地鐵車輛基地上蓋型鋼混凝土轉(zhuǎn)換層施工監(jiān)測技術(shù)研究

李偉 康龍 孫更利 郭瑞 苗書官

地鐵車輛基地是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，具有檢修、維護、測試地鐵車輛等功能。地鐵車輛基地建設(shè)工程量龐大，因此部分地區(qū)對車輛基地采用“地鐵+物業(yè)”的模式，以起到節(jié)約土地資源、優(yōu)化城市空間布局的作用。由于車輛基地上蓋平臺下采用框架結(jié)構(gòu)，上部往往建設(shè)多棟住宅樓，考慮到抗震設(shè)防問題，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，而轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，且施工難度極大，實際運營過程受地鐵振動、嚴(yán)寒地區(qū)溫差、結(jié)構(gòu)不均勻沉降等影響顯著。另一方面，由于車輛基地占地面積極大，為了解決其對交通的影響，部分地區(qū)會在上蓋規(guī)劃市政道路，增大了結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，需要同時滿足建筑和市政橋梁的設(shè)計要求，并保證在市政道路偶然荷載與長期荷載作用下的安全。這些問題均需要通過應(yīng)用長期監(jiān)測手段持續(xù)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，進而保證車輛基地主體結(jié)構(gòu)的安全。

針對上述結(jié)構(gòu)的監(jiān)測問題，目前，學(xué)界僅在住宅區(qū)域轉(zhuǎn)換層設(shè)計、施工方面進行了一定的研究，如：蘇效杰針對深圳蛇口西車輛基地地坪層進行了交通組織設(shè)計；張一純對分層設(shè)置進出車輛基地的道路和轉(zhuǎn)換層，較好地解決了結(jié)構(gòu)和交通沖突的問題。但是目前尚無針對該類構(gòu)件從設(shè)計、施工、運營各階段的全壽命性能分析與監(jiān)測研究。而且在車輛基地上蓋市政道路監(jiān)測方面，目前尚無相關(guān)方面的研究。

鑒于此，本文以哈爾濱車輛段基地為工程背景，結(jié)合實際施工環(huán)境，提出了指定區(qū)域重點部位的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度的長期監(jiān)測方法，以全面反映實際施工狀態(tài)，實現(xiàn)場地施工信息化，并保證結(jié)構(gòu)安全。同時為基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的施工優(yōu)化方法提供支持。

一、工程概況

安通街車輛基地位于哈爾濱市香坊區(qū)紅星街以東、規(guī)劃安通街以北、既有城市三環(huán)路以西區(qū)域，該地長約1295m，寬約451m，占地為43.71公頃。車輛基地共分五大區(qū)，即車輛運用及工程車庫區(qū)、車輛運用及工程車庫前岔行區(qū)、檢修庫區(qū)、檢修庫前的岔行區(qū)以及卸車場區(qū)域。其中上蓋平臺下包括C區(qū)和D區(qū)，C區(qū)（檢修庫）平面尺寸145.9×254.1m，層高為14.5m，檢修庫蓋頂由規(guī)劃市政道路分成左右兩部分，左側(cè)為幼兒園及商業(yè)；道路右側(cè)為規(guī)劃市政停車場及綠化場地。D區(qū)上蓋開發(fā)項目，不設(shè)置地下室，結(jié)構(gòu)一層（層高9.5m，承臺頂面-1.5m，結(jié)構(gòu)高度11.0m）為地鐵停車庫，二層（層高為5.7m）為住宅停車庫，三至十三層（三層層高為4.8m，四層及以上層高為2.95m）為住宅，共建設(shè)二十棟單體樓，建筑總高度為49.6m。

圖1 車輛基地上蓋開發(fā)效果圖

二、監(jiān)控方法

1.監(jiān)控項目

根據(jù)設(shè)計要求并結(jié)合施工環(huán)境和工況情況，檢修庫上蓋規(guī)劃道路區(qū)域鋼筋混凝土梁采用自動化監(jiān)測，監(jiān)控項目包括鋼筋混凝土梁應(yīng)力、鋼筋混凝土梁撓度變形、結(jié)構(gòu)受地鐵及車輛的振動響應(yīng)。D區(qū)上蓋高層住宅選擇代表性區(qū)域進行施工過程人工監(jiān)測，監(jiān)測項目包括型鋼混凝土梁柱應(yīng)力、上蓋建設(shè)過程沉降、結(jié)構(gòu)受地鐵的振動響應(yīng)。

2.測點布置與監(jiān)測手段

在穩(wěn)固、已經(jīng)完成沉降的結(jié)構(gòu)物上設(shè)置不少于3個監(jiān)測基準(zhǔn)點，形成附合導(dǎo)線。

對于板梁應(yīng)力，考慮到測試設(shè)備的精度和穩(wěn)定性及堅固程度，選用振弦式應(yīng)變計進行測試，通過記錄應(yīng)變計內(nèi)置鋼弦由于長度變化所造成的振動頻率變化，經(jīng)公式轉(zhuǎn)換求取測點應(yīng)變值。根據(jù)鋼筋混凝土梁的受力理論，當(dāng)梁上部承托城市道路時，在轉(zhuǎn)換梁常用截面尺寸內(nèi)，轉(zhuǎn)換梁在豎向荷載作用下的內(nèi)力同普通框架梁跨中作用集中荷載相似。由于轉(zhuǎn)換梁跨度較大，其跨中和梁端的彎矩、剪力都非常大。因此分別在受力較大的梁跨中下緣設(shè)置內(nèi)埋式應(yīng)變傳感器（C區(qū)）/表貼式應(yīng)變傳感器（D區(qū)）及對應(yīng)位置鋼筋設(shè)置鋼筋應(yīng)力計，分別監(jiān)測鋼筋混凝土梁/型鋼混凝土梁的變形及受力情況。對于型鋼混凝土框支結(jié)構(gòu)+超大面積厚板形成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層則選取4個代表性框格，在每一框格框架梁、跨中位置型鋼梁底板各布置一個表貼式振弦應(yīng)力傳感器，相應(yīng)位置布置內(nèi)埋式應(yīng)力應(yīng)變傳感器。

針對梁柱撓度沉降問題，在C區(qū)檢修庫上蓋規(guī)劃道路區(qū)域選擇跨度最大的框格，采用大量程壓差式靜力水準(zhǔn)儀布置在梁跨中，基準(zhǔn)參考點設(shè)置在相鄰的墩柱上，運營階段通過自動化設(shè)備監(jiān)測主梁在車輛荷載作用下的撓度變形。對于高層建筑代表區(qū)域，轉(zhuǎn)換層型鋼混凝土梁柱的沉降變形可采用電子水準(zhǔn)儀或者全站儀測量。此時需要考慮現(xiàn)場溫度的影響，結(jié)構(gòu)往往在經(jīng)歷一個夜晚后整體結(jié)構(gòu)溫度會比較均勻，因此多選擇清晨6-8時進行監(jiān)測，并根據(jù)日出時間調(diào)整具體時間。通過萊卡全站儀進行測量，考慮現(xiàn)場施工環(huán)境的制約，采用極坐標(biāo)法觀測水平位移。

在C區(qū)規(guī)劃道路區(qū)域最大跨梁格主縱橫梁布置壓電加速度傳感器，作行車振動觀測記錄。行車持續(xù)的荷載使建筑物產(chǎn)生持續(xù)的響應(yīng)，驗證建筑物克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。在運營階段針對D區(qū)幼兒園、高層住宅區(qū)等建筑結(jié)構(gòu)物采用移動式無線拾振器對結(jié)構(gòu)振動情況進行監(jiān)測。

3.靜動載試驗

靜載試驗主要測試主梁控制截面在相應(yīng)控制荷載作用下的變形（或者偏位）、應(yīng)力情況。試驗的主要測試項目有包括對應(yīng)最不利截面的撓度測試和對應(yīng)最不利截面的應(yīng)變測試。

動荷載試驗是為了測定結(jié)構(gòu)的自振特性或者在動力荷載作用下的動力響應(yīng)特性，通過動載試驗評定該結(jié)構(gòu)的行車性能以及行車安全和舒適度，為了通過監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗在行車作用下結(jié)構(gòu)的安全性能，開展監(jiān)測橋梁的自振特性的監(jiān)測；汽車荷載作用下的無障礙行車試驗、動應(yīng)變和沖擊系數(shù)；汽車荷載作用下的剎車試驗、動應(yīng)變和沖擊系數(shù)。

4.監(jiān)控頻率

監(jiān)控頻率應(yīng)當(dāng)在原則上取用相關(guān)設(shè)計單位規(guī)定的頻率進行，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行靈活調(diào)整。并且當(dāng)出現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)達(dá)到報警值、數(shù)據(jù)突發(fā)性增大或者變動速率加快、周邊荷載突然增大或者超過設(shè)計限制等情況時，應(yīng)提高監(jiān)控頻率。本次監(jiān)控任務(wù)中各個監(jiān)控項目的頻率如表1所示。

表1 監(jiān)控周期及頻率

三、監(jiān)控信息的處理

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)均由計算機進行處理與管理，當(dāng)取得各種監(jiān)控數(shù)據(jù)后，能及時進行處理，繪制各種類型的表格及曲線圖，對監(jiān)控結(jié)果進行回歸分析，預(yù)測最終位移值，預(yù)測結(jié)構(gòu)物的安全性，確定工程技術(shù)措施。因此，對每一個測點的監(jiān)控結(jié)果要根據(jù)管理基準(zhǔn)和變化速率等綜合判斷結(jié)構(gòu)物的安全狀況，并編寫周、月匯總報表，及時回饋指導(dǎo)施工，調(diào)整施工參數(shù)，達(dá)到安全、快速、高效施工之目的。

監(jiān)控的初始測量值一般通過對初始變量中某一變量的數(shù)值或者統(tǒng)計觀測值按照時間順序排列成數(shù)值序列進行。在取得量測數(shù)據(jù)后，及時整理繪制位移時態(tài)變化曲線圖，即時態(tài)散點圖。在取得足夠的數(shù)據(jù)后，根據(jù)散點圖的數(shù)據(jù)分布狀況，選擇合適的函數(shù)，對監(jiān)控結(jié)果進行回歸分析，以預(yù)測該測點可能出現(xiàn)的最大位移值，預(yù)測結(jié)構(gòu)物的安全狀況。

四、結(jié)語

本文基于哈爾濱車輛段基地的實際工程情況，提出了指定區(qū)域重點部位的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度的長期監(jiān)測方法，進而保證不同工程階段的主體結(jié)構(gòu)安全，為車輛段基地上蓋物業(yè)開發(fā)及市政橋梁建設(shè)提供保障。