据不同环境、不同建筑结构针对性选择合理的施工方法，同时对比了不同外部条件下爆破方式的确定。重点介绍了高大建(构)筑物爆破拆除的施工技术、施工重点以及施工组织。
关键词：高层建筑；高大烟囱；冷却塔；高大厂房；爆破拆除
1引言
随着我国经济建设的迅速发展，在城市现代化建设的进程中，需要改建、拆除的建(构)筑物日益增多。自从1976年犬安门邮电职工大楼爆破拆除以来的30多年时间里，我国采用控制爆破技术相继拆除了高达240m的钢筋混凝土烟囱和高达104．1m的楼房(34层)。这些高大建(构)筑物的拆除表明爆破拆除技术在国民经济建设中发挥着不可替代的作用，本文根据作者多年来的施工经验，将高大建(构)筑物爆破拆除核心技术加以总结，以供参考。
2高层建筑物的爆破拆除
2．1高层建筑物爆破拆除的特点
采用爆破拆除的建筑物一般都具有以下特点：
(1)建筑高度较高，采用其他方法难以拆除。
(2)建筑结构强度较高，采用其他方法难以控制拆除成本。
(3)周边环境复杂，采用其他方法拆除难以保障安全。
2．2高大建筑物爆破拆除的总体方案
依据建筑物的建筑结构形式的不同、周边环境的限制，高大建筑物的拆除主要有定向倾倒、原地坍塌、逐跨坍塌、折叠倒塌等四种方式。定向倾倒用于建筑物一侧有较为宽阔场地的建筑物拆除；原地坍塌用于周边场地有限，不允许建筑物往侧向倾倒的建筑物拆除；逐跨坍塌用于建筑长宽比较大、高宽比较小的建筑物拆除；折叠倒塌用于场地受限、安全影响大、允许振动小的建筑物拆除。下面通过实际案例逐一叙述。
2．2．1 中山市石岐山顶花园烂尾楼爆破拆除
2．2．1．1 工程概况
中山市石岐山顶花园烂尾楼南北宽33．8m，东西长38．5m，建筑面积为27875m2。大楼属框支剪力墙结构，井字形布置，一层和地下室为框架结构，2～32层均为剪力墙结构。中间部分为核心筒，平面结构如图l所示。一层层顶有150cm×80cm框支梁；核心筒四周有32根立柱，立柱高5．5m，截面尺寸均为1．3m×1．3m。2~32层为标准层，布局相同，核心筒部分剪立墙厚20～40cm，其他部分剪力墙厚度为20～30cm。
2．2．1．2爆破方案
选用三个爆破切口，第一个爆破切口位于l～5层，切口夹角为23°，该切口是为了保证楼房顺利定向倒塌；第二个爆破切口位于12～14层，切口夹角为12°，该切口缩短倒塌长度，降低塌散长度；第三个爆破切口位于22～24层，切口夹角为12°，该切口再次缩短倒塌长度。为使楼房主体倒塌后转动铰链有足够的支撑力，铰链前移至⑧轴，⑧～⑩轴同时起爆，切口布置具体如图2所示。
2．2．1．3 爆破效果
爆破后楼房按设计方向向西准确倒塌，倒塌长度(从楼房前沿算起)为47m，密集塌散宽度38m，个别块体向南14m、向北lOm。第三个切口以上部分塌散长度37m，堆积高度18m，楼体一半被压碎，上半部分分解成四块，裂缝较多。第一切口至第二切口全部压碎，楼房从25m高处至第三切口堆积高度8m，楼房东侧到西侧堆积高度25m，楼体后部南北两侧有三片墙体，从楼体脱落，散落两侧。后排立柱向后位移1．3m，无后坐，有少量飞石砸坏15m范围内民房的几片瓦片和玻璃，5．2m处围墙部分倒塌。爆破效果相当理想。
2．2．2 昆明市老工人文化宫楼爆破拆除
主楼高70m，建筑面积21000m°，地上18层，地下一层，主体建筑基座由四个六边形结构组成，平面结构如图3所示。
第一切口位于1～5层，切口形式为三角形切口，切口夹角为29°，第二切口位于10~11层，切口形式为梯形切口，切口夹角为22°。第一个切口的主要作用是控制楼房的倒塌方向，第二个切口的主要作用是控制楼房塌散长度和堆积高度。图4给出了爆破切口位置示意图。
2．3高大建筑物爆破拆除的技术要点
2．3．1爆破切口的选择
高大建筑物爆破拆除一般多采用定向倾倒或者是折叠倒塌的施工方案，爆破切口的选择要综合考虑周边场地限制、建筑结构形式、建筑高度、爆破危害、保护目标等多种因素。根据笔者的经验，20层以上或者是高度超过80m的高层建筑宜选用三个及以上的爆破切口，其中，第一个切口最为关键，它关系到建筑物能否准确倒塌，第一个切口的夹角一般为30°左右。20层以下的建筑物一般选择1~2个爆破切口，个别受场地限制较严者，可以适当增加切口个数。
2．3．2起爆网路的选择
确保爆破拆除的成功，起爆网路至关重要，目前国内广泛采用的多为毫秒微差、半秒差非电导爆管起爆网路。这种网路有抗干扰强、安全准爆的特点。选择合适的起爆网路，必须综合考虑建筑倒塌的时间，倒塌过程中的二次破碎程度以及合理控制一次齐爆的最大药量。
2．3．3后坐的控制
为了城市的美观，很多建筑不是方方正正的对称建筑，加大了爆破拆除的技术难度。如何控制倒塌方向的准确，不向两侧偏离和后坐是爆破拆除高层建筑中最重要的技术环节。倒塌过程中的后坐控制不好，直接导致被保护目标损坏的案例很多。对于沿倒塌方向不对称的建筑结构而言，后坐的控制尤为关键，根据笔者参与施工的项目，不对称结构建筑爆破拆除，后排采用双轴立柱(墙)作为支撑，是能有效控制建筑倒塌后坐的。
2．3．4预处理施工
高层建筑爆破施工中的预拆除也是不可忽视的重要环节，预处理不仅仅包括门窗、隔断、外墙装饰等非承重部位的拆除，还包括剪力墙、电梯井、楼梯间、管道井等承重部位的拆除。预拆除的原则是在保留足够强度的前提下最大化的拆除影响倒塌的不必要部位，避免个别构件或墙体影响建筑倒塌的准确性。根据类似工程的经验总结，周围环境复杂条件下可采用碟式切割或绳锯的方式进行高强度混凝土的预拆除，周围环境相对较好的地段可采用爆破法预处理。
2．3．5安全措施
爆破拆除高层建筑物必须对影响周边安全的措施进行重点设计。主要包括爆破个别分散物的覆盖、包裹；爆破冲击波的防护；爆破振动的控制以及建筑物倒塌后的触地振动。行之有效的措施一般包括在装药部位采用竹篱笆、稻草、安全网进行包裹，在外围挂安全网以控制爆破飞散物的飞散距离。措施合理的话，可以把爆破飞散物控制在被爆建筑楼体以内。在楼房倒塌的正前方砌筑柔性土堤，用以缓冲触地振动。在被保护目标与待爆建筑中间开挖减振沟用以削弱地震波的传播。
3高大烟囱的爆破拆除
3．1江苏华电扬州电厂210m高烟囱爆破拆除
3．1．1基本情况
拆除的烟囱为钢筋混凝土圆筒形结构，高210m。烟囱筒身标高为0～130．Om，采用300号混凝土，标高为130．0～2lOm，采用250号混凝土，内衬均采用普通红砖25号混合砂浆砌筑。
3．1．2爆破切口形式
采用正梯形爆破切口。切口形式及位置如图5所示。
3．1．3爆破切口长度Lp
选择切口对应的圆心角为220°。则切口长度为：2lOm高烟囱切口下沿选取距地面以上10m处，烟囱外直径为16．Om，周长50．24m，切口下沿长度Lp=16．0×π×220／360=30．7m。
3．1．4爆破切口高度日。
切口高度Hp根据以往经验按式(1)确定：
Hp≥(1／6～1／4)D (1)
式中 Hp——切口高度，m；
D——烟囱切口处的直径，m。
按照式(1)计算，210m高烟囱的最大切口高度为：Hp=2．66～4．Om。
爆破切口高度Hp也可按照式(2)计算：
式中 σT——钢筋的抗拉强度，Pa，Mn钢σT=510MPa，A3钢σT=370MPa；
P——烟囱爆破切口以上的自重，kg；
S——余留区钢筋的总横截面积，cm2；
D——切口处烟囱的外径，m；
Zc——烟囱切口以上的重心高度，按照0．39倍烟囱切口以上高度确定，m。
根据烟囱的实际情况及计算结果综合考虑，210m高烟囱爆破切口高度取3．6m。
3．1．5爆破切口参数
(1)最小抵抗线W：取切口处烟囱壁厚的一半，即W=δ／2(δ为壁厚)。
(2)药孔间距a：a=1．5～1．8W或a=(0．9～0．95)L。
(3)药孔排距b：b=(O．85～0．9)a。
(4)药孔孔深L：L=(O．67～0．7)δ。
(5)单孔药量Q1：Q1=qabδ。式中，Q，为单个装药量，g：q为单位体积耗药量，g／m3，δ=30～50cm厚的钢筋混凝土，取1500～1200g,／m3；δ为筒壁壁厚，m；a，b为药孔的孔距及排距，m。
图6给出了烟囱预处理与穿孔示意图。
3．2荆门电厂高150m烟囱爆破拆除
3．2．1 爆破方案
烟囱的爆破倒塌方案为：采用单向切口并预先开设好定向、定位窗，对预留部位穿孔爆破，使烟囱切口上部实体定向倒塌；150m烟囱因其烟道口与倒塌方向不对称，每个方向均有不同程度的限制，最长方向有138m的倒塌空间(2号冷却塔边沿)，拟将切口位置提高到烟道上沿3m处，切口下沿位f地面以上18m。
3．2．2爆破切口设计
根据本工程的实际情况，爆破切口选择在+18．OOm处(以切口下沿为准)，为保证烟囱倒塌方向准确，切口采用正梯形切口，具体如图7所示。
切口长度：根据烟囱的结构特点，切口长度按式(3)确定：
L=(3／5～2／3)πd (3)
式中L——爆破切口弧长，m；
d——爆破切口处外径，m。
切口圆心角取230°。
切口高度：切口高度是烟囱爆破的重要参数，切口高度过高或过低都会影响烟囱失稳，一般情况下切口高度按式(4)计算：
H=(1．5～3．0)B (4)
烟囱为钢筋混凝土结构且高度较高，荷载较大，若切口过小则可能在形成倾倒趋势前闭合，从而影响倒塌方向的准确性。根据以往电厂烟囱施工经验，拟定烟囱切口参数见表1。
3．2．3爆破参数的确定
炮孔参数：根据炮孔参数设计原则，炮孔参数确定如下：
最小抵抗线：W=B／2 (B为烟囱切口位置的外壁厚)
间距：a=(1．0～2．0)W
排距：b=(0．8～1．2)a
深度：L=(0．58～0．8)B
单孔装药量计算：其q=KabB据(其中K为炸药平均单耗)。
根据以上公式计算并根据实际情况调整，则烟囱爆破的孔网参数见表2。
3．2．4爆破效果
爆破后烟囱按设计方向准确倒塌，下部22m大部分被上部坐坏，烟囱背后5m的备品仓库完好无损。烟囱向前倒塌距离130m，烟囱倒塌正前方的库房仅有少量玻璃被冲击波损坏。爆破效果达到设计要求。
3．3高大构筑物爆破拆除技术要点
(1)烟囱类高大构筑物的爆破拆除切口形式、切口部位、切口圆心角、切口高度是爆破设计中的重点。
(2)烟囱倒塌方向的定向窗与两侧的定位窗施工必须做到精确控制，确保保留部位强度不被削弱。
(3)倒塌场地范围受限的情况下可采用提高切口部位或折叠爆破拆除。
(4)烟囱倒塌方向上砌筑减振土堤和开挖减振沟是有效的防护措施，特别是减振土堤，除满足高度和长度的要求外，必须做好覆盖措施，杜绝由于烟囱冲击造成二次飞溅。
4冷却塔爆破拆除
4．1工程概况
荆门发电厂的四座冷却塔淋水面积为3500m2，高度90m。2号冷却塔西侧37m是冷作车间，南侧20m是油罐，需重点保护；2号冷却塔距离3号冷却塔20m，3号冷却塔北侧30m是6号A转运站，周围环境复杂。如图8所示。
4．2爆破切口形式
切口形式：采用“倒梯形”切口，如图9所示。
切口高度(H)为人字支柱高度(h1)、圈梁高度(h2)、筒壁切口高度(h3)之和，总高度lO．3m；H=h1+h2+h3，见图10。其中筒壁只做预处理不进行穿孔爆破，筒壁处减荷槽高度为3m，宽度选取在人字柱中间2～3m。
切口长度是根据切口各组成部分的作用不同取不同长度，其中，人字支柱长度L1=220／360S，圈梁长度L2=220／360S，塔身切口长度L3=240／360S，式中S为该处的塔体周长。切口角度：筒壁240°、人字柱220°，如图ll所示。
4．3塔身预处理
冷却塔的炮孔参数：塔身不做爆破预处理，只开设定向窗、定位窗及减荷槽。定向窗开设高度为4m，定向窗两侧两个减荷槽开设高度也为4m，其他减荷槽开设高度为3m。开设形式如图12所示。
4．4爆破参数
4．4．1 圈梁爆破参数
对于圈梁，在开设孔洞处由上向下垂直穿孔，每隔一个孔洞穿3孔，圈梁高度1．5m，圈梁厚度50cm。
圈梁处R=33．9，切口弧长L2：=220／360S=130m，共开设孔洞约21个，钻孔 63个。
最小抵抗线：W=B／2=25cm
炮孔间距：a=2．0W=50cm
炮孔深度：L=(O．58～0．8)B=0．8B=120cm
炸药单耗：q=0．7kg／m3
4．4．2人字柱爆破参数
人字柱为40cm×40cm立柱，高5．5m，选取在人字柱中间炸高3m。切口范围内有24对人字柱。
最小抵抗线：W=B／2=20cm
炮孔间距：a=1．5W=30cm
炮孔深度：l=(0．58~0．8)B=0．625B=25cm
炸药单耗：q=0．8kg／m3
4．5起爆网路
采用非电毫秒延期起爆网路，以倒塌中心线为轴沿两侧均匀使用Ms3、Ms5、Ms7段雷管。孔内雷管每10~20发用双发毫秒3段雷管簇联，簇联后的双发雷管用导爆管与四通连接成复式闭合网路，由两条主线引至起爆站用脉冲起爆器起爆。
4．6爆破效果
起爆后，塔体向设计方向倾斜，切口闭合后向下后方挤压，塔体上部开始出现扭曲变形，几秒钟后加速扭转下落，最后全部坍塌。预留支撑部位残留5～7m高筒壁，其他部位得到充分解体。
4．7冷却塔爆破技术要点
(1)冷却塔结构简单，形式多样，高宽比小，主要有现浇式和装配式，大部分因淋水面积不同而高度不同，设计时必须充分考虑塔身的构造。
(2)人字柱、圈梁、塔身部位结构变化明显，必须充分考虑结构差异。
(3)塔身部位的减荷槽对于冷却塔的倒塌，起着决定性的作用。有条件的情况下，应将减荷槽处理至较高位置。
5高大厂房爆破拆除
5．1 江苏华电戚墅堰电厂220MW机组主厂房爆破拆除
火力发电厂厂房平面布置一般按照锅炉房、除氧煤仓间、汽机房的顺序排列，锅炉房一般为排架和钢架结构，除氧煤仓间一般为框架结构，汽机房多为排架结构。具体如图13所示。
5．1．1 爆破部位
对于排架结构的厂房，承重立柱承受整个厂房的上部荷载，一旦底层的承重立柱遭到彻底破坏，且达到一定破坏高度后，则整个结构必然向侧下塌落。本厂房的爆破部位确定为：底层所有立柱，爆高加大；二层、三层倒塌方向3／4的立柱和部分梁，爆高适当减小。定向爆破切口剖面如图14所示。
5．1．2破坏高度
要控制厂房的倾倒方向，确定立柱的破坏高度，是取得理想爆破效果的关键因素之一。框架的承重支柱偏心失稳是整体框架倒塌的关键。用爆破方法将支柱基础以上一定高度的混凝土充分破碎，使之脱离钢筋骨架，则孤立的钢筋骨架便不能构成有效支撑，当钢筋骨架顶部承受的静荷载达到一定值时，钢筋就发生塑性变形，支柱失稳下落。
爆破实践表明，支柱爆破后，钢筋骨架中的箍筋一般断开，对主筋的横向约束减小甚至解除。假设箍筋对主筋无约束，则任何一根主筋都可看作受压杆件。根据《结构力学》中压杆稳定的理论，爆破后的钢筋混凝土支柱，钢筋的两端虽都是固定端，但由于爆破的作用，爆后钢筋向外膨胀变弯发生残余变形，失稳的临界荷载减小，所以不能把它视为两端固定的压杆考虑，可以看成是一端固定一端自由的压杆。
在这种情况下，压杆的计算长度等于实际长度的2倍，即Hx=2Ho。
框架结构在控制爆破拆除中，为确保爆破后整体框架失稳倒塌，倒塌方向的支柱必须有足够高的破坏高度(要大于用压杆失稳理论计算出的最小破坏高度)。根据压杆失稳理论和爆破实践经验，倒塌方向的支柱破坏高度(Hp)应满足式(5)：
Hp=K(B+Hmin,) (5)
式中K——经验系数，一般取1．0～1．5；
B_________支柱截面在倾倒方向上的边长，cm；
Hmin_________支柱的最小破坏高度，cm，
λ__________支柱内主筋的长细比， 
(Hx为钢筋的计算长度)；
a，b_________与压杆(钢筋)材料的机械性质有关的常数，对于普通钢筋：a=31kN／cm2，b= 114N／cm2；
Ho_________爆破后暴露的钢筋(压杆)实际长度，em；
d________支柱内主筋的直径，cm；
n________支柱内主筋的根数；
F________支柱内每根主筋的截面积，cm2；
P________爆破后每根支柱暴露的钢筋骨架上部的压力荷载，N；
E________钢筋的弹性模量，N／cm2；
J_______钢筋的截面惯性矩， 
。
承重支柱形成铰链部位的破坏高度可按式(6)计算：
HJ=K·B (6)
式(6)中参数和系数含义同上。
墙体破坏高度HP通常不小于墙厚δ的2．5～3倍，即HP≥(2．5～3)δ，并充分破碎。
5．1．3破坏程度
对于爆破切口范围内的立柱必须充分破碎，并抛离原位，以形成连续的爆裂口。如破碎不充分，则容易形成支点，造成爆后不倒的严重后果。松散范围内的药孔，其药量适当减小，只对梁柱进行削弱，混凝土不必抛离原位，已控制飞石距离。
5．1．4爆破网路
高大厂房主要以排架结构为主，排架柱之间的连接多以牛腿上的搭接、屋顶的桁架梁为主，桁架梁与排架柱之间多用螺栓连接，强度不及建筑物框架结构联系牢固，爆破后相互之间的影响较小，因此起爆网路对于厂房的倒塌影响较大。厂房倒塌的好坏与相邻两排立柱的起爆时间差关系密切，一般情况下后排时差在500ms左右，即可保证排架柱按顺序倒塌。
5．2高大厂房爆破的技术要点
(1)高大厂房爆破拆除技术难点主要在于工业厂房的特殊性，设计必须充分考虑排架结构、钢架结构、框架结构等不同结构的特点，区别对待。
(2)框架结构类的除氧煤仓间，由于其高宽比较大，可参照高层建筑物爆破进行设计。
(3)锅炉间框架因其上部都有大板梁结构，必须充分破坏其承重，并选择500ms左右的前后排起爆时差。
(4)汽机房为典型的排架结构，两排主要排架柱主要靠屋顶的桁架梁连接，前后排的爆高及起爆时差有明显区别才能保证顺利倒塌。
6结束语
高大建(构)筑爆破拆除技术，在最近20年内取得了飞速的进步，我们的建筑物拆除高度已经达到107m，楼层数已达34层，爆破拆除最高的烟囱已经高达240m，爆破拆除的冷却塔高度已经达到120m。爆破拆除的技术和经验从无到有，从粗到精，我国高大建筑物拆除爆破技术不断攻坚克难，取得了长足的进步，并稳居世界爆破拆除领先行列。我们深信，以精益求精、勤恳钻研的态度，拆除爆破技术会发展得更高效、更安全!
参考文献
[1]汪旭光，郑炳旭，张正忠，等．爆破手册[M]．北京：冶金工业出版社，2010．
[2]史家境，程贵海，郑长青．建筑物爆破拆除理论与实践[M]．北京：中国建筑工业出版社，2010
[3]顾毅成，史雅语，金骥良．T：程爆破安全[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2009．
[4]冯叔瑜，吕毅，杨杰昌，等．城市控制爆破[M]．第2版．北京：中国铁道出版社，2000．
[5]刘玲．工程结构[M]．北京：中国计划出版社，2008．
[6]曲广建，朱朝祥，等，爆破技术在电厂冷却塔拆除工程中的应用[J]．工程爆破，2009，2．
摘自《中国爆破新进展》