城市地下空間工程韌性提升研究

雷升祥, 趙 偉, 雷宇明

(1. 中國(guó)鐵建股份有限公司, 北京 100855; 2. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222; 3. 中國(guó)鐵建股份有限公司工程總承包部, 北京 100085)

0 引言

開(kāi)發(fā)利用城市地下空間是“造福當(dāng)代、惠澤千秋”的偉業(yè)[1],是改善城市生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)、解決城市病、促進(jìn)城市韌性及可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[2-5],但目前我國(guó)城市地下空間存在規(guī)劃不系統(tǒng)、建設(shè)品質(zhì)不高、安全風(fēng)險(xiǎn)防控能力不強(qiáng)等問(wèn)題[6-8]。

“韌性”概念在工程材料[9]及工程結(jié)構(gòu)抗震[10]中得到較早的應(yīng)用,是工程結(jié)構(gòu)延性耗能的重要力學(xué)概念[11-15]。關(guān)于韌性的早期研究,加拿大生態(tài)學(xué)家Holling將韌性用于描述生態(tài)系統(tǒng)[16],其本意是“恢復(fù)到原始狀態(tài)”,強(qiáng)調(diào)吸收外界沖擊和擾動(dòng)的能力,即外界干擾時(shí)能夠消化吸收干擾因素并保持其主要特征、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵功能。

王嶠等[17]結(jié)合城市韌性與非工程防災(zāi)的內(nèi)在關(guān)聯(lián),從管理韌性、社會(huì)韌性、經(jīng)濟(jì)韌性3個(gè)維度提出城市非工程防災(zāi)策略;文獻(xiàn)[18-23]研究了不同類(lèi)型基礎(chǔ)設(shè)施的工程韌性;畢熙榮等[24]的研究認(rèn)為韌性評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)從魯棒性、可靠性、快速性、恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)、恢復(fù)程度、恢復(fù)策略和級(jí)聯(lián)效應(yīng)7個(gè)要素入手;Admiraal等[25]的研究認(rèn)為地下空間可提高城市在基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境領(lǐng)域的韌性,保障災(zāi)時(shí)人員和信息的高效流動(dòng);鄭剛等[26]則從工程角度研究分析地下空間的韌性,認(rèn)為巖土與地下工程結(jié)構(gòu)屬于低韌性結(jié)構(gòu)。

在抗災(zāi)防災(zāi)領(lǐng)域,韌性具有現(xiàn)實(shí)意義。鄭州“7·20”極端特大暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇問(wèn)題,對(duì)城市地下空間的韌性提出了更高的要求,韌性提升迫在眉睫。雷升祥等[6,8]提出城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的“第四國(guó)土” “地下紅線”“融合設(shè)計(jì)”“節(jié)點(diǎn)TOD空間布局”“規(guī)劃留白”“以人為本”和“智慧建造”新理念,并以構(gòu)建高品質(zhì)地下空間為目標(biāo),圍繞“安全、高效、舒適、綠色”4個(gè)方面,提出以人為本的地下空間品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

21世紀(jì)將會(huì)成為地下空間開(kāi)發(fā)利用的新時(shí)代。我國(guó)各特大、大型城市以TOD等模式迎來(lái)地下空間規(guī)?；_(kāi)發(fā)的新時(shí)期。地下空間具有抗震、抗風(fēng)、抗爆、防化等防護(hù)功能,擁有巨大的防災(zāi)減災(zāi)潛力,但地下空間防災(zāi)具有兩面性。一旦發(fā)生火災(zāi)、水災(zāi),救援難度大,經(jīng)濟(jì)及社會(huì)損失大,如圖1所示。目前,我國(guó)地下工程質(zhì)量通病防治任重道遠(yuǎn),工程本身的耐久性、安全性和防連續(xù)倒塌能力不強(qiáng)。因此,亟待提高工程韌性,建設(shè)高品質(zhì)地下空間。

(a) 水災(zāi)

(b) 火災(zāi)

上述分析可以看出,眾多專(zhuān)家學(xué)者將韌性概念用于工程領(lǐng)域,研究了不同類(lèi)型基礎(chǔ)設(shè)施的工程韌性特征,提出了城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的新理念,但對(duì)地下空間工程全生命周期韌性提升的研究相對(duì)較少,這也是當(dāng)前工程實(shí)踐中相對(duì)缺失的。本文給出地下空間工程韌性的定義和內(nèi)涵特征,分析全壽命周期工程韌性提升的方法,提出工程韌性提升的方向和建造運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù),為提高我國(guó)城市地下空間工程韌性和品質(zhì)及促進(jìn)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用提供新思路,探索發(fā)展方向。

1 城市地下空間的工程韌性

1.1 城市地下空間工程韌性的定義

城市地下空間工程韌性指地下空間在遭遇自然或人為因素干擾后,在保障工程結(jié)構(gòu)安全、維持使用功能的前提下,所具有的降低風(fēng)險(xiǎn)、減輕破壞或干擾的能力,維持或迅速恢復(fù)其功能的能力。包括沖擊抵抗能力、受災(zāi)恢復(fù)能力和風(fēng)險(xiǎn)適應(yīng)能力3個(gè)方面。

城市地下空間工程韌性具有以下4個(gè)方面的屬性:

1)魯棒性, 承受擾動(dòng)事件的沖擊并仍然運(yùn)行的能力;

2)冗余性,元素或組件可替換的程度;

3)智慧性,在擾動(dòng)事件發(fā)生后的自適應(yīng)能力,應(yīng)對(duì)突發(fā)事件自適應(yīng)的范圍;

4)時(shí)效性,受到擾動(dòng)事件的影響后恢復(fù)到預(yù)期功能水平的速度。

地下空間工程韌性要實(shí)現(xiàn)3個(gè)目標(biāo):

1)高可靠性。降低擾動(dòng)事件發(fā)生時(shí)的失效概率,使工程更加可靠,體現(xiàn)工程韌性的魯棒性和冗余性。

2)快速恢復(fù)性。減少恢復(fù)到預(yù)期性能水平所用的時(shí)間,實(shí)現(xiàn)更快恢復(fù),體現(xiàn)工程韌性的時(shí)效性。

3)低災(zāi)害后果性。降低擾動(dòng)事件對(duì)工程的影響程度,減輕不良后果,體現(xiàn)工程韌性的智慧性。

城市地下空間工程韌性本質(zhì)在于提高工程結(jié)構(gòu)可靠度,維續(xù)地下空間的服役能力。城市地下空間建造涉及工程地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域,包含地質(zhì)工程學(xué)、土木工程學(xué)、地下建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及巖土力學(xué)等多個(gè)學(xué)科分支,需要進(jìn)行多領(lǐng)域?qū)W科交叉與融合研究,提高地下空間工程韌性。

1.2 城市地下空間工程韌性提升的目標(biāo)和意義

開(kāi)發(fā)地下空間是城市回歸自然的重要手段,有利于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境,工程韌性提升的內(nèi)涵應(yīng)該是全功能、全要素、全過(guò)程和全深度的。

目前,我國(guó)城市地下空間進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新階段,更加著眼于優(yōu)化國(guó)土空間布局,提高集約化利用水平,形成多中心、網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放式、集約型高質(zhì)量發(fā)展的新格局。地下空間高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)是提升地下空間的韌性防災(zāi)能力,以滿(mǎn)足人們對(duì)美好生活的向往。

地下空間應(yīng)對(duì)災(zāi)害的理念也由傳統(tǒng)的災(zāi)害防御抵抗轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾庸こ添g性,提高與風(fēng)險(xiǎn)共存的能力。工程韌性提升的目的是保障工程的高可靠性、低災(zāi)害后果性和災(zāi)后快速恢復(fù)性。地下空間韌性提升研究從災(zāi)變發(fā)展規(guī)律、災(zāi)變機(jī)制出發(fā),建立城市地下空間韌性提升理論和方法,為實(shí)現(xiàn)我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略、建設(shè)韌性城市提供科技支撐。

2 城市地下空間工程韌性提升

2.1 全生命周期韌性提升

城市地下空間工程由于施工環(huán)境差、技術(shù)要求高、質(zhì)量控制難度大等原因,易產(chǎn)生各種缺陷,運(yùn)營(yíng)期發(fā)展為病害,給運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。工程質(zhì)量是工程韌性的基礎(chǔ),是保障地下空間冗余度和魯棒性,提高風(fēng)險(xiǎn)防控的時(shí)效性和實(shí)現(xiàn)災(zāi)后快速恢復(fù)的基礎(chǔ)。質(zhì)量控制和韌性提升應(yīng)貫穿包括規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)維階段的工程全生命周期。地下空間全生命周期工程韌性提升如圖2所示。

圖2 地下空間全生命周期工程韌性提升

2.1.1 規(guī)劃階段

規(guī)劃階段主要基于災(zāi)變?nèi)^(guò)程控制的地下空間規(guī)劃韌性,進(jìn)行災(zāi)變?nèi)^(guò)程安全評(píng)價(jià),實(shí)施安全前置的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。具體包括: 摸清可利用資源總量,評(píng)價(jià)地下資源要素、環(huán)境因素、空間利用效率及工程建設(shè)可行性等;規(guī)劃理念發(fā)揮政府主導(dǎo),充分考慮城市防災(zāi)韌性需求,完善城市總體層面的地下空間規(guī)劃內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)有效空間統(tǒng)籌和管制;城市地下空間分階段開(kāi)發(fā)、空間留白,預(yù)留長(zhǎng)期發(fā)展的拓建及改擴(kuò)建空間;既有地下空間網(wǎng)絡(luò)化改造,構(gòu)建立體網(wǎng)絡(luò)化、高強(qiáng)度可持續(xù)發(fā)展的城市地下空間。

2.1.2 勘察、設(shè)計(jì)階段

勘察、設(shè)計(jì)階段的工程韌性提升基于前瞻性和控制性,在冗余度設(shè)計(jì)等方面有超越“規(guī)范”的勘察、設(shè)計(jì)韌性。全要素探測(cè)巖、土、水、氣、微生物、磁力場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)、放射場(chǎng)、礦產(chǎn)資源、地下建(構(gòu))筑物等要素,系統(tǒng)勘查,實(shí)現(xiàn)地下全要素信息集成管理與透明化表達(dá),為各階段提供“高精度、高時(shí)效、全要素”的基礎(chǔ)地理地質(zhì)信息、技術(shù)支撐和空間數(shù)據(jù)服務(wù)。

在巖土工程中,局部破壞可引發(fā)大范圍連續(xù)破壞事故。地下空間的工程韌性應(yīng)擴(kuò)大內(nèi)涵和外延,不局限于規(guī)范,應(yīng)有地下空間工程的防連續(xù)垮塌控制方法,使其從整體上具備合理的防連續(xù)破壞或預(yù)控連續(xù)破壞發(fā)展程度的能力,從而對(duì)巖土工程連續(xù)破壞程度進(jìn)行合理控制,為地下工程發(fā)生連續(xù)破壞后功能合理保持及其可恢復(fù)性和易愈合性提供基礎(chǔ)和保證。

2.1.3 施工階段

施工階段的工程韌性提升體現(xiàn)在安全及質(zhì)量2個(gè)方面。施工安全和施工質(zhì)量是地下空間結(jié)構(gòu)施工永恒的主題,施工質(zhì)量是確保地下結(jié)構(gòu)服役期正常工作的重要保障,施工過(guò)程應(yīng)強(qiáng)化事前、事中、事后的全過(guò)程質(zhì)量控制,選擇支護(hù)體系、確定開(kāi)挖方法、控制圍巖變形是保證工程安全施工的3個(gè)關(guān)鍵因素。

通病防治是實(shí)現(xiàn)工程使用目標(biāo)和確保工程結(jié)構(gòu)耐久性的重要內(nèi)容,地下工程質(zhì)量控制是一個(gè)系統(tǒng)工程,貫穿于項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程。需堅(jiān)持“質(zhì)量至上”理念,掌握工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),創(chuàng)新工藝工法,推進(jìn)智能建造應(yīng)用及質(zhì)量品質(zhì)提升,實(shí)施全過(guò)程質(zhì)量管理,制定有效措施并抓好落實(shí),強(qiáng)化工前質(zhì)量預(yù)防、工中質(zhì)量控制和工后產(chǎn)品保護(hù),從而確保工程質(zhì)量。

2.1.4 運(yùn)維階段

地下空間運(yùn)維階段要具有基于“安全性”的智慧化地下空間運(yùn)維韌性。城市地下空間從規(guī)劃、建設(shè)到交付使用,各個(gè)時(shí)期留存的諸如勘察設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量缺陷和保護(hù)不到位等隱患,導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)各種各樣的病害,加之重建設(shè)不重養(yǎng)護(hù)的傳統(tǒng)觀念,地下空間的安全性、耐久性和使用性受到威脅。因此,有效開(kāi)展病害特征辨識(shí)和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)、整治具有重要意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,無(wú)損檢測(cè)應(yīng)運(yùn)而生,在不傷害結(jié)構(gòu)本身的前提下,使用相關(guān)儀器設(shè)備,根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部異常或存在缺陷引起的熱、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化,對(duì)病害進(jìn)行辨識(shí),為開(kāi)展病害處治工作提供了一雙“眼睛”。通過(guò)病害機(jī)制分析,可使病害防治更具針對(duì)性、系統(tǒng)性,有效提升養(yǎng)護(hù)管理水平。

提升地下空間服役性能,確保運(yùn)行安全,是地下空間運(yùn)營(yíng)維養(yǎng)的根本目標(biāo)。地下空間的運(yùn)維管理應(yīng)從制度、技術(shù)、人才、設(shè)備等方面形成制度化、專(zhuān)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的維養(yǎng)架構(gòu),如圖3所示。通過(guò)一系列智能化的工程技術(shù)手段,保障地下空間運(yùn)營(yíng)的最大效益。

圖3 地下空間維養(yǎng)的基本架構(gòu)

2.2 地下工程韌性提升的方向

科學(xué)技術(shù)與社會(huì)進(jìn)步歷來(lái)息息相關(guān),人類(lèi)社會(huì)的每一次進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步有密切關(guān)系。城市地下空間工程韌性提升更是與地下工程相關(guān)建造理念與技術(shù)的進(jìn)步密不可分。

2.2.1 城市更新技術(shù)

雷升祥[7]針對(duì)我國(guó)城市地下空間存在的規(guī)劃落后于城市建設(shè)實(shí)踐、連通性及系統(tǒng)性不足等問(wèn)題,提出城市地下空間更新改造與網(wǎng)絡(luò)化拓建的理念和方式方法,如圖4所示。

圖4 城市更新與網(wǎng)絡(luò)化拓建

地下空間開(kāi)發(fā)利用是城市更新的重要措施,我國(guó)城市地下基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模大,但開(kāi)發(fā)碎片化,綜合功能弱,存在大量網(wǎng)絡(luò)化拓建的現(xiàn)實(shí)需求,以期消除安全隱患,擴(kuò)大地下空間功能,實(shí)現(xiàn)城市地下空間的重構(gòu)和接續(xù)建設(shè)。同時(shí),城市地下空間面臨風(fēng)險(xiǎn)管控、多維拓建、微擾動(dòng)控制3大技術(shù)難題,需要通過(guò)全要素的地質(zhì)勘探、混凝土防腐防裂、圍巖-結(jié)構(gòu)防水、智能監(jiān)控運(yùn)維等技術(shù)加速地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè),通過(guò)人工環(huán)境營(yíng)造技術(shù),提高地下空間的應(yīng)用范圍和使用品質(zhì)。

2.2.2 韌性耗能結(jié)構(gòu)與材料

城市地下空間采用韌性耗能結(jié)構(gòu)及材料,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性,提高結(jié)構(gòu)抵抗沖擊荷載的能力,避免發(fā)生連續(xù)性破壞。在傳統(tǒng)的混凝土和鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)地下空間精細(xì)勘測(cè),實(shí)現(xiàn)地下空間科學(xué)選址定位;研發(fā)新型耗能結(jié)構(gòu)及材料,包括高預(yù)應(yīng)力吸能錨桿、水泥基鋼纖維復(fù)合材料、泡沫鋁夾心層、蜂窩結(jié)構(gòu)、新型耗能減震支座及耗能支撐等。高預(yù)應(yīng)力吸能錨桿吸收圍巖變形釋放的能量,具有高恒阻力、高延伸性能;蜂窩結(jié)構(gòu)是理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu),具有良好的抗沖擊性能,適合做吸能材料和結(jié)構(gòu);泡沫鋁獨(dú)特的泡孔結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時(shí)能夠吸收大量的能量,具有優(yōu)良的吸能效果以及抵抗爆炸的能力;高聚物注漿材料密度和剛度可控,具有很好的吸收動(dòng)能的特性,能夠緩和沖擊,降低應(yīng)力幅值。

2.2.3 智能建造

城市地下空間向規(guī)模大型化、空間多維化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、環(huán)境人性化方向發(fā)展。構(gòu)建勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維一體的全壽命周期/全價(jià)值鏈的數(shù)字管理平臺(tái),提高智能建造水平?；诔鞘械叵禄A(chǔ)設(shè)施運(yùn)行綜合監(jiān)測(cè),地下空間巡檢機(jī)器人,城市地下空間安全監(jiān)控與智能化管理平臺(tái),精確傳感、遠(yuǎn)程傳輸、專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)深度學(xué)習(xí)、智能分析等技術(shù),實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量與施工安全的自主判斷、及時(shí)預(yù)警,能夠?qū)㈩A(yù)警事件及應(yīng)急處置預(yù)案同步推送給監(jiān)測(cè)平臺(tái)和工程管理人員,確保快速、高效處理預(yù)警事件,為地下空間安全建造提供技術(shù)支撐。

2.2.4 智慧運(yùn)維

開(kāi)展工程數(shù)字交付,從源頭掌握基礎(chǔ)數(shù)據(jù),滿(mǎn)足數(shù)據(jù)查詢(xún)與儲(chǔ)存、數(shù)字化監(jiān)管與控制、數(shù)字化運(yùn)維與管理,制定國(guó)家級(jí)/行業(yè)級(jí)/企業(yè)級(jí)數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn),建設(shè)城市基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)。

構(gòu)建智慧運(yùn)維的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)體系,自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、傳輸,智能監(jiān)控預(yù)警,健康評(píng)估,智能治理,形成智慧監(jiān)測(cè)+智慧監(jiān)控運(yùn)維管理。城市地下空間智慧運(yùn)維需從結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測(cè)、機(jī)電系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能應(yīng)急、科學(xué)維養(yǎng)管理及工程技術(shù)等方面開(kāi)展相關(guān)研究及技術(shù)應(yīng)用。

2.3 工程韌性提升關(guān)鍵建造技術(shù)

2.3.1 城市地下空間微擾動(dòng)建造技術(shù)

城市地下空間資源緊張, 受既有建(構(gòu))筑物、管線(涵)等工程環(huán)境條件限制,對(duì)施工變形控制的要求高、難度大。既有工程作為控制性因素存在,形成后續(xù)空間開(kāi)發(fā)的邊界約束,而較大的凈距導(dǎo)致許多新建地下工程無(wú)法實(shí)施,嚴(yán)重影響地下空間的開(kāi)發(fā)利用。因此,城市地下空間施工要堅(jiān)持以大剛度(控制變形)為核心,以地層和結(jié)構(gòu)安全(強(qiáng)度和穩(wěn)定性)為保障的原則。

地下空間施工變形控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括微擾動(dòng)開(kāi)挖和大剛度支護(hù),如圖5所示。通常采用減小毛洞縱橫跨的分部開(kāi)挖和短進(jìn)尺開(kāi)挖以及靜態(tài)破巖等微擾動(dòng)開(kāi)挖技術(shù);在大剛度支護(hù)方面,采用包括地層加固、高彈模材料和強(qiáng)剛支護(hù)等方法提高施工變形控制能力。

圖5 地下空間變形控制

2.3.2 連通接駁等效剛度加固

城市地下空間由于建造時(shí)空不連續(xù),連通性和系統(tǒng)性差,需要進(jìn)行基于既有地下結(jié)構(gòu)的拓建更新,實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域和不同時(shí)期建造的地下設(shè)施互連互通,功能整合。新舊結(jié)構(gòu)的連通接駁必然要解決既有結(jié)構(gòu)開(kāi)洞問(wèn)題。工程實(shí)踐中常見(jiàn)“先開(kāi)洞、后加固”的方式,利用了超靜定結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)冗余度,但降低了結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

等效剛度法加固依據(jù)結(jié)構(gòu)剛度控制應(yīng)力分配路徑及大小的基本原理,通過(guò)剛度設(shè)計(jì),構(gòu)造明確、簡(jiǎn)潔的內(nèi)力傳遞路徑,在內(nèi)力承擔(dān)方面,最大限度地實(shí)現(xiàn)新增結(jié)構(gòu)對(duì)原有結(jié)構(gòu)的力學(xué)功能替代;同時(shí),既有結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng)盡量與開(kāi)洞前保持一致,降低超靜定結(jié)構(gòu)對(duì)位移的反應(yīng),確保洞周既有結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不超過(guò)開(kāi)洞前狀態(tài)[27]。

以常見(jiàn)的地下墻體開(kāi)洞為例,原結(jié)構(gòu)拆除的墻轉(zhuǎn)換為洞周加固的梁柱(環(huán)梁)結(jié)構(gòu),其受力狀態(tài)由墻的壓、彎、剪轉(zhuǎn)換為梁的扭、雙向彎剪和柱的壓、雙向彎剪,如圖6所示。加固設(shè)計(jì)首先根據(jù)等效剛度原理確定加固環(huán)梁(梁、柱)的截面,墻的壓(彎)剛度轉(zhuǎn)變?yōu)橹膲?彎)剛度,墻的抗彎(單向)剛度變?yōu)榱旱目箯?雙向)和抗扭剛度,即先進(jìn)行剛度計(jì)算確定初始截面,再進(jìn)行極限承載力和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)。

圖6 等效剛度加固

2.3.3 混凝土防腐防裂技術(shù)

混凝土因其成本低、可塑性強(qiáng)、耐久性高、密實(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)非常適合用于地下工程。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地下工程中的作用體現(xiàn)在: 1)防漏、防水作用; 2)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備; 3)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),約束圍巖變形,保障洞室圍巖穩(wěn)定性; 4)提高地下結(jié)構(gòu)的耐久性,并延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命; 5)有利于對(duì)地下空間內(nèi)部設(shè)施進(jìn)行保護(hù),同時(shí)保證地下空間內(nèi)的美觀。從工程實(shí)踐看,地下工程混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量缺陷和病害也最為嚴(yán)重,投入使用后,病害整治難度大,且難以整治徹底。因此,必須把觀念從重整治轉(zhuǎn)變到重預(yù)防上,建設(shè)“內(nèi)實(shí)外美、安全可靠、經(jīng)久耐用”的高品質(zhì)地下工程。

為了提高結(jié)構(gòu)韌性,應(yīng)重視混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題?；炷恋哪途眯栽O(shè)計(jì)要考慮溫、濕作用以及二氧化碳、氧、鹽、酸等環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)的作用,混凝土腐蝕機(jī)制如表1所示。

表1 混凝土腐蝕機(jī)制

混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是影響耐久性的另一個(gè)方面,尤其是超長(zhǎng)超厚混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度變化和收縮而導(dǎo)致的有害裂縫危害較大。混凝土在硬化期間,由于水化過(guò)程中“熱漲”和硬化時(shí)“收縮”的特性相互作用,容易誘發(fā)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫?；炷潦┕?yīng)著重采取控制混凝土溫升、延緩混凝土降溫速率、減少混凝土收縮、提高混凝土極限拉應(yīng)變、改善約束、完善構(gòu)造設(shè)計(jì)等措施。

水泥水化產(chǎn)物堵塞裂縫并將2個(gè)斷裂面膠接在一起的現(xiàn)象稱(chēng)為混凝土的自愈合性能,一般混凝土的齡期越短,自愈合能力越強(qiáng)?；炷亮芽p的自愈合性能對(duì)鋼筋混凝土耐久性有重要意義,特別是對(duì)于地下空間結(jié)構(gòu),裂縫的自愈合性能會(huì)使原本滲漏水的裂縫愈合,恢復(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能?？衫没炷亮芽p自愈合技術(shù)使混凝土損傷部位中未水化和水化不充分的膠凝材料加速水化或進(jìn)一步反應(yīng)生成新的反應(yīng)產(chǎn)物彌合裂縫,包括結(jié)晶沉淀、結(jié)晶滲透、聚合物固化、記憶合金、微生物和電解沉積技術(shù)等。

2.3.4 圍巖-結(jié)構(gòu)防排水技術(shù)

城市地下空間結(jié)構(gòu)滲漏水是運(yùn)營(yíng)期的“頑疾”,治理費(fèi)用高且效果差,易出現(xiàn)反復(fù),具有多樣性、系統(tǒng)性的特點(diǎn),嚴(yán)重影響地下空間的使用品質(zhì),應(yīng)從提高工程韌性的角度,提升城市地下空間的綜合防水能力。

地下空間結(jié)構(gòu)滲漏水原因可總結(jié)為3個(gè)方面,即客觀原因、直接原因和其他原因,其構(gòu)成如圖7所示。水的存在是地下空間結(jié)構(gòu)滲漏水的前提和客觀條件,在富水地段,結(jié)構(gòu)可能會(huì)承受較高的水壓,結(jié)構(gòu)的任何缺陷和病害都可能成為滲漏水的通道,反過(guò)來(lái),滲漏水又會(huì)加快結(jié)構(gòu)病害的產(chǎn)生和發(fā)展,影響地下空間的使用品質(zhì)和壽命。

地下空間防水層的耐久性是指防水層在特定環(huán)境下的長(zhǎng)期服役性能。歐洲認(rèn)證機(jī)構(gòu)以老化試驗(yàn)為依據(jù)的耐久年限證書(shū)以25年為限,30年耐久性報(bào)告以25年實(shí)際工程取樣試驗(yàn)后確認(rèn),以此類(lèi)推,更長(zhǎng)的耐久年限報(bào)告均以實(shí)際工程取樣進(jìn)行老化試驗(yàn)后,獲得5年的耐久年限進(jìn)階。從我國(guó)目前的防水材料及施工技術(shù)分析,地下空間外設(shè)防水層要與結(jié)構(gòu)同壽命,從理論及實(shí)踐上均無(wú)法得到有效確認(rèn),要實(shí)現(xiàn)地下空間防水設(shè)計(jì)使用年限不低于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限的目標(biāo),需要從圍巖改良、混凝土結(jié)構(gòu)自防水、輔助防水系統(tǒng)及后期運(yùn)維方面綜合施策。

主要措施包括: 1)采用圍巖深-淺孔注漿降低滲透系數(shù),提高圍巖承載力的同時(shí),實(shí)現(xiàn)地下水有限排放; 2)初期支護(hù)噴漿密實(shí)、表面圓順,為防水層敷設(shè)提供基面; 3)提高混凝土的密實(shí)性,設(shè)置構(gòu)造筋提高抗裂性能,提高結(jié)構(gòu)自防水能力; 4)提高變形縫、施工縫、后澆帶及洞口等特殊部位接縫防水質(zhì)量; 5)設(shè)置多道高性能防水層,實(shí)行分區(qū)防水,將反黏防水等有機(jī)防水材料與聚合物等無(wú)機(jī)防水材料相結(jié)合; 6)確?？v橫盲管(溝)、排水管、排水溝組成的排水系統(tǒng)暢通; 7)運(yùn)維過(guò)程中,進(jìn)行滲漏水監(jiān)測(cè)及缺陷、病害處理。

圖7 地下空間結(jié)構(gòu)滲漏水成因

2.3.5 高耐久性錨固

在地下空間支護(hù)體系中,錨固技術(shù)是唯一從內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)圍巖的手段,在復(fù)雜地下工程中發(fā)揮著重要作用。目前,錨固技術(shù)朝著大噸位、高應(yīng)力的方向發(fā)展,其材料腐蝕及力學(xué)作用的耐久性已經(jīng)成為決定工程正常使用和運(yùn)行安全的重要因素。

錨固工程可采用2種不同防腐方式: 第1種為雙重防腐,即在錨筋外壁涂刷環(huán)氧樹(shù)脂涂層后進(jìn)行試件灌漿成型;第2種為多重防腐(如圖8所示),它與第1種的區(qū)別在于水泥注漿層中設(shè)有高密度聚乙烯波紋管[28]。

(a) 錨固示意

(b) A-A剖面

(c) 實(shí)物剖面

鋼質(zhì)錨桿桿體設(shè)置對(duì)中支架,能固定錨桿桿體與錨孔孔壁的位置關(guān)系,保證桿體外裹錨固材料的厚度,是鋼質(zhì)桿體防腐的重要措施之一。圖9示出了錨桿對(duì)中支架實(shí)物照片,經(jīng)優(yōu)化后的對(duì)中支架采用工程塑料,定制化生產(chǎn),耐腐蝕性強(qiáng)、產(chǎn)品輕、價(jià)格低。

圖9 錨桿對(duì)中支架

對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨固來(lái)說(shuō),除了采用防腐措施提高錨固材料耐久性外,預(yù)應(yīng)力損失的監(jiān)控和補(bǔ)償也是確保錨固服役耐久性的重要內(nèi)容。

巖土工程具有隱蔽性,預(yù)應(yīng)力損失問(wèn)題在巖土工程中顯得更為突出。錨固結(jié)構(gòu)工后檢測(cè)預(yù)應(yīng)力損失,進(jìn)而對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的工作狀況進(jìn)行分析評(píng)估,利用預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)使預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重的錨索結(jié)構(gòu)恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求,維持結(jié)構(gòu)的安全和使用年限。

2.3.6 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗能減震

現(xiàn)階段,我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了主體結(jié)構(gòu)“小震不壞”“中震可修”“大震不倒”三水準(zhǔn)的設(shè)防要求,但由于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震研究起步晚,設(shè)計(jì)理念不夠清晰,往往破壞更為嚴(yán)重,這對(duì)建筑物使用功能的維持運(yùn)轉(zhuǎn)造成了較大影響,無(wú)法滿(mǎn)足工程整體抗震韌性的要求。圖10示出了地面建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件震害,可看出結(jié)構(gòu)主體并未發(fā)生破壞,框架填充墻及吊頂、設(shè)備橋架等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞比較嚴(yán)重。

(a)

(b)

圖11示出了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力特征。圖11(a)為框架結(jié)構(gòu)常規(guī)填充墻構(gòu)造,填充墻體與主體結(jié)構(gòu)梁柱頂緊接觸。此種情況下,主體結(jié)構(gòu)具有較大的附加側(cè)向剛度,存在增加結(jié)構(gòu)地震作用、改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特征及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性等問(wèn)題,導(dǎo)致填充墻自身破壞嚴(yán)重、主體結(jié)構(gòu)發(fā)生薄弱層倒塌或扭轉(zhuǎn)破壞、框架柱因窗間矮墻發(fā)生短柱破壞等震害。城市地下大空間多層多跨結(jié)構(gòu)越來(lái)越多,應(yīng)重視框架填充墻的震害問(wèn)題。減輕填充墻震害的方法主要有: 1)增強(qiáng)填充墻抗震能力; 2)隔斷填充墻與結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的傳力路徑; 3)基于消能減震技術(shù)原理對(duì)填充墻進(jìn)行改造。

如圖11(b)所示,傳統(tǒng)樓梯由于梯板與梯梁固端連接,梯板平面內(nèi)剛度可傳遞至其他樓梯構(gòu)件,形成樓梯“K形”支撐效應(yīng)。一方面,地震作用下,樓梯“K形”支撐效應(yīng)使樓梯各構(gòu)件的內(nèi)力增加,樓梯構(gòu)件極易出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。另一方面,樓梯“K形”支撐效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度水平分布的影響常在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被忽略,易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)(尤其是框架結(jié)構(gòu))在地震中發(fā)生因動(dòng)力特性改變而扭轉(zhuǎn)破壞的現(xiàn)象。上述現(xiàn)象不僅導(dǎo)致震后樓梯通道功能中斷,震后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng),且阻礙主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗震功能的實(shí)現(xiàn)。

(b) 樓梯

為降低“K形”支撐效應(yīng),可采用消能減震技術(shù)原理,在原一體化的梯梁(平臺(tái)板)與梯板交接處進(jìn)行“切斷”,然后在“切斷”處設(shè)置水平剪切剛度低、耗能能力好的消能減震(隔震)樓梯支座。該方法可達(dá)到樓梯震中不破壞、功能不中斷,震后樓梯功能可恢復(fù)的韌性要求。消能減震(隔震)樓梯支座可選用黏彈性減震樓梯支座、摩擦減震樓梯支座、軟鋼減震樓梯支座或橡膠隔震支座。

2.3.7 運(yùn)維期防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)

城市地下空間運(yùn)維期間應(yīng)對(duì)水災(zāi)、火災(zāi)和爆炸等災(zāi)害的能力是城市地下空間工程韌性的重要內(nèi)容。地下工程的主體多為鋼(鋼筋或型鋼)-混凝土結(jié)構(gòu)或型鋼結(jié)構(gòu),提高火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性至關(guān)重要,具體措施包括優(yōu)化防火分區(qū)、應(yīng)用高性能耐火材料、開(kāi)發(fā)耐火性結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和材料性能監(jiān)測(cè)技術(shù)、對(duì)燒損程度進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)以及合理加固修復(fù)等。地下空間水災(zāi)后應(yīng)防范來(lái)水通過(guò)排水系統(tǒng)或滲漏水通道進(jìn)入外部,引起主體結(jié)構(gòu)外部約束條件改變帶來(lái)危害,包括結(jié)構(gòu)抗浮、承壓水上升、流砂掏空以及圍巖軟化等。城市地下公共空間的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有抵抗爆炸荷載的能力和防連續(xù)倒塌的能力;對(duì)具有人防功能的地下空間,應(yīng)從提高工程韌性的角度,研發(fā)高性能耗能結(jié)構(gòu)及耗能材料,以提升防護(hù)能力。

3 結(jié)論與討論

目前,我國(guó)城市地下空間建造呈現(xiàn)規(guī)模大、發(fā)展快的特點(diǎn),這對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),促進(jìn)城市更新和破解“大城市病”具有重要作用,但同時(shí)面臨建造和運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)管控的挑戰(zhàn),亟待提高工程韌性,增加防災(zāi)減災(zāi)的能力。論文從工程視角分析城市地下空間的工程韌性,得出如下結(jié)論:

1)城市地下空間工程韌性是指地下空間在遭遇自然或人為因素干擾后,所具有的安全保障能力,是發(fā)揮城市地下空間功能的基礎(chǔ)。

2)地下空間工程韌性提升貫穿規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全生命周期,應(yīng)從空間留白,通病防治,新技術(shù)、新材料應(yīng)用等方面協(xié)同研究,解決地下空間工程韌性的全過(guò)程、全專(zhuān)業(yè)銜接問(wèn)題。

3)城市更新技術(shù)、韌性結(jié)構(gòu)及材料、智能建造和智慧運(yùn)維是韌性提升的重要方向。通過(guò)城市地下空間的韌性提升,增強(qiáng)城市功能和防災(zāi)減災(zāi)能力。

4)城市地下空間工程韌性提升涉及方方面面,本文從微觀層面上列舉了變形控制、連通接駁加固、防水技術(shù)等7項(xiàng)在地下空間開(kāi)發(fā)利用中問(wèn)題相對(duì)較多,對(duì)工程韌性及安全有直接影響的關(guān)鍵建造技術(shù),后續(xù)亟需從材料和技術(shù)方面開(kāi)展研究和應(yīng)用。