闹市区深基坑支撑梁拆除爆破技术

汪高龙，王 潇，李 跟，夏卫国，朱少伟

(1.连云港明达工程爆破有限公司，江苏 连云港222021；2.常州市苏南爆破拆房有限公司，江苏 常州213023；3.连云港中爆测控技术有限公司，江苏 连云港222021)

随着社会经济的发展，各种超大、超高建筑物的建设量越来越多，大型深基坑开挖量也随之增加，基坑开挖完毕后，需要拆除支撑梁结构。目前常用的支撑梁拆除方法主要有机械拆除法[1]和爆破拆除法[2-4]。机械拆除法主要使用液压锤、金刚链锯或绳锯等工程机械对支撑梁进行切割、振捣以达到混凝土与钢筋分离的目的[5-6]。爆破拆除法则采用炸药或静态破裂剂对支撑梁施以超动态或准静态荷载使其破碎。

两种方法各有优缺点。液压锤具有拆除破碎程度高，易于清理回收，无飞石、振动等有害效应的优点，但拆除效率低，噪声污染极大；链锯、绳锯无损切割无振动、飞石、噪声危害，但无法回收钢筋，浪费资源；静态破裂剂法同样无振动、飞石、噪声等危害，但拆除效率低，且成本高。炸药爆破法拆除效率高，破碎效果好，易于清理与回收，且拆除成本较低，是最常用的基坑支撑拆除方式。但爆破振动、爆破飞石和粉尘等爆破有害效应对周边环境影响较大，且拆除项目常处于城市中，能否控制爆破有害效应是工程的关键。陈晨[7]从支撑梁爆破破碎机理、爆破预处理技术等方面详细论述了支撑梁拆除爆破技术；何理等[8]分析了箍筋侧向约束效应对爆破效果的影响并提出了处理方法；程大春等[9]采用水耦合装药和牵引绳拖拽药包装药的方法在钢筋混凝土梁爆破中实现了低成本、低有害效应等绿色爆破技术。胡彬等[10]从基坑爆破工程经验中总结分析了针对爆破振动、爆破飞石和爆破粉尘的安全防护措施。何理等[11]分析了箍筋对支撑梁拆除爆破的侧向作用机理，采用数值模拟方法对比分析了有无箍筋时梁侧面应力分布情况。

笔者以闹市区深基坑支撑梁拆除爆破工程实践为基础，从“主动降害”和“被动防害”两个方面着手，优化爆破参数，降低爆破有害效应，并针对重点区域采用竹笆覆盖和全域幕布隔绝爆破飞石危害，提高了基坑支撑梁拆除爆破安全性和拆除效率，为闹市区拆除爆破项目提供了参考。

1 工程概况

1.1 周边环境

待拆钢筋混凝土支撑梁位于淮安市清江浦区淮海北路与交通路交汇处，东侧为原师专路，路对面为师范学院；南侧为金马国际广场，主体结构距用地红线最近处约20 m，为桩基础。东南30 m处为花漾城一期商场，花漾城一期项目与二期项目地下室连接通道支护已做好；西侧为淮海北路，距离用地红线最近处约9 m，路对面为写字楼与商场；北侧为交通路及有轨电车，有轨电车轨道距离工程用地红线最近约13 m，马路北侧为健身广场，东北角为师范学院会堂及教学楼，最近约40 m，为浅基础。

项目所处地区为闹市区，人流、车流量极大，爆破环境复杂，爆区环境如图1所示。

图1 爆区周围环境Fig.1 Surrounding environment of explosion area

1.2 支撑梁结构

基坑钢筋混凝土支撑梁为3层，分别由支撑梁、连系梁、围檩、圈梁组成，砼等级为C40。拟采用拆除爆破的2层支撑围檩截面为1.4 m×0.9 m，支撑梁截面为0.85 m×0.85 m，连系梁截面为0.5 m×0.7 m；3层支撑围檩截面为1.5 m×1.0 m，支撑梁截面为1.0 m×0.95 m，连系梁截面为0.7 m×0.7 m。

1.3 工程难点

1)支撑梁构件配筋密，混凝土标号高，严格按照设计方案的孔网参数钻孔，难度大。

2)爆区地处市中心繁华商业区，相邻商业设施多、民用建筑林立，爆破有害效应控制要求严格。尤其是飞石的控制，一方面要使混凝土与钢筋完全剥离，同时确保飞石不出坑。

3)单次爆破作业工作量大，相邻区域地下管线分布密集，传爆网路设计、爆破振动控制的技术要求高。

4)周围宾馆、酒店多，居民密集，加之工地现场施工人员多，导致爆破清场及爆破警戒难度大。

2 拆除爆破设计方案

2.1 总体方案

鉴于周边环境特别复杂，爆破安全要求高的特点，采用城市精确控制爆破技术，将爆破振动、爆破飞石等爆破危害效应控制在最小范围内，同时保证爆破破碎效果。在拆除顺序上，分大区域和小局部两种情况。大区域即首先爆破与围檩相连的支撑梁，将整体待爆破区域的主梁、连系梁与围檩彻底隔离，控制爆破振动对周围环境的影响；小局部即先爆破与节点相连的主梁、连系梁，后爆破节点，为节点充分破碎创造自由面。安全防护上，采用毫秒延时爆破控制一次的齐爆药量和爆破区域的先后起爆顺序，在控制爆破振动的同时，防止爆破措施不受爆破顺序的影响与破坏，确保周围建筑设施安全。

2.2 爆破设计

1)装药参数。由于梁的配筋和结构尺寸不全相同，故对于具体的构件，其爆破参数做出相应调整，爆破参数如表1所示。

表1 爆破参数

2)炸药单耗。为了控制爆破飞石和保证爆破破碎效果，在每个分区爆破前选择安全系数高、药孔参数符合设计要求的8～10个药孔进行试爆。根据试爆结果，全爆区q的取值范围定为0.8～1.8 kg/m3，构件强度大时取大值、反之取小值；距离保护目标远时取大值、近时取小值。

3)单孔药量。拆除钢筋混凝土爆破单孔药量可按下式确定。

Q=qaWH

(1)

Q=qabH

(2)

式中：Q为单孔药量；H为梁高；q为炸药单耗，取值为0.8～1.8 kg/m3；a为孔距；W为最小抵抗线；b为排距。

第3层支撑梁装药结构如图2所示，其中：H为梁高，95 cm；B为梁宽，100 cm；L为孔深，75 cm；W为最小抵抗线，30 cm；a为孔距，40 cm；L1为填塞长度，45 cm；L2为装药长度，30 cm。

图2 装药结构Fig.2 Charge structure

混凝土梁尺寸与爆破参数如表2所示。

表2 混凝土梁尺寸与爆破参数

3 起爆网路设计

采用簇联法(俗称“一把抓”或“梳辫子”)复式网络，孔外延时爆破。

该工程最大单孔药量600 g，最大爆破区域装药孔数3 000 个，按照一次最大起爆药量计算，每30个孔为一响，应分为100响。如孔内采用HS5段导爆管雷管，孔外采用MS3段导爆管雷管接力引爆，那第一响孔内雷管起爆与最后一响孔内雷管点火相差约3.1 s(含传爆网路干线传爆时间0.1 s)，网路设计可行。沿支撑梁纵向每20发雷管构成一簇，孔内采用1发HS5段导爆管雷管，孔外用2发MS3段导爆管雷管接力引爆(见图3)。采用起爆器激发针引爆导爆管网路。经多次工程实践验证，此种起爆网路十分可靠，未发生过拒爆现象且可以减少防护工程量。

图3 起爆网路Fig.3 Initiation network

4 安全措施

本次爆破属城市控制爆破，主要考虑爆破振动和爆破飞石的影响。

4.1 爆破振动

1)爆破振动速度校核。爆破振动速度可根据萨道夫斯基公式进行计算[12]，对于拆除爆破，则：

(3)

式中：R为爆源到保护建筑的最近距离；v为安全允许的最大质点振动速度；K为与岩石、爆破方法等因素有关的系数，取100；K'为与爆破方式有关的装药分散经验系数，取0.2；α为与地质条件有关的地震波衰减系数，取1.67；Q为最大单段药量，kg，本项目中为20 kg。

根据爆区周边环境，对爆破振动速度校核如表3所示，由计算结果可知，本项目采用最大单段药量20 kg时，爆破振动速度均小于允许振速。

表3 爆破振动速度校核

2)爆破振动控制措施。①根据现场条件及每次爆破时测定待施工区域与重点保护区域间的距离，严格校验爆破参数，限制最大单段药量；②采用高精度毫秒延时雷管，起爆前检查爆破网路，防止串段；③为每次爆破创造良好的临空面，使爆破炮孔从临空面开始逐段由外向内顺序间隔起爆，减少爆破的夹制作用；④进行爆破振动监测，及时反馈爆破时引起振动速度值的大小，以便分析原因调整爆破设计参数，保证爆破振动控制在安全范围内。

3)爆破振动监测。在金马广场、花漾城商城及有轨电车附近路面附近布置5个测振点，进行了3次爆破测振，各测点峰值振速和主振频率如表4所示。

表4 爆破振动测试结果

由表4可知，各测点峰值振速均小于《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[13]爆破振动安全允许标准。

4.2 爆破飞石

1)爆破飞石安全距离。拆除爆破个别飞石的最大飞散距离，可按经验公式计算[12]：

(4)

式中：S为飞石最远距离，m；v为飞石初速度，爆炸作用指数n=1时，v=20 m/s；g为重力加速度。

经计算得：S=40 m。可见，飞石飞散距离较大，需采取有效防护措施。

2)爆破飞石控制措施。为了控制爆破飞石的飞散距离，采取的具体控制措施如有：①通过爆破实验，核算装药量；②在每次爆破前，根据被保护单位的距离确定爆破自由面，计算抵抗线。同时，使被保护单位方向抵抗线为最小抵抗线的1.2～1.5倍；③每孔装药前，核算该孔的最小抵抗线及合理装药量，保证填塞长度及填塞质量；④采用爆破区域全覆盖的被动防护措施，首先，在待爆破支撑梁装药段采用竹笆覆盖，再于基坑边缘全域安装幕布隔绝个别飞石；⑤爆破区域外侧采用多层防晒网悬挂，可以有效防止飞石的飞散，提高后续施工速度。飞石防护如图4所示。

图4 飞石防护幕布Fig.4 The flyrock resist curtain

4.3 防护技术探讨

深基坑支撑梁的拆除工程一般属于A级工程，且处于闹市区，人流、车流密集，爆破有害效应的控制至关重要，稍有不慎，极易造成与周边居民、单位的纠纷，甚至酿成安全事故。

相比粉尘和噪声，爆破振动和飞石是危险性最大的因素。爆破振动易造成建(构)筑物开裂、结构失稳甚至倒塌；飞石则会对人员、设备、车辆、建筑物等诸多目标造成伤害，飞石是否得到有效控制是衡量拆除爆破成功与否的重要指标。

爆破振动的控制措施较多，除限制单段药量和合理设计起爆顺序外，文献[7-8]提出在爆破前先采用机械法切割环向箍筋的方法，降低钢筋的紧固作用，不仅可以提高爆破效果，还提高了爆炸能的破碎利用率，降低了爆破振动的能量，从而达到降振的效果。本项目爆破前反复校核了最大单段药量，同时每次爆破时监测振动速度情况，及时调整药量和起爆顺序，在多次爆破中爆破振动都得到了较好的控制。

文献[10]详细分析了不同措施对爆破飞石的防护效果，其中，“悬挂密目安全网”工作量最小，防护效果最差，易产生大量顶部和侧向飞石；“覆盖胶卷帘+封闭顶板”防护效果最好，无飞石产生，但工作量极大；此外，还有橡胶板及组合防护措施。本文针对项目特点，提出爆破近区覆盖竹笆、远区悬挂幕布(密目安全网)的“分段阻击”方式，起到了较好的防护效果，现场监测显示，幕布无破洞(见图4)，说明无飞石飞出爆区。此种防护措施的优势在于，幕布相对较固定，无需频繁拆装，降低了工作量。

5 爆破效果

采用控制爆破技术对淮安华信花漾城二期钢筋混凝土支撑梁进行了拆除爆破作业，共进行了6次爆破，消耗炸药9 840 kg，孔内HS5段雷管25 200发，孔外MS3段雷管3 200发，导爆管20 500 m，平均炸药单耗1.16 kg/m3，总方量8 500 m3，爆破结果与经验总结如下：

1)支撑梁全部解体，钢筋混凝土分离彻底，碎石块度均匀，易于清理，钢筋易回收，爆破效果良好(见图5)；

图5 支撑梁爆破效果Fig.5 Blasting effects of supporting beam

2)根据爆破振动校核和实地测试结果，选取的爆破参数合理，爆破振动未对周边建筑物造成影响；

3)采用增大抵抗线、减小孔网参数的措施可有效减少飞石产生，同时，竹笆和全域幕布有效拦挡了个别飞石，未发生飞石伤害事故。