周家汉
                                                         （中国科学院力学研究所　北京 100190）
 
摘  要  如何设计计算高大烟囱或楼房爆破拆除时的塌落振动，作者回顾了爆破拆除时地面振动的传播和以往提出的塌落振动速度计算公式，并对公式及其中参数表述的物理意义进行了阐述和在实际工程中的选择应用。一些工程的实测数据和预报值一致。当采用减震措施后，爆破拆除时的塌落振动速度可以减小70％。
关键词  爆破拆除 塌落振动 振动速度

 
1.   前言
2007年初在第一届亚太地区工程爆破学术会议筹备组稿时，审读到郭跃良一篇关于“拆除爆破塌落振动的探讨”^[10]的文章。建筑物爆破拆除塌落撞击地面造成的振动随着高大建筑物拆除工程的增多已引起人们的广泛关注和重视。拆除爆破工程实践表明，建筑物拆除时塌落振动往往比爆破振动大。为了估算爆破拆除建筑物塌落的振动强度，他在文章中说，引用相关资料估算的塌落振动速度值比实测数值大很多。为此他在接受并参照已有爆破振动速度经验公式的结构形式，重新定义相关参数的物理意义，根据实测资料回归振动速度计算公式中的K、α值，其结果和工程实测数据接近。
他引用塌落振动速度计算公式时，认为中国科学院力学研究所于八十年代初根据拆除爆破振动速度实测结果，以量纲分析为基础，最早提出的塌落振动速度计算公式V =0.08×（I^1/3/R）^1.67。随后，其他一些研究报告基于各自的认识和拆除爆破施工实践提出的塌落振动速度都只是上述公式的修正形式。
1980年在秦皇岛耀华玻璃厂爆破拆除工程中，我们分析建筑物拆除爆破时周围地面产生振动的原因时就注意到有两种振动，一是被拆建筑物构件中药包爆破所产生的振动，二是由于建筑物毁坏塌落解体构件对地面撞击造成的振动。通过实测振动速度分析，1982年在全国爆破学术会议（福州）上我们发表了“建筑物拆除爆破塌落造成的地面振动”^[1]研究报告，该文收录在冶金工业出版社出版的《土岩爆破文集》第二辑。当时，我们认为建筑物爆破拆除的塌落作用似一冲量作用到地面，冲量大小与建筑物构件的质量和所在的高度有关。通过力学参数的量纲分析，给出的振动速度计算公式是V=0.284×（I^1/3/R）^1.67，其适用范围是(0.2<(I^1/3/R)<2.0)。可是在郭跃良文章中，还有一些讨论塌落振动的文章，都把公式系数0.284变成了0.08，我认为其原因是他们引用的参考文献不是作者的原文。
1986年作者在总结和分析石景山电厂爆破拆除工程中监测的塌落振动速度数据后，修正了冲量作用的看法^[2]。我们认为建筑物爆破拆除塌落造成地面的振动的物理过程是：建筑物所在高度具有的重力势能转变成构件的下落运动或是转动；下落冲击地面造成构件和地面破坏转变成破坏能；剩余能量在地面传播造成了周围地面的振动。地面的振动波形和能量不是单一脉冲波动的结果，因此以冲量表述塌落振动是不准确的。显然塌落造成的地面振动的大小与具有的重力势能相关，即与下落构件的质量和所在的高度有关，随传播的距离增加衰减。修改后的塌落振动衰减经验公式。
参考文献[1,2]收录在《土岩爆破文集》第二、三辑中。中国科学院力学研究所是作者工作过的单位。这里，作者有责任和权利对自己提出的论点进行修正和解释，或是讨论。为方便读者查询，作者已将本文及相关文献登录在《中国爆破网专家栏目》。
 
2塌落振动速度计算公式的物理意义
2001年作者在成都会议上发表了题为《高烟囱拆除爆破及塌落振动测量与分析》的研究报告[3]。我们在对烟囱爆破时产生的塌落振动进行了系统监测后，对烟囱类高大建(构)筑物爆破拆除的物理过程有了进一步的认识。根据实测数据分析和整理，作者将塌落振动速度公式改写成，式中Vt和将α改写成β，以区别炸药爆炸产生的爆破振动；去掉公式中的2，将其归并到系数K中。
塌落振动速度公式中，Vt－塌落引起的地面振动速度（cm/s），M －下落构件的质量（t），g－重力加速度（m/s²），H－构件的高度（m），σ－地面介质的破坏强度（Mpa），一般取10Mpa，R－观测点至冲击地面中心的距离（m）。
我们知道，一个随距离衰减的物理现象，在数学上是表述为一负幂次函数或负指数函数。建筑物爆破拆除引起的地面振动，无论是炸药爆破振动，还是构件下落引起的地面振动都是随着传播距离衰减的。通过量纲分析，我们可以采用无量纲参数组合的比例距离作为自变量。振动是随比例距离衰减的幂函数或指数函数，振动速度衰减的经验公式中的指数或是幂次应为一负数。但我们不少人习惯性的把比例距离倒着写，一些教科书还习惯性地代代相传，误将指数或是幂次写为正数。
定向爆破拆除高大烟囱时，爆破后烟囱将似一刚杆定向转动塌落。原则上我们可以把烟囱分解成很多小段（ΔH段高的相应质量ΔM），每一小段的塌落可当成集中质量体落锤的下落。这样，我们可以将整个烟囱逐段依次下落撞击地面看成一多点依次冲击地面的线性震源，线性震源导致观测点处的振动叠加可以通过积分获得。我们可以假定地面振动是弹性振动，同时不考虑相位和频率的影响，积分的结果必将和烟囱的全高和总质量有关。因此，应用上述塌落振动速度公式计算烟囱爆破塌落振动时，H为总高，就是烟囱的高度；M为总质量。g是重力加速度(10m/s²），σ为建筑物爆破后解体构件混凝土破坏强度，包含地面介质破坏的折合强度，以混凝土结构破坏为主一般取值10MPa。
 
3 塌落振动速度公式参数分析
塌落振动速度公式说明建筑物拆除爆破时的塌落振动速度与结构的解体尺寸和下落的高度有关，和构件的材料性质、地面土体性质有关。为了减小对地面的撞击作用，控制下落建筑物解体的尺寸十分重要；总体高度是改变不了的，但可以分层解体塌落；改变和地面接触的方式也可以减小振动的影响范围。
对于钢筋混凝土高烟囱的爆破拆除，当我们不得不采用定向爆破方法拆除时，因为简单定向爆破拆除最节省、安全。这时，整个烟囱倒塌的振动是难于通过分割截断烟囱筒体来减小对地面的冲击振动，只能在地面开挖沟槽、垒筑土墙改变烟囱触地状况，减小地面振动。
作者[5、6]根据数座高烟囱爆破拆除实测数据整理分析，不同数据组给出公式中的衰减参数Kt＝3.37～4.09，β＝-1.66～-1.8，其值是地面没有开挖沟槽、不垒筑土墙减震措施的地面。
烟囱爆破时，当不能采用折叠爆破方案时，烟囱本体质量不能改变。烟囱塌落振动强度就比较大，这时只能采用减震措施。当在地面开挖沟槽、垒筑土墙改变烟囱触地状况时，塌落振动将明显减小。塌落振动速度公式中衰减系数Kt仅为原地面状况的1/4～1/3。
通过对建(构)筑物的倒塌机理研究，我们发现建(构)筑物爆破拆除的塌落过程一般不是整体下落撞击地面，而是被分成许多大小各不相同的解体构件，依次下落撞击地面并相互撞击，上层构件的撞击作用经过先已着地的下层构件传给地面，其过程是相当复杂的。依次下落撞击地面的过程使我们看到控制第一时间着地的解体构件的尺寸十分重要，首先着地的构件作为垫层可以缓冲上层结构物下落对地面的冲击，下层构件在被上层构件撞击破坏过程中就吸收了上层下落的动能。
框架结构的高大楼房爆破拆除时的塌落振动衰减系数Kt为烟囱爆破的1/3～1/2，β值变化不大。若在地面采用减震措施，振动还能降低。
高大楼房建筑物爆破拆除时不宜选择简单的定向倒塌方案，应采用楼层分割或是分片逐段解体的爆破方案。这时，塌落振动速度公式中的M就不是总质量，而是设计分段爆破第一时间着地的那部分的质量M1，H应为H1了。高大楼房建筑物采用简单的定向倒塌方案，M和H值大，产生的塌落振动就不小。因此高大楼房爆破拆除时，应采用多缺口方案，无论单向还是双向折叠爆破；先落地的解体尺寸对控制塌落振动大小的作用最重要。
 
4 应用举例
4.1 温州中银大厦爆破拆除
2004年5月浙江温州中银大厦爆破拆除，大厦临近的楼房建筑工地正在浇灌混凝土，该工程提出中银大厦爆破时建筑工地的振动速度不得超过1cm/s。
中银大厦主楼高93.05m，23层。爆破拆除设计总体方案是分别在1～4层，9～10层，15～16层设计了三个爆破缺口。第一个缺口先起爆，依次由下至上分段延迟起爆，将楼房分成多段塌落，减小塌落对地面的冲击震动，缩小塌散范围。为了减少爆破震动和塌落震动对周围建筑的影响，在楼房倒塌一侧开挖减震沟，沟宽1.5m，深2.5m；用软土和沙包堆砌四道土堤，土堤底宽2.5m，顶宽1m，高1.5m，顶层码砌0.6m高的沙袋[9]。
基于多次烟囱爆破拆除塌落振动的监测数据的整理和对中银大厦爆破拆除方案的分析，作者对大厦爆破可能产生的塌落振动速度进行了预报。预报计算用参数是衰减参数Kt＝(1/3)×3.39，β＝－1.66；第一时间落地构件质量M为
 
表1 温州中银大厦拆除爆破振动监测结果（时间2004.5.18.6：00）