郭劍勇 張繼清 王秀妍 宋 冉
(1.中國鐵路設計集團有限公司 天津 300142;2.城市軌道交通數(shù)字化建設與測評技術(shù)國家工程實驗室 天津 300142)
截至2016年底,中國大陸地區(qū)共30個城市開通運營城市軌道交通,共計133條線路,其中地鐵運營長度3 168.7 km,占城市軌道交通運營總長度的76.3%[1]。天津地鐵始建于 20世紀 70年代[2],截至目前通車總里程為168.3 km,全國排名前列。然而,由于設計、施工、維保、材料及地質(zhì)因素等各方面的原因,很多地鐵隧道都在運營期出現(xiàn)了不同程度的病害,甚至有一些隧道不得不在服役期內(nèi)進行斷交維修或大修[3]。因此,必須合理評估各類病害對隧道結(jié)構(gòu)服役性能造成的影響,為病害的治理與維修提供依據(jù)[4]。
傳統(tǒng)的地鐵隧道運營狀態(tài)評估一般都是依靠經(jīng)驗,采取定性化的方法對隧道病害狀況進行描述分析,這類方法顯然已不能滿足當前地鐵結(jié)構(gòu)運營的維修和養(yǎng)護要求[5]。目前,國內(nèi)已有一些城市和企業(yè)出臺了自己的地鐵隧道運營狀態(tài)評價規(guī)范,這些規(guī)范以襯砌的變形、裂縫、滲漏水、材料劣化及連接構(gòu)件狀態(tài)等為評價指標,對隧道服役期間的狀態(tài)進行等級評定。這些規(guī)范普遍具有明顯的區(qū)域性特色,無法有效指導其他地區(qū)地鐵隧道運營期的安全評估,且在評價指標與量化標準上也存在一定的差異。因此,國內(nèi)尚無統(tǒng)一的、得到廣泛認可的地鐵運營隧道狀態(tài)評價標準,亟待制定[6]。
本文針對天津地鐵隧道的病害特點,在對目前國內(nèi)3部地鐵隧道規(guī)范進行分析與改進的基礎上,建立地鐵隧道結(jié)構(gòu)區(qū)段綜合性量化評價體系,提出地鐵隧道整體運營狀態(tài)評價方法。
該規(guī)范規(guī)定了隧道結(jié)構(gòu)的分項和綜合狀態(tài)評定標準。主體結(jié)構(gòu)的檢查項目包括:襯砌裂縫、襯砌變形、變形縫、滲漏水、隧底結(jié)構(gòu)壓潰、材料劣化。附屬結(jié)構(gòu)的檢查項目包括:聯(lián)絡通道、迂回風道和區(qū)間通道。各分項狀態(tài)評定分為5級,每級扣掉相應的分數(shù)。隧道整體狀態(tài)按照下式綜合評定:
式中,Mi為第i類病害分項總扣分值;wi為第i類結(jié)構(gòu)分項的權(quán)重,按照表1取值。
表1 各病害的權(quán)重
總體狀況評定級別:TCI為90~100時,評為一級;TCI為80~89,評為二級;TCI為66~79,評為三級;TCI為50~65,評為四級;TCI小于50,評為五級。一級為輕微病害,二級為中等病害,三級為較重病害,四級為嚴重病害,五級為極嚴重病害。
該規(guī)范給出了裂縫、變形、底板壓潰、材料劣化的評價量化指標,利用式(1)可較便捷地計算得到隧道狀態(tài)評定的具體分數(shù),該評價方法清晰直觀,便于在工程中的應用。但該規(guī)范中滲漏水等指標沒有量化的評價標準,也沒有涉及結(jié)構(gòu)連接服役狀態(tài)和結(jié)構(gòu)區(qū)段服役狀態(tài)等的等級評定[7]。
該規(guī)范對運營隧道結(jié)構(gòu)性能進行評定,并采用結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)等級表示。規(guī)范將隧道使用環(huán)境中的一般環(huán)境、氯化物環(huán)境、化學腐蝕環(huán)境按照從正常到危險劃分為“A~E”5個作用等級。結(jié)構(gòu)構(gòu)件服役狀態(tài)等級根據(jù)構(gòu)件所處環(huán)境等級、完整狀態(tài)、密閉狀態(tài)、變形狀態(tài)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件極限承載能力狀態(tài)的子項指標評定,按照從正常到危險劃分為“a~e”5級。結(jié)構(gòu)連接服役狀態(tài)等級根據(jù)密封件完整性、連接的滲漏水程度、接縫張開量和錯臺量、襯砌管片間連接螺栓損傷程度、預埋件損傷和鋼構(gòu)件損傷的子項指標評定,按照從正常到危險也劃分為“a~e”5級。結(jié)構(gòu)區(qū)段服役狀態(tài)等級根據(jù)構(gòu)件及連接服役狀態(tài)等級、結(jié)構(gòu)區(qū)段相對變形和防水性能等級的子項指標評定,按照從正常到危險劃分為“i~v”5級。隧道整體服役狀態(tài)等級應根據(jù)構(gòu)成隧道結(jié)構(gòu)的各區(qū)段服役狀態(tài)等級評定,按照從正常到危險劃分為“I~V”5級[8]。
該規(guī)范給出了裂縫、變形、剝落深度、接縫張開量、錯臺量等的具體量化指標,并對結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同環(huán)境條件、密閉與變形狀態(tài)下的服役性能進行了詳細的分級,是目前國內(nèi)地鐵隧道運營狀態(tài)評價規(guī)范中評估類別范圍最廣、劃分等級最細致的規(guī)范之一。但此規(guī)范中隧道整體運營狀態(tài)等級評定標準較為繁瑣,由于分類過多,完成分項評定和整體評定耗時較長,某些指標現(xiàn)場不易測量,給實際的隧道狀態(tài)評定帶來不便。
該規(guī)范對隧道病害的危害程度進行了分級,并針對不同的分級規(guī)定了相應的修補方法。病害類型主要包括滲漏水、裂縫、材料劣化等。病害評定等級分為一般缺陷和嚴重缺陷兩種[9]。
該規(guī)范對變形縫、施工縫、構(gòu)件與混凝土交界處的滲漏水現(xiàn)象進行了單獨分類,并給出了具體評估標準,同時提出了相應的修補方案。但此規(guī)范中各分項指標的狀態(tài)評定等級較為粗略,也并未涉及裂縫、變形、結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)等分項指標,同時未給出隧道運營狀態(tài)的整體評價標準。
目前天津地鐵滲漏水現(xiàn)象較為嚴重[10],尤其是運營最早的1號線,隧道結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻部分均有不同程度的滲水及涌水現(xiàn)象[11]。而由于滲漏水和環(huán)境濕度過大造成的材料劣化也成為天津地鐵隧道的主要病害,實際勘測發(fā)現(xiàn),混凝土結(jié)構(gòu)破損、保護層剝落、露筋水蝕等現(xiàn)象逐年增多[12]。
因此,針對天津地鐵隧道病害特點,總結(jié)以上3部規(guī)范各自的優(yōu)點,摒棄它們的不足之處,建立包含襯砌變形、裂縫、滲漏水、壓潰、材料劣化、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及構(gòu)件連接服役狀態(tài)的隧道區(qū)段綜合量化評價體系。
隧道區(qū)段分項評定標準如表2所示。
表2 隧道區(qū)段分項狀態(tài)評定標準
各分項權(quán)重按表3取值。
表3_
隧道區(qū)段結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分EV按下式計算:
根據(jù)式(2),得到地鐵隧道區(qū)段結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)評價等級與分級界限,如表4所示。
_表4 地鐵隧道區(qū)段結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)評價等級與分級界_限
根據(jù)以上建立的綜合性評價體系,即可對地鐵隧道區(qū)段結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)進行評定。
隧道整體運營狀態(tài)等級應根據(jù)隧道各區(qū)段結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)等級評定。隧道分為n個勘測區(qū)段,n=n1+n2+n3+n4+n5,n1~n5為自然數(shù)。各評價等級下區(qū)段的數(shù)量如表5所示。
表5 各評價等級下區(qū)段的數(shù)量
根據(jù)各評價等級下區(qū)段數(shù)占總區(qū)段數(shù)的比例,對隧道整體運營狀態(tài)的等級進行劃分,并給出相應的等級說明,如表6所示。
表6 隧道整體運營狀態(tài)等級與分級標準
根據(jù)以上提出的判別方法,即可依據(jù)隧道各區(qū)段結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)對隧道整體運營狀態(tài)進行評定。
本文對目前國內(nèi)3部地鐵隧道運營狀態(tài)評價規(guī)范進行分析,從檢查項目的種類、分項評價量化指標、隧道運營狀態(tài)評價標準與分級等方面進行對比,指出各規(guī)范的合理性及其中的不足之處,作為科學評估地鐵隧道運營狀態(tài)的基礎。
考慮天津地區(qū)地鐵隧道病害的特點,在國內(nèi)3部地鐵規(guī)范的基礎上,建立隧道結(jié)構(gòu)區(qū)段的綜合性量化評價體系,便捷高效地對隧道勘測區(qū)段的運營狀態(tài)進行評估分級。
綜合考量區(qū)段的評價等級以及各評價等級下區(qū)段數(shù)占總區(qū)段數(shù)的比例,提出地鐵隧道整體運營狀態(tài)的評價方法,指導地鐵隧道的日常維護工作,保證地鐵的安全運營。