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22层高楼爆破拆除方案探讨

发布人: 日期:2012-10-18 点击量:1655次 】【关闭

 

 
 
一、概况:
1、建筑物基本情况:
原上海文汇报社大楼位于黄浦区虎丘路50号,地处“外滩源”改造项目的中心地带。该大楼建于1990年,为高90.7米,22层框剪结构的近代建筑。标准楼层长28.89米,宽19.2米,层高3.6米;该楼北侧一至八层各楼均建有楼层通道和北面虎丘路66号大楼相连,大楼总建筑面积约为14000平方米。
2、周边环境:
该大楼位于虎丘路东侧,大楼纵轴线与虎丘路斜交,大楼西侧为虎丘路人行道,人行道外侧距大楼2米处有1万伏高压电线,虎丘路宽8米,对侧为待拆二、三层砖混居民楼;大楼东侧10米外为与之平行的30年代市级优秀保护建筑----原中华基督教女青年会大楼;大楼南侧有5米左右通道,与市级优秀保护建筑----上海早期四层砖混结构居民楼相邻;大楼北侧为8-10层正在拆除的框架结构旧建筑,该建筑拆除后文汇报大楼将在正北方拥有25米左右的拆除空地,该大楼距东侧圆明园路约40余米,距南侧北京东路约90米,距北侧香港路约100米。该大楼周边150米范围内分布有近十幢建于上世纪二、三十年代的市级优秀保护建筑。
3、拆除施工要求:
上述22层大楼地上部分需拆除至地坪,地下的地下室结构及地下基础将依需要后期进行拆除。
  4、拆除工程特点:
(1).大楼本身拆除难度极高
该栋待拆除高层建筑为九十年代完工的新建筑,楼层层面面积小,仅500余平方米,但楼高90.7米,仅低于国内爆破拆除第一高楼---温州中银大厦2.3米。为保证结构稳定,该楼采用框剪结构,整个楼层除了外侧八根截面为120×60cm2的立柱外,均由中心部位的电梯井、楼梯间现浇筒体及外侧局部剪力墙承重,故爆破预处理施工量大。大楼本身的结构形式使大楼主体的爆破拆除难度增大。
(2).楼房爆破拆除环境恶劣
该栋高楼紧邻虎丘路东侧,人行道上万伏高压电线杆仅距其2米距离,离南侧、东侧近代市级优秀保护建筑仅5至10米,相邻“外滩源”区域中还分布有十余幢上海早期优秀保护建筑,因此爆破环境的艰险可谓是国内外罕见,对爆破作业的周边地上地下环境保护及安全施工的要求极高,目前国内外爆破拆除的传统爆破方式及安全防护措施恐难以兼顾楼房的爆破拆除成功与周边环境的安全无损。
(3).拆除施工工期长
该大楼爆前预处理工作量大,但楼房周边及楼内均缺乏必要的施工作业空间,因楼层面小,机械较难展开作业,而人工作业效率低且工期长,故大大增加了爆破作业的施工周期。
 
二、爆破原理:
(一)控制爆破拆除技术:
控制爆破是一项新型的爆破技术,它利用爆破规律,通过精心设计、施工和防护等技术措施,严格控制炸药能量的释放过程和介质的破碎过程,以达到预期的爆破效果。城市建设的发展对控制爆破技术提出了许多艰难任务,特别在闹市区中进行拆除控制爆破更是一项难度很大、技术性要求高并有一定风险的作业,地面建筑物爆破拆除的基本原理和方法是将少量炸药(或炸药聚能切割器)埋放或安装于结构支撑和连接的关键部位,炸药引爆后,将使结构的整体性受到破坏,稳定性丧失后靠结构自身重量作用产生塌落或倾倒,在塌落过程中肢解和破碎解体。由于建筑结构形式、材质、几何特征和所受荷载情况各异,拆除爆破工作必须充分了解结构物构件和整体特性、受力状况和稳定条件三大要素,根据建筑力学原理精确设计、精心施工,正确使用爆破器材,将炸药埋入结构关键部位,并按一定顺序起爆,才能做到安全可靠地控制结构破坏失稳、定位倒塌解体的目的。
(二)高层建筑控制爆破现状:
目前控制爆破拆除技术己在全国各地,尤其在上海市的市政建设改造中得到了令人瞩目的广泛应用,并取得了质量好、速度快、费用省、安全可靠的显著效果。
随着国内城市化、高层化趋势的加速发展以及大中城市整体规划、城建改造的大规模实施,城市高层建筑控制爆破的需求己被快速摆上全国爆破拆除行业的议事日程上,成为一项近年来迅速发展的高新技术。它可以变高空风险人工作业为地面机械破碎,大大减轻了劳动强度,大大提高了安全度,拆除速度快,省时、省力、安全可靠,具有不可取代的技术优势。我公司自九十年代后期以来,参加了全国首次高层建筑爆破工程——上海16层长征医院大楼的联合控爆拆除工程,成功地实施了高层建筑定向塌落控制爆破。以后又先后独立成功完成了徐汇区淮海中路八层框架结构的高塔公寓、静安区九层的剪力墙结构威诺大楼、浦东珠光苑十一层剪力墙结构大楼的爆破拆除工作,从中积累了大量高层建筑控爆拆除的一手资料和丰富实践经验。2004年6月,我公司曾承担本市二幢高层建筑的爆破拆除任务(一幢为68米高的16层框剪结构建筑物,另一幢为51米高的14层框剪结构建筑物),爆破拆除总面积达到41,635平方米,难度为国内外所少见。为了确保周边环境的安全,降低高层建筑塌落时巨大位能转换成触地冲击动能对周边地上地下建构筑物的震动影响,我们没有采用国内其它高层建筑爆破拆除的传统方式---定向爆破倒塌方式,探索出一套微差起爆、原地塌落的爆破新路子,将高层建筑塌落时的巨大位能消耗在塌落过程中挤压、破碎、自身构部件解体中,从而大大降低了塌落震动,并实现爆堆小、解体充分的目标。
 
三、关于文汇报社大楼爆破拆除的设计考虑:
根据文汇报社大楼本身的框剪结构特点以及其所处“外滩源”的爆破现场环境条件,根据目前高层建筑控制爆破的最新技术发展,我们分别就大楼的爆破拆除定向倾倒方式以及爆破拆除微差起爆、原地塌落方式作一简要分析。
 
(一)定向倾倒爆破拆除方式:
 
1、定向倾倒爆破方式原理、特点及设计思想:
城市控制爆破拆除中运用最为广泛、使用历史最长的应该是定向倾倒方式。只要场地条件允许,定向倾倒具有设计思想简明、技术设计可靠、风险性小且爆前工作量小等优点。
定向倾倒爆破拆除中运用的基本原理和方法与人们砍树的道理是一样的。砍树是用斧子在树干底部砍出一个楔状缺口后,树干在重力作用下向一侧倾倒,而楼房定向爆破是在建筑物底部炸出一个缺口,从而使整个建筑物的稳定性遭受破坏,导致其重心失去平衡后外移,在其本身巨大的自重作用下形成倾覆力矩,向预定方向倾倒,落地撞击破碎。通常楼房的爆破切口也像砍树的切口形状一样为三角形,也可以是梯形四边形。
定向倾倒爆破拆除虽然长期以来获得广泛应用,但这种爆破方式有二个必要条件或局限性:(1)考虑到拆除楼房的高度及前冲作用,在楼房定向倾倒方向必须有足够的塌落范围,通常倾倒方向的空地距离约需大于楼房高度的1.2倍。(2)定向倾倒中,楼房几乎作为整体,围绕支撑铰链点转动倾覆,高楼的巨大位能大部分转化为落地时的冲击动能,因此,触地时的塌落震动较大,设计人员必须确保楼房的爆破震动和塌落震动不能超过邻近建筑物及设施的安全震动允许值。
文汇报社大楼因南侧、东侧均相邻保护建筑,西侧为虎丘路,故仅有北侧可考虑作为倾倒的唯一选取方向,但文汇报社大楼高90.7米,如果在大楼底部一至三层开设三角形爆破切口,其北侧需有一个长度超过100米以上的倾倒空地。即使将此三角形爆破切口上移到九层至十一层,仍需有一个超过50米长度的倾倒空间。即使是采取折叠式定向倾倒方法,即在该楼15-16层,19-20层再增加二个爆破三角形切口,使其在爆破过程中,利用层间折叠空中解体,进一步缩短塌落距离的话,也需40米左右的安全塌落空间。上海长征医院16层病房楼,高67米,采取上述定向折叠方式,最终倾倒方向的堆碴范围约40米。但因为目前文汇大楼纵轴方向与虎丘路不平行,向北斜向虎丘路,故大楼向北侧倾倒后,楼房的主体结构将倾覆在虎丘路上,这样不仅砸断了虎丘路东侧人行道上的几十米长度的1万伏高压线路与电线杆,而且对虎丘路地下各种水、电、气管线也会造成严重的损伤,并殃及虎丘路西侧的众多建、构筑物。
 
2、定向爆破对周边设施及保护建筑安全的影响分析:
对于高层建筑物的爆破拆除,爆破震动与塌落震动对周边建构筑物的影响是此类楼房爆破拆除中安全设计的首要考虑。
 
(1).爆破震动及建筑物的塌落震动的预测计算
根据GB6722-86《爆破安全规程》,城市典型的建(构)筑物地面质点的安全震动速度规定为:
一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物   2-3 cm/s
钢筋混凝土框架建筑 5 cm/s;
古建筑与古迹    0.1- 0.5 cm/s
上海市标准DBT08-70-98《建筑物、构筑物拆除技术规程》中爆破拆除中地震波垂直速度V,飞石距离、冲击波的安全计算均按国标《拆除爆破安全规程》中规定处理。
邻近建(构)筑物地面质点的安全震动速度计算公式为:
 
    V=K(Q1/3/Ra 
 
Q齐发爆破所取炸药量,微差爆破取最大一段药量;
 
R测试点距爆心距离;
 
K、a:与爆破点地形、地质等条件有关的系数和衰减指数。
 A、地面爆破震动速度的计算:
采用逐段微差起爆,最大一次齐爆药量不大于2kg,爆心距离保护建(构)筑物最小距离假设为10米。
 V=k(Q1/3/R)a=50[(2)1/3/10]1.6 = 1.82cm/s
这样的垂直震动速度虽然对周边一般建(构)筑物还是安全的,但对东侧(10米),南侧(5米)的保护建筑还是大大超过了的。
 
B、地面塌落震动速度的计算:
假设塌落楼房距最近保护建构筑物约10米,
V=0.08(I1/3/R)1.67
 
其中触地冲量:I=M(2gh)1/2 =1430000×(2×9.8×63)1/2 = 50.24×10 6牛顿.秒
 
则塌落垂直震动速度:V=0.08[(50.24×106)1/3/10]1.67=34.33cm/s
I冲量(牛顿.米)
M逐块塌落时平均块重(千克)
此处仅取该楼9层以上部份总体重量的10%。
g重力加速度(米/秒2
h塌落高差(米)
R塌落块中心距最近保护建筑物距离(米)
 
这样大的垂直震动速度即使在爆破中采取开挖防震沟、铺垫缓冲渣土、微差延迟分段起爆等各种安全减震措施,也是难以接近周边区域建筑物的安全震动速度的,更何况直接冲砸在虎丘路上,形成地面塌陷,其对地下管线的冲击震动与位移影响更是无法估算的。
因此对文汇报社大楼不能采取定向倾倒的爆破拆除方法。


(二)、微差起爆、原地塌落的爆破拆除方式
微差起爆,原地塌落的爆破拆除方式在国外常常被称为“内爆”方式----Implosion Blast。是目前国际上最先进的一种高楼爆破拆除方法。由于西方爆破公司实施技术保密,不发表相关论文,加之上述关键技术主要来自丰富的经验,目前尚无法对建筑物在爆破塌落过程中的动态现象进行定量估算与理论分析,所以国内尚未见到此类爆破实践的相关报道。 
我公司技术人员通过多年对国外相关广告宣传媒体的分析研究,在公司以往大量的楼房爆破拆除的丰富实践经验基础上,探索了一些微差起爆、原地塌落的爆破基本规律,并于2004年在进行68米高的16层框剪结构建筑物的爆破拆除中获得了初步成功。
如前所述,以往传统的楼房定向塌落方式类似于“砍树”过程,常常形成塌落范围大,楼房主体解体差(直立的建筑体变成了横躺的建筑体),主体结构对地面的巨大冲击往往引起周边较大的震动影响。而原地塌落“内爆”方式类似于“9.11”世贸大楼塌落过程,在塌落中其巨大的势能大部分消耗于自身结构的挤压、破碎、解体中,冲击地面的能量大大减小,并且塌落范围小,建筑物解体充分,便利爆后破碎清运工作。
我们的初步爆破设计方案如下:
在文汇报社大楼1-4层、8-9层、14-15层、19-20层进行爆前预处理。其中1-4层主立柱打梅花孔,中心部位剪力筒体墙进行切割处理成垂直立柱状并打孔,四周局部剪力墙均打横孔。8-9层、14-15层、19-20层各立柱按设计要求分别打4孔、3孔、2孔,剪力墙在中部开缝或打孔,形成楼体横向切割,起爆时,1-2层各层面纵向从北至南以0.3秒进行逐跨延迟起爆,横向从东至西作0.2秒的逐跨延迟起爆。而3-4层、8-9层、14-15层、19-20层分别依次延迟0.5秒起爆。这样起爆后,整个大楼将原地塌落,并向北略偏东倾倒。
根据我们的初步设计方案和经验预估,采用上述微差起爆,原地塌落的爆破拆除方式,该大楼爆破塌落堆渣范围可控制在大楼的北侧30米,东侧10米,西侧8米,南侧8米的范围内,大楼的塌落震动可以减少至定向塌落震动的1/4—1/5。解体程度将大大提高。然而虽然原地塌落爆破方式较之定向爆破方式有所改进,但仍不足以确保周边环境,尤其是东侧与南侧的保护建筑的绝对安全。此外虎丘路一侧1万伏高压线路的保护,爆前施工中小型机械如何运送至大楼高层,以加快施工进度,都是在施工进场前应预先解决的课题。
 
四、小结:
综上所述,就目前国内外高楼爆破拆除技术的发展水平,参照国标《爆破安全规程》有关各类建(构)筑物地面质点的安全震动速度规定,在“外滩源”文汇大楼的拆除工程中,不论是采取技术成熟、传统的定向倾倒爆破方式还是更先进、合理的微差起爆、原地塌落爆破方式,都无法保证在成功爆破拆除大楼结构的同时,确保周边设施、保护建筑的绝对安全。

因此,我们建议:
1、在考虑“外滩源”改建规划时,应在文汇报社大楼周边划出更大的拆除安全区域;
2、对虎丘路东侧的1万伏高压线路与相关的地下管线预先进行移位改道;
3、采取措施,将小型拆除机械运送至大楼顶层,以加快爆前予处理速度。
在上述准备工作的基础上,进一步优化、审核大楼的爆破拆除方案,以推动“外滩源”改造项目的早日实现。


五、结束语:
由于该大楼采用爆破拆除存在一定的风险,最后有关部门决定采用人工、机械拆除。此大楼于今年5月份开始拆除施工,我公司历经3个月的努力,采用机械、人工拆除的方法,安全、快捷的完成了此项拆除任务。
 
 

 

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