城市高层楼房拆除爆破危害防控技术

李建华 曾庆国 樊保龙 张 威

(北方爆破科技有限公司)

在人口稠密的市区或各种建筑设施密布的厂矿区内，采用爆破技术拆除各种废弃的工业与民用建筑物(楼房、厂房等)，是一种安全、经济、高效的方法，与人工拆除和机械拆除方法相比，有着明显的优越性[1]。近年来，随着国家城镇一体化进程的加快，越来越多的高层楼房在城市中拔地而起，与此同时，一些与整体布局和规划不符的高层建筑面临着拆除的命运，对于高度不大的建筑物可选择人工或机械拆除，但对于一些环境相对复杂的高层和超高层建筑的拆除，选用机械拆除的方式具有一定的危险性，而采用爆破拆除的方式可瞬间使高层建筑失去支撑，在重力矩的作用下几秒钟内实现定向倒塌。为实现安全高效的爆破，必须对各种危害类型进行有针对性防控，达到降低甚至消除爆破危害的目的。

1 城市楼房拆除爆破概述

城市楼房的拆除爆破是一项系统工程，需要将工程概况、城市环境交通、天气气候、爆破时间、爆破器材、爆破设计方案、施工预处理等项目进行充分论证和考量，以最大限度提高拆除爆破的可靠性，降低爆破危害发生的几率和效应。城市中人口众多、交通繁忙、建筑林立、各种管线密布，爆破环境异常复杂，因此，城市拆除爆破中，爆破安全已成为拆除爆破的首要问题。特别是在目前城市建设的快速发展，城市防灾减灾以及对环境保护新要求的形势下，加强城市拆除爆破中公害的研究及防护显得尤为重要[2]。楼房类建筑物拆除爆破的基本原理是利用炸药爆炸的能量来破坏建筑物的局部承重结构，使之失去承载能力，在重力矩的作用下，建筑物整体失稳，倾倒坍塌，落地撞击使建筑物解体破碎。依楼房倒塌方式不同，一般可分为定向倒塌、原地坍塌和折叠倒塌3种。楼房拆除爆破切口类型有三角形切口和梯形切口2种，见图1。

图1 楼房拆除爆破切口类型

2 城市楼房拆除爆破的危害类型

楼房拆除爆破产生的危害主要有振动、空气冲击波、飞散物、爆破噪声和粉尘等。楼房拆除爆破振动主要指楼房倒塌过程中的触地振动，其远大于炸药爆炸产生的爆破振动；空气冲击波产生于炸药爆炸过程中；爆破飞散物的产生有炸药爆破产生的飞石和楼房触地解体产生的飞石和飞散物；爆破噪声和粉尘主要来源于炸药爆炸和楼房触地解体。在拆除爆破设计施工阶段需对各类危害进行研判，并制定相应的爆破设计方案与控制措施，以减弱和降低爆破危害。

3 城市楼房拆除爆破危害防治

3.1 爆破振动防治

国内外高耸构筑物拆除爆破研究表明，建筑物倒塌触地振速高、频率低，其振动频率接近建筑物的自振频率(3～10 Hz)，且作用时间长，对周围被保护建筑物危害较大[3]。在拆除爆破中建筑物倒塌触地冲击引起的振动远大于炸药爆破引起的爆破振动，因此，爆破工程设计施工中，除对炸药爆破进行有效控制和必要防护外，更应将楼房等高耸构筑物的触地冲击及由此引发的振动进行控制。

3.1.1 炸药爆破振动

根据控制单响最大段装药量，可达到减小爆破振动危害的目的。在实际的施工操作中，与楼房的触地振动相比较，炸药爆破引发的爆破振动对周边环境及建筑物的影响微乎其微，如遇特殊情况，常根据萨道夫斯基公式对单响药量进行校核。

3.1.2 楼房触地振动

高层楼房的拆除爆破中应尽量防止构件同时触地，即采用分段分区使构建依次触地来控制塌落振动[4]。触地振动计算公式为[5]：

v=0.08(I1/3/R)1.67，

(1)

式中，v为塌落引起的地表振速，m；I为构件触地冲量，I=m(2gh)0.5，m为塌落质量，m，h为建筑物重心到地面的距离，m，g为重力加速度，m/s2；R为被保护体至冲击点距离，m。

根据触地振动公式及工程实测，距离相同时，高层建筑物触地振动正前方振速大于侧方及后方振速。为降低楼房的触地振动，在倒塌条件允许的前提下也可将单次振动变为多次触地振动，将单个爆破切口变为多个切口，如图2所示的同向双切口、双向双切口拆除爆破可使楼房的倒塌从单次触地冲击变为多次冲击，楼房解体后分散落地，减小了冲击的能量，从而降低了爆破振动。如2011年大连开发区金马大厦的双向折叠爆破，实现了单体楼房空中的解体触地，有效降低了爆破触地振动。

为降低楼房触地振动，在楼房触地倒塌范围内用土、沙、炉渣等布置多条防护堤坝，可使楼房触地得到一定程度缓冲，从而降低了爆破振动。同时，为降低被保护体处的质点振动速度，在靠近被保护体处与爆源之间开挖宽度和深度为1.5～2 m的减震此外对于单体高层构筑物的拆除爆破，为降低爆破触地振动，还可以采用预切割处理方案，对单体高层构筑物进行纵向切割，分为2个或多个部分向不同的方向或实施不同的爆破方案进行拆除爆破；同时结合国内外先进的毫秒、秒差起爆及原地剪切爆破和定向倒塌爆破相结合的技术来降低爆破触地振动。如2017年10月山西江阳工程爆破有限公司对太原市一19层高楼实施拆除爆破，该建筑高55.8 m，面积为1万多m2，采用定向斜角微差技术，即排间微差、排内逐柱微差的复式爆破网路施工技术，使爆破缺口内立柱爆破有部分的时间差，延长立柱对楼体支撑缓冲的作用时间，降低触地振动。

图2 楼房拆除爆破振动防治示意

沟，也可以起到有效的降振作用。大量工程实例表明，减震沟的减震效果明显，可达30%以上[3]。楼房拆除爆破堤坝及减震沟防护示意见图3。

图3 楼房拆除爆破堤坝及减震沟防护示意

3.2 爆破冲击波防治

楼房拆除爆破中，爆破冲击波主要是爆破切口的爆破作用产生，对于爆破冲击波的防护，在工程实例中除采用毫秒延期爆破技术控制单次起爆药量和精心施工外，还在爆破切口进行有效覆盖。经计算校核，有必要时用竹竿、草帘、荆笆等设置防护排架，具有反射、导向和缓冲的作用，一般单排就可以降低爆破冲击波强度的30%～50%[6]。对于被保护体而言，在工程施工中也可采用保护性防护的方式或打开建筑物门窗等以降低爆破冲击波的危害。城市楼房的拆除爆破除采取以上措施外，还应关注气候和天气特点，同时避免在清晨、傍晚、阴雨天气实施拆除爆破作业，以减弱空气冲击波的传播，降低爆破冲击波危害。

3.3 爆破飞散物防治

楼房拆除爆破中产生的飞散物主要有3种：第一种是爆破切口处炸药爆破产生的飞石，第二种是楼房倒塌过程中楼体挤压变形碰撞产生的飞散物，第三种是楼体在触地解体过程中由于冲击能量大，地面附近及楼体坍塌体在触地冲击中产生的细小块体飞散物。在高耸构筑物拆除爆破飞石校核中，常采用硐室爆破飞石抛掷距离经验公式来计算拆除爆破飞石距离。

Rf=20n2WKf,

(2)

式中,Rf为飞石的飞散距离，m；n为爆破作用指数；W为装药最小抵抗线，m；Kf为与施工作业条件有关的系数，如地形、风向、填塞等，一般取值1.5～2。

由于城市楼房周边环境复杂，需对飞石等分散物进行有效控制。多个高耸构筑物拆除爆破工程实例表明，无覆盖防护时，拆除爆破飞石的实测值为50～70 m[7]。

爆破飞石的危害防护主要有覆盖防护、近体防护和保护性防护3种类型，见图4。具体为对爆破切口覆盖防护，对楼体内部非承重墙体、门窗玻璃等预先拆除，在楼体倒塌范围外用脚手架设置防护排架，以及为被保护体设置近体防护。常在爆破部位交错覆盖草垫及3～4层高强度尼龙安全网，以降低飞散物产生的几率。

图4 楼房拆除爆破防护

城市高层楼房的拆除爆破中，进行墙体及其他结构的预拆除时，应事先分析结构受力状况，确保预拆除后结构的稳定性。预拆除包括楼梯间的预拆除、爆破层部分非承重墙体拆除。多个楼房拆除爆破的工程实例表明，爆破前的预处理(特别是对楼梯间、电梯间的充分预处理)对爆堆的充分解体起到了重要的作用[8]。采用人工拆除楼房爆破切口内的非承重砌筑砖墙，以保证在爆破切口内支撑墙体及柱梁倒塌过程中，其非承重墙体不形成支撑作用而影响楼体倒塌。对于爆破切口内连接楼梯，应采用机械拆除或爆破方式进行预处理，在炸药爆炸能量的作用下使混凝土从钢筋网中脱出；对于非爆破切口内的各楼层楼体，亦可采用人工或爆破拆除的方式使部分混凝土脱笼，并保留钢筋，使各层楼梯通过钢筋与楼体连接。楼房内外部预处理的项目，见表1。同时，为检验爆破器材及炸药性能，试爆工作可结合施工预处理同步进行。

表1 楼房拆除爆破施工预处理项目

3.4 爆破噪声防治

爆破噪声主要来源于楼房爆破切口的爆破器材及炸药的爆破，起爆雷管采用包裹草垫的方式进行防护，避免雷管爆炸产生的碎片破坏起爆网路，同时降低雷管产生的噪音。爆破切口内炮孔及炸药防护除进行有效填塞以防止发生蹿炮和冲孔外，还应采用覆盖防护，以降低爆破飞石的产生和爆破噪声的传播。

3.5 爆破粉尘防治

楼房拆除爆破的粉尘来源有3类：其一为爆破切口炸药爆破形成的粉尘；其二为楼房内约有85%的空间充满空气，在楼房进行爆破倒塌过程中，空气便受到急剧压缩而形成压缩喷射气流，造成灰尘的飞扬[9]；其三是楼房触地冲击造成楼体与地面粉尘的扬起。对于第一种粉尘防护，淋湿爆破切口内墙体，并将覆盖防护物喷淋洒水和悬挂水袋来降低爆破物粉尘。对于第二类粉尘防护，在爆破前喷淋楼体内外，在各楼层悬挂水袋，在楼房顶层进行注水作业。对于第三类粉尘防护，通常采用带水炮的洒水车或消防车对倒塌楼体及时喷水覆盖。如2018年成都某高层楼房的拆除爆破中，为降低第三类粉尘危害，爆破作业结束后采用5台洒水车和3台雾炮车对爆堆及周边进行循环喷淋，达到了迅速降尘的目的。

4 城市楼房拆除爆破危害防控设备及材料

随着科技的发展，计算机模拟技术、高性能爆破器材和高质量爆破监测设备等应用使工程爆破更加安全可靠，以城市楼房的拆除爆破为例，相较于矿山爆破，其对爆破时间精度和爆破危害控制要求的复杂程度要高很多，设计施工精度及爆破监测质量的要求非常高，容不得任何微小的失误。

4.1 计算机辅助设计

利用计算机数值模拟技术对楼房等爆破设计方案进行检验和预测，可通过倒塌过程中的力学效应分析，预测楼房等构筑物的倒塌姿态和倒塌范围，以便于对拆除爆破设计方案进行修正和完善，提高设计与施工的可靠性。以国内拆除爆破为例，应用较多的为LS-DYNA软件，该软件可用分离式共节点模型，对拆除爆破筒仓、烟囱(双向折叠)、楼房等建(构)筑物模拟，模拟结果与真实倒塌过程非常接近,并被应用到爆破设计中[6]。

4.2 高性能爆破器材的应用

近年来,国内爆破器材供应商在借鉴国外先进爆破器材生产工艺和技术的基础上，逐步实现高精度导爆管雷管和数码雷管等爆破器材国产化，爆破性能更优越，使精细化的爆破成为可能。以数码雷管为例，延期时间具有可编程性，能提供先进而精确的起爆时间，数码雷管误差精度可达到0.3%以内，杂散电流误触电子雷管发火程序的几率可达1/16万亿，满足了更高要求工程爆破的需要。如澳大利亚Orica公司生产的I-kon数码雷管延期时间精度可达0.13 ms以内(0～1 300 ms)，延期时间可在0～1 500 ms任意选定调整，在国内三峡围堰拆除及一些高层建筑拆除爆破中均成功运用[10]。

4.3 爆破监测设备的应用

在大型拆除爆破项目设计施工中，一些爆破公司采用高速数码相机、三向测振仪对爆破全过程和爆破振动进行实时监测，为拆除爆破提供详实的影像资料和振动数据。高性能监测设备的应用对验证楼房拆除爆破质量和实现爆破过程的实时监控有重要作用。爆破监测设备见图5。

5 结 语

以城市高层楼房的拆除爆破危害为研究对象，论述了5种危害类型及产生原因，并提出了有针对性的防控技术措施，有条件的前提下，通过增加爆破切口，可将楼体单次触地增加为分体多次触地，有效降低高层楼房拆除爆破产生的爆破振动；采用覆盖、近体、保护性防护等多种技术手段，可以有效防控冲击波、飞散物、噪声、粉尘等爆破危害；高新科技的发展和爆破器材的革新为爆破工作提供了有力的科技支撑。先进适用的爆破安全防护技术及装备为城市高层楼房等建筑物的拆除爆破工作提供了保障。

图5 爆破监测设备