西安环球中心金花大楼爆破作用下周边地铁的安全性研究

郭辉

摘 要：以国内爆破最高建筑-西安环球中心为工程背景，采用机器人自动化和人工选点监测方式，主要从周边地铁区间隧道的结构、轨道变形入手，研究爆破超高层建筑结构对周边地铁的影响。监测结果表明，超高层建筑爆破对周边地铁区间隧道有很大影响，利用机器人监测能较好的测出区间隧道各结构部位变形，保证了地铁结构的安全，同時与人工监测数据相比，充分验证区间隧道中测量机器人的优越性。

关键词：西安环球中心；爆破；地铁结构；测量机器人

中图分类号：O329 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0135-03

随着我国城市建设发展的速度越来越快，原有的地标建筑已经严重影响了城市的发展，因此，在世界上很多地方，原有的地标性建筑被拆除，例如，重庆的会仙楼，武汉大学的老牌坊等。[1]在拆除过程中，目前多采用机械化拆除、爆破等，爆破根据炸药的类型分为多种爆破形式。[2]在以往的工程爆破中，高层建筑爆破很少，然在地铁影响范围内爆破超高层结构，是前所未有的，近日高达118m的地标建筑-西安市环球中心金花大楼被成功爆破，成为国内目前国内爆破最高建筑。[3]因西安环球中心距西安地铁三号线较近，爆破产生的巨大冲击波和堆载对已建成的地铁结构有很大影响，为了充分保证结构的安全，本文正基于此，展开对距环球中心41.6m的三号线区间隧道进行监测，采用机器人自动化和人工监测相校核的方式，主要对地铁区间隧道的结构振动、平面位移，变形缝沉降，周边收敛，道床及左右轨道变形等参数进行监测，研究超高层爆破对周边地铁的影响程度。

1 西安环球中心爆破概况及监测方案

1.1 西安环球中心爆破概况

环球西安金花办公大楼爆破工程其主楼地下一层，地上二十六层，楼顶还建有镂空钢网架。建筑总高度为118m，距延～科区间盾构隧道直线距离为41.6m，对大楼爆破方案经过多方论证，最终确定为金花大楼爆破后远离地铁方向倒塌（即反向倒塌）；其平面及剖面位置如图1所示。[4]

1.2 监测实施方案

本次监测范围位于地铁3号线延平门站～科技路站区间内，即环球西安中心金花大厦影响区间隧道范围内，左右线（ZDK16+340.668～ZDK17+023、YDK16+343.121～YDK16+989.478）监测范围长约1400m，主要监测项目见表1所示。

监测过程中，按10m布置一个断面，各设65个断面，每个断面上主要监测道床、隧道结构、变形缝、左、右线变形，其中在距离环球中心爆破最近距离处安装一台爆破振动仪，监测爆破过程中地铁结构振动情况。

2 自动化监测与人工监测

2.1 爆破振动频率监测

在于环球中心在直线距离最近的地铁衬砌上设置一组爆破测振仪，监测地铁结构的水平和竖直振动情况。[7]

通过图2、3分析可得出：金花大楼爆破过程中，对地铁结构产生的振动速率均未达到控制爆破振动速率；水平振速与竖直振速相比，水平振速远大于竖直振速；经过分析，爆破振动速率对地铁影响不大的主要原因是大楼倒塌方向应远离地铁结构。

2.2 区间隧道结构位移监测

通过图4、5所示，分别为区间隧道平面位置x（与隧道断面平行）、y方向（与隧道中线平行）上的位移，监测发现：机器人监测的平面位移有所大幅度增加，距离爆破最近的地铁结构平面位移超出了规范规定的控制值，周边选取的各个监测点也达到预警值，而人工监测过程中，平面位移增加不大，距离爆破最近的监测点仅达到预警值，主要原因是机器人监测系统是在一时间段内实时监测的，监测到爆破瞬间地铁的位移变化值，而人工监测，是在爆破结束3个小时后，确保人员安全后才进入区间隧道中进行监测工作，因此监测数据有一定的差异，同时也说明金花大楼爆破一瞬间，距离最近的地铁区间隧道超出了控制值，平面x方向的位移比y方向的位移大的多，说明大楼爆破后，区间隧道受到大楼堆载旁压后，向隧道断面x方向整体发生了位移。

同时，机器人监测的数值比人工监测的数值大，说机器人监测爆破引起地铁位移变化的可靠性。

2.3 区间隧道拱顶下沉及周边位移收敛监测

隧道周边收敛在隧道底墙和拱肩处分别布设了收敛监测点。分析可得出，区间隧道周边收敛在爆破一瞬间数值很大，爆破后随着时间的增长，数值变化很小，速度越来越慢，隧道趋于收敛。拱肩收敛值与底墙收敛值相比较，拱肩的收敛值略大于底墙，说明隧道周边拱肩受力略大。

拱顶沉降在大楼爆破后，隧道拱顶刚开始沉降较大，随着时间的增加，拱顶处的沉降值控制在10mm以内，满足规范要求。

2.4 轨道平顺性监测

爆破对地铁结构产生很大的冲击力，为了保证列车的正常通行，除了对隧道结构本身进行监测，还应对轨道进行监测，监测项目主要包括轨道结构纵向差异，水平变形及距离。

2.4.1 轨道平面位移监测

如图6、7所示，x表示与轨道垂直方向上的位移，y表示平行于轨道方向上的位移。通过分析可得，距离爆破最近的轨道在爆破一瞬间x方向的位移值达到2.7mm，但人工监测的仅有1.8mm，有一定的差值，但二者均未达到控制值，与y方向的位移进行对比，与轨道平行y方向上的位移在0.8mm-0.36mm之间，比x方向的位移量小很多，说明金花大楼爆破使地铁结构整体往x方向移动，而y方向的位移是由于轨道向最近距离偏移造成的，位移量很小。

2.4.2 轨道平面距离监测

轨道受到爆破冲击及堆载旁压后，两根轨道受力后位移并不完全相同，因此还需对轨道平面距离进行监测，监测结果如图8所示，通过分析可得出，距离爆破最近位置处的两根轨道间的距离最大相差2mm，爆破一瞬间轨排距离相差较大，但仍在控制范围内，其余各轨道距离随着时间的增加，相差距离趋于平稳，但距离爆破最近的轨道距离有增加的趋势。

2.4.3 道床及轨道平面沉降监测

对轨道和道床沉降分别进行监测，见图9-11，通过分析可以看出，道床和轨道的沉降趋势大体相同，爆破一瞬间位移較大，随着时间的增加，沉降速率逐渐减小，道床及轨道结构趋于稳定；道床与轨道的位移经过比较发现，道床与轨道同一监测点沉降值存在一定的差异，爆破瞬间沉降差异相差较大，随着时间的增加，道床与轨道的沉降差异曲线沿着轨道方向类似于“波浪型”，差异值在±0.2mm以内波动，符合列车运行的平顺性要求。

3 结论与建议

本文以目前国内爆破最高建筑—西安环球中心金花大楼爆破为依托，采用机器人监测，并通过人工选点监测相拟合，以周边地铁区间隧道结构、道床及轨道变形等参数为控制基准，研究爆破超高层建筑结构影响范围内地铁的安全性能，得到以下结论：

（1）通过爆破过程中对地铁结构振动速率监测发现，大楼爆破瞬间对地铁结构振动速度较大，水平振动速率远远大于竖直振动速率，但不论水平还是竖直方向上的振动速率，均在控制范围内。（2）对周边地铁区间隧道平面位移监测发现，大楼爆破使地铁区间隧道产生了一定的侧向位移，利用机器人监测系统很好地监测出爆破瞬间隧道的平面位移，x方向的平面位移多点已经达到预警值，但爆破过后，各个监测点的平面位移有一定的减小，均在控制值范围内；与人工选点监测数据拟合，离散度在8%左右，且人工监测未能监测出大楼爆破瞬间地铁区间隧道平面位移的变化。（3）对轨道及道床平面位移及沉降监测，大楼爆破对轨道平面位移影响不大，而对沉降影响较大。道床和轨道的沉降趋势大体相同，爆破一瞬间位移较大，随着时间的增加，沉降速率逐渐减小，道床及轨道结构趋于稳定；道床与轨道的位移经过比较发现，道床与轨道同一监测点沉降值存在一定的差异，爆破瞬间沉降差异相差较大，随着时间的增加，道床与轨道的沉降差异曲线沿着轨道方向类似于“波浪型”，差异值在±0.2mm以内波动，符合列车运行的平顺性要求。

综合考虑了地铁结构振动速率、隧道结构的沉降及平面位移、轨道的平面位移及轨道之间距离、道床与轨道之间的沉降差等安全参数可以发现，在地铁影响范围内，爆破超高层建筑结构反向倒塌方案是可行的。

参考文献

[1]陈琦.既有建筑拆除行政审批制度研究[D].北京交通大学，2015，7-13.

[2]卢文波，耿祥等.深埋地下厂房开挖程序及轮廓爆破方式比选研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（8）：1513-1514.

[3]李秦.国内工程爆破现状及发展前景的探讨[J].工程爆破，1999，3（5）：83-84.

[4]中铁隧道勘测设计院.西安环球中心金花大楼爆破影响地铁结构安全监测[M].2015.

[5]中国建筑工业出版社.城市轨道交通工程监测技术规范（GB50911-2013）[S].2013.

[6]中国计划工业出版社.爆破安全规程GB6722-2011[S].2011.

[7]陈庆，王宏图.隧道开挖施工的爆破振动监测与控制技术[J].岩土力学，2005，25（6）.