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(天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300240)

一、引言

城市化進(jìn)程的加快導(dǎo)致了城市地下空間的不斷發(fā)展，這種趨勢將會產(chǎn)生很多地下交通節(jié)點(diǎn)，市政工程管線的施工、地下基坑的開挖都會導(dǎo)致地下交通節(jié)點(diǎn)的增多。地下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完善使得城市新建地下工程對周圍既有的結(jié)構(gòu)變形影響越來越嚴(yán)重。隨著地鐵運(yùn)營的時間增長，地鐵結(jié)構(gòu)的變形安全問題會越來越復(fù)雜，一旦地鐵運(yùn)營時出現(xiàn)了事故，會給社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益的損失和人員傷亡，造成嚴(yán)重的影響。為了保證地鐵的安全運(yùn)營，除了相對健康完善的安全生產(chǎn)機(jī)制、嚴(yán)格的把握好施工時候的質(zhì)量外，目前我國判斷地鐵運(yùn)營期間的安全性主要是根據(jù)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(fù)雜、建筑物林立、人口密集的路段，因此需要將地鐵的結(jié)構(gòu)變形控制在一定的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。同時，對地鐵的變形監(jiān)測的另一個目的是進(jìn)行預(yù)測，即通過發(fā)現(xiàn)隨著時間序列沉降的規(guī)律，建立合適的預(yù)測模型來預(yù)測，通過采取適當(dāng)?shù)拇胧p小變形，變形的預(yù)測可以為地鐵高效地運(yùn)營提供技術(shù)支持。

影響地鐵結(jié)構(gòu)變形的因素非常復(fù)雜，僅僅通過監(jiān)測及預(yù)測地鐵的變形，不能夠確定影響地鐵結(jié)構(gòu)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(dāng)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(jìn)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(xiàng)的因素之間存在對整體的影響。因此不難發(fā)現(xiàn)，地鐵結(jié)構(gòu)變形的安全狀態(tài)的評估是一個多層次、多項(xiàng)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(biāo)，以此建立科學(xué)的評價指標(biāo)體系，對提高地鐵運(yùn)營期間的安全狀況，找出針對性的養(yǎng)護(hù)措施，有很大的意義。

二、地鐵結(jié)構(gòu)變形安全指標(biāo)的選取

(一)地鐵結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的原因

城市地下交通系統(tǒng)隨著城市化的進(jìn)程，在不斷完善，其建設(shè)的推進(jìn)也導(dǎo)致影響結(jié)構(gòu)變形的因素越來越復(fù)雜。查閱相關(guān)資料，可以得出地鐵運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的原因來自以下三個方面：

一是，臨近工程狀況?，F(xiàn)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(zhì)的應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致周邊巖土產(chǎn)生彈塑性變形，形成二次應(yīng)力狀態(tài)，最終造成地鐵的變形。一般而言，新建工程與現(xiàn)有地鐵的位置關(guān)系、接近程度，以及新建工程的施工方法都會對現(xiàn)有地鐵的變形產(chǎn)生一定影響。

二是，巖土地質(zhì)狀況。線路所處位置的水文地質(zhì)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(chǎn)生較大的影響。

三是，地鐵本身狀況。地鐵在運(yùn)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(jié)構(gòu)材質(zhì)的優(yōu)劣，軌道的敷設(shè)方式的不同，都會影響地鐵結(jié)構(gòu)本身的變形。

(二)評價指標(biāo)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(biāo)劃分為三個層次：指標(biāo)層S、準(zhǔn)則層P、目標(biāo)層A。目標(biāo)層指的是最終評價的地鐵結(jié)構(gòu)變形的安全狀態(tài)，準(zhǔn)則層由上述三個原因構(gòu)成，分別代表的是地鐵本身狀況、臨近工程狀況、巖土地質(zhì)狀況。指標(biāo)層則指的是上述三個準(zhǔn)則層對應(yīng)的方案，也是最基礎(chǔ)的評價指標(biāo)。

1.臨近工程狀況

(1)位置關(guān)系。一般而言，現(xiàn)有地鐵臨近工程相應(yīng)的空間位置關(guān)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(guān)系對地鐵結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(zhì)的受力作用產(chǎn)生一定影響，使得地鐵結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變形的影響可以通過接近的程度體現(xiàn)出來，尺寸越大，則代表著其對現(xiàn)有地鐵的結(jié)構(gòu)變形的影響越大，反之，則越小。

(3)施工方法。當(dāng)下城市地下結(jié)構(gòu)的施工方法主要有以下幾種，蓋挖法，礦山法，明挖法，盾構(gòu)法。每種施工方法都有自己特有的特點(diǎn)，對現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)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(zhì)量易保證；盾構(gòu)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(xiàn)有地鐵變形的影響。將新建工程的施工方法對現(xiàn)有地鐵變形的影響進(jìn)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(jié)構(gòu)變形影響等級

2.巖土地質(zhì)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(dǎo)致上方土層的變形，因此地下水的變化會對現(xiàn)有的地鐵結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生變化。

(2)土層地質(zhì)。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(zhì)主要是粘土、各類沙土、粉土等組成，不同土質(zhì)，以及隨著時間變化導(dǎo)致的土層的變化，都會對地鐵的變形產(chǎn)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(xiàn)大量的滲漏水，滲漏水的出現(xiàn)不僅會加快地鐵隧道結(jié)構(gòu)本身的混凝土的老化速度，還會破壞隧道結(jié)構(gòu)，對照明器材、機(jī)電設(shè)備等造成較大的影響。同時，當(dāng)滲漏水現(xiàn)象比較嚴(yán)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(yīng)力狀態(tài)的變化，影響地鐵的變形。

3.地鐵本身狀況

(1)材質(zhì)優(yōu)劣。地鐵結(jié)構(gòu)材質(zhì)的好壞直接影響了地鐵結(jié)構(gòu)變形的大小。以混凝土來說，混凝土在地鐵的隧道結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著各種應(yīng)力的作用，混凝土強(qiáng)度越高，則可以承擔(dān)的應(yīng)力越大，相應(yīng)的在相同應(yīng)力條件下，可以減小地鐵的變形。

(2)軌道敷設(shè)方式。軌道敷設(shè)方式的不同，也會導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)受力的不同。一般而言，地鐵的敷設(shè)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(jié)構(gòu)干縮造成。通常情況下，隧道的襯砌裂損不承受地鐵結(jié)構(gòu)的荷載力，而主要是為了釋放結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。因此隨著時間推移，襯砌的裂損會越來越嚴(yán)重，直到影響地鐵的變形。

(三)地鐵結(jié)構(gòu)變形安全評價指標(biāo)體系

根據(jù)上述指標(biāo)的選取分析，我們可以建立一個地鐵運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)變形評價指標(biāo)體系，如圖1所示。第一層目標(biāo)層A代表的是地鐵的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。第二層P為準(zhǔn)則層，此體系中，準(zhǔn)則層由三個方面構(gòu)成，分別是臨近工程、巖土地質(zhì)狀況、地鐵本身狀況，分別由P1，P2，P3代表。第三層指標(biāo)層S，由各個準(zhǔn)則層對應(yīng)的評價指標(biāo)組成：臨近工程包括了位置關(guān)系、接近程度、施工方法，分別用P11，P12，P13表示；巖土地質(zhì)狀況包含了地下水、土層地質(zhì)、滲漏水，上述三種分別用P21，P22，P23表示；結(jié)構(gòu)本身狀況包括材質(zhì)優(yōu)劣、軌道敷設(shè)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(jié)構(gòu)變形安全評價指標(biāo)體系

三、安全評價等級設(shè)定

將地鐵的結(jié)構(gòu)變形的安全評估的目的是為了評價某一時刻地鐵結(jié)構(gòu)的安全狀況以及安全程度。安全評價等級的設(shè)定是一個很嚴(yán)肅的問題，它涉及到國家規(guī)范以及經(jīng)驗(yàn)方法。參照規(guī)范《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》CJJ/T202-2013和《城市軌道交通工程測量規(guī)范》GB50308-2008，結(jié)合前人相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，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(yùn)營)

Ⅱ級：較安全(存在某些因素對地鐵結(jié)構(gòu)變形有一定的影響)

Ⅲ級：較不安全(地鐵結(jié)構(gòu)變形較大，超過了警戒值)

Ⅳ級：不安全(地鐵無法正常運(yùn)營)

四、評判標(biāo)準(zhǔn)研究

(一)臨近工程評判標(biāo)準(zhǔn)

1.位置關(guān)系評判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表1所示，新建工程與現(xiàn)有地鐵的位置關(guān)系分析及其影響等級的劃分，采用下述評判標(biāo)準(zhǔn)。

位置關(guān)系：上穿，屬于安全狀態(tài)，為Ⅰ級；

位置關(guān)系：平行，屬于較安全狀態(tài)，為Ⅱ級；

位置關(guān)系：周圍基坑，屬于較不安全狀態(tài)，為Ⅲ級；

位置關(guān)系：下穿，屬于不安全狀態(tài)，為Ⅳ級；

2.接近程度評判標(biāo)準(zhǔn)

基于我國《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》CJJ/T202-2013規(guī)范評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合施工方法，得到了如表3所示評判標(biāo)準(zhǔn)。

表3 基于接近程度的評判標(biāo)準(zhǔn)

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

3.施工方法評判標(biāo)準(zhǔn)

不同的施工方法對地鐵結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)：

施工方法：明挖法，屬于安全狀態(tài)，為Ⅰ級；

施工方法：盾構(gòu)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(zhì)評判標(biāo)準(zhǔn)

1.地下水評判標(biāo)準(zhǔn)

地下初始水位線低于臨近新建工程結(jié)構(gòu)地板且高于既有的地鐵隧道結(jié)構(gòu)時，地下水對現(xiàn)有的地鐵結(jié)構(gòu)影響較?。坏叵鲁跏妓痪€高于現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的耐久性；初始水位低于現(xiàn)有地鐵隧道結(jié)構(gòu)同時未完全高于新建工程結(jié)構(gòu)，對地鐵結(jié)構(gòu)變形安全影響比較嚴(yán)重；初始水位高于新建工程高度低于現(xiàn)有地鐵隧道結(jié)構(gòu)，地下水對地鐵結(jié)構(gòu)變形安全影響最大。可以根據(jù)上述地下水位與新建工程的關(guān)系作為定性的對地下水的評判標(biāo)準(zhǔn)。

2.巖土地質(zhì)評判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》GB50911-2013規(guī)定，綜合風(fēng)化程度、巖體結(jié)構(gòu)、土層特征等綜合來確定巖土地質(zhì)對軌道交通的影響程度，對影響區(qū)進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)范圍，對軌道交通有主要影響，為Ⅳ級；

3.滲漏水評判標(biāo)準(zhǔn)

滲漏水對地鐵結(jié)構(gòu)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(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50208-2011，可以得到定量的基于滲漏水速度的評判標(biāo)準(zhǔn)。

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(shè)方式評判標(biāo)準(zhǔn)

對于高架線路來說，結(jié)構(gòu)變形所受影響最小；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(jié)構(gòu)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(shè)方式作為一個定性的評判標(biāo)準(zhǔn)。

2.材質(zhì)優(yōu)劣評判標(biāo)準(zhǔn)

混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可以直觀的反映出材質(zhì)的優(yōu)劣。而混凝土的強(qiáng)度可以由實(shí)際強(qiáng)度與設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比K來反應(yīng)出來。根據(jù)規(guī)范要求以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可以得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)：

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(biāo)準(zhǔn)

隨著地鐵的運(yùn)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(chǎn)生一定影響，而影響程度可以通過裂縫的寬度反應(yīng)出來，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003-2005)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)有關(guān)規(guī)定，以及參考統(tǒng)計(jì)資料，本文基于表4作為隧道襯砌裂損的評判標(biāo)準(zhǔn)。

表4 基于隧道襯砌裂損的評判標(biāo)準(zhǔn)

五、小結(jié)

本文基于國家規(guī)范以及國內(nèi)各座地下隧道設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)資料，分析了影響地鐵結(jié)構(gòu)變形安全的因素，包括地鐵本身狀況，臨近工程，巖土地質(zhì)，并對上述三種安全因素分別進(jìn)行分析，得到了細(xì)化的安全指標(biāo)。并且在此之上，建立了地鐵結(jié)構(gòu)安全評判標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)作用。

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