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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(shì)將會(huì)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(kāi)挖都會(huì)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(duì)周圍既有的結(jié)構(gòu)變形影響越來(lái)越嚴(yán)重。隨著地鐵運(yùn)營(yíng)的時(shí)間增長(zhǎng)，地鐵結(jié)構(gòu)的變形安全問(wèn)題會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，一旦地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)出現(xiàn)了事故，會(huì)給社會(huì)帶來(lái)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(yíng)，除了相對(duì)健康完善的安全生產(chǎn)機(jī)制、嚴(yán)格的把握好施工時(shí)候的質(zhì)量外，目前我國(guó)判斷地鐵運(yùn)營(yíng)期間的安全性主要是根據(jù)對(duì)地鐵沉降的監(jiān)測(cè)判斷。城市地鐵的線路很大部分會(huì)穿過(guò)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(shí)，對(duì)地鐵的變形監(jiān)測(cè)的另一個(gè)目的是進(jìn)行預(yù)測(cè)，即通過(guò)發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間序列沉降的規(guī)律，建立合適的預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)，通過(guò)采取適當(dāng)?shù)拇胧p小變形，變形的預(yù)測(cè)可以為地鐵高效地運(yùn)營(yíng)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(guò)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)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(gè)方面，而且往往會(huì)使工程師們將次要因素當(dāng)做主要因素來(lái)處理。因此，我們不僅僅要利用變形沉降對(duì)地鐵的安全狀況作出判斷，還需要進(jìn)行評(píng)估，找出原因所在，通過(guò)分析評(píng)估，針對(duì)問(wèn)題來(lái)選擇具體的針對(duì)解決方案，這就需要綜合考慮單個(gè)因素存在的局部的因素，同時(shí)還要考慮各個(gè)單項(xiàng)的因素之間存在對(duì)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(píng)估是一個(gè)多層次、多項(xiàng)目的階梯分析的問(wèn)題。采用針對(duì)性的、適用的評(píng)估方法，找出合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此建立科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)提高地鐵運(yùn)營(yíng)期間的安全狀況，找出針對(duì)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(lái)越復(fù)雜。查閱相關(guān)資料，可以得出地鐵運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的原因來(lái)自以下三個(gè)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(huì)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(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(yíng)期間，會(huì)一直承受到地鐵振動(dòng)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(huì)影響地鐵結(jié)構(gòu)本身的變形。

(二)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

通過(guò)上述對(duì)影響地鐵變形的原因分析，我們可以將評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為三個(gè)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(píng)價(jià)的地鐵結(jié)構(gòu)變形的安全狀態(tài)，準(zhǔn)則層由上述三個(gè)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(gè)準(zhǔn)則層對(duì)應(yīng)的方案，也是最基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)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(huì)影響地鐵的受力特性，從而對(duì)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(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形的影響等級(jí)

(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(huì)對(duì)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(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形的影響可以通過(guò)接近的程度體現(xiàn)出來(lái)，尺寸越大，則代表著其對(duì)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(duì)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(shí)減少新建工程對(duì)圍巖的擾動(dòng)；明挖法工期短、造價(jià)低、施工質(zhì)量易保證；盾構(gòu)法自動(dòng)化程度較高，節(jié)省大量勞動(dòng)力的同時(shí)，有效的控制了新建工程對(duì)現(xiàn)有地鐵變形的影響。將新建工程的施工方法對(duì)現(xiàn)有地鐵變形的影響進(jìn)行對(duì)比做出等級(jí)劃分，如表2所示。

表2 不同施工方法對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形影響等級(jí)

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(duì)較小。在施工區(qū)域，以巖土為一個(gè)單元，每個(gè)單元會(huì)在脫水或者吸水的時(shí)候發(fā)生變形，從而會(huì)導(dǎo)致上方土層的變形，因此地下水的變化會(huì)對(duì)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(duì)于新建工程，土層一般由孔隙水和土粒組成。我國(guó)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(shí)間變化導(dǎo)致的土層的變化，都會(huì)對(duì)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(huì)加快地鐵隧道結(jié)構(gòu)本身的混凝土的老化速度，還會(huì)破壞隧道結(jié)構(gòu)，對(duì)照明器材、機(jī)電設(shè)備等造成較大的影響。同時(shí)，當(dāng)滲漏水現(xiàn)象比較嚴(yán)重時(shí)，會(huì)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(lái)說(shuō)，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(huì)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(shí)間推移，襯砌的裂損會(huì)越來(lái)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(píng)價(jià)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(gè)地鐵運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)變形評(píng)價(jià)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(gè)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(gè)準(zhǔn)則層對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系

三、安全評(píng)價(jià)等級(jí)設(shè)定

將地鐵的結(jié)構(gòu)變形的安全評(píng)估的目的是為了評(píng)價(jià)某一時(shí)刻地鐵結(jié)構(gòu)的安全狀況以及安全程度。安全評(píng)價(jià)等級(jí)的設(shè)定是一個(gè)很嚴(yán)肅的問(wèn)題，它涉及到國(guó)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(cè)量規(guī)范》GB50308-2008，結(jié)合前人相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)地鐵的安全狀態(tài)分為四級(jí)：

Ⅰ級(jí)：安全(不會(huì)影響地鐵正常運(yùn)營(yíng))

Ⅱ級(jí)：較安全(存在某些因素對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形有一定的影響)

Ⅲ級(jí)：較不安全(地鐵結(jié)構(gòu)變形較大，超過(guò)了警戒值)

Ⅳ級(jí)：不安全(地鐵無(wú)法正常運(yùn)營(yíng))

四、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)研究

(一)臨近工程評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

1.位置關(guān)系評(píng)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(jí)的劃分，采用下述評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

位置關(guān)系：上穿，屬于安全狀態(tài)，為Ⅰ級(jí)；

位置關(guān)系：平行，屬于較安全狀態(tài)，為Ⅱ級(jí)；

位置關(guān)系：周圍基坑，屬于較不安全狀態(tài)，為Ⅲ級(jí)；

位置關(guān)系：下穿，屬于不安全狀態(tài)，為Ⅳ級(jí)；

2.接近程度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

基于我國(guó)《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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合施工方法，得到了如表3所示評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

表3 基于接近程度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

H表示基坑開(kāi)挖深度；相對(duì)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

不同的施工方法對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的安全影響等級(jí)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

施工方法：明挖法，屬于安全狀態(tài)，為Ⅰ級(jí)；

施工方法：盾構(gòu)法，屬于較安全狀態(tài)，為Ⅱ級(jí)；

施工方法：蓋挖法，屬于較不安全狀態(tài)，為Ⅲ級(jí)；

施工方法：礦山法，屬于不安全狀態(tài)，為Ⅳ級(jí)；

(二)巖土地質(zhì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

1.地下水評(píng)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(shí)，地下水對(duì)現(xiàn)有的地鐵結(jié)構(gòu)影響較??；地下初始水位線高于現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)與新建工程地板時(shí)，需要采用降水作業(yè)方法施工，會(huì)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(shí)未完全高于新建工程結(jié)構(gòu)，對(duì)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(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形安全影響最大?？梢愿鶕?jù)上述地下水位與新建工程的關(guān)系作為定性的對(duì)地下水的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.巖土地質(zhì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)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(lái)確定巖土地質(zhì)對(duì)軌道交通的影響程度，對(duì)影響區(qū)進(jìn)行劃分：

沉降曲線邊緣5i外，對(duì)軌道交通無(wú)影響，為Ⅰ級(jí)；

沉降曲線邊緣2.5i～5i處，對(duì)軌道交通可能有影響，為Ⅱ級(jí)；

沉降曲線反彎點(diǎn)至邊緣2.5i處，對(duì)軌道交通有次要影響，為Ⅲ級(jí)；

隧道正上方及沉降曲線反彎點(diǎn)范圍，對(duì)軌道交通有主要影響，為Ⅳ級(jí)；

3.滲漏水評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

滲漏水對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響通過(guò)滲漏水的滲漏速度來(lái)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

Ⅰ級(jí)：滲漏速度V(滴/分鐘)≤5，屬于安全狀態(tài)；

Ⅱ級(jí)：5<滲漏速度V(滴/分鐘)≤60，屬于較安全狀態(tài)；

Ⅲ級(jí)：60<滲漏速度V(滴/分鐘)≤300，屬于較不安全狀態(tài)；

Ⅳ級(jí)：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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于高架線路來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)變形所受影響最小；對(duì)于地下線路來(lái)說(shuō)，新建工程土層的變化會(huì)極大程度上影響地鐵的結(jié)構(gòu)變形；對(duì)地面線路來(lái)說(shuō)，影響相對(duì)較小。因此，可以以軌道的敷設(shè)方式作為一個(gè)定性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.材質(zhì)優(yōu)劣評(píng)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(lái)反應(yīng)出來(lái)。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(shí)，屬于安全狀態(tài)，為Ⅰ級(jí)；

3/4>K≥2/3時(shí)，屬于較安全狀態(tài)，為Ⅱ級(jí)；

2/3>K≥1/2時(shí)，屬于較不安全狀態(tài)，為Ⅲ級(jí)；

K <1/2時(shí)，屬于不安全狀態(tài)，為Ⅳ級(jí)；

3.隧道襯砌裂損評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

隨著地鐵的運(yùn)營(yíng)，地鐵隧道襯砌必然會(huì)發(fā)生不同程度的裂損，對(duì)地鐵的安全產(chǎn)生一定影響，而影響程度可以通過(guò)裂縫的寬度反應(yīng)出來(lái)，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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

表4 基于隧道襯砌裂損的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

五、小結(jié)

本文基于國(guó)家規(guī)范以及國(guó)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(duì)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為日后地鐵安全的分析提供了分析方法，對(duì)我國(guó)地鐵安全的研究起了一定的促進(jìn)作用。

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