穿越既有地鐵結(jié)構(gòu)施工安全后評(píng)估方法研究

張 明 牛曉凱 賀美德

0 引言

受地下工程理論的局限性與施工過程中的不確定性影響，新建地下工程穿越既有地鐵施工，將導(dǎo)致既有地鐵結(jié)構(gòu)在施工完成后出現(xiàn)某些工前沒有預(yù)測到或預(yù)計(jì)不足的不良后果。

為了避免或降低這種不良后果對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營造成不利影響，應(yīng)當(dāng)在穿越施工完成后，對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的實(shí)際受影響程度進(jìn)行檢測、評(píng)估，并提出適當(dāng)?shù)奶幚硪庖姡此^后評(píng)估。

目前國內(nèi)在后評(píng)估方面的研究及應(yīng)用相對(duì)較少。隨著國內(nèi)城市地下空間開發(fā)建設(shè)高潮的到來，可以預(yù)期將會(huì)出現(xiàn)大量新建地下工程穿越既有地鐵施工的情況，因此應(yīng)當(dāng)盡快開展此方面的研究及應(yīng)用工作。

本文即針對(duì)工程實(shí)際需要，對(duì)新建工程穿越既有地鐵結(jié)構(gòu)施工完成后，對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估檢算的主要內(nèi)容及技術(shù)要點(diǎn)予以詳細(xì)闡述，以為類似工程應(yīng)用提供借鑒及指導(dǎo)作用。

1 后評(píng)估計(jì)算特點(diǎn)分析

目前地下結(jié)構(gòu)理論計(jì)算的力學(xué)模型通常有兩種:1)地層—結(jié)構(gòu)模型;2)荷載—結(jié)構(gòu)模型[1]。

在對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行工前安全評(píng)估和工后安全評(píng)估，都離不開這兩種基本計(jì)算模型。但其計(jì)算思路卻有所不同。

1.1 前評(píng)估

1)依據(jù)地層—結(jié)構(gòu)模型，在進(jìn)行一定的邊界條件、材料參數(shù)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算軟件對(duì)計(jì)劃實(shí)施的施工過程進(jìn)行模擬，得到既有結(jié)構(gòu)變形狀況;2)在此基礎(chǔ)上，尋找出最不利變形階段以及最大變形值，并將變形值施加于既有結(jié)構(gòu)，最后按照荷載—結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。

1.2 后評(píng)估

1)工后評(píng)估時(shí)，施工已經(jīng)結(jié)束，既有結(jié)構(gòu)的變形已經(jīng)實(shí)際發(fā)生，可從監(jiān)測結(jié)果中分析出既有結(jié)構(gòu)實(shí)際發(fā)生的最不利變形階段以及變形值;2)利用通用有限元軟件，建立荷載—結(jié)構(gòu)模型，通過定義結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移，將最不利變形施加到結(jié)構(gòu)，進(jìn)而計(jì)算出既有結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。由上可看出，前評(píng)估進(jìn)行的既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力安全性檢算是建立在一定假設(shè)基礎(chǔ)之上的，其計(jì)算結(jié)果必然與實(shí)際情況存在一定差異。而后評(píng)估則依據(jù)既有結(jié)構(gòu)實(shí)際發(fā)生的施工過程與結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行，因此其計(jì)算結(jié)果將更加接近既有結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)，也更能反映既有結(jié)構(gòu)的真實(shí)安全狀態(tài)。

2 后評(píng)估檢算主要內(nèi)容及方法

一般情況下，結(jié)構(gòu)檢算的主要內(nèi)容及方法如下:

1)對(duì)既有結(jié)構(gòu)分別以裂縫控制、強(qiáng)度控制兩種情況進(jìn)行檢算;2)在不同情況下，計(jì)算目前狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與結(jié)構(gòu)允許承載力;3)將結(jié)構(gòu)內(nèi)力與允許承載力比較，評(píng)估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài);若目前內(nèi)力小于允許內(nèi)力，則結(jié)構(gòu)安全，反之則存在危險(xiǎn);4)計(jì)算結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，評(píng)估結(jié)構(gòu)安全損失。

考慮后評(píng)估計(jì)算特殊性，在計(jì)算過程中應(yīng)注意如下一般原則:

1)由于既有結(jié)構(gòu)承載力狀況是其修建時(shí)設(shè)計(jì)確定的，因此對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力檢算時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照既有結(jié)構(gòu)修建時(shí)采用的相關(guān)設(shè)計(jì)及施工規(guī)范執(zhí)行。2)進(jìn)行裂縫控制檢算，其標(biāo)準(zhǔn)為使結(jié)構(gòu)滿足正常使用極限狀態(tài)。3)進(jìn)行強(qiáng)度控制檢算，其標(biāo)準(zhǔn)為使結(jié)構(gòu)滿足承載力極限狀態(tài)要求。4)考慮既有結(jié)構(gòu)施工及后期施工過程中既有結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度和鋼筋強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)按照現(xiàn)場檢測的實(shí)際強(qiáng)度取值。

根據(jù)既有結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，可將結(jié)構(gòu)后評(píng)估檢算主要內(nèi)容確定為如下4方面:1)結(jié)構(gòu)橫向承載力檢算;2)結(jié)構(gòu)縱向承載力檢算; 3)結(jié)構(gòu)顯著開裂或貫通(環(huán)向)開裂部位檢算;4)縱梁撓度檢算(新建工程穿越地上結(jié)構(gòu)時(shí))。

下文分別對(duì)上述 4方面的具體內(nèi)容及檢算方法進(jìn)行闡述。

2.1 橫向承載力檢算

2.1.1 檢算內(nèi)容

檢算結(jié)構(gòu)橫向各部位承載能力時(shí)，應(yīng)按彎剪扭共同作用下的構(gòu)件承載力及偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行考慮，此時(shí)受力狀態(tài)比較復(fù)雜，可按相關(guān)規(guī)范[2][3]采用簡化計(jì)算的方法，對(duì)于彎矩的作用采用“受彎構(gòu)件”進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于剪力和扭矩的作用則采用“剪扭構(gòu)件”進(jìn)行計(jì)算。

穿越方式不同，結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)有所不同，因此其檢算重點(diǎn)也應(yīng)有所區(qū)別，具體內(nèi)容如下:1)穿越方式為“上穿”或“下穿”時(shí)，結(jié)構(gòu)橫向一般僅檢算彎矩、剪力、軸力即可，若有較大不均勻沉降出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)橫向則會(huì)承受較大扭矩，需要加以檢算;2)穿越方式為“側(cè)穿”或“鄰近施工”時(shí)，結(jié)構(gòu)在橫向上易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，此時(shí)須對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩、剪力、軸力、扭矩均進(jìn)行檢算。結(jié)構(gòu)形式不同，其主要受力部位也有相應(yīng)的不同之處。因此應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式，選擇不同的檢算重點(diǎn):

1)車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向承載力檢算時(shí)，需要對(duì)其橫斷面上的梁、板、柱、墻分別進(jìn)行檢算;2)區(qū)間結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向承載力檢算時(shí)，由于其橫斷面結(jié)構(gòu)簡單，故對(duì)整個(gè)橫截面進(jìn)行檢算即可。

2.1.2 檢算方法

1)按照既有結(jié)構(gòu)當(dāng)時(shí)采用的設(shè)計(jì)及施工規(guī)范，根據(jù)既有地鐵結(jié)構(gòu)的工程材料、結(jié)構(gòu)尺寸及所配鋼筋，對(duì)結(jié)構(gòu)橫向、縱向承載力分別以裂縫控制、強(qiáng)度控制兩種工況進(jìn)行檢算，算出這兩種工況下結(jié)構(gòu)的允許承載力[M]，[N]，[T]，[V]。

2)按照既有線初建時(shí)的設(shè)計(jì)外荷載、特殊荷載，計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力M，N，T，V。

3)把實(shí)際施工產(chǎn)生的變形施加在既有結(jié)構(gòu)上，計(jì)算出變形引起的既有結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力ΔM，ΔN，ΔT，ΔV。

4)將所得的附加內(nèi)力ΔM，ΔN，ΔT，ΔV和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力M，N，T，V分別相加，即得到目前既有結(jié)構(gòu)的總內(nèi)力 ∑M，∑N，∑T，∑V。

5)將結(jié)構(gòu)的總內(nèi)力 ∑M，∑N，∑T，∑V與允許內(nèi)力[M]，[N]，[T]，[V]比較，即可得出結(jié)構(gòu)目前的安全狀態(tài)。若∑M＜[M]或∑N＜[N]，∑T＜[T]或∑V＜[V]，則結(jié)構(gòu)安全，反之則存在危險(xiǎn)。

6)求出目前結(jié)構(gòu)安全系數(shù) η1，η2，η3，η4如下。將目前安全系數(shù)與既有線初建時(shí)規(guī)范要求的安全系數(shù)相比較，即可得到既有結(jié)構(gòu)目前狀態(tài)下的安全損失。

2.2 縱向承載力檢算

1)檢算內(nèi)容。檢算結(jié)構(gòu)縱向各部位承載能力時(shí)，可根據(jù)實(shí)際工程情況，選擇抗彎構(gòu)件或軸心受壓構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)縱向承載力進(jìn)行計(jì)算。

區(qū)間或附屬結(jié)構(gòu)在縱向主要承受彎矩、剪力，并且其縱向上內(nèi)力變化主要是因?yàn)榭v向的不均勻沉降產(chǎn)生的。所以一般可假設(shè)其穿越施工前縱向不均勻變形為零，即初始狀態(tài)縱向內(nèi)力為零。對(duì)其進(jìn)行縱向承載力檢算時(shí)，可將結(jié)構(gòu)簡化為彈性地基梁，直接將穿越施工產(chǎn)生的變形作為荷載施加在結(jié)構(gòu)上，計(jì)算出變形引起的既有結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力，將該附加內(nèi)力與設(shè)計(jì)內(nèi)力直接比較，判斷結(jié)構(gòu)縱向安全性。

2)檢算方法。具體檢算方法同橫向承載力檢算，此處不再贅述。

2.3 顯著開裂或貫通(環(huán)向)開裂部位檢算

1)檢算內(nèi)容。穿越施工結(jié)束后，既有結(jié)構(gòu)由于受到彎剪扭的作用以及自身出現(xiàn)不均勻沉降等原因，而導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉、彎裂縫，剪、扭裂縫以及沉降裂縫。若出現(xiàn)顯著開裂或者貫通(環(huán)向)開裂，則該部位受力性能將可能受到較大影響。而通常情況下，按照既有結(jié)構(gòu)幾何形狀特點(diǎn)，環(huán)向可能因扭曲出現(xiàn)貫通開裂，縱向貫通則較少。

因此應(yīng)根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，對(duì)顯著裂縫或貫通(環(huán)向)開裂部位進(jìn)行必要的安全性檢算。其中顯著開裂指裂縫寬度達(dá)到0.3mm以上。

2)檢算方法。對(duì)既有結(jié)構(gòu)顯著裂縫或貫通(環(huán)向)開裂部位進(jìn)行安全性檢算時(shí)，既有結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)隧道設(shè)計(jì)時(shí)的斷面形狀、構(gòu)件厚度及構(gòu)件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度等建模。將結(jié)構(gòu)簡化為彈性梁，開裂處設(shè)定為鉸，將地層簡化為地層彈簧(法向地層彈簧與切向地層彈簧)。此外，若襯砌背后檢測到有空洞，那么應(yīng)將該處的地層彈簧去掉。按照上述基本模型利用有限元或結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件即可對(duì)該部位進(jìn)行檢算。

2.4 縱梁撓度檢算

1)檢算內(nèi)容。地上結(jié)構(gòu)受力特性類似于橋梁結(jié)構(gòu)，因此在對(duì)地上結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算時(shí)，除進(jìn)行結(jié)構(gòu)橫、縱斷面承載能力檢算外，還應(yīng)當(dāng)按照橋梁結(jié)構(gòu)安全性檢算方法，對(duì)其縱梁撓度進(jìn)行安全性檢算。

2)檢算方法。其具體檢算方法可參考橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)條文執(zhí)行。

3 結(jié)語

本文結(jié)合目前工程建設(shè)需要，對(duì)新建工程穿越既有地鐵結(jié)構(gòu)完成后，如何進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估檢算予以了研究。文章主要研究結(jié)論如下:

1)不同結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)的不同部位，在穿越施工過程中表現(xiàn)出的受力特點(diǎn)均有所區(qū)別，文中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

2)確定了后評(píng)估結(jié)構(gòu)檢算的主要內(nèi)容，包括結(jié)構(gòu)橫向承載力、縱向承載力、顯著開裂部位以及縱梁撓度檢算 4個(gè)方面，并對(duì)其具體檢算方法進(jìn)行了說明，該方法具有較強(qiáng)可操作性，可直接用于工程實(shí)踐。

[1] 李志業(yè)，曾艷華.地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2003.

[2] GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50157-2003，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].