地铁运营期间结构变形安全评价指标及评判标准研究

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(天津铁道职业技术学院,天津 300240)

一、引言

城市化进程的加快导致了城市地下空间的不断发展，这种趋势将会产生很多地下交通节点，市政工程管线的施工、地下基坑的开挖都会导致地下交通节点的增多。地下网络系统的完善使得城市新建地下工程对周围既有的结构变形影响越来越严重。随着地铁运营的时间增长，地铁结构的变形安全问题会越来越复杂，一旦地铁运营时出现了事故，会给社会带来巨大的经济利益的损失和人员伤亡，造成严重的影响。为了保证地铁的安全运营，除了相对健康完善的安全生产机制、严格的把握好施工时候的质量外，目前我国判断地铁运营期间的安全性主要是根据对地铁沉降的监测判断。城市地铁的线路很大部分会穿过城市交通拥挤、地下管线复杂、建筑物林立、人口密集的路段，因此需要将地铁的结构变形控制在一定的标准之内。同时，对地铁的变形监测的另一个目的是进行预测，即通过发现随着时间序列沉降的规律，建立合适的预测模型来预测，通过采取适当的措施减小变形，变形的预测可以为地铁高效地运营提供技术支持。

影响地铁结构变形的因素非常复杂，仅仅通过监测及预测地铁的变形，不能够确定影响地铁结构变形的主要因素在哪个方面，而且往往会使工程师们将次要因素当做主要因素来处理。因此，我们不仅仅要利用变形沉降对地铁的安全状况作出判断，还需要进行评估，找出原因所在，通过分析评估，针对问题来选择具体的针对解决方案，这就需要综合考虑单个因素存在的局部的因素，同时还要考虑各个单项的因素之间存在对整体的影响。因此不难发现，地铁结构变形的安全状态的评估是一个多层次、多项目的阶梯分析的问题。采用针对性的、适用的评估方法，找出合适的评价指标，以此建立科学的评价指标体系，对提高地铁运营期间的安全状况，找出针对性的养护措施，有很大的意义。

二、地铁结构变形安全指标的选取

(一)地铁结构变形产生的原因

城市地下交通系统随着城市化的进程，在不断完善，其建设的推进也导致影响结构变形的因素越来越复杂。查阅相关资料，可以得出地铁运营期间结构变形产生的原因来自以下三个方面：

一是，临近工程状况。现有地铁周遭新建工程的施工会在一定程度上影响岩土地质的应力释放，从而导致周边岩土产生弹塑性变形，形成二次应力状态，最终造成地铁的变形。一般而言，新建工程与现有地铁的位置关系、接近程度，以及新建工程的施工方法都会对现有地铁的变形产生一定影响。

二是，岩土地质状况。线路所处位置的水文地质情况，隧道所处水层的水位变化，隧道饱和砂土层液化的可能性等等，都会对地铁的变形产生较大的影响。

三是，地铁本身状况。地铁在运营期间，会一直承受到地铁振动荷载的循环作用，隧道的结构材质的优劣，轨道的敷设方式的不同，都会影响地铁结构本身的变形。

(二)评价指标的选取

通过上述对影响地铁变形的原因分析，我们可以将评价指标划分为三个层次：指标层S、准则层P、目标层A。目标层指的是最终评价的地铁结构变形的安全状态，准则层由上述三个原因构成，分别代表的是地铁本身状况、临近工程状况、岩土地质状况。指标层则指的是上述三个准则层对应的方案，也是最基础的评价指标。

1.临近工程状况

(1)位置关系。一般而言，现有地铁临近工程相应的空间位置关系有周围基坑、平行、上穿、下穿等，不同的空间位置会影响地铁的受力特性，从而对地铁变形的影响也不同。具体情况如下表1所示。

表1 位置关系对地铁结构变形的影响等级

(2)接近程度。接近程度指的是新建工程与现有的地铁之间的最小距离。临近新建工程的施工，必然会对岩土地质的受力作用产生一定影响，使得地铁结构发生一定的形变，距离越小影响必然越大。

新建工程的尺寸大小对地铁结构变形的影响可以通过接近的程度体现出来，尺寸越大，则代表着其对现有地铁的结构变形的影响越大，反之，则越小。

(3)施工方法。当下城市地下结构的施工方法主要有以下几种，盖挖法，矿山法，明挖法，盾构法。每种施工方法都有自己特有的特点，对现有地铁结构变形的影响也不尽相同。城市道路需要保证一定交通量，选用盖挖法；矿山法可以保证施工安全的同时减少新建工程对围岩的扰动；明挖法工期短、造价低、施工质量易保证；盾构法自动化程度较高，节省大量劳动力的同时，有效的控制了新建工程对现有地铁变形的影响。将新建工程的施工方法对现有地铁变形的影响进行对比做出等级划分，如表2所示。

表2 不同施工方法对地铁结构变形影响等级

2.岩土地质状况

(1)地下水。地下水分为上层滞水、潜水、承压水。通常情况下，承压水含有能承压的重力水，潜水中含有自由水面的重力水，上层滞水的水量则相对较小。在施工区域，以岩土为一个单元，每个单元会在脱水或者吸水的时候发生变形，从而会导致上方土层的变形，因此地下水的变化会对现有的地铁结构变形产生变化。

(2)土层地质。一般情况下，土由空气、土粒与孔隙水组成即所谓的三相体，对于新建工程，土层一般由孔隙水和土粒组成。我国土层地质主要是粘土、各类沙土、粉土等组成，不同土质，以及随着时间变化导致的土层的变化，都会对地铁的变形产生影响。

(3)渗漏水。在土层水量含有较多的地区，很容易出现大量的渗漏水，渗漏水的出现不仅会加快地铁隧道结构本身的混凝土的老化速度，还会破坏隧道结构，对照明器材、机电设备等造成较大的影响。同时，当渗漏水现象比较严重时，会使得地铁周遭的地下水水位发生变化，从而引起周围土层的应力状态的变化，影响地铁的变形。

3.地铁本身状况

(1)材质优劣。地铁结构材质的好坏直接影响了地铁结构变形的大小。以混凝土来说，混凝土在地铁的隧道结构中承担着各种应力的作用，混凝土强度越高，则可以承担的应力越大，相应的在相同应力条件下，可以减小地铁的变形。

(2)轨道敷设方式。轨道敷设方式的不同，也会导致地铁结构受力的不同。一般而言，地铁的敷设方式有三种，分为地下、地面和高架。

(3)隧道衬砌裂损。隧道衬砌的裂损一般是由荷载作用、温度变化、结构干缩造成。通常情况下，隧道的衬砌裂损不承受地铁结构的荷载力，而主要是为了释放结构的应力集中。因此随着时间推移，衬砌的裂损会越来越严重，直到影响地铁的变形。

(三)地铁结构变形安全评价指标体系

根据上述指标的选取分析，我们可以建立一个地铁运营期间的结构变形评价指标体系，如图1所示。第一层目标层A代表的是地铁的结构安全状态。第二层P为准则层，此体系中，准则层由三个方面构成，分别是临近工程、岩土地质状况、地铁本身状况，分别由P1，P2，P3代表。第三层指标层S，由各个准则层对应的评价指标组成：临近工程包括了位置关系、接近程度、施工方法，分别用P11，P12，P13表示；岩土地质状况包含了地下水、土层地质、渗漏水，上述三种分别用P21，P22，P23表示；结构本身状况包括材质优劣、轨道敷设方式、隧道衬砌裂损，上述三种分别用P31，P32，P33代表。

图1 地铁结构变形安全评价指标体系

三、安全评价等级设定

将地铁的结构变形的安全评估的目的是为了评价某一时刻地铁结构的安全状况以及安全程度。安全评价等级的设定是一个很严肃的问题，它涉及到国家规范以及经验方法。参照规范《城市轨道交通结构安全保护技术规范》CJJ/T202-2013和《城市轨道交通工程测量规范》GB50308-2008，结合前人相关工程经验，本文对地铁的安全状态分为四级：

Ⅰ级：安全(不会影响地铁正常运营)

Ⅱ级：较安全(存在某些因素对地铁结构变形有一定的影响)

Ⅲ级：较不安全(地铁结构变形较大，超过了警戒值)

Ⅳ级：不安全(地铁无法正常运营)

四、评判标准研究

(一)临近工程评判标准

1.位置关系评判标准

根据表1所示，新建工程与现有地铁的位置关系分析及其影响等级的划分，采用下述评判标准。

位置关系：上穿，属于安全状态，为Ⅰ级；

位置关系：平行，属于较安全状态，为Ⅱ级；

位置关系：周围基坑，属于较不安全状态，为Ⅲ级；

位置关系：下穿，属于不安全状态，为Ⅳ级；

2.接近程度评判标准

基于我国《城市轨道交通结构安全保护技术规范》CJJ/T202-2013规范评价标准，结合施工方法，得到了如表3所示评判标准。

表3 基于接近程度的评判标准

H表示基坑开挖深度；相对净距值L是外部作业结构边线与轨道交通结构外边线的最小净距离。

3.施工方法评判标准

不同的施工方法对地铁结构的安全影响等级的划分如表2所示，因此可以采用以下作为定性的基于施工方法的评判标准：

施工方法：明挖法，属于安全状态，为Ⅰ级；

施工方法：盾构法，属于较安全状态，为Ⅱ级；

施工方法：盖挖法，属于较不安全状态，为Ⅲ级；

施工方法：矿山法，属于不安全状态，为Ⅳ级；

(二)岩土地质评判标准

1.地下水评判标准

地下初始水位线低于临近新建工程结构地板且高于既有的地铁隧道结构时，地下水对现有的地铁结构影响较小；地下初始水位线高于现有地铁结构与新建工程地板时，需要采用降水作业方法施工，会影响地铁结构的耐久性；初始水位低于现有地铁隧道结构同时未完全高于新建工程结构，对地铁结构变形安全影响比较严重；初始水位高于新建工程高度低于现有地铁隧道结构，地下水对地铁结构变形安全影响最大。可以根据上述地下水位与新建工程的关系作为定性的对地下水的评判标准。

2.岩土地质评判标准

根据规范《城市轨道交通工程监测技术规范》GB50911-2013规定，综合风化程度、岩体结构、土层特征等综合来确定岩土地质对轨道交通的影响程度，对影响区进行划分：

沉降曲线边缘5i外，对轨道交通无影响，为Ⅰ级；

沉降曲线边缘2.5i～5i处，对轨道交通可能有影响，为Ⅱ级；

沉降曲线反弯点至边缘2.5i处，对轨道交通有次要影响，为Ⅲ级；

隧道正上方及沉降曲线反弯点范围，对轨道交通有主要影响，为Ⅳ级；

3.渗漏水评判标准

渗漏水对地铁结构的影响通过渗漏水的渗漏速度来表示，参照《地下防水工程质量验收规范》GB50208-2011，可以得到定量的基于渗漏水速度的评判标准。

Ⅰ级：渗漏速度V(滴/分钟)≤5，属于安全状态；

Ⅱ级：5<渗漏速度V(滴/分钟)≤60，属于较安全状态；

Ⅲ级：60<渗漏速度V(滴/分钟)≤300，属于较不安全状态；

Ⅳ级：渗漏速度V(滴/分钟)>300，属于不安全状态；

(三)地铁本身状况

1.轨道敷设方式评判标准

对于高架线路来说，结构变形所受影响最小；对于地下线路来说，新建工程土层的变化会极大程度上影响地铁的结构变形；对地面线路来说，影响相对较小。因此，可以以轨道的敷设方式作为一个定性的评判标准。

2.材质优劣评判标准

混凝土结构的强度可以直观的反映出材质的优劣。而混凝土的强度可以由实际强度与设计强度的比K来反应出来。根据规范要求以及经验总结，可以得到相应的标准：

K≥3/4时，属于安全状态，为Ⅰ级；

3/4>K≥2/3时，属于较安全状态，为Ⅱ级；

2/3>K≥1/2时，属于较不安全状态，为Ⅲ级；

K <1/2时，属于不安全状态，为Ⅳ级；

3.隧道衬砌裂损评判标准

随着地铁的运营，地铁隧道衬砌必然会发生不同程度的裂损，对地铁的安全产生一定影响，而影响程度可以通过裂缝的宽度反应出来，根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)和混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)有关规定，以及参考统计资料，本文基于表4作为隧道衬砌裂损的评判标准。

表4 基于隧道衬砌裂损的评判标准

五、小结

本文基于国家规范以及国内各座地下隧道设计和统计资料，分析了影响地铁结构变形安全的因素，包括地铁本身状况，临近工程，岩土地质，并对上述三种安全因素分别进行分析，得到了细化的安全指标。并且在此之上，建立了地铁结构安全评判标准，为日后地铁安全的分析提供了分析方法，对我国地铁安全的研究起了一定的促进作用。

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