地鐵主體結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的必要性分析

地鐵主體結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的必要性分析

2015-11-10 橋梁大壩變形監(jiān)測 徠測科技

    貴州主體結(jié)構(gòu)檢測研究結(jié)論：城軌交通工程在運(yùn)營期間,主體結(jié)構(gòu)普遍存在變形的問題,有必要對主體結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測,動態(tài)掌握結(jié)構(gòu)變形情況。選擇代表性部位進(jìn)行沉降、水平位移、收斂等變形監(jiān)測,對變形較大的地段及時(shí)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施,確保運(yùn)營安全,對保障安全運(yùn)營是非常必要的,相關(guān)部門應(yīng)引起足夠的重視。

　  目前國內(nèi)已經(jīng)有很多條城市軌道交通線路(簡稱“城軌”或“地鐵”)建成運(yùn)營,通過對天津、上海、北京等城市的一些已運(yùn)營的線路調(diào)查研究發(fā)現(xiàn), 在建設(shè)過程和運(yùn)營期間,其隧道、高架橋、U型結(jié)構(gòu)、路基擋墻等主體結(jié)構(gòu)均有變形發(fā)生,從而引起線路沉降、軌道變形,嚴(yán)重時(shí)則影響城軌的運(yùn)營安全。為了及時(shí)掌握地鐵主體結(jié)構(gòu)的變形情況,及時(shí)消除安全隱患,在運(yùn)營期間,對主體結(jié)構(gòu)采取適宜的變形監(jiān)測是非常必要的,根據(jù)變形監(jiān)測情況,及時(shí)提出整治方案,以保障城軌的運(yùn)營安全。

　　1 地鐵的主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測的必要性

　　1. 1 地鐵結(jié)構(gòu)隨地層的隆沉引起變化

　　城軌建設(shè)過程中主體結(jié)構(gòu)的變化主要隨地層隆沉而變化。比如天津市地處沖積平原地區(qū),局部有軟土層和地震液化層,整體沉降量較大。天津地鐵1號線工程新建地下段采用明挖或盾構(gòu)法施工,存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、因降水引起地下水位變化及基坑開挖過程會產(chǎn)生基底土卸載,造成坑底隆沉;主體構(gòu)筑、覆土回填會重新給基底土施加荷載,造成地基的隆沉;而主體結(jié)構(gòu)竣工后地下水位的變化會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生浮力,減少結(jié)構(gòu)沉降的趨勢,浮力過大時(shí)會造成結(jié)構(gòu)上浮。

　　城軌工程結(jié)構(gòu)本身由于地基的變形及內(nèi)部應(yīng)力、外部荷載的變化而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和沉降。如結(jié)構(gòu)變形和沉降超過允許值,將會對城軌的運(yùn)營造成影響, 甚至?xí)斐蛇\(yùn)營中斷。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測,了解變形情況,分析變形原因并采取有效措施,對于預(yù)防事故、保證城軌的正常運(yùn)營是非常重要的。

　　施工期間除在基坑開挖、主體結(jié)構(gòu)構(gòu)筑過程中需對地面進(jìn)行監(jiān)測外,還要對周邊建筑物、地下水位變化進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)踐證明這些監(jiān)測項(xiàng)目都在發(fā)生不均勻的沉降變化。如天津市從1923年開始,隨著地下水的開發(fā),地面沉降一直在發(fā)展,初期年沉降僅幾個毫米。解放后隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,地下水開采量逐漸增加,地面沉降越來越嚴(yán)重, 1959—2000年最大累計(jì)沉降值已達(dá)2. 85m。天津地鐵沿線途徑河北區(qū)小王莊京津橋累計(jì)沉降量2. 0～2. 5 m 的面積已達(dá)37 km2。

　　綜上所述,地鐵在施工及運(yùn)營期間對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測是十分必要的。

　　1. 2 不同的線路敷設(shè)形式存在結(jié)構(gòu)變形差異

　　城軌工程呈線狀分布,分布范圍較長,整個工程范圍內(nèi)由于線路敷設(shè)形式不同有可能存在著不均勻沉降的問題。

　　一條城軌線一般包含地下線、高架線和地面線等不同的線路敷設(shè)形式,如圖1所示。地下結(jié)構(gòu)有采用盾構(gòu)施工的圓形隧道、明挖施工的矩形結(jié)構(gòu)及暗挖施工的馬蹄形結(jié)構(gòu),高架部分有連續(xù)梁、簡支梁、鋼混結(jié)合梁等不同的結(jié)構(gòu)形式,地面線路基部分有填土、挖方等情況,不同結(jié)構(gòu)形式變形復(fù)雜,各分體結(jié)構(gòu)存在差異變形,需要及時(shí)了解全線各部位特別是銜接處的變形情況。

　　1. 3 既有線與新建工程存在結(jié)構(gòu)變形差異

　　個別地鐵項(xiàng)目存在既有線改造的情況,隨著城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展,早期建設(shè)的地鐵已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生活的需要,需要從規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行改造。

　　如天津地鐵1號線西站至新華路7座既有站是利用既有地鐵的洞體進(jìn)行了改擴(kuò)建的。既有段始建于1970年,為“7047”人防工程, 1984 年建成通車,已運(yùn)營了20年。改建工程充分利用了既有段區(qū)間結(jié)構(gòu),只對車站進(jìn)行拆除、改建,每個改建站兩端均與新結(jié)構(gòu)體銜接,銜接處均存在著新舊結(jié)構(gòu)間的差異沉降問題。差異沉降量勢必影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,甚至?xí)绊懙降罔F線路的正常運(yùn)營。因此,需在運(yùn)營期間對地鐵結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)等進(jìn)行變形監(jiān)測,及時(shí)準(zhǔn)確地了解結(jié)構(gòu)變化趨勢,針對變形情況采取必要的補(bǔ)救措施,以保證地鐵正常運(yùn)營。在建的哈爾濱地鐵利用一段既有人防工程,在建設(shè)中也應(yīng)重視變形監(jiān)測。

　　1. 4 地鐵運(yùn)營會誘發(fā)結(jié)構(gòu)變形

　　地鐵運(yùn)營時(shí)反復(fù)的振動和曲線上未平衡的離心力等的作用都可能誘發(fā)區(qū)間隧道洞體的形變和隧道周圍土體性質(zhì)的變化,因此也是地鐵運(yùn)營監(jiān)測的重要原因。

　　1. 5 地鐵周邊環(huán)境的改變也會造成結(jié)構(gòu)變形

　　地鐵所經(jīng)過的沿線多是城市繁華地帶,一些高層商務(wù)樓宇正在或即將施工建設(shè),這些距地鐵較近的建筑物在施工期間極易引起地鐵結(jié)構(gòu)的變形。為此,在周圍工程開工前,對地鐵制定適宜的監(jiān)測方案,伴隨周邊工程的建設(shè),對地鐵進(jìn)行變形全程監(jiān)測也是十分必要的。

　　2 地鐵主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測工作重點(diǎn)

　　2. 1 通過監(jiān)測隨時(shí)掌握地鐵結(jié)構(gòu)變形全貌

　　通過監(jiān)測可動態(tài)收集地鐵結(jié)構(gòu)變形信息,掌握結(jié)構(gòu)變形情況,保障運(yùn)營安全,確保工程的可靠度。地下結(jié)構(gòu)和高架橋結(jié)構(gòu)形式不同引起的變形也不盡相同,通過監(jiān)測可驗(yàn)證沉降變形理論的正確性和可靠性,了解結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài),判斷結(jié)構(gòu)的安全承載能力和使用條件。通過監(jiān)測系統(tǒng)收集各種技術(shù)數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)庫,以便更好地隨時(shí)掌握結(jié)構(gòu)變形全貌?？杉皶r(shí)發(fā)現(xiàn)變形現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,并采取處理措施預(yù)案。

　　2. 2 重視積累監(jiān)測資料,提供病害治理可靠依據(jù)

　　隨著城市的不斷發(fā)展,地鐵等軌道交通建設(shè)規(guī)模必然不斷擴(kuò)大,并將成為城市公共交通的重要支柱。城軌交通的安全運(yùn)營已成為城市窗口形象,通過對地鐵主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測,收集監(jiān)測數(shù)據(jù)、記錄整治方案,系統(tǒng)地整理、積累資料,及時(shí)掌握現(xiàn)有建成地鐵工程運(yùn)營變形情況。通過對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測,及時(shí)準(zhǔn)確掌握現(xiàn)有建成地鐵工程的運(yùn)營變形情況,不斷總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),為病害治理提供可靠依據(jù),也可供今后相關(guān)工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)時(shí)借鑒。

　　2. 3 重點(diǎn)監(jiān)測位置

根據(jù)理論分析和以往的經(jīng)驗(yàn),一般對地鐵的以下主體部分進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測,掌握重點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)變形情況:

　　(1)車站與區(qū)間銜接處的差異沉降;

　　(2)城軌交通穿越河流、不良地質(zhì)地段的隧道區(qū)段的特殊沉降;

　　(3)既有隧道與新建隧道銜接處的差異沉降;

　　(4)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道附近銜接處的差異沉降;

　　(5)城軌交通沿線有高大建筑或工程正在施工的地段對隧道的影響;

　　(6)本線與后建設(shè)的城軌交通線路交叉點(diǎn)附近地段對本線隧道的影響;

　　(7)高架橋地段的墩臺沉降、梁體的撓曲變形;

　　(8)隧道、高架橋與路基的過渡段的差異沉降;

　　(9)城軌交通穿越國家既有鐵路對隧道的影響。

　　2. 4 地層沉降理論的支持和分析

　　對于城軌交通建設(shè)時(shí)和運(yùn)營后主體結(jié)構(gòu)的地層沉降,一般采用現(xiàn)在通用的理論,如派克法、有限元法和派克修正公式對地表沉降量進(jìn)行估算。

　　派克(Peck)法是假定地層損失在隧道長度上均勻分布,地面沉降在垂直隧道方向上正態(tài)分布。

　　對隧道上方地表沉降槽橫向分布的地面沉降量提出估算公式。

　　計(jì)算結(jié)果應(yīng)根據(jù)工程的具體地質(zhì)情況和土質(zhì)特征,一般要對估算公式進(jìn)行修正,并通過監(jiān)測得到驗(yàn)證。

　　2. 5 對重要建筑物的地基變形計(jì)算依托的理論依據(jù)

　　對于地鐵附屬的重要建筑物和周圍緊鄰的高大建筑物的建設(shè)對地鐵主體結(jié)構(gòu)的影響,首先要掌握建筑物荷載在地基土層中引起的應(yīng)力變化,其次必須掌握地基土層的分布情況及其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征,由此可預(yù)先計(jì)算出將發(fā)生的變形值。

　　對建筑物而言,在一般情況下最主要的是地基的豎向壓縮變形,表現(xiàn)為建筑物基礎(chǔ)的沉降。因此,地基變形計(jì)算通常即指基礎(chǔ)沉降計(jì)算。

　　自地鐵開始施工之日起,對地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的新建建筑物,就要進(jìn)行監(jiān)測,直至評定其已經(jīng)穩(wěn)定,或變形值和變形速率在正常值范圍內(nèi)。一方面要對建筑物基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)測,同時(shí)對臨近建筑物地段的地鐵結(jié)構(gòu)重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測。根據(jù)工程情況和變形情況,采取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測方案,必要時(shí)采取現(xiàn)場設(shè)置探頭和傳感器,用光纜傳輸數(shù)據(jù),遠(yuǎn)程適時(shí)監(jiān)測。

　　3 調(diào)查結(jié)果

　　根據(jù)調(diào)查已經(jīng)建成運(yùn)營的多條軌道交通線均有不同程度的結(jié)構(gòu)變形。深圳、廣州、南京、上海、天津等城市的已經(jīng)運(yùn)營軌道交通線的調(diào)查發(fā)現(xiàn),一些線路的變形較嚴(yán)重,尤其上海已經(jīng)運(yùn)營的1、2、3號線均有較大變形,且一直在持續(xù),其中上海1號線變形較大的地段,隧道洞體下沉達(dá)27 mm,隧道斷面變形達(dá)11 mm,而且變形仍在持續(xù)發(fā)展,正在采取各種手段來保障運(yùn)營的安全。

　　天津地鐵1號線工程在西站過河段施工期間的最大沉降量就達(dá)到480 mm,侵限很嚴(yán)重,線路調(diào)整無法解決根本問題,經(jīng)過研究,最終將線路盡量調(diào)整到侵限均勻,軌道采取特殊設(shè)計(jì),減薄道床厚度,解決了該難題,避免了工程的拆除重建。

　　目前國內(nèi)一些城市的軌道交通工程已陸續(xù)建成通車,有些城市對工程的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了監(jiān)測,有些城市對此還尚未引起足夠的重視,尤其錯過了初期數(shù)據(jù)的采集時(shí)機(jī),對以后的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理極為不利。

　　國家有關(guān)規(guī)范對此類重大工程也有明確規(guī)定,《建筑變形測量規(guī)程》(JGJ/T8—97)、《地下鐵道、軌道交通工程測量規(guī)范》(GB 50308—1999)等對此均有明確條文,規(guī)定地鐵工程施工全過程和運(yùn)營階段中,進(jìn)行變形測量是十分必要的,通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,經(jīng)評定認(rèn)為已經(jīng)穩(wěn)定的可以停止觀測。

　　4 結(jié)論

　　貴州主體結(jié)構(gòu)檢測建議地鐵及其它城軌等工程項(xiàng)目,在施工期間及竣工運(yùn)營后,把對主體結(jié)構(gòu)的沉降、水平位移、收斂等變形監(jiān)測工作提到議事日程,重視資料的整理和積累。給出主體結(jié)構(gòu)的變形情況,以及主體結(jié)構(gòu)變形今后的發(fā)展趨勢,并提出整治方案。逐漸修正理論依據(jù),完善監(jiān)測方法,使地鐵監(jiān)測成為保障地鐵運(yùn)營安全、維護(hù)城市窗口形象的主要工作項(xiàng)目。