关键词 钢筋混凝土支撑 控制爆破 爆破震动 炮孔堵塞
1 引言
城市建设中，高层建筑迅速发展，超深超大型基坑越来越多。基坑中多采用钢筋混凝土梁柱进行支撑，其具有强度高、安全可靠等特点。但也给后期拆除工作带来困难。目前，基坑支撑拆除主要以爆破拆除为主。而钢筋混凝土支撑爆破过程中会产生大量飞石、强烈的冲击波及地震等危害，对周边人员、建筑物和在建构筑物安全构成威胁。因此，对深基坑钢筋混凝土支撑拆除技术进行研究很有必要。本文以武汉泛海城市广场二期工程基坑钢筋混凝土支撑爆破拆除为例进行探讨。
2 工程概况
武汉泛海城市广场二期工程位于武汉CBD云彩路和淮海路交叉口西北角，西面50米范围内为已建成的泛海城市广场一期工程，场地四周交通繁忙，爆破环境复杂。该工程前期的主要任务是基坑的开挖和基础建设。基坑主体形状呈矩形，开挖过程中采用钢筋混凝土支撑体系对地下墙进行临时支护。钢筋混凝土支撑分为上下两层，在水平支撑梁节点处采用钢格构柱作为临时竖向支撑构件（如图1）。
基坑平面尺寸为150m×80m，边壁为混凝土灌注桩构成的地下连续墙，基坑开挖深度为11.5m。水平支撑主梁截面尺寸为1200mm×800mm，配筋率为1.17%，辅梁截面尺寸为1000mm×800mm，配筋率为1.11%。箍筋直径为10mm，间隔为15cm。根据施工进度安排，待下一层楼板浇筑好一定时间后，爆破拆除上一道支撑。爆破拆除要保证周围建筑设施安全的前提下，尽可能使混凝土脱离钢筋，便于机械清理。
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图1 基坑钢筋混凝土支撑系统示意图
3 支撑爆破拆除机理
爆破过程中，药包周围形成粉碎区、破裂区及震动区，爆破拆除中主要研究破裂区的应力状态。
普通混凝土其内部介质相对均匀，其力学性能与普通岩石相似。钢筋混凝土支撑中，混凝土属于脆性材料，主要承受压应力，钢筋属于韧性材料，主要承受拉应力。由于混凝土和钢筋的相互作用，其受力状况并非两种材料的简单叠加。根据二者的特点，其爆破机理[1]为 ：炸药爆炸后，混凝土首先达到抗拉破坏强度，产生微小变形，爆炸空腔不断膨胀，混凝土将径向压力传递给钢筋，使其变形不断增大，直至达到极限强度或混凝土脱离钢筋。此过程中，混凝土破裂后的传压过程视为不可压缩，并将钢筋网中两结点间的横向钢筋简化为简支梁受力。钢筋中的应力采用下式计算
σ=M/W (1)
式中：σ为钢筋截面应力；M为延径向累积作用于钢筋上产生的弯矩；W为钢筋的抗弯截面模量。当σ达到钢筋的极限强度时，钢筋产生较大变形或破坏。即
σ≥[σ] (2)
式中：[σ]为配筋的极限强度。
钢筋破坏的同时，由于混凝土在压缩过程中积蓄了弹性应变能，使相应质点产生反方向的径向运动。当产生的拉应力达到混凝土的抗拉强度时，混凝土中出现环向裂隙。形成不同大小的混凝土块体。最终，块体本身的动能及爆生气体作用，使混凝土破碎并松动或抛掷出去。鉴于混凝土与钢筋的共同作用，基坑钢筋混凝土爆破拆除时，其炸药单耗(如表）远高于普通岩石爆破[2]。
表1 钢筋混凝土支撑单位耗药量
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注：由于节点、围檩处临空面减少，配筋增加1倍
以上，k值增加50%
4 爆破拆除施工工艺及防护措施
爆破拆除钢筋混凝土支撑梁，其主要目的是使混凝土脱离钢筋的约束。鉴于其受力特性，爆破过程中在炮孔布置、起爆网络设计等方面都有不同于普通爆破的特点。
4.1 支撑梁中炮孔布置
基坑钢筋混凝土支撑梁中炮孔一般垂直于梁，平行于梁的长边。通常采用浇筑混凝土时预留炮孔或用手风钻钻孔方式造孔，设计炮孔直径φ=3～5cm。支撑梁布孔形式依据梁的尺寸分为单排孔、双排孔和多排孔。孔深一般取L=δ，δ为钢筋混凝土支撑梁长边厚度。对于梁断面宽度较大的钢筋混凝土支撑梁，采用双排孔或多排孔的布孔形式，设计孔距a≈7～10φ，排距b≈a，两侧的临空面抵抗线WP≥a。单孔装药量[3]：
(3)
式中：K通常取为4～6。
若支撑梁断面宽度较窄，可设计为单排孔或双差孔布孔形式，设计孔距a≈6～8φ，且双差孔形式时双排孔均距梁中心轴2～4cm,以确保支撑梁两侧爆破效果。单孔装药量：
(4)
式中：q参照表1取值。
对于多排孔布孔形式，布孔形状可为矩形、菱形或梅花形布孔。各种布孔方式的选择原则是使抵抗线W最小化，以便达到爆破效果（如图2）。
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图2 炮孔布置方式示意图
4.2 起爆网络设计
工程中钢筋混凝土支撑梁爆破通常与建筑物施工同时进行，现场干扰因素较多，且有感应电流、杂散电流等危险因素存在。爆破网络中，采用簇联法作为段内连接，孔外毫秒导爆管雷管延时、孔内半秒导爆管雷管延时，其脚线长分别为5m、3m，段别为MS-2（延期时间为25ms）、MS-3（延期时间为50ms）和段别为HS-2（延期时间为0.5s）、HS-3（延期时间为1.0s）。形成总体串联、局部并联的起爆网络，以串联方式连接的10号电雷管完成起爆。单个簇联网络段为一响，单段炸药量控制在2～3kg，即7～10个炮孔装药量，以控制爆破震动，如图3。
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图3 簇联法传爆网络示意图
此外，优化相邻炮孔起爆顺序对顺利破碎混凝土也能起到良好的效果。钢筋混凝土支撑梁布置多排炮孔时，确定合理的起爆顺序，能够使先爆炮孔为后续炮孔提供松动空间。以3排炮孔为例（图3），总的爆破网络以微差延迟爆破为主，支撑梁同一段炮孔中，采用孔内微差延迟起爆，先起爆①、②排炮孔，再起爆③排炮孔，前两排炮孔爆破之后为最后一排爆破提供了临空面，其抵抗线由W1减小为W2，更有利于梁的整体破碎。
4.3 优化炮孔堵塞
炮孔堵塞是爆破施工中的一个重要环节。在深基坑钢筋混凝土支撑爆破中，炮孔堵塞材料的选择、堵塞长度以及堵塞的密实度等对爆破效果影响显著。爆炸时炮孔堵塞时间越长，炸药的化学反应越完全，爆炸冲击波和爆生气体更能充分发挥其破坏能力，提高炸药能量利用率，避免炮孔堵塞物过早逸出，造成堵塞方向产生大量飞石。基坑混凝土水平支撑炮孔竖直向布置，炮孔堵塞尤为重要。
从炮孔堵塞的作用机理可知，优化炮孔堵塞参数和堵塞结构，能够很好的延长炮孔堵塞时间，堵塞时间可以通过理论公式进行估算[4]:
(5)
式中：T为堵塞物冲出炮孔所需要的时间，ls为炮孔堵塞长度，ρ为堵塞物密度，db为炮孔直径，pa为爆生气体初始压力，lb为炮孔长度，γ为绝热（等熵）指数。
式（5）表明，堵塞时间T的大小与炸药的种类、炮孔堵塞长度、以及炮孔直径有关。对于同一种炸药，炮孔堵塞长度越大，即ls值越大，炮孔堵塞时间越长；堵塞物的密度ρ越大，堵塞时间T值亦随之增大。
另外，由于爆破产生的爆压比一般堵塞物的强度高，因此，堵塞物颗粒强度对堵塞作用有限，而颗粒形状是堵塞物产生集料联锁的关键因素，集料联锁能够在堵塞物和孔壁之间形成楔子效应。通过试验，可以确定不同炸药量下的最优堵塞物颗粒尺寸，即此时的堵塞长度最小。根据实验经验，堵塞长度一般为最小抵抗线的1.2～1.5倍[5]。
4.4 优化施工工艺
4.4.1 支撑梁中箍筋切割法
钢筋混凝土梁中炮孔的最小抵抗线不能仅仅依靠测量的方式来获取，必须将支撑梁的纵筋、架立筋以及箍筋布置考虑在内。钢筋配筋率的增大，间接增大了相应面的抵抗线，要达到设计的爆破效果，势必要提高炸药单耗。增大炸药单耗又会致使飞石、震动等危害，为进一步控制炸药单耗，可以采用切割钢筋混凝土支撑梁侧面箍筋的施工措施。
在钢筋混凝土支撑梁中，箍筋与纵筋、架立筋共同构成钢筋网，形成夹制作用，破坏中需要消耗大量的能量。切断侧面箍筋，减弱箍筋裹夹效应，间接减小此处等效抵抗线长度，以达到降低炸药单耗的目的（图4）。
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图4 支撑梁侧面箍筋切割试验
4.4.2 爆破过程中震动控制
基坑钢筋混凝土支撑爆破施工周边环境比较复杂。为防止爆破中产生过大的震动，可在基坑钢筋混凝土支护系统中围檩和地下墙的交界面处设置一排竖直向的能量隔离孔，隔离孔为 20mm×800mm的空气孔，孔间距设为100mm。用计算机进行数值模拟，用孔后混凝土的损伤度来判断隔离孔的隔震效果，结果如表2所示[6]：
表2 不同方案测点损伤度对比.png)
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由表2知，能量隔离孔能起到很好的阻隔效果，在稍远一点的2#测点处效果更明显。根据能量隔离孔的原理，施工者可以将隔离孔扩大成隔震带，或者将连接部位切断以减少能量向基坑外传递。
4.5 飞石防护措施
爆破过程中，一般会产生大量的飞石，其危害相当大。特别是周围有在建工程，或其他固定防护对象时，做好飞石防护工作更为重要。飞石防护工作一般从爆源、传播空间、被防护对象等方面着手，主要采用下面几种措施：
（1）压盖法。在炮孔处压盖沙袋（图5），能够缓冲爆炸飞石的冲击力，并在沙袋上方平铺塑料水袋，能够防止爆破产生大量粉尘。
（2）设置防护棚。钢筋混凝土水平支撑下层爆破时，可以在上层支撑上搭建防护棚。比如橡胶轮胎片防护棚、栅板钢管组合棚、塑料防护网等。也可以将上面几种防护材料组合一起使用。同样，上层爆破时也可以搭建相应的防护棚，但要求防护棚与爆破点的距离不小于2米。
图5 现场防护棚及沙袋和水袋压盖
(3)包裹法。若防护对象体积比较小，比如变电站等，可以用竹排、木板或钢板将被防护对象包裹起来，以防止飞石撞击。若其体积较大时，可以用上述材料搭建防护墙等。
5 工程爆破试验
爆破中采用分组爆除中间层支撑梁：一组将切断支撑梁两侧箍筋；另一组未切割箍筋。炮孔中装填乳化炸药，炮孔直径为4～5cm,长度为60cm，堵塞长度为25～30cm，孔距为30～40cm,堵塞材料为石膏和速凝剂用水搅拌装填形成。分单孔装药量均为150g[7]。在每个炮孔口都压盖沙袋，沙袋上面覆盖塑料水袋，每个水袋大致能覆盖3～5个炮孔，爆破区域周围用橡胶轮胎片防护棚屏蔽。起爆网络采用簇联法作段内连接，孔内为半秒2～3段塑料导爆管雷管延时，孔外采用毫秒2段塑料导爆管雷管延时连接，用10号电雷管起爆，总体串联、单段并联起爆网络。.png)
图6 未切割箍筋支撑梁爆破效果
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图7 切割箍筋支撑梁爆破效果
通过试验对比发现（如图6、图7）：①切割箍筋支撑梁爆破效果更好，钢筋与混凝土的脱离程度更高；②爆破后现场未产生较大粉尘，采用水袋水袋覆盖支撑梁起到了较好的粉尘控制效果。
6 结论
在深基坑钢筋混凝土支撑系统爆破中，采用以下措施能够达到较为理想的爆破效果：
（1）采用切割支撑梁两侧箍筋的施工工艺有助于支撑梁的拆除。
（2）钢筋混凝土支撑与围檩接触部位设置的空孔能够有效阻隔爆炸冲击波，对地下连续墙及周边建筑物有很好的保护作用。
（3）采用密度大且与炮孔粘结效果好的堵塞材料，可以增加阻力，延长堵塞时间，有利于达到爆破效果。
（4）采用沙包、水袋覆盖炮孔部位并设置防护棚能够对爆破飞石和粉尘进行很好地控制，满足工程安全与环保要求。
参考文献：
[1]张奇.钢筋混凝土拆除爆破机理及参数的研究
[2]黎剑华.深基坑支撑维护系统的控制爆破技术研究
[3]杨人光等.建筑物爆破拆除.中国建筑工业出版社，1985.
[4]罗勇.炮孔合理堵塞长度的研究
[5]韦爱勇等.控制爆破技术.成都：电子科技大学出版社，2009.
[6]王祺.深基坑临时支撑控制爆破拆除数值分析
[7]叶建军.钢筋混凝土杆件轴向预埋孔绿色拆除爆破技术.科学技术与工程，2016.17（10）:151-158.
论文作者:丁留涛 张然 张仁东,
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷24期
论文发表时间:2020/4/26
标签：钢筋混凝土论文; 基坑论文; 混凝土论文; 钢筋论文; 飞石论文; 炸药论文; 防护论文; 《建筑实践》2019年38卷24期论文;