拆除爆破技术的发展与展望.pdf

书书书 第 36 卷 第 2 期 2019 年 6 月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 2  Jun. 2019 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2019. 02. 001 拆除爆破技术的发展与展望* 谢先启 1， 2， 3 （1. 江汉大学 湖北 （武汉） 爆炸与爆破技术研究院， 武汉 430056； 2. 爆破工程湖北省重点实验室， 武汉 430023； 3. 武汉爆破有限公司， 武汉 430023） 摘 要 拆除爆破技术是拆除大型建 （构） 筑物和大型设备的主要手段， 在社会和经济发展过程中发挥着 重要的作用。数十年来， 国内外学者对拆除爆破过程中结构的破坏和失稳机制等基础理论进行了深入研究， 并研发出适应市场需求的各种拆除爆破新技术。总结叙述了近年来国内外拆除爆破技术的发展概况， 并结 合未来市场需求和相关学科发展的最新成果， 探讨了拆除爆破理论与技术的发展方向和趋势。 关键词 拆除爆破；基础理论；新技术；发展现状；发展趋势 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2019） 02 -0001 -12 Development Situation and Trend of Demolition Blasting Technology XIE Xian-qi （1. Hubei（Wuhan）Explosions and Blasting Technology Institute of Jianghan University， Wuhan 430056， China； 2. Hubei Key Laboratory of Blasting Engineering， Wuhan 430023， China； 3. Wuhan Explosions and Blasting Corporation Limited， Wuhan 430023， China） Abstract Demolition blasting technology is an important means for demolishing large engineering structures in the world and plays an important role in the social and economic development process. For decades， domestic and for- eign scholars have conducted studies on the basic theories， including failure and instability mechanism in the process of demolition blasting， and some high-rise building demolition technologies， numerical simulation technology on demo- lition blasting and controlling demolition technology for harmful effects. The development of demolition blasting tech- nology in recent years is described， meanwhile， combined with the market demand and the latest achievements of re- lated science and technology， the development trend of demolition blasting is predicated. Key words demolition blasting；theory；technology；development status；development trend 收稿日期 2019 -03 -28 作者简介 谢先启 （1960 - ） ， 男， 教授级高级工程师、 中国工程院院 士， 主要进行工程爆破理论与技术方向研究，（E-mail） xxqblast163. com。 基金项目 中国工程院战略咨询项目 在城市更新与工业升级改造过程中， 大量的高 层楼房、 烟囱和桥梁等建 （构） 筑物需要拆除。目 前， 建 （构） 筑物拆除主要有人工拆除、 机械拆除和 爆破拆除等三种方式。人工拆除主要使用风镐等简 易工具对建 （构） 筑物进行破除， 具有劳动强度大、 作业条件恶劣、 施工风险高等缺点。机械拆除主要 利用挖掘机和切割机等机械对结构进行切割吊装、 重锤撞击和冲击破碎， 其作业效率和安全性较人工 拆除有了很大程度的提高， 但同样存在施工时间长、 安全风险高和环境污染持续时间长等缺点。 拆除爆破是在第二次世界大战以后快速发展成 熟的一项爆破技术， 20 世纪 70 年代开始广泛应用 于城市建设和工业改造过程中， 并逐渐发展成为专 门的技术， 成为工程爆破的三大专业分支之一。拆 除爆破是采用炸药爆炸能量破坏结构的拆除技术， 因爆破过程在数秒内完成， 其拆除效率很高。同时， 在钻孔和装药等施工准备过程中， 结构稳定性一般 万方数据 未受到影响， 因此其施工过程相对安全。该技术还 兼具经济、 环保等优点， 已成为高大建 （构） 筑物拆 除的首选方式。 目前， 世界各国在第二次世界大战以来的经济 恢复和高速发展期所建设的各类工业和民用建 （构） 筑物已经陆续达到其使用寿命， 建 （构） 筑物拆 除市场规模很大。以我国为例， 近年来每年拆除的 各类建 （构） 筑物总面积已达 4. 6 亿平方米 ［1］。因 此， 随着城市的不断发展以及工业的不断升级改造， 大量高大建 （构） 筑物在未来将陆续被拆除， 拆除爆 破技术将具有广阔的发展和应用前景。市场需求的 快速发展促使拆除爆破技术得以迅速发展， 特别是 近 30 年来， 由于爆破拆除对象呈现出结构形式多样 化、 体量规模大型化和爆破环境复杂化等特点， 拆除 爆破技术在基础理论和技术工艺等方面均取得了长 足的进步， 并成功实施了大量典型爆破拆除工程 （如表 1 所示） 。 通过对近年来拆除爆破技术的基础理论、 新技 术和新工艺的发展现状进行了总结， 并结合相关理 论和技术领域的发展成果对拆除爆破技术的发展趋 势进行了探讨。 1 拆除爆破基础理论的发展 在工程爆破领域中， 拆除爆破技术虽然有其特殊 性， 但仍是以岩石爆破理论和技术为基础的， 因此其基 础理论的发展受岩石爆破理论的发展影响较为显著。 大约在 20 世纪 70 年代后， 相关学者在大量工 程爆破实践基础上， 吸收爆炸力学、 断裂力学、 岩体 力学、 结构动力学等近代力学发展的成果， 逐渐建立 起了土岩爆破的基本理论体系， 为拆除爆破基础理 论的发展奠定了基础， 而随着拆除爆破工程实践的 不断发展， 拆除爆破的基本理论体系也开始形成。 在此阶段， 我国的冯叔瑜 ［2］、 关志中［3］、 林学圣［4］、 杨人光等专家编著的城市控制爆破方面的专著是国 内较早介绍拆除爆破技术原理和基本理论的著作， 奠定了拆除爆破理论与技术发展的基础 ［5］。 在此基础上， 国内外学者陆续在建 （构） 筑物爆 破破坏过程、 结构的失稳和动态响应等方面开展了 较为深入的研究， 不断推动拆除爆破技术基础理论 的发展与进步。 1. 1 钢筋混凝土爆破破坏分析理论 钢筋混凝土爆破破坏理论是钻孔爆破设计的理 论基础。目前， 钢筋混凝土爆破破坏理论的研究主 要集中在两个方面 一是混凝土介质在内部爆炸荷 载作用下的破坏研究， 二是建 （构） 筑物梁柱结构在 外部爆炸荷载作用下的动态响应特征研究。但是， 因钢筋混凝土的非均匀性和非线性十分显著， 内部 爆破作用下的破坏效应与动力响应研究的难度较 高， 相关理论的研究仍不系统深入。 在爆破破坏过程分析方法方面， 目前主要以数 值模拟方法为主， 例如， Koji Uenishi 开发了用于研 究钢筋混凝土结构爆破拆除时裂缝扩展过程的三维 有限差分程序 ［6］。吴开腾等人［7］， 编写了基于混凝 土材料的累积损伤本构模型的三维数值模拟程序， 可模拟无限介质混凝土中不同埋深、 不同药量下的 爆炸荷载传播规律与破坏效应。赵凯等人对正方体 和长方体两种集中装药形式下爆炸荷载的传播机理 与混凝土损伤演化特性进行了数值模拟 ［8］。王成 等人模拟了混凝土介质中柱形装药的爆炸破坏情 况 ［9］， 分析了药包不同埋深条件下爆破漏斗与最优 埋深的变化情况。梁斌 ［10］、 王瑞臣等人研究了柱形 装药条件下爆炸波在混凝土中的传播特性和毁伤破 坏过程 ［11］。 同时， 也有学者采用爆炸试验的方法进行钢筋 混凝土破坏特征的分析， 例如， Fujikake K 则采用物 理模型试验方法研究了钢筋混凝土柱在拆除爆破作 用下的损伤和破坏特征 ［12］。近年来， 作者研究团队 开展了建 （构） 筑物爆破拆除过程中立柱的爆破破 坏效应的现场实验和模型实验， 分析了钢筋混凝土 复合体系的钻孔爆破破坏机制 （如图 1 所示） 。总 体而言， 由于钻孔爆破实验的复杂性， 相关研究人员 多侧重于素混凝土的内部爆破破坏效应分析或钢筋 混凝土的外部接触毁伤效应分析， 通过原型实验分 析钢筋混凝土破坏过程的研究相对较少。 图 1 钢筋混凝土钻孔爆破破坏机制模型 Fig. 1 Blasting model of steel reinforced concrete 2爆 破 2019 年 6 月 万方数据 表 1 典型拆除爆破工程 Table 1 Classic Demolition blasting projects 类型拆除对象工程特点爆破时间 湖北武汉 18 层 倾斜楼房 待拆楼房高 56 m， 占地面积 900 m2， 系剪筒结构。拆除前楼房向北 倾斜位移达 1. 38 m， 采用 “高位切口， 定向倾倒” 爆破方案和非电起 爆系统和电起爆系统相结合等技术 1995. 12 上海 16 层长征医院 待拆楼房高 67. 3 m， 钢筋混凝土框架-剪力墙结构， 建筑面积 13 200 m2， 采用 “多切口单向折叠”爆破方案和孔内延期的非电起 爆网络系统。 1999. 02 安徽合肥 17 层 剪力墙结构楼房 待拆楼房高 55. 5 m， 剪力墙结构， 结构稳固， 刚度大， 总建筑面积 18 800 m2， 受周边环境所限， 采取了 “原地坍塌与定向倒塌相结合” 的 爆破方案， 为使楼房充分解体， 采取了层层装药 2005. 12 湖北武汉 8 层楼房 待拆公寓由 4 栋 8 层高楼组成， 楼高均为 28. 6 m， 呈 “E” 字形排列。 楼群爆破面积达 24 400 m2， 采用 “定向倾倒空中解体” 总体爆破方 案 2007. 03 楼房浙江 13 层框剪结构楼房 待拆楼房高47. 6 m， 剪力墙结构， 建筑面积8900 m2， 采用 “双切口单 向折叠” 爆破方案 2007. 01 湖北武汉 19 层框剪结构楼房待拆楼房高 63 m， 框架-剪力墙结构， 采用 “定向三次折叠” 爆破方案2007. 12 广东中山 34 层楼房 待拆楼房高 104. 1 m，建筑面积 27 875 m2， 框架-剪力墙结构， 平面 呈 “井” 字形布置， 预处理采取了 “化墙为柱” 的处理方式，通过特定 切口和延时起爆技术， 倒塌范围控制在 81 m 范围内 2009. 08 陕西西安 26 层楼房 待拆楼房高 118 m， 建筑面积 37 000 m2， 采用了 “三切口定向倾倒” 的爆破方案， 是我国目前拆除的最高楼房 2015. 11 湖北武汉 19 栋楼房 群楼由 19 栋框架、 砖结构楼房组成， 总建筑面积约 150 000 m2， 采用 一次性整体爆破拆除的总体方案， 采用 “定向倾倒， 纵向逐段倒塌和 原地坍塌” 的倒塌方案和 “分区独立， 区区交叉” 的大型非电导爆管 雷管起爆系统 2017. 01 湖北武汉阳逻火电厂烟囱 待拆烟囱高100 m， 钢筋混凝土结构， 采用 “定向双次折叠” 的整体爆 破方案， 上部向西定向倒塌， 切口位于 ＋ 30 m 处； 下部向东定向倒 塌， 切口位于 ＋1. 0 m 处， 上下切口时差 2. 2 s 2004. 01 四川成都华能电厂烟囱 待拆烟囱高 210 m， 钢筋混凝土结构， 采取多段延时起爆技术形成连 续双梯形爆破切口 2007. 03 高耸 构筑物 贵州贵阳钢筋混凝土烟囱 待拆烟囱高 240 m， 钢筋混凝土结构， 爆破切口位于烟道口以上标高 处， 采用 “整体定向倒塌” 的方案和 “双回路非电导爆管” 起爆网路 2012. 05 青海桥头铝电厂厂房、 烟囱、 冷却塔 项目包括 1 座建筑面积约为 140 000 m2主厂房， 2 座 180 m 高烟囱 和 4 座 70 m 高冷却塔， 采用 “一次点火起爆， 顺次定向倒塌” 的总体 爆破方案 2016. 07 江西南昌老八一大桥 待拆桥长 91. 644 m， 上部钢桁架机械拆除， 下部钢筋混凝土桥墩采 用大小孔径相结合的方式爆破拆除 1998. 10 吉林松花江旧特大路大桥 待拆桥长 1382. 6 m， 桥墩内部配筋情况不明， 采用了 “线形聚能装药 切割技术和深孔爆破相结合” 的爆破方案和复式（双起爆线路）非 电导爆管网格式起爆网路起爆 2003. 05 桥梁山东青岛太原路立交桥 待拆桥梁上部结构为现浇钢筋混凝土箱梁结构， 下部为墩柱加灌注 桩结构， 主桥长 245 m， 采取 “钻孔爆破与水压爆破相结合” 的爆破 方案 2010. 07 湖北武汉沌阳高架桥 待拆桥梁全长 3500 m， 上部结构为 “先简支， 后连续” 结构， 采用 “一 次点火， 自中间向两端逐垮原地坍塌” 的总体爆破方案和 “宽间隔， 长延时， 互动有序” 复式交叉非电起爆网络； 采用 “点面结合， 多点驱 动， 同网延时” 的爆炸水雾降尘技术， 以及 “刚性与柔性， 主动与被 动， 近体与远区” 相结合的有害效应综合防护技术 2013. 05 福建漳州东立交桥 待拆桥梁全长5475 m， 采用 “机械拆除和爆破拆除相结合” 的总体拆 除方案和高精度毫秒延时控制爆破技术 2015. 08 3第 36 卷 第 2 期 谢先启 拆除爆破技术的发展与展望 万方数据 目前， 因钢筋混凝土的爆破破坏过程过于复杂， 炸药-混凝土-钢筋三者之间的相互作用机理目前仍 不明晰。数值模拟方法虽能对爆破过程进行一定程 度的模拟， 但其准确性和可靠度仍难以保证。而现 场实验数据的稀缺则直接导致人们无法深入认识钻 孔爆破条件下钢筋混凝土材料的爆破破坏过程， 致 使难以建立数学模型和较为精确的理论公式， 进行 单耗、 孔排距等爆破参数的设计， 在一定程度上影响 着拆除爆破的经济性和安全性。 1. 2 结构局部失稳分析 拆除爆破过程中， 承载构件的局部失稳判别是 爆破方案和参数设计的关键问题， 是保证爆破方案 成功实施的重要前提。结构的局部失稳问题主要涵 盖承载立柱、 墙和梁的失稳， 目前相关研究主要集中 在承载立柱的失稳分析。国外相关研究文献报道较 少， 国内冯叔瑜院士提出将爆后立柱的单根主筋简 化为一端自由， 一端固结的压杆模型， 采用欧拉公式 计算其失稳的临界荷载 ［2］。关志中则提出立柱爆 破瞬间单根主筋应视作两端固结的压杆模型， 但明 确指出压杆稳定分析理论判断承重立柱失稳既不恰 当也不经济 ［13］。李肇胤提出立柱爆破瞬间的主筋 可简化为底端固定， 上端不能转动但可以侧向移动 的压杆模型 ［14］。卢文波提出了承重立柱裸露钢筋 骨架的有侧向弹性约束的小型刚架失稳模型 ［15］。 龚相超综合考虑混凝土立柱破碎区和非破碎区的影 响， 提出阶梯压杆计算模型 ［16］。作者基于大量立柱 现场试爆后钢筋形态特征， 提出了考虑钢筋骨架初 始形态的裸露钢筋骨架初弯曲压杆失稳力学模型， 可用于判别不同弯曲程度钢筋骨架的失稳状态 ［17］。 数值模拟技术也被用于分析拆除爆破的局部失稳特 征， 例如， 何强分析了昆明市政府原办公大楼的初始 失稳过程和茅台朱旺沱宾馆后支撑立柱的破坏过 程 ［18］。 目前， 基于理想失稳力学过程的立柱爆破后钢 筋骨架失稳模型， 基本能解释结构的局部失稳原理， 并可粗略地进行爆破参数的设计， 但仍难以解释和 分析拆除爆破中更为复杂的力学现象， 其计算结果 的可靠度往往也难以保证。 另一方面， 工程实践中为了达到完全失稳的目 的， 爆破参数的设计原则是将主要承重构件中的破 坏混凝土全部抛出， 致使药量偏大， 飞散严重， 而低 单耗条件下“钢筋骨架 ＋ 破碎混凝土” 复合结构的 失稳分析， 目前还无人涉及。 1. 3 结构整体失稳分析 建 （构） 筑物爆破拆除的整体失稳破坏分析是 爆破方案设计的核心， 同时也是研发新型塌落模式 的基础。由于爆破拆除对象结构的多样性， 相关研 究较为复杂， 多以案例分析为主。 在高层楼房失稳分析方面， 彭韬宇建立了一种 框架结构建筑物爆破拆除的力学模型 ［19］。金骥良 等提出了砖混结构建筑物爆破失稳倾倒的基本条 件 ［20］。徐钦明等提出一种框架结构建筑物爆破拆 除中求解梁柱结构失稳运动过程的方法 ［21］。崔晓 荣通过对建 （构） 筑物爆破倒塌过程的摄影测量分 析， 研究了结构失稳的空中运动姿态和塌落堆积过 程 ［22］。 在烟囱和水塔等高耸结构失稳分析方面， 孙金 山建立了拆除爆破过程中支撑筒壁断面受力破坏过 程的力学模型， 可计算筒体倾角较小时支撑断面上 的应力分布情形 ［23］。郑炳旭通过理论模型进一步 对烟囱失稳过程中支撑筒壁的失稳过程进行了分 析， 并采用现场实验的方式进行了验证 ［24］。王斌指 出爆破切口的爆炸荷载对上部结构的断裂有显著影 响， 是烟囱筒体反向倾倒及过早断裂的主要原 因 ［25］。路庆忠等根据筒形构筑物爆破拆除失稳运 动过程的受力分析， 建立了判断后坐现象的力学模 型 ［26］。骆利锋运用动力学原理， 研究了烟囱爆破拆 除的倒塌过程， 分析了前冲、 后坐的原因， 推导了前 冲距离的计算公式， 并对二次断裂现象及折叠倾倒 进行了力学分析 ［27］。 针对结构整体失稳机制问题， 作者也曾开展了 不同类型结构失稳判据问题的研究， 目前通过简化 力学模型或数值模拟方法已经可以对结构的整体失 稳特征进行较为可靠的判断， 提高了拆除爆破方案 的可靠性。然而建筑结构不仅型式多样、 结构复杂， 爆破拆除过程中爆炸加载、 冲击破坏过程荷载作用 也复杂而多变， 简单的静力学模型和数值模型仍难 以实现预测结果与实际爆破过程准确吻合的效果， 难以满足完全定量化设计的要求。 2 拆除爆破新技术的发展 近年来， 因建 （构） 筑物拆除市场的蓬勃发展， 特殊的爆破对象和爆破环境促使拆除爆破新技术迅 速发展， 在拆除爆破数值模拟技术、 高层高耸建 （构） 筑物拆除技术、 大型桥梁爆破技术和有害效应 控制技术等方面取得了显著的进步。 2. 1 拆除爆破数值模拟技术 近年来， 数值模拟技术在拆除爆破领域逐渐得 到了应用， 已成为拆除爆破方案设计的重要技术手 段。在拆除爆破中常用的数值模拟方法主要包括有 4爆 破 2019 年 6 月 万方数据 限元法、 离散元法、 DDA 等方法。 目前， 在拆除爆破工程中应用较为广泛的是有 限元法， 目前该方法已可实现对结构倒塌全过程进 行较为可靠的预测与分析。近年来相关技术的研究 日趋深入， 如 Kaewkulchai 等采用梁单元结合集中塑 性模型模拟了平面框架结构的倒塌过程 ［28］； Lynn 等在有限元中采用 ASI-Gauss 技术， 模拟了简单框 架结构的倒塌过程 ［29］； Mller 等 采用模糊随机分析 方法， 在有限元软件框架内模拟了结构倒塌过 程 ［30］； Wang 等采用向量式有限元模拟结 构 倒 塌 ［31］。在国内， 众多学者利用商业有限元软件进行 拆除爆破倒塌过程的模拟， 他们通过选择合理的材 料本构模型和钢筋混凝土的简化力学模型， 不断提 高数值模拟的准确性 ［32-35］。 还有学者采用多刚体动力学方法或离散元法模 拟结构倒塌过程， 如 Hartmanna 在充分考虑结构倒 塌不确定性的基础上， 将结构构件间的相互作用分 别简化为弹簧阻尼器、 圆柱接头、 接触等模型， 模拟 拆除爆破中结构的倒塌过程 ［36］； Uenishi 等采用有 限差分法模拟结构在拆除爆破中的倒塌 ［37］。作者 针对有限元法在模拟拆除爆破结构倒塌过程中的缺 点与不足， 研发了离散元框架内的网格实体模型， 并 开发了数值模拟软件 ［38］。 目前， 国内外数值模拟技术发展较为迅速， 国外 的个别大型商业软件已基本满足拆除爆破方案分析 和效果预测的要求， 但简化的数值模型、 本构模型和 参数的选择仍需要计算人员具备大量的经验， 计算 结果受主观因素影响较大。同时， 数值模拟技术的 研发中心仍为美国和欧洲发达国家， 国内相关研究 仍较为落后， 更缺乏能满足拆除爆破模拟的软件 产品。 2. 2 建 （构） 筑物折叠爆破技术 随着城市建筑密集程度的提高， 建 （构） 筑物拆 除工程的周边环境也更加复杂。当建筑倒塌的空间 较小时， 其爆破拆除的难度和风险极高。针对建 （构） 筑物爆破拆除倒塌空间不足的问题， 爆破技术 人员研发了多种方法。例如， 美国和英国等国家的 拆除公司研发了内爆技术 ［39］。但由于欧美国家爆 破企业多采用家族化运行方式， 内爆技术的技术细 节成为各个企业的商业机密， 公开的论文资料和科 技报道非常罕见。而在中国的城市扩张和更新过程 中， 高层和超高层建筑的拆除工程日趋增多。中国 的爆破工程师在解决建 （构） 筑物爆破拆除倒塌空 间不足问题时， 研发了折叠爆破技术 ［40-42］。相对于 内爆技术该方法的塌落过程更易控制， 已在大量拆 除工程中得到应用。 折叠爆破， 就是在高层或高耸建 （构） 筑物的多 个高程上实施爆破， 将其分为相互联系的多段， 并使 各段在塌落过程中发生折叠， 最终实现缩小塌落范 围的目标。折叠爆破技术主要包括两种折叠模式， 即单向折叠和双向折叠。其中， 单向多次折叠模式 主要适用于拆除对象仅有一个方向可供倒塌且倒塌 场地不足的情况； 双向双次和双向多次折叠模式适 用于拆除对象虽有两个方向可供倒塌但两侧可供倒 塌场地均不足的情况。 单向折叠爆破的技术原理是， 为了缩减楼房的 塌落范围， 在楼体上布置多个开口方向与倾倒方向 均一致的爆破切口， 使各段楼体向同一方向倾倒， 楼 体理想的倾倒过程呈 “鞠躬” 状。相对于双向折叠 技术， 单向折叠模式应用相对较早， 国内在 1995 年 武汉桥苑新村 18 层倾斜楼房的抢险爆破工程 （图 2） 中开始尝试采用单向折叠爆破技术 ［43］， 由于倾斜 大楼无足够的倒塌空间因而将楼体分为两段实施爆 破， 但为了提高施工效率， 尽快消除险情， 采用了分 次爆破的方式。1999 年实施的 16 层上海长征医院 爆破拆除工程则成功实现了将楼体分 4 段的一次性 折叠爆破拆除 ［44］， 近年来， 高层建 （构） 筑物的单向 折叠爆破工程也较为普遍 （如图 3 所示） 。 图 2 武汉桥苑新村 18 层倾斜楼房爆破 Fig. 2 Blasting demolition of 18 storey tilted building in Wuhan Bridge Garden 建 （构） 筑物双向折叠爆破的技术原理与单向 折叠不同之处在于， 楼体上相邻的爆破切口开口方 向通常是相反的， 因而相邻段楼体的倾倒方向也是 相反的， 楼体理想的倾倒过程呈 “之” 字状下落， 最 终实现近似原地坍塌的爆破效果。相对于国外的 “内爆法” 或原地塌落技术， 双向折叠更适用于 “瘦 高” 的高层或高耸结构， 基本克服了内爆法或原地 塌落技术可能塌落不完全的缺陷， 且钻孔和装药量 小， 起爆网路简单。工程技术人员很早即设想采用 5第 36 卷 第 2 期 谢先启 拆除爆破技术的发展与展望 万方数据 双向折叠的形式控制建 （构） 筑物的爆破堆积范 围 ［4］， 并进行过简单的试验。2004 年国内首次成功 实现了武汉阳逻电厂 100 m 钢筋混凝土烟囱的 “之” 字形折叠爆破 ［41］， 在 2007 年武汉中央商务区 19 层楼房拆除工程中首次成功应用实现了单体高 层建筑物的双向三次折叠爆破 ［42］， 见图 4。近年 来， 许多工程应用该技术取得了良好的爆破效果， 如 2010 年海口迈仍村 9 层违建楼爆破工程 ［45］， 2011 年 28 层大连金马大厦拆除工程和 2012 年 18 层临 安电力大厦爆破工程 （图 5） 等 ［46， 47］。 图 3 重庆三峡宾馆与重庆港客运大楼单向折叠爆破 Fig. 3 Folding blasting demolition of Chongqing Three Gorges Hotel and Chongqing Port Building 图 4 武汉中央商务区 19 层楼房爆破 Fig. 4 Blasting demolition of 19 storey building in Wuhan CBD 图 5 临安电力大厦爆破 Fig. 5 Blasting demolition of Lin＇an Electric Power Building 单向折叠与双向折叠爆破模式各有优势也各有 缺陷， 应根据工程实际要求、 现场环境条件和技术风 险进行综合比选。目前单一的单向与双向折叠技术 已日趋成熟， 但单向 ＋ 双向的复杂折叠过程的技术 目前仍处于研究阶段。 2. 3 高层楼房空中解体爆破技术 随着城市建 （构） 筑物密集程度和地下空间利 用率的进一步提高， 高大楼房爆破时倒塌空间将受 到严格限制， 同时周边保护对象的振动控制难度也 显著增大。 近年来， 国外已成功研发出先进的内爆技术解 决倒塌空间不足的问题， 其原理是采用单一或多个 高位切口， 使结构在重力作用下竖直向下运动， 同时 在非切口区通过爆破方式破坏局部的梁柱， 使结构 在塌落至地面后能基本解体 ［39］。应用该技术英美 等国先后拆除了大量高层和超高层建筑物， 效果良 好， 但近年来随着爆破对象的刚度和强度的提高， 结 构发生解体的难度也不断提高， 炸而不倒的事故偶 有发生， 如 2018 年英国格拉斯哥市爆破拆除 Red Road Flats 公寓 （曾经的欧洲最高住宅） 6 栋近百米 楼房时， 发生 2 栋爆破失败的事故。 近年来， 国内也采用类似 “内爆” 技术的方式进 行原地塌落爆破技术的尝试， 如合肥维也纳森林花 园高层公寓 1 号楼等 ［48， 49］。其次， 作者及研究团队 在定向倾倒和原地坍塌爆破技术基础上， 研发了定 向倾倒空中解体爆破技术 ［50］， 该技术分为 “横向多 跨空中解体” 和 “纵向逐跨空中解体” 两种模式， 采 用波浪形和楔形切口形式、 V 形和斜线形立柱起爆 顺序， 并根据跨距选择合理起爆时差， 通过切口和承 重结构爆破高度与爆破顺序的变化， 使楼房在定向 倾倒过程中， 大部分构件在触地前实现破坏解体， 从 而降低触地振动， 减小塌落范围。目前， 采用该技术 成功爆破拆除的建筑如武汉振华公寓 （2007 年） 、 武 汉银丰大厦 （2014 年， 如图 6） 、 武汉虹锦公寓 （2017 年， 如图 7） 和江西建设大厦 （2018 年） 等 ［51］。 图 6 银丰大厦爆破 Fig. 6 Blasting demolition of Yinfeng Building 6爆 破 2019 年 6 月 万方数据 图 7 虹锦公寓爆破 Fig. 7 Blasting demolition of Hongjin Department 空中解体爆破模式是高层建筑物拆除爆破技术的 重要发展方向， 目前， 该技术在工程实践和技术创新上 取得了重要进展， 但其基础理论和设计方法还需进一 步深入研究。同时， 针对不同类型、 不同结构拆除对象 也需进一步研发更为安全更可靠的技术和工艺。 2. 4 大型桥梁爆破技术 随着交通基础设施的升级改造， 部分桥梁因使 用寿命、 通行能力不足、 设计缺陷或工程质量等问题 需拆除。依托典型工程， 工程技术和科研人员对大 型桥梁的爆破技术开展了相关研究， 如池恩安 ［52］、 冯剑平较为系统的分析和总结了常见混凝土连续梁 桥、 刚架桥和拱桥等桥梁结构拆除爆破失稳原理、 切 口布置方案等， 通过数值模拟的方法对桥梁的塌落 过程进行了研究 ［53］。作者及研究团队依托工程实 践， 构建了城市高架桥爆破拆除设计理论与方法体 系， 建立了桥墩爆破后承载力计算模型， 提出了桥梁 墩柱的最优爆破高度、 炸药单耗及装药结构的设计 方法 ［54， 55］； 建立了高架桥连续塌落动力学模型， 对 跨间起爆时差和起爆顺序进行了分析； 提出了适用 于特长桥梁多节点复式交叉起爆网路的可靠度和接 力点起爆时间计算方法， 提出了超长城市高架桥 “逐跨连续缓冲塌落和上部结构水压爆破同步解 体” 的整体爆破拆除方法， 成功完成了 3. 5 km 武汉 沌阳高架桥的一次性爆破拆除 （如图 8） 。 图 8 沌阳高架桥爆破拆除 Fig. 8 Blasting demolition of Zhuanyang viaduct 2. 5 有害效应控制技术 拆除爆破工程往往处于人员、 建筑和地下管网 密集的环境中， 必须对有害效应准确预测并采取可 靠的防护措施， 最大限度的减少爆破对周边环境的 影响。爆破有害效应主要包括振动、 冲击、 空气冲击 波、 个别飞散物、 噪声和粉尘等， 近年来随着人们环 保意识的提高， 促使拆除爆破有害效应控制技术方 面不断创新。 爆破拆除工程中， 结构塌落触地产生的冲击压 力可能直接造成地下管网和结构的变形和破坏， 许 多学者曾提出了触地冲击荷载的计算方法 ［56-59］， 近 年来作者和研究团队等人在前人基础上提出了新的 冲击荷载计算模型 ［60］， 并根据工程经验进行了修 正， 较传统计算方法更为合理。另一方面， 数值模拟 也可对冲击荷载进行预测， 但目前的计算可靠性仍 难以保证。 针对建 （构） 筑物倒塌所诱发的人工地震， 工程 技术人员常通过数据回归得到经验预测公式预测塌 落振动强度。周家汉和吕淑然在国内较早提出触地 振动计算公式， 并被爆破界所广泛采用 ［61， 62］。王希 之利用能量守恒原理推导了触地震动公式 ［63］。近 年来， 作者建立了基于动量守恒理论的预测模型， 其 参数取值的方便性和计算量值的可靠性均有提 高 ［64］。同样， 也有学者采用数值模拟技术进行塌落 振动的预测研究。 在爆破拆除工程的触地冲击和振动的控制措施 方面， 被动减振技术目前进展较为缓慢， 仍主要通过 减振土堤、 减振沟等方式进行降振。在主动降振措 施方面， 通过塌落模式和爆破参数优化控制塌落速 度和质量是更为有效的途径。目前通过选择折叠、 空中解体等塌落方式， 并精确控制爆破破坏及失稳 过程， 可使塌落触地速度降低约 40％， 可显著降低 塌落冲击和振动。 爆破粉尘是拆除爆破工程中日益突出的有害效 应， 目前国外基本不采取降尘措施， 而国内李战军曾 对爆破粉尘的生成机理进行研究， 国内爆破企业还 研发了泡沫降尘、 直升机洒水降尘等技术 ［65］。作者 及研究团队近年来完成了 “点面结合、 多点驱动、 同 网超前” 的爆炸水雾降尘技术的研发 ［54］， 通过在爆 破部位覆盖小型水袋和爆区内外围敷设大型水袋、 水槽， 并通过爆炸冲击波和爆生气体使大量水瞬时 雾化 ［66］， 可大量吸附爆破粉尘， 降低对环境的污染。 但要使爆炸水雾降尘达到理想的降尘效果需进行大 量的准备工作， 该技术的降尘功效和经济性需进一 7第 36 卷 第 2 期 谢先启 拆除爆破技术的发展与展望 万方数据 步提高。未来， 粉尘控制将是制约拆除爆破技术进 一步推广应用的重要技术瓶颈， 相关理论与技术仍 需进行深入研究。 3 拆除爆破技术的发展方向 拆除爆破属于新兴交叉学科， 其发展仅有数十 年的历史， 在近三十年虽然取得了持续而快速的发 展， 但其整体的理论技术体系仍不完善。随着世界 经济， 特别是建筑业的蓬勃发展， 拆除爆破的潜在市 场巨大、 应用前景广阔。拆除爆破要实现可持续发 展就应按照精细爆破的基本原则， 吸收其它学科和 行业的最新科技成果， 不断发展和完善其技术体系， 提高其安全性、 经济性和环保性。 精细爆破是传统爆破、 控制爆破的升级和发展， 它强调 “量化设计是前提、 过程控制是核心、 精细管 理是保障” 。因此， 拆除爆破技术的近期的发展目 标之一是要在全行业逐步实现精细爆破所倡导的爆 破设计的定量化， 过程控制的精密化， 施工管理的精 细化和监控量测的智能化。而要实现以上目标， 必 须从基础理论、 器材、 技术和工艺等方面进一部开展 深入研究。结合国内外科技发展的趋势， 拆除爆破 技术的应着重在以下方面发展。 3. 1 科学的基础理论与数值仿真 经过 200 年左右的不断发展， 土木建筑工程相 关的理论体系已基本成熟， 并形成了庞大复杂的技 术体系， 然而拆除工程相关的理论体系尚不完善。 对于拆除爆破而言， 爆破参数设计、 预处理设计、 结 构失稳判别、 塌落运动分析、 触地冲击和塌落振动效 应分析等方面的基础理论研究尚不深入， 亟待开展 系统的研究， 揭示拆除爆破全过程的物理、 力学甚至 是化学方面的机理， 并构建相关的理论模型。 由于拆除爆破过程的复杂性， 经典力学往往仅 能在较为理想的条件下对其基本机理进行解释和分 析。要实现更为准确的参数计算和效果预测必须依 托现代计算力学、 计算机图形学等， 构建基础理论与 工程实践的桥梁。因此， 开展系统的爆破实验并构 建合理的材料本构或力学模型， 实现爆破设计的计 算机辅助化是拆除爆破未来发展的重要方向之一。 3. 2 新型的破坏方式与倒塌模式 随着拆除爆破技术应用范围的不断拓展， 爆破 对象也将变得丰富多样， 新型的钢结构、 钢-混凝土 组合结构、 树脂加劲混凝土、 纤维混凝土等新型建筑 材料和建筑结构将逐渐成为爆破的对象， 传统的钻 孔爆破方式可能难以适用于新型建筑材料， 研发新 的爆破破坏方式是进一步提高拆除爆破使用范围和 市场竞争的关键。同时， 在现有钻孔爆破技术基础 上研发新的装药结构和起爆技术等提高炸药能量利 用率， 进一步降低有害效应也十分重要。 同时， 由于拆除爆破工程周边环境日益变得复 杂， 对结构倒塌空间和有害效应控制的要求越来越 高， 现有的折叠爆破技术、 空中解体爆破技术和内爆 技术也可能面临越来越大的挑战， 研发低炸药用量、 微爆破振动、 小塌落范围、 易控制运动过程的新型建 （构） 筑物倒塌模式也是拆除爆破突破发展瓶颈的 重要发展方向。 3. 3 安全的爆破器材 由于拆除爆破工程火工品用量相对较少， 目前 并无专供拆除爆破工程使用的爆破器材， 而传统的 导爆管雷管无法精确的调整延期时间， 爆破网路的 联通性也无法检验。新型数码雷管虽可以方便的调 整延期时间， 但在同时起爆数千甚至上万个雷管时， 网络复杂， 可靠度难以保证。因此， 高精度延期且延 期时间可调的导爆管雷管及高精度、 高可靠性、 低成 本的电子雷管等爆破器材是拆除爆破的重大需求。 3. 4 智能的施工装备 与建筑行业、 采矿业相比， 拆除爆破钻孔、 出渣 等环节的机械化和自动化