李小帥¹，范龍泉²，趙子赫³，孫德權³

（1.遼寧科技大學 礦業工程學院，遼寧 鞍山  114051；2.中冶沈勘建筑工程有限公司，遼寧 沈陽  110016；3.遼寧省公安廳治安管理總隊，遼寧 沈陽 110032）

摘  要：通過對高層建筑物倒塌過程中的后坐和前沖運動分析論述，闡明了毫秒微差爆破持續時間對運動過程的影響；介紹了毫秒微差爆破技術在18層框架結構樓房拆除中的應用情況。為使建筑物在拆除爆破中減少對周邊環境的影響，采用合理的爆破網路參數設計，并且對主樓、墻體、剪力墻等結構進行預處理；采用適當的分段延時方法使得震動疊加，控制建筑物倒塌范圍從而減少高層樓房塌落產生的危害。合理的分段時間增加了建筑結構體內力作用時間，保證了樓房的充分解體，達到了預期爆破拆除效果。

關鍵詞：前沖；后坐；爆破持續時間；毫秒微差爆破；支撐體

Analysis of moving-up and backward collapse motion during demolition of buildings

Li Xiaoshuai¹, Fan Longquan²

(1.School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Liaoning, Anshan, 114051, China; 2.Shen Kan Engineering＆Technology Corporation, MCC, Liaoning, Shenyang, 110016, China)

Abstract：Through the analysis and discussing of the motion of the collapse process of high-rise building, the influence on the movement process because of blasting duration is clarified. This paper introduces the application of millisecond delay blasting in 18 story frame structure buildings. To make the building to reduce the environmental impact in explosive demolition, the increase of blasting gap height, increase blasting opening corner blasting parameters design, and to the main building, wall, shear wall structure such as pretreatment; Using piece-wise delay increases in vibration superposition, and thus to minimize the harm of blast and segmented time delay the time increased the structure internal force, to ensure the full collapse of buildings so as to achieve the desired effect.

Key words：moving-up, backward collapse, blasting duration, millisecond delay blasting, support body

0  引  言

由于爆破拆除的高層建筑物多是位于人口稠密、建筑物密集、市政道路水電通信管線縱橫交錯、地上地下環境復雜的城市中心，亦或是工廠礦山的工業廠房、管路、電器等重要設施之中，所以對高層建筑物的倒塌方向和倒塌范圍都提出了嚴格要求，從而控制高層建筑物塌落過程中產生的前沖、后坐問題也就成為爆破技術是否可行的關鍵因素。因此為了成功進行爆破施工，在進行爆破設計時，要合理的調整各種爆破參數，使樓體塌落過程的產生的前沖、后坐現象控制在有效范圍內。

高層建筑物樓體塌落是一個極其復雜的運動過程。利用爆破技術控制其塌落過程涉及到許多門科學^[1,2]。一般地，可以通過建筑學、動力學、結構力學、材料強度等理論分析計算，進行爆破參數的優化。

本文僅就樓體倒塌過程中的受力狀況和運動規律予以分析闡述。

1  建筑物塌落過程中后坐與前沖運動分析

高層建筑物爆破拆除的傾倒過程十分復雜，它受多種條件和因素的影響，其中建筑結構的強度和穩定性，爆破作用持續的時間，定向開口的部位和大小，這三種因素直接影響了高層建筑物傾倒時產生的后坐和前沖^[3]。

1.1 后坐問題

定向爆破拆除設計通常采用的方法是在其傾倒方向底部適當的部位和范圍實施爆破，也就是在樓體底部爆破形成一個三角形、矩形或梯形的開口（足夠的倒塌空間），而在其反方向保留一定的樓體作為支撐體。隨著爆破的實施，開口部分形成，同時形成了上部樓體的重力W和底部支撐體產生的反力F_反，它們是作用力和反作用力，方向相反，并互為扭力。（支撐體產生的最大反力由垂直方向墻體和立柱的最大承載力所決定）。這樣上部樓體在自身重力W和底部支撐體產生反力F_反的作用下，產生了以支撐體H軸為中心的扭轉運動，如圖1所示。

圖1  爆破開口形成時倒塌受力分析圖（第一階段）

Fig.1  Stress analysis when blasting incision is formed for the first stage

根據樓體受力情況：

1）當重力mgcosθ = F_反cosθ時（θ為樓體傾倒角度0~90⁰），并且重力產生扭力不能破壞支承體時，上部樓體原地不動。

若產生的扭力破壞了支撐體（局部破壞H軸視為鉸支）則上部樓體做定軸轉動運動，此時樓體倒塌不產生后坐；

2）當重力mgcosθ > F_反cosθ時，支撐體受到偏心力的作用超過其最大承載力，因強度不夠而產生粉碎性破壞或彎折斷裂破壞，此時上部樓體開始做類似于自由落體運動及繞H軸轉動運動的合成運動。

此樓體塌落的合成運動可以分為兩個階段。

第一階段：從爆破開口形成開始，經過支撐體完全破碎，到爆破開口完全閉合的運動階段。

在此階段內，支撐體由于強度不夠，往往迅速發生破壞而出現上部樓體下沉現象，其下沉時并非垂直，而是傾斜一定角度。這樣支撐體不斷被擠壓破壞，旋轉軸H向后移動，于是出現樓體后坐現象。

第二階段：爆破開口完全閉合到樓體完全倒塌落地的運動階段。此時樓體底部產生支撐反力F’_反，如圖2所示。

根據圖2可以知道（θ為樓體傾倒角度0~90⁰）：

當mgcosθ= F’_反cosθ 時，上部樓體以反力中心點為軸做定軸轉動運動,樓體后坐現象可以忽略；

當mgcosθ > F’_反cosθ 時，上部樓體繼續做類似于自由落體運動及繞H軸轉動運動的合成運動；亦即樓體根部破壞，從而出現下落現象；由于根部不斷被擠壓破碎，轉動軸向后移動，于是出現較大樓體后坐現象。

圖2  爆破開口閉合后倒塌受力分析圖(第二階段)

Fig.2  Stress analysis when blasting incision is closed for the second stage

1.2 前沖問題

通過對樓體倒塌過程的運動分析可知，前沖和后座是一個問題的兩個方面；后座越小前沖越大，后坐越大前沖越小。

當mgcosθ = F’_反cosθ 時，上部樓體以反力中心點為軸做定軸轉動運動,樓體后坐現象可以忽略，此時產生的前沖最大；

當mgcosθ > F’_反cosθ 時，上部樓體繼續做類似于自由落體運動及繞H軸轉動運動的合成運動；根部不斷被擠壓破碎，轉動軸向后移動，出現較大樓體后坐現象，此時前沖較小。

當重力W遠大于支撐反力F’_反，且轉動角度θ較小時（0~15°）時，樓體產生原地倒塌現象，此時前沖和后坐均較小。

根據動力學理論：

(1)

式中，M為合外力矩；I為轉動慣量；β為角加速度；ω為角速度；t為時間。

當重力W大于反力F’_反時，扭力F_扭=F’_反cosθ；力矩M=F’_反cosθ·（H/2）sinθ，H為樓體高度。

所以角加速度：

(2)

從上式中可以看出，樓體的高度和轉動慣量相對固定不變，所以角加速度與支撐反力成正比，支撐反力越大角加速度就越大，樓體倒塌速度就越快。當轉動角度為45⁰時，角加速度最大。所以只要控制支撐反力的大小就可以控制倒塌產生的前沖后坐。

2  爆破作用的持續時間分析

對某個固定的建筑（構）物，建筑結構的強度和穩定性是不變的。爆破作用持續的時間、定向開口的部位和大小需要通過爆破設計確定。在定向開口的部位和大小確定的前提下，爆破作用持續的時間是影響高層建筑物傾倒時產生的前沖和后坐直接因素。

爆破作用的持續時間T就是我們通常采用秒差、半秒差、毫秒差或是瞬發導爆雷管分段控制藥包的起爆順序所持續的時間。

對于高層建筑物爆破，當采用瞬發導爆雷管引爆建筑物底部（包括支撐部位裝藥）所有藥包時，持續時間T=0，此時支撐反力F’_反=0；樓體不發生扭轉，進行自由落體運動。

當采用秒發（高段）導爆雷管分段引爆時，使持續時間T足夠大，此時支撐反力F’_反最大，樓體發生傾倒瞬間反力F’_反=W=mg（上部樓體重力）。樓體發生固軸扭轉。

所以采用毫秒導爆雷管控制爆破作用的持續時間T，用來控制高層建筑物爆破倒塌的前沖、后坐，可以滿足某些爆破工程的安全需要。

下面以某工程為例介紹毫秒微差爆破在某高層樓房拆除中的應用。

3  案例

3.1 工程概況

（1）樓體周邊環境

由于城市建設規劃需要，擬對某大廈進行爆破拆除作業。該大廈位于市中心鬧市區，周圍環境復雜。在需爆破樓房的東側50 m為一地下通訊光纜，164 m為一街道；在東南方向85 m為廣播電臺；南側15 m為道路且路面地下埋深1.5 m處有一條通訊線纜；西側19 m為站前地下商場入口，220 m為火車站。西北側70 m為一大廈；北側50 m為一道路。

（2）樓體結構

該大廈主樓建筑結構為鋼筋混凝土框架剪力墻結構；大廈主樓高65.2 m，南北長34 m，東西寬15.3 m，共18層；框架柱體斷面1~3層為800 mm×800 mm和4~18層為600 mm×600 mm兩種規格，框架承重柱體共有18根，分為東西3排，每排6根；大廈主樓內H軸、8軸、11軸以及樓梯間、電梯井墻體為剪力墻結構。大廈主樓建筑平面結構如圖3所示，其中A、B、C分別為800 mm×800 mm、600 mm×600 mm以及400 mm×400 mm規格的立柱，E、F為剪切力墻。

圖3  主樓平面結構圖（單位：mm）

Fig.3  Structure of the building（unit: mm）

3.2 爆破拆除方案

（1）總體方案設計

通過分析待拆除樓體周邊環境情況，其倒塌方向只能為東向和東北兩個方向。由于主樓南側15 m地下通訊管線需重點保護，所以東偏北方向為最佳倒塌方向。然而正東方向50 m處有地下埋設通訊光纜，所以嚴格控制倒塌樓體的前沖就成為此次爆破成功與否的關鍵所在。

為確保樓體充分解體倒塌，減少前沖倒塌堆積及觸地震動對周圍環境的影響，樓體爆破方案宜通過對G軸（一層）局部裝藥，減弱支撐反力，同時確定恰當的起爆持續時間，所以必須選用毫秒微差起爆網路技術。而采用加大爆破缺口高度，增加爆破開口角，可以使被爆體在部分失去支承力的情況下，靠重力進行定向旋轉塌落。

爆破前，南西北三面的三層附樓外墻予以保留，東面裙樓僅拆除南側一翼，其他裙樓的拆除工作可在主樓爆破之后進行，在一定程度上，可利用四面附樓結構墻體對爆破產生的碎塊進行天然防護，起到屏蔽作用。同時在主樓東側（倒塌方向）40 m處挖一道寬4 m、深3 m的防震溝，以減少建筑倒塌前沖、觸地振動及碎石飛濺，確保周圍環境安全。

（2）預處理

1）主附樓結構分離預處理：利用機械對18層主樓與四周附樓底層結構連接處進行分割預拆除，使主樓與附樓結構完全分離。

2）磚結構墻體、剪力墻預處理：在確保樓體結構安全的情況下，在三層以下對建筑樓體局部的磚結構墻體、部分剪力墻結構墻體(包括電梯井、樓梯間)進行機械或人工破碎預處理。

通過以上預處理工作此次拆除爆破設計僅就主樓18根立柱及部分梁體予以設計施工。

（3）立柱炸高的確定

根據樓體框體結構，需要對其主要承重結構柱體進行炮孔爆破破碎，立柱炸高采用計算公式^[4]如下所示：

(3)

式中，H為爆破高度；K為經驗系數，一般取1.5~2.0；B₁為立柱截面的最長邊；H_min為立柱最小破壞高度。

圖4  爆破缺口圖（單位：mm）

Fig.4  Schematic diagram of the blasting cuts

為使主樓最終解體倒塌，經公式（3）計算調整，確定出合理的立柱炸高：I軸：爆破1~4層，每層爆破柱高2.5 m；H軸：爆破1~2層，每層爆破柱高3.5 m；G軸：爆破第一層，爆破柱高1 m。最終主樓柱體爆破缺口高度15.4 m；傾倒角度47°。爆破缺口如圖4所示。

（4）爆破參數的確定

本次爆破設計按主樓東偏北方向倒塌爆破方案，即樓體底層爆破柱體實現東側定向倒塌。由于倒塌前方50 m地下為光纜設施，所以選擇雷管時間間隔為100 ~150 ms，通過毫秒微差起爆網路技術^[5,6]，調整起爆時間和順序，實現向北偏移。選用Φ38 mm的釬頭對每個柱體鉆水平炮孔，沿豎直方向布置雙排梅花孔，在柱體側面的中心線兩側布置雙排炮孔。

鉆孔總計476個，總裝藥量99.63 kg。爆破參數如表1所示。

表1  爆破參數表

Table1  Blasting parameters table

（5）起爆系統設計

1）起爆順序：為保證主樓向東偏北方向倒塌，順次起爆主樓I軸、H軸柱體、G軸的柱體。柱體起爆順序平面圖如圖5所示。

圖5  柱體起爆順序平面圖

Fig.5  Ignition order

2）起爆網路：設計采用導爆管非電起爆系統，每段微差時間為100 ms，5段110 ms，7段210 ms，9段310 ms，11段460 ms，為確保所有雷管起爆的可靠性及安全性，雷管之間連接方法采用導爆四通相聯。

（6）主樓失穩驗算^[7-9]

主樓能否失穩取決于承重立柱爆破切口的高度，就需要在實施爆破過程中，立柱爆破切口內的豎筋必須達到失穩條件。

壓桿的柔度極限為：

(4)

式中，E為鋼筋的彈性模量；σ_p為鋼筋的比例極限。

每根裸露鋼筋（豎筋）爆破后的實際應力為：

(5)

式中，P為切口上部總載荷；N為筒身豎筋根數取24根；S為豎筋截面積。

由式（4）、（5）計算其柔度極限：

(6)

臨界壓桿高度與柔度極限之間的關系如下：

(7)

式中，d為豎筋直徑；此鋼筋結構中λ_j取200。

失穩高度：l_j=200×0.028/4=1.4 m

為使立柱爆破切口內的豎筋達到失穩條件，設計炸高應大于1.4 m。綜合考慮樓體結構、爆破安全等因素，炸高取2.0~2.5 m，即可以保證大廈主樓在爆破過程中失穩倒塌，并按設計東偏北方向傾倒。

3.3  爆破效果

該大廈成功起爆，起爆后的高層建筑按照設計方向轟然倒塌。爆破后經過現場檢查，樓頂倒塌前沖正好達到40 m防震溝處，爆破所產生的地震波、沖擊波、噪聲、飛石等有害效應均在合理控制范圍內，未對周圍建筑產生影響，爆破拆除取得圓滿成功。爆破效果如圖6所示。

4  結束語

微差（包括秒差）爆破網路技術在實際工程中有廣泛的應用，通過對爆破樓體的定向倒塌的運動進行分析，以及毫秒微差網路在實際工程的應用進行探討，得到如下結論：

（1）在導爆雷管的網路設計中，通過各種倒塌過程中的運動計算，可以調整合理爆破作用的持續時間，控制高層建筑物爆破倒塌的前沖后坐，對滿足某些爆破工程的安全需要具有重要的意義。

（2）在爆破設計方案中，樓體上下分層（局部爆破）采用微差或秒差網路，以及減弱樓體的支撐反力，可以實現高層建筑物原地倒塌爆破。

（3）在定向倒塌爆破中，當采用半秒、秒發（高段）導爆雷管分段引爆時，最大的增加爆破持續時間T，充分利用樓體自重，可以使樓體倒塌運動發生固軸扭轉，后坐最小。

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