茅台三幢高楼爆破拆除的安全防护

汪帅文;赵明生;池恩安;郭春阳;欧阳天云

【摘 要】茅台环境整治地块3幢高度均为58.5 m的高层楼房爆破拆除工程,重点防护对象有60 m外的酒库酒坛,楼房前方21.5 m处的公路和50 m外的酒厂玻璃厂房,楼房后侧2.4 m处的污水管道,以及楼房侧方38 m外的彩虹桥.运用理论计算并结合数值模拟方法对楼房倒塌距离、爆破振动、爆破冲击波、爆破飞石距离和触地振动进行爆前验算,用沙袋草垫墙和开挖减震沟的方法对触地振动进行防护,用沙袋草垫和钢板组合对倒塌方向的公路进行防护,人工焊接钢结构对楼房后侧污水管进行防护.经过测量,酒库处振动峰值为0.28 cm/s,彩虹桥处振动峰值为0.77 cm/s,满足爆破振动要求.%The demolition project of three buildings with 58.5 m height in Maotai District need demolition,the surroundings are

complicated,including the wine storehouse and jar lying 60 m outside,the road lying 21.5 m away and the glass factory lying 50 m nearby,the sewage pipe lying 2.4 m behind,and the rainbow bridge lying 38 m on left.The combination of theoretical calculation and numerical simulation was used to check the building collapse distance,blasting vibration and blasting shock wave,and blasting fly rock and touchdown vibration.To prohibit the touchdown vibration,the sandbags was adopt to fill up

walls.Meanwhile,the sandbags and the steel plate were used to protect the collapsed road,and the manual welding steel was also used to protect the sewage pipe lying behind the buildings.The peak vibration of wine factory was measured as 0.28 m/s,and the highest point of rainbow bridge was 0.77 cm/s,which is far less than the requirement value.

【期刊名称】《爆破》 【年(卷),期】2017(034)002 【总页数】6页(P85-90)

【关键词】爆破拆除;安全防护;数值模拟

【作 者】汪帅文;赵明生;池恩安;郭春阳;欧阳天云

【作者单位】贵州大学 矿业学院,贵阳 550000;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550000;贵州新联爆破工程集团有限公司,贵阳 550000;贵州大学 矿业学院,贵阳 550000;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550000;贵州新联爆破工程集团有限公司,贵阳 550000;贵州大学 矿业学院,贵阳 550000;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550000;贵州新联爆破工程集团有限公司,贵阳 550000;贵州大学 矿业学院,贵阳 550000;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550000;贵州新联爆破工程集团有限公司,贵阳 550000;贵州新联爆破工程集团有限公司,贵阳 550000;武汉科技大学 理学院,武汉 430000 【正文语种】中 文 【中图分类】TU746.5

在高大建筑物爆破拆除工程中，防护是控制爆破危害的主要手段，也是爆破拆除工程成本最大的一部分。在施工过程中，要保护的对象往往有多个，为了确保安全，往往加大对周围保护物的防护力度，加大对震动控制的投入，虽然起到了很好的防护效果，但是同时也存在防护过度的问题。对于高大建筑物的爆破拆除，怎样才能做到安全防护并且避免防护过度，对爆破从业者提出了较高的要求。不同保护物防护范围和强度各有不同，而防护范围和强度究竟该达到什么程度？以茅台环境整治

2号地块40#、41#、42#高层建筑物爆破拆除工程为例探讨防护过度问题。 1.1 工程概况及周围环境

以茅台环境整治2号地块40#、41#、42#高层建筑物爆破拆除工程为例，大楼东西长26.4 m，南北宽23.4 m，各楼间间隔为20 m，地面以上是18层标准层楼层，标准层每楼层高3.0 m，标准楼层高54 m，总高度58.5 m。大楼属剪力墙结构，现浇混凝土形成一个整体的框架结构，与茅台钟楼结构相同[1]，单栋楼重量为2.7万t。楼房北侧为赤水河，沿河岸防洪堤上搭设有茅台酒厂污水管道，下方为茅台镇排污沟，40#楼、42#楼距污水管道仅2.4 m，41#楼距污水管道为4 m。楼房东侧38 m为彩虹桥，楼房南侧为菜场(已拆迁)和茅源路，路宽24 m，42#楼距公路仅21.5 m，41#楼距公路约30 m，40#楼距公路约44.8 m，茅源路南侧为茅台酒厂生产车间，楼房西南侧约60 m为茅台酒厂酒库，酒库内存放的是茅台酒厂的陈年老酒，西侧为39号楼(爆破前已机械拆除)。楼房地面，公路和酒厂生产车间不在同一水平面。周围环境复杂，需要防护的对象有酒库盛酒酒坛、酒厂生产车间、彩虹桥、楼房后侧污水管道和茅源路，总体概况如图1和图2所示。

1.2 周围设施和建筑的保护要求

(1)楼房北侧为茅台酒厂污水管及排污沟，如图1所示，污水管道及排污沟内侧的防洪堤为素混凝土砌体结构，排污沟宽5 m。要尽量保护污水管道和排污沟不受破坏。

(2)楼房东侧为彩虹桥，距离42#楼38 m。彩虹桥的振动控制要求在8.0 cm/s范围内。

(3)楼房南侧为茅源路，应保护路基及路灯等设施不受破坏。

(4)茅源路南侧的茅台酒厂生产车间，防止生产车间玻璃受到冲击波和爆破飞石的破坏。

(5)爆区倒塌方向侧边60 m是茅台酒厂酒库，酒库内存放着数百吨茅台酒厂陈年原浆老酒，盛酒的酒坛最长有使用60年的，没有酒坛抗振标准的相关资料给予参考，所以爆破前对酒坛可承受爆破震动峰值进行了多次验算[2-5]，得出酒坛可承受峰值震动荷载为10.17 cm/s。 2.1 爆破方案及楼房倒塌范围计算

爆破设计三栋楼房的倒塌方向均为向南倒塌，爆破总体方案为单向双折叠定向倒塌，每栋楼采用两个爆破切口[6,7]。主切口选在3～6层，共4层，采用三角形切口，预留后侧1.5 m范围内墙和柱，形成足够的铰链支撑。40#、41#楼折叠切口选在12～13层，采用三角形切口，预留后侧1.5 m范围内墙和柱。42#楼楼体前沿距离茅源路只有21.5 m的距离，倒塌场地十分狭窄，为减小爆堆范围，采用多折叠爆破切口[8,9]。由定向倾倒的拆除建筑运动解体的过程和爆堆的宽度经验公式和“建筑物倒塌多体-离散动力学”来模拟计算拆除楼房解体规律和爆堆形态和纯剪力墙高层楼房及其倒塌特点[10]，对其倒塌过程，我们可以简化为几个板块进行几何推算。推算过程见图3。

图3(a)中42#楼在3～6楼取下切口，在12～14楼取上切口，在图3(c)中可以测算得倒塌距离为20.06 m，小于21.5 m的场地限制。在实际施工中，上下切口间的9层，在16、17层设置爆破“铰链”，爆破切口形成原地坍塌，使得上下部分楼体再次受到冲击压缩，进一步控制楼体的倾倒长度[11-13]。 2.2 安全验算

(1)爆破飞石安全距离校核验算

根据工科院力学所推荐的公式估算，本工程飞石最大距离约为60 m，必须采取措施予以防患。 (2)爆破振动

工程所有的爆破切口都位于地面以上，处于临空状态，因此爆破振动不至于对周围

建筑及设施造成损害。 (3)楼房坍塌落地振动验算

高大楼房爆破拆除触地振动危害一般比炸药爆破产生的振动危害更大，依据塌落振动速度衰减的经验公式[14]

式中：V为塌落振动引起的地面质点运动速度，cm/s；M为下落构件的质量，整栋楼质量为15 000 t，通过爆破切口划分将整楼分成三部分依次触地，塌落的最大单元块质量按照4166 t计算；g为重力加速度，取为9.8 m/s2；H为构件重心的高度，取42 m；σ为地面介质的破坏强度，有条防护垫层，此处取值2 MPa；R为观测点距冲击地面中心的距离，酒库距离R=50 m，彩虹桥距离R=38 m；Kt、β为塌落振动衰减系数和衰减指数，β是负值；在地面没有开挖减震沟槽、没有铺垫减震层的条件下Kt=3.37～4.09、β=-1.66～1.80；当地卖弄铺设减振垫层后，塌落振动衰减系数Kt仅为原状地面的1/4～1/3，此处Kt取0.8425，β取-1.67。

以此公式计算得酒库处的振动峰值为V1=0.102 cm/s，远小于酒坛可承受峰值震动荷载10.1757 cm/s；彩虹桥处的振动峰值为V2=0.162 cm/s，小于彩虹桥所要求的8.0 cm/s的安全值。 3.1 防护措施

(1)对振动和公路的防护：在每栋楼房触地点为中心35 m×35 m范围，用挖机将硬化的水泥地面翻松后整平，分别堆砌2～4条长35 m、宽3 m、高3 m的砂袋墙，砂袋墙内设0.3 m厚草垫层，形成柔性材料夹层，达到降低触地震动的效果。在40#楼与酒库之间开挖两条长60 m、宽4 m、深4 m的减震沟，在42#楼东侧10 m处开挖一条长40 m、宽4 m、深4 m的减震沟，降低爆破振动和触地坍塌振动对酒库和彩虹桥的影响。对茅源路的路肩砌筑砂袋护坡并埋设10 mm钢板，在路面砌筑1.5 m高的砂袋并铺设10 mm厚钢板。砂袋墙和减震沟的平面布置如

图4所示。

(2)对楼房后侧污水管道防护：爆破过程中的飞散物会从高处坠落直接冲击茅台酒厂排污管和排污沟盖板。对污水管的保护，采用防护钢板遮盖的防护措施，防护钢板的搭设采用16#工字钢作为主要支撑骨架，横向支撑采用14#槽钢作为钢梁，钢架上铺设10 mm厚的钢板呈45°斜面，分散垂直冲撞力。在污水沟沟盖板的上方铺设0.5 m×0.5 m方格的脚手架钢管，防止大块混凝土冲破沟盖板。钢结构总防护长度为144 m，两边超出40#、42#建筑物的侧面各12 m，能有效的覆盖楼房建筑块体的塌散范围。污水管沟钢结构防护见图5所示。

(3)对飞石的防护：在正对面的爆破切口悬挂两层胶皮网覆盖防护，用铁丝牢固绑扎密实后再加一层建筑兜网，加强覆盖防护的整体性形成近体防护屏障。在爆破切口和倒塌方向对面的茅台酒厂A1-03、A1-05厂房外墙搭设9 m高、146 m长的脚手架防护排架，悬挂3 cm厚的棕垫+密目钢丝网作为远体防护屏障。 3.2 数值模拟分析

为了取得更好的爆破效果，利用有限元方法对楼房爆破拆除倒塌过程进行数值模拟，模拟三幢大楼爆破倒塌的过程，以及爆破施工时对周边重要场所茅台酒厂酒窖的爆破振动影响。运用LS-DYNA相关的前处理软件建立有限元模型，并使用LS-DYNA商业软件进行分析计算。模型如图6所示，混凝土材料采用弹塑性模型*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE。楼房爆破效果如图7所示，倒塌距离为19 m，茅台酒厂位置处的地面单元振动速度峰值不超过0.22 cm/s。 各测点位置如图1所示，测点一距爆区55 m，测点二距爆区60 m，测点三距爆区72 m，测点四距爆区72.8 m，测点五距爆区59 m，测点六距爆区49.5 m，测点七位于彩虹桥桥墩处距爆区38 m，测点八位于彩虹桥桥面处距爆区38 m，测点九距爆区68 m，测点十距爆区73 m(在河对岸)。监测结果显示，酒库处的最大振动峰值为0.28 cm/s，彩虹桥处的最大振动峰值为0.65 cm/s，检测到的最大

振动峰值在倒塌前方的酒厂厂房，振动峰值为0.77 cm/s。

爆破后，三幢高楼严格按照设计方向定向倒塌(如图8)，倒塌距离最远为18.2 m，爆堆高度最高为14.9 m，爆堆全部在缓冲防护范围内，塌散效果较好。从爆破录像分析和周边环境勘察情况反馈，无爆破飞石破坏周边建筑，在爆破后未接到茅台酒厂酒库酒坛损坏的报告。但是爆破后三栋楼房出现

了后座现象，其中40#楼的后座强度比较大，导致40#楼背后的污水管受到小面积的损坏。

(1)通过楼房爆破前后数据对比(见表1)，可以看出，路肩上的大量防护并没有发挥作用(见图8)，彩虹桥处的震动验算和爆破检测结果均不足1 cm/s，远小于振动控制标准8 cm/s。

(2)对于楼房后面的污水管道和排污沟的防护，通过楼房爆破前后的图片对比(如图9)，爆破前蓝色线圈定的砖护栏还在，爆破后蓝色线内的护栏全部被推进了河道里，钢结构防护均外移，其中40#后座距离过大，防护的钢结构被推散到河道里，污水管道有部分破裂。排污沟为砖墙砌筑，从河面到楼房地基处为台阶状，楼房倒塌后座时，排污沟在巨大的冲击力下毫无抵抗力，而钢结构是附属在排污沟的台阶上，当排污沟整体受到冲击力时，钢结构也跟随移动，钢结构实质上没有起到保护污水管道和排污管的作用，钢结构防护耗时耗力耗材，茅台钟楼和此三栋楼房结构相同也紧邻赤水河，2013年楼爆破拆除钟楼时对污水管道投入很大防护，但楼房后座还是把污水管冲垮了，由此可得污水管道安全防护不是很合理。

(3)在爆破切口和倒塌方向对面的茅台酒厂A1-03、A1-05厂房外墙搭设9 m高、146 m长的脚手架防护排架，悬挂3 cm厚的棕垫+密目钢丝网作为远体防护屏障。通过高速摄像仪观察，发现爆破飞石最远距离42.5 m，还没有飞过马路。由此可见，对酒厂的防护采用悬挂草垫即可，没必要搭设146 m长的脚手架。 (4)高大建筑物爆破拆除工程，若要在保证被保护物安全的前提下降低防护成本，

即避免防护过度，关键在于对爆破技术的把握和爆前危害范围的科学论证。

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