地鐵運營期間結構變形安全評價指標及評判標準研究

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(天津鐵道職業(yè)技術學院,天津 300240)

一、引言

城市化進程的加快導致了城市地下空間的不斷發(fā)展，這種趨勢將會產生很多地下交通節(jié)點，市政工程管線的施工、地下基坑的開挖都會導致地下交通節(jié)點的增多。地下網絡系統(tǒng)的完善使得城市新建地下工程對周圍既有的結構變形影響越來越嚴重。隨著地鐵運營的時間增長，地鐵結構的變形安全問題會越來越復雜，一旦地鐵運營時出現了事故，會給社會帶來巨大的經濟利益的損失和人員傷亡，造成嚴重的影響。為了保證地鐵的安全運營，除了相對健康完善的安全生產機制、嚴格的把握好施工時候的質量外，目前我國判斷地鐵運營期間的安全性主要是根據對地鐵沉降的監(jiān)測判斷。城市地鐵的線路很大部分會穿過城市交通擁擠、地下管線復雜、建筑物林立、人口密集的路段，因此需要將地鐵的結構變形控制在一定的標準之內。同時，對地鐵的變形監(jiān)測的另一個目的是進行預測，即通過發(fā)現隨著時間序列沉降的規(guī)律，建立合適的預測模型來預測，通過采取適當的措施減小變形，變形的預測可以為地鐵高效地運營提供技術支持。

影響地鐵結構變形的因素非常復雜，僅僅通過監(jiān)測及預測地鐵的變形，不能夠確定影響地鐵結構變形的主要因素在哪個方面，而且往往會使工程師們將次要因素當做主要因素來處理。因此，我們不僅僅要利用變形沉降對地鐵的安全狀況作出判斷，還需要進行評估，找出原因所在，通過分析評估，針對問題來選擇具體的針對解決方案，這就需要綜合考慮單個因素存在的局部的因素，同時還要考慮各個單項的因素之間存在對整體的影響。因此不難發(fā)現，地鐵結構變形的安全狀態(tài)的評估是一個多層次、多項目的階梯分析的問題。采用針對性的、適用的評估方法，找出合適的評價指標，以此建立科學的評價指標體系，對提高地鐵運營期間的安全狀況，找出針對性的養(yǎng)護措施，有很大的意義。

二、地鐵結構變形安全指標的選取

(一)地鐵結構變形產生的原因

城市地下交通系統(tǒng)隨著城市化的進程，在不斷完善，其建設的推進也導致影響結構變形的因素越來越復雜。查閱相關資料，可以得出地鐵運營期間結構變形產生的原因來自以下三個方面：

一是，臨近工程狀況?，F有地鐵周遭新建工程的施工會在一定程度上影響巖土地質的應力釋放，從而導致周邊巖土產生彈塑性變形，形成二次應力狀態(tài)，最終造成地鐵的變形。一般而言，新建工程與現有地鐵的位置關系、接近程度，以及新建工程的施工方法都會對現有地鐵的變形產生一定影響。

二是，巖土地質狀況。線路所處位置的水文地質情況，隧道所處水層的水位變化，隧道飽和砂土層液化的可能性等等，都會對地鐵的變形產生較大的影響。

三是，地鐵本身狀況。地鐵在運營期間，會一直承受到地鐵振動荷載的循環(huán)作用，隧道的結構材質的優(yōu)劣，軌道的敷設方式的不同，都會影響地鐵結構本身的變形。

(二)評價指標的選取

通過上述對影響地鐵變形的原因分析，我們可以將評價指標劃分為三個層次：指標層S、準則層P、目標層A。目標層指的是最終評價的地鐵結構變形的安全狀態(tài)，準則層由上述三個原因構成，分別代表的是地鐵本身狀況、臨近工程狀況、巖土地質狀況。指標層則指的是上述三個準則層對應的方案，也是最基礎的評價指標。

1.臨近工程狀況

(1)位置關系。一般而言，現有地鐵臨近工程相應的空間位置關系有周圍基坑、平行、上穿、下穿等，不同的空間位置會影響地鐵的受力特性，從而對地鐵變形的影響也不同。具體情況如下表1所示。

表1 位置關系對地鐵結構變形的影響等級

(2)接近程度。接近程度指的是新建工程與現有的地鐵之間的最小距離。臨近新建工程的施工，必然會對巖土地質的受力作用產生一定影響，使得地鐵結構發(fā)生一定的形變，距離越小影響必然越大。

新建工程的尺寸大小對地鐵結構變形的影響可以通過接近的程度體現出來，尺寸越大，則代表著其對現有地鐵的結構變形的影響越大，反之，則越小。

(3)施工方法。當下城市地下結構的施工方法主要有以下幾種，蓋挖法，礦山法，明挖法，盾構法。每種施工方法都有自己特有的特點，對現有地鐵結構變形的影響也不盡相同。城市道路需要保證一定交通量，選用蓋挖法；礦山法可以保證施工安全的同時減少新建工程對圍巖的擾動；明挖法工期短、造價低、施工質量易保證；盾構法自動化程度較高，節(jié)省大量勞動力的同時，有效的控制了新建工程對現有地鐵變形的影響。將新建工程的施工方法對現有地鐵變形的影響進行對比做出等級劃分，如表2所示。

表2 不同施工方法對地鐵結構變形影響等級

2.巖土地質狀況

(1)地下水。地下水分為上層滯水、潛水、承壓水。通常情況下，承壓水含有能承壓的重力水，潛水中含有自由水面的重力水，上層滯水的水量則相對較小。在施工區(qū)域，以巖土為一個單元，每個單元會在脫水或者吸水的時候發(fā)生變形，從而會導致上方土層的變形，因此地下水的變化會對現有的地鐵結構變形產生變化。

(2)土層地質。一般情況下，土由空氣、土粒與孔隙水組成即所謂的三相體，對于新建工程，土層一般由孔隙水和土粒組成。我國土層地質主要是粘土、各類沙土、粉土等組成，不同土質，以及隨著時間變化導致的土層的變化，都會對地鐵的變形產生影響。

(3)滲漏水。在土層水量含有較多的地區(qū)，很容易出現大量的滲漏水，滲漏水的出現不僅會加快地鐵隧道結構本身的混凝土的老化速度，還會破壞隧道結構，對照明器材、機電設備等造成較大的影響。同時，當滲漏水現象比較嚴重時，會使得地鐵周遭的地下水水位發(fā)生變化，從而引起周圍土層的應力狀態(tài)的變化，影響地鐵的變形。

3.地鐵本身狀況

(1)材質優(yōu)劣。地鐵結構材質的好壞直接影響了地鐵結構變形的大小。以混凝土來說，混凝土在地鐵的隧道結構中承擔著各種應力的作用，混凝土強度越高，則可以承擔的應力越大，相應的在相同應力條件下，可以減小地鐵的變形。

(2)軌道敷設方式。軌道敷設方式的不同，也會導致地鐵結構受力的不同。一般而言，地鐵的敷設方式有三種，分為地下、地面和高架。

(3)隧道襯砌裂損。隧道襯砌的裂損一般是由荷載作用、溫度變化、結構干縮造成。通常情況下，隧道的襯砌裂損不承受地鐵結構的荷載力，而主要是為了釋放結構的應力集中。因此隨著時間推移，襯砌的裂損會越來越嚴重，直到影響地鐵的變形。

(三)地鐵結構變形安全評價指標體系

根據上述指標的選取分析，我們可以建立一個地鐵運營期間的結構變形評價指標體系，如圖1所示。第一層目標層A代表的是地鐵的結構安全狀態(tài)。第二層P為準則層，此體系中，準則層由三個方面構成，分別是臨近工程、巖土地質狀況、地鐵本身狀況，分別由P1，P2，P3代表。第三層指標層S，由各個準則層對應的評價指標組成：臨近工程包括了位置關系、接近程度、施工方法，分別用P11，P12，P13表示；巖土地質狀況包含了地下水、土層地質、滲漏水，上述三種分別用P21，P22，P23表示；結構本身狀況包括材質優(yōu)劣、軌道敷設方式、隧道襯砌裂損，上述三種分別用P31，P32，P33代表。

圖1 地鐵結構變形安全評價指標體系

三、安全評價等級設定

將地鐵的結構變形的安全評估的目的是為了評價某一時刻地鐵結構的安全狀況以及安全程度。安全評價等級的設定是一個很嚴肅的問題，它涉及到國家規(guī)范以及經驗方法。參照規(guī)范《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》CJJ/T202-2013和《城市軌道交通工程測量規(guī)范》GB50308-2008，結合前人相關工程經驗，本文對地鐵的安全狀態(tài)分為四級：

Ⅰ級：安全(不會影響地鐵正常運營)

Ⅱ級：較安全(存在某些因素對地鐵結構變形有一定的影響)

Ⅲ級：較不安全(地鐵結構變形較大，超過了警戒值)

Ⅳ級：不安全(地鐵無法正常運營)

四、評判標準研究

(一)臨近工程評判標準

1.位置關系評判標準

根據表1所示，新建工程與現有地鐵的位置關系分析及其影響等級的劃分，采用下述評判標準。

位置關系：上穿，屬于安全狀態(tài)，為Ⅰ級；

位置關系：平行，屬于較安全狀態(tài)，為Ⅱ級；

位置關系：周圍基坑，屬于較不安全狀態(tài)，為Ⅲ級；

位置關系：下穿，屬于不安全狀態(tài)，為Ⅳ級；

2.接近程度評判標準

基于我國《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》CJJ/T202-2013規(guī)范評價標準，結合施工方法，得到了如表3所示評判標準。

表3 基于接近程度的評判標準

H表示基坑開挖深度；相對凈距值L是外部作業(yè)結構邊線與軌道交通結構外邊線的最小凈距離。

3.施工方法評判標準

不同的施工方法對地鐵結構的安全影響等級的劃分如表2所示，因此可以采用以下作為定性的基于施工方法的評判標準：

施工方法：明挖法，屬于安全狀態(tài)，為Ⅰ級；

施工方法：盾構法，屬于較安全狀態(tài)，為Ⅱ級；

施工方法：蓋挖法，屬于較不安全狀態(tài)，為Ⅲ級；

施工方法：礦山法，屬于不安全狀態(tài)，為Ⅳ級；

(二)巖土地質評判標準

1.地下水評判標準

地下初始水位線低于臨近新建工程結構地板且高于既有的地鐵隧道結構時，地下水對現有的地鐵結構影響較??；地下初始水位線高于現有地鐵結構與新建工程地板時，需要采用降水作業(yè)方法施工，會影響地鐵結構的耐久性；初始水位低于現有地鐵隧道結構同時未完全高于新建工程結構，對地鐵結構變形安全影響比較嚴重；初始水位高于新建工程高度低于現有地鐵隧道結構，地下水對地鐵結構變形安全影響最大?？梢愿鶕鲜龅叵滤慌c新建工程的關系作為定性的對地下水的評判標準。

2.巖土地質評判標準

根據規(guī)范《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》GB50911-2013規(guī)定，綜合風化程度、巖體結構、土層特征等綜合來確定巖土地質對軌道交通的影響程度，對影響區(qū)進行劃分：

沉降曲線邊緣5i外，對軌道交通無影響，為Ⅰ級；

沉降曲線邊緣2.5i～5i處，對軌道交通可能有影響，為Ⅱ級；

沉降曲線反彎點至邊緣2.5i處，對軌道交通有次要影響，為Ⅲ級；

隧道正上方及沉降曲線反彎點范圍，對軌道交通有主要影響，為Ⅳ級；

3.滲漏水評判標準

滲漏水對地鐵結構的影響通過滲漏水的滲漏速度來表示，參照《地下防水工程質量驗收規(guī)范》GB50208-2011，可以得到定量的基于滲漏水速度的評判標準。

Ⅰ級：滲漏速度V(滴/分鐘)≤5，屬于安全狀態(tài)；

Ⅱ級：5<滲漏速度V(滴/分鐘)≤60，屬于較安全狀態(tài)；

Ⅲ級：60<滲漏速度V(滴/分鐘)≤300，屬于較不安全狀態(tài)；

Ⅳ級：滲漏速度V(滴/分鐘)>300，屬于不安全狀態(tài)；

(三)地鐵本身狀況

1.軌道敷設方式評判標準

對于高架線路來說，結構變形所受影響最??；對于地下線路來說，新建工程土層的變化會極大程度上影響地鐵的結構變形；對地面線路來說，影響相對較小。因此，可以以軌道的敷設方式作為一個定性的評判標準。

2.材質優(yōu)劣評判標準

混凝土結構的強度可以直觀的反映出材質的優(yōu)劣。而混凝土的強度可以由實際強度與設計強度的比K來反應出來。根據規(guī)范要求以及經驗總結，可以得到相應的標準：

K≥3/4時，屬于安全狀態(tài)，為Ⅰ級；

3/4>K≥2/3時，屬于較安全狀態(tài)，為Ⅱ級；

2/3>K≥1/2時，屬于較不安全狀態(tài)，為Ⅲ級；

K <1/2時，屬于不安全狀態(tài)，為Ⅳ級；

3.隧道襯砌裂損評判標準

隨著地鐵的運營，地鐵隧道襯砌必然會發(fā)生不同程度的裂損，對地鐵的安全產生一定影響，而影響程度可以通過裂縫的寬度反應出來，根據《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003-2005)和混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2002)有關規(guī)定，以及參考統(tǒng)計資料，本文基于表4作為隧道襯砌裂損的評判標準。

表4 基于隧道襯砌裂損的評判標準

五、小結

本文基于國家規(guī)范以及國內各座地下隧道設計和統(tǒng)計資料，分析了影響地鐵結構變形安全的因素，包括地鐵本身狀況，臨近工程，巖土地質，并對上述三種安全因素分別進行分析，得到了細化的安全指標。并且在此之上，建立了地鐵結構安全評判標準，為日后地鐵安全的分析提供了分析方法，對我國地鐵安全的研究起了一定的促進作用。

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