西安環球中心金花大樓爆破作用下周邊地鐵的安全性研究

郭輝

摘 要：以國內爆破最高建筑-西安環球中心為工程背景，采用機器人自動化和人工選點監測方式，主要從周邊地鐵區間隧道的結構、軌道變形入手，研究爆破超高層建筑結構對周邊地鐵的影響。監測結果表明，超高層建筑爆破對周邊地鐵區間隧道有很大影響，利用機器人監測能較好的測出區間隧道各結構部位變形，保證了地鐵結構的安全，同時與人工監測數據相比，充分驗證區間隧道中測量機器人的優越性。

關鍵詞：西安環球中心；爆破；地鐵結構；測量機器人

中圖分類號：O329 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0135-03

隨著我國城市建設發展的速度越來越快，原有的地標建筑已經嚴重影響了城市的發展，因此，在世界上很多地方，原有的地標性建筑被拆除，例如，重慶的會仙樓，武漢大學的老牌坊等。[1]在拆除過程中，目前多采用機械化拆除、爆破等，爆破根據炸藥的類型分為多種爆破形式。[2]在以往的工程爆破中，高層建筑爆破很少，然在地鐵影響范圍內爆破超高層結構，是前所未有的，近日高達118m的地標建筑-西安市環球中心金花大樓被成功爆破，成為國內目前國內爆破最高建筑。[3]因西安環球中心距西安地鐵三號線較近，爆破產生的巨大沖擊波和堆載對已建成的地鐵結構有很大影響，為了充分保證結構的安全，本文正基于此，展開對距環球中心41.6m的三號線區間隧道進行監測，采用機器人自動化和人工監測相校核的方式，主要對地鐵區間隧道的結構振動、平面位移，變形縫沉降，周邊收斂，道床及左右軌道變形等參數進行監測，研究超高層爆破對周邊地鐵的影響程度。

1 西安環球中心爆破概況及監測方案

1.1 西安環球中心爆破概況

環球西安金花辦公大樓爆破工程其主樓地下一層，地上二十六層，樓頂還建有鏤空鋼網架。建筑總高度為118m，距延～科區間盾構隧道直線距離為41.6m，對大樓爆破方案經過多方論證，最終確定為金花大樓爆破后遠離地鐵方向倒塌（即反向倒塌）；其平面及剖面位置如圖1所示。[4]

1.2 監測實施方案

本次監測范圍位于地鐵3號線延平門站～科技路站區間內，即環球西安中心金花大廈影響區間隧道范圍內，左右線（ZDK16+340.668～ZDK17+023、YDK16+343.121～YDK16+989.478）監測范圍長約1400m，主要監測項目見表1所示。

監測過程中，按10m布置一個斷面，各設65個斷面，每個斷面上主要監測道床、隧道結構、變形縫、左、右線變形，其中在距離環球中心爆破最近距離處安裝一臺爆破振動儀，監測爆破過程中地鐵結構振動情況。

2 自動化監測與人工監測

2.1 爆破振動頻率監測

在于環球中心在直線距離最近的地鐵襯砌上設置一組爆破測振儀，監測地鐵結構的水平和豎直振動情況。[7]

通過圖2、3分析可得出：金花大樓爆破過程中，對地鐵結構產生的振動速率均未達到控制爆破振動速率；水平振速與豎直振速相比，水平振速遠大于豎直振速；經過分析，爆破振動速率對地鐵影響不大的主要原因是大樓倒塌方向應遠離地鐵結構。

2.2 區間隧道結構位移監測

通過圖4、5所示，分別為區間隧道平面位置x（與隧道斷面平行）、y方向（與隧道中線平行）上的位移，監測發現：機器人監測的平面位移有所大幅度增加，距離爆破最近的地鐵結構平面位移超出了規范規定的控制值，周邊選取的各個監測點也達到預警值，而人工監測過程中，平面位移增加不大，距離爆破最近的監測點僅達到預警值，主要原因是機器人監測系統是在一時間段內實時監測的，監測到爆破瞬間地鐵的位移變化值，而人工監測，是在爆破結束3個小時后，確保人員安全后才進入區間隧道中進行監測工作，因此監測數據有一定的差異，同時也說明金花大樓爆破一瞬間，距離最近的地鐵區間隧道超出了控制值，平面x方向的位移比y方向的位移大的多，說明大樓爆破后，區間隧道受到大樓堆載旁壓后，向隧道斷面x方向整體發生了位移。

同時，機器人監測的數值比人工監測的數值大，說機器人監測爆破引起地鐵位移變化的可靠性。

2.3 區間隧道拱頂下沉及周邊位移收斂監測

隧道周邊收斂在隧道底墻和拱肩處分別布設了收斂監測點。分析可得出，區間隧道周邊收斂在爆破一瞬間數值很大，爆破后隨著時間的增長，數值變化很小，速度越來越慢，隧道趨于收斂。拱肩收斂值與底墻收斂值相比較，拱肩的收斂值略大于底墻，說明隧道周邊拱肩受力略大。

拱頂沉降在大樓爆破后，隧道拱頂剛開始沉降較大，隨著時間的增加，拱頂處的沉降值控制在10mm以內，滿足規范要求。

2.4 軌道平順性監測

爆破對地鐵結構產生很大的沖擊力，為了保證列車的正常通行，除了對隧道結構本身進行監測，還應對軌道進行監測，監測項目主要包括軌道結構縱向差異，水平變形及距離。

2.4.1 軌道平面位移監測

如圖6、7所示，x表示與軌道垂直方向上的位移，y表示平行于軌道方向上的位移。通過分析可得，距離爆破最近的軌道在爆破一瞬間x方向的位移值達到2.7mm，但人工監測的僅有1.8mm，有一定的差值，但二者均未達到控制值，與y方向的位移進行對比，與軌道平行y方向上的位移在0.8mm-0.36mm之間，比x方向的位移量小很多，說明金花大樓爆破使地鐵結構整體往x方向移動，而y方向的位移是由于軌道向最近距離偏移造成的，位移量很小。

2.4.2 軌道平面距離監測

軌道受到爆破沖擊及堆載旁壓后，兩根軌道受力后位移并不完全相同，因此還需對軌道平面距離進行監測，監測結果如圖8所示，通過分析可得出，距離爆破最近位置處的兩根軌道間的距離最大相差2mm，爆破一瞬間軌排距離相差較大，但仍在控制范圍內，其余各軌道距離隨著時間的增加，相差距離趨于平穩，但距離爆破最近的軌道距離有增加的趨勢。

2.4.3 道床及軌道平面沉降監測

對軌道和道床沉降分別進行監測，見圖9-11，通過分析可以看出，道床和軌道的沉降趨勢大體相同，爆破一瞬間位移較大，隨著時間的增加，沉降速率逐漸減小，道床及軌道結構趨于穩定；道床與軌道的位移經過比較發現，道床與軌道同一監測點沉降值存在一定的差異，爆破瞬間沉降差異相差較大，隨著時間的增加，道床與軌道的沉降差異曲線沿著軌道方向類似于“波浪型”，差異值在±0.2mm以內波動，符合列車運行的平順性要求。

3 結論與建議

本文以目前國內爆破最高建筑—西安環球中心金花大樓爆破為依托，采用機器人監測，并通過人工選點監測相擬合，以周邊地鐵區間隧道結構、道床及軌道變形等參數為控制基準，研究爆破超高層建筑結構影響范圍內地鐵的安全性能，得到以下結論：

（1）通過爆破過程中對地鐵結構振動速率監測發現，大樓爆破瞬間對地鐵結構振動速度較大，水平振動速率遠遠大于豎直振動速率，但不論水平還是豎直方向上的振動速率，均在控制范圍內。（2）對周邊地鐵區間隧道平面位移監測發現，大樓爆破使地鐵區間隧道產生了一定的側向位移，利用機器人監測系統很好地監測出爆破瞬間隧道的平面位移，x方向的平面位移多點已經達到預警值，但爆破過后，各個監測點的平面位移有一定的減小，均在控制值范圍內；與人工選點監測數據擬合，離散度在8%左右，且人工監測未能監測出大樓爆破瞬間地鐵區間隧道平面位移的變化。（3）對軌道及道床平面位移及沉降監測，大樓爆破對軌道平面位移影響不大，而對沉降影響較大。道床和軌道的沉降趨勢大體相同，爆破一瞬間位移較大，隨著時間的增加，沉降速率逐漸減小，道床及軌道結構趨于穩定；道床與軌道的位移經過比較發現，道床與軌道同一監測點沉降值存在一定的差異，爆破瞬間沉降差異相差較大，隨著時間的增加，道床與軌道的沉降差異曲線沿著軌道方向類似于“波浪型”，差異值在±0.2mm以內波動，符合列車運行的平順性要求。

綜合考慮了地鐵結構振動速率、隧道結構的沉降及平面位移、軌道的平面位移及軌道之間距離、道床與軌道之間的沉降差等安全參數可以發現，在地鐵影響范圍內，爆破超高層建筑結構反向倒塌方案是可行的。

參考文獻

[1]陳琦.既有建筑拆除行政審批制度研究[D].北京交通大學，2015，7-13.

[2]盧文波，耿祥等.深埋地下廠房開挖程序及輪廓爆破方式比選研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（8）：1513-1514.

[3]李秦.國內工程爆破現狀及發展前景的探討[J].工程爆破，1999，3（5）：83-84.

[4]中鐵隧道勘測設計院.西安環球中心金花大樓爆破影響地鐵結構安全監測[M].2015.

[5]中國建筑工業出版社.城市軌道交通工程監測技術規范（GB50911-2013）[S].2013.

[6]中國計劃工業出版社.爆破安全規程GB6722-2011[S].2011.

[7]陳慶，王宏圖.隧道開挖施工的爆破振動監測與控制技術[J].巖土力學，2005，25（6）.