穿越既有地铁结构施工安全后评估方法研究

张 明 牛晓凯 贺美德

0 引言

受地下工程理论的局限性与施工过程中的不确定性影响，新建地下工程穿越既有地铁施工，将导致既有地铁结构在施工完成后出现某些工前没有预测到或预计不足的不良后果。

为了避免或降低这种不良后果对既有地铁结构安全及运营造成不利影响，应当在穿越施工完成后，对既有地铁结构的实际受影响程度进行检测、评估，并提出适当的处理意见，即所谓后评估。

目前国内在后评估方面的研究及应用相对较少。随着国内城市地下空间开发建设高潮的到来，可以预期将会出现大量新建地下工程穿越既有地铁施工的情况，因此应当尽快开展此方面的研究及应用工作。

本文即针对工程实际需要，对新建工程穿越既有地铁结构施工完成后，对既有结构进行安全性评估检算的主要内容及技术要点予以详细阐述，以为类似工程应用提供借鉴及指导作用。

1 后评估计算特点分析

目前地下结构理论计算的力学模型通常有两种:1)地层—结构模型;2)荷载—结构模型[1]。

在对既有结构进行工前安全评估和工后安全评估，都离不开这两种基本计算模型。但其计算思路却有所不同。

1.1 前评估

1)依据地层—结构模型，在进行一定的边界条件、材料参数假设的基础上，利用计算软件对计划实施的施工过程进行模拟，得到既有结构变形状况;2)在此基础上，寻找出最不利变形阶段以及最大变形值，并将变形值施加于既有结构，最后按照荷载—结构模型进行既有结构内力计算。

1.2 后评估

1)工后评估时，施工已经结束，既有结构的变形已经实际发生，可从监测结果中分析出既有结构实际发生的最不利变形阶段以及变形值;2)利用通用有限元软件，建立荷载—结构模型，通过定义结构节点位移，将最不利变形施加到结构，进而计算出既有结构的内力。由上可看出，前评估进行的既有结构内力安全性检算是建立在一定假设基础之上的，其计算结果必然与实际情况存在一定差异。而后评估则依据既有结构实际发生的施工过程与结构变形进行，因此其计算结果将更加接近既有结构实际受力状态，也更能反映既有结构的真实安全状态。

2 后评估检算主要内容及方法

一般情况下，结构检算的主要内容及方法如下:

1)对既有结构分别以裂缝控制、强度控制两种情况进行检算;2)在不同情况下，计算目前状态下结构内力与结构允许承载力;3)将结构内力与允许承载力比较，评估结构安全状态;若目前内力小于允许内力，则结构安全，反之则存在危险;4)计算结构安全系数，评估结构安全损失。

考虑后评估计算特殊性，在计算过程中应注意如下一般原则:

1)由于既有结构承载力状况是其修建时设计确定的，因此对既有结构进行承载力检算时，应当按照既有结构修建时采用的相关设计及施工规范执行。2)进行裂缝控制检算，其标准为使结构满足正常使用极限状态。3)进行强度控制检算，其标准为使结构满足承载力极限状态要求。4)考虑既有结构施工及后期施工过程中既有结构混凝土强度和钢筋强度，应当按照现场检测的实际强度取值。

根据既有结构受力特点，可将结构后评估检算主要内容确定为如下4方面:1)结构横向承载力检算;2)结构纵向承载力检算; 3)结构显著开裂或贯通(环向)开裂部位检算;4)纵梁挠度检算(新建工程穿越地上结构时)。

下文分别对上述 4方面的具体内容及检算方法进行阐述。

2.1 横向承载力检算

2.1.1 检算内容

检算结构横向各部位承载能力时，应按弯剪扭共同作用下的构件承载力及偏心受压构件进行考虑，此时受力状态比较复杂，可按相关规范[2][3]采用简化计算的方法，对于弯矩的作用采用“受弯构件”进行计算，而对于剪力和扭矩的作用则采用“剪扭构件”进行计算。

穿越方式不同，结构受力特点有所不同，因此其检算重点也应有所区别，具体内容如下:1)穿越方式为“上穿”或“下穿”时，结构横向一般仅检算弯矩、剪力、轴力即可，若有较大不均匀沉降出现，结构横向则会承受较大扭矩，需要加以检算;2)穿越方式为“侧穿”或“邻近施工”时，结构在横向上易产生扭转变形，此时须对结构弯矩、剪力、轴力、扭矩均进行检算。结构形式不同，其主要受力部位也有相应的不同之处。因此应当针对不同结构形式，选择不同的检算重点:

1)车站结构进行横向承载力检算时，需要对其横断面上的梁、板、柱、墙分别进行检算;2)区间结构、附属结构进行横向承载力检算时，由于其横断面结构简单，故对整个横截面进行检算即可。

2.1.2 检算方法

1)按照既有结构当时采用的设计及施工规范，根据既有地铁结构的工程材料、结构尺寸及所配钢筋，对结构横向、纵向承载力分别以裂缝控制、强度控制两种工况进行检算，算出这两种工况下结构的允许承载力[M]，[N]，[T]，[V]。

2)按照既有线初建时的设计外荷载、特殊荷载，计算出结构内力M，N，T，V。

3)把实际施工产生的变形施加在既有结构上，计算出变形引起的既有结构附加内力ΔM，ΔN，ΔT，ΔV。

4)将所得的附加内力ΔM，ΔN，ΔT，ΔV和设计结构内力M，N，T，V分别相加，即得到目前既有结构的总内力 ∑M，∑N，∑T，∑V。

5)将结构的总内力 ∑M，∑N，∑T，∑V与允许内力[M]，[N]，[T]，[V]比较，即可得出结构目前的安全状态。若∑M＜[M]或∑N＜[N]，∑T＜[T]或∑V＜[V]，则结构安全，反之则存在危险。

6)求出目前结构安全系数 η1，η2，η3，η4如下。将目前安全系数与既有线初建时规范要求的安全系数相比较，即可得到既有结构目前状态下的安全损失。

2.2 纵向承载力检算

1)检算内容。检算结构纵向各部位承载能力时，可根据实际工程情况，选择抗弯构件或轴心受压构件对结构纵向承载力进行计算。

区间或附属结构在纵向主要承受弯矩、剪力，并且其纵向上内力变化主要是因为纵向的不均匀沉降产生的。所以一般可假设其穿越施工前纵向不均匀变形为零，即初始状态纵向内力为零。对其进行纵向承载力检算时，可将结构简化为弹性地基梁，直接将穿越施工产生的变形作为荷载施加在结构上，计算出变形引起的既有结构附加内力，将该附加内力与设计内力直接比较，判断结构纵向安全性。

2)检算方法。具体检算方法同横向承载力检算，此处不再赘述。

2.3 显著开裂或贯通(环向)开裂部位检算

1)检算内容。穿越施工结束后，既有结构由于受到弯剪扭的作用以及自身出现不均匀沉降等原因，而导致既有结构出现拉、弯裂缝，剪、扭裂缝以及沉降裂缝。若出现显著开裂或者贯通(环向)开裂，则该部位受力性能将可能受到较大影响。而通常情况下，按照既有结构几何形状特点，环向可能因扭曲出现贯通开裂，纵向贯通则较少。

因此应根据现状调查结果，对显著裂缝或贯通(环向)开裂部位进行必要的安全性检算。其中显著开裂指裂缝宽度达到0.3mm以上。

2)检算方法。对既有结构显著裂缝或贯通(环向)开裂部位进行安全性检算时，既有结构应根据隧道设计时的断面形状、构件厚度及构件的设计标准强度等建模。将结构简化为弹性梁，开裂处设定为铰，将地层简化为地层弹簧(法向地层弹簧与切向地层弹簧)。此外，若衬砌背后检测到有空洞，那么应将该处的地层弹簧去掉。按照上述基本模型利用有限元或结构计算软件即可对该部位进行检算。

2.4 纵梁挠度检算

1)检算内容。地上结构受力特性类似于桥梁结构，因此在对地上结构进行检算时，除进行结构横、纵断面承载能力检算外，还应当按照桥梁结构安全性检算方法，对其纵梁挠度进行安全性检算。

2)检算方法。其具体检算方法可参考桥梁结构设计相关条文执行。

3 结语

本文结合目前工程建设需要，对新建工程穿越既有地铁结构完成后，如何进行既有结构安全性评估检算予以了研究。文章主要研究结论如下:

1)不同结构形式、结构的不同部位，在穿越施工过程中表现出的受力特点均有所区别，文中对此进行了详细阐述。

2)确定了后评估结构检算的主要内容，包括结构横向承载力、纵向承载力、显著开裂部位以及纵梁挠度检算 4个方面，并对其具体检算方法进行了说明，该方法具有较强可操作性，可直接用于工程实践。

[1] 李志业，曾艳华.地下结构设计原理与方法[M].成都:西南交通大学出版社，2003.

[2] GB 50010-2002，混凝土结构设计规范[S].

[3] GB 50157-2003，地铁设计规范[S].