城市地下空间工程韧性提升研究

2023-11-22雷升祥雷宇明

隧道建设(中英文) 2023年10期

雷升祥, 赵伟, 雷宇明

(1. 中国铁建股份有限公司, 北京 100855; 2. 中铁十八局集团有限公司,天津 300222; 3. 中国铁建股份有限公司工程总承包部, 北京 100085)

0 引言

开发利用城市地下空间是“造福当代、惠泽千秋”的伟业[1],是改善城市生态环境、优化城市空间结构、解决城市病、促进城市韧性及可持续发展的重要途径[2-5],但目前我国城市地下空间存在规划不系统、建设品质不高、安全风险防控能力不强等问题[6-8]。

“韧性”概念在工程材料[9]及工程结构抗震[10]中得到较早的应用,是工程结构延性耗能的重要力学概念[11-15]。关于韧性的早期研究,加拿大生态学家Holling将韧性用于描述生态系统[16],其本意是“恢复到原始状态”,强调吸收外界冲击和扰动的能力,即外界干扰时能够消化吸收干扰因素并保持其主要特征、结构和关键功能。

王峤等[17]结合城市韧性与非工程防灾的内在关联,从管理韧性、社会韧性、经济韧性3个维度提出城市非工程防灾策略;文献[18-23]研究了不同类型基础设施的工程韧性;毕熙荣等[24]的研究认为韧性评价应当从鲁棒性、可靠性、快速性、恢复时长、恢复程度、恢复策略和级联效应7个要素入手;Admiraal等[25]的研究认为地下空间可提高城市在基础设施和环境领域的韧性,保障灾时人员和信息的高效流动;郑刚等[26]则从工程角度研究分析地下空间的韧性,认为岩土与地下工程结构属于低韧性结构。

在抗灾防灾领域,韧性具有现实意义。郑州“7·20”极端特大暴雨引发的城市内涝问题,对城市地下空间的韧性提出了更高的要求,韧性提升迫在眉睫。雷升祥等[6,8]提出城市地下空间开发利用的“第四国土” “地下红线”“融合设计”“节点TOD空间布局”“规划留白”“以人为本”和“智慧建造”新理念,并以构建高品质地下空间为目标,围绕“安全、高效、舒适、绿色”4个方面,提出以人为本的地下空间品质评价指标体系。

21世纪将会成为地下空间开发利用的新时代。我国各特大、大型城市以TOD等模式迎来地下空间规模化开发的新时期。地下空间具有抗震、抗风、抗爆、防化等防护功能,拥有巨大的防灾减灾潜力,但地下空间防灾具有两面性。一旦发生火灾、水灾,救援难度大,经济及社会损失大,如图1所示。目前,我国地下工程质量通病防治任重道远,工程本身的耐久性、安全性和防连续倒塌能力不强。因此,亟待提高工程韧性,建设高品质地下空间。

(a) 水灾

(b) 火灾

上述分析可以看出,众多专家学者将韧性概念用于工程领域,研究了不同类型基础设施的工程韧性特征,提出了城市地下空间开发利用的新理念,但对地下空间工程全生命周期韧性提升的研究相对较少,这也是当前工程实践中相对缺失的。本文给出地下空间工程韧性的定义和内涵特征,分析全寿命周期工程韧性提升的方法,提出工程韧性提升的方向和建造运维关键技术,为提高我国城市地下空间工程韧性和品质及促进城市地下空间开发利用提供新思路,探索发展方向。

1 城市地下空间的工程韧性

1.1 城市地下空间工程韧性的定义

城市地下空间工程韧性指地下空间在遭遇自然或人为因素干扰后,在保障工程结构安全、维持使用功能的前提下,所具有的降低风险、减轻破坏或干扰的能力,维持或迅速恢复其功能的能力。包括冲击抵抗能力、受灾恢复能力和风险适应能力3个方面。

城市地下空间工程韧性具有以下4个方面的属性:

1)鲁棒性, 承受扰动事件的冲击并仍然运行的能力;

2)冗余性,元素或组件可替换的程度;

3)智慧性,在扰动事件发生后的自适应能力,应对突发事件自适应的范围;

4)时效性,受到扰动事件的影响后恢复到预期功能水平的速度。

地下空间工程韧性要实现3个目标:

1)高可靠性。降低扰动事件发生时的失效概率,使工程更加可靠,体现工程韧性的鲁棒性和冗余性。

2)快速恢复性。减少恢复到预期性能水平所用的时间,实现更快恢复,体现工程韧性的时效性。

3)低灾害后果性。降低扰动事件对工程的影响程度,减轻不良后果,体现工程韧性的智慧性。

城市地下空间工程韧性本质在于提高工程结构可靠度,维续地下空间的服役能力。城市地下空间建造涉及工程地质、岩体结构和建筑结构等多个领域,包含地质工程学、土木工程学、地下建筑学、结构力学及岩土力学等多个学科分支,需要进行多领域学科交叉与融合研究,提高地下空间工程韧性。

1.2 城市地下空间工程韧性提升的目标和意义

开发地下空间是城市回归自然的重要手段,有利于节约资源、保护环境,工程韧性提升的内涵应该是全功能、全要素、全过程和全深度的。

目前,我国城市地下空间进入高质量发展新阶段,更加着眼于优化国土空间布局,提高集约化利用水平,形成多中心、网络化、开放式、集约型高质量发展的新格局。地下空间高质量发展的目标是提升地下空间的韧性防灾能力,以满足人们对美好生活的向往。

地下空间应对灾害的理念也由传统的灾害防御抵抗转变为增加工程韧性,提高与风险共存的能力。工程韧性提升的目的是保障工程的高可靠性、低灾害后果性和灾后快速恢复性。地下空间韧性提升研究从灾变发展规律、灾变机制出发,建立城市地下空间韧性提升理论和方法,为实现我国防灾减灾战略、建设韧性城市提供科技支撑。

2 城市地下空间工程韧性提升

2.1 全生命周期韧性提升

城市地下空间工程由于施工环境差、技术要求高、质量控制难度大等原因,易产生各种缺陷,运营期发展为病害,给运营和养护带来挑战。工程质量是工程韧性的基础,是保障地下空间冗余度和鲁棒性,提高风险防控的时效性和实现灾后快速恢复的基础。质量控制和韧性提升应贯穿包括规划阶段、设计阶段、施工阶段和运维阶段的工程全生命周期。地下空间全生命周期工程韧性提升如图2所示。

图2 地下空间全生命周期工程韧性提升

2.1.1 规划阶段

规划阶段主要基于灾变全过程控制的地下空间规划韧性,进行灾变全过程安全评价,实施安全前置的规划设计方法。具体包括: 摸清可利用资源总量,评价地下资源要素、环境因素、空间利用效率及工程建设可行性等;规划理念发挥政府主导,充分考虑城市防灾韧性需求,完善城市总体层面的地下空间规划内容,实现有效空间统筹和管制;城市地下空间分阶段开发、空间留白,预留长期发展的拓建及改扩建空间;既有地下空间网络化改造,构建立体网络化、高强度可持续发展的城市地下空间。

2.1.2 勘察、设计阶段

勘察、设计阶段的工程韧性提升基于前瞻性和控制性,在冗余度设计等方面有超越“规范”的勘察、设计韧性。全要素探测岩、土、水、气、微生物、磁力场、应力场、地温场、放射场、矿产资源、地下建(构)筑物等要素,系统勘查,实现地下全要素信息集成管理与透明化表达,为各阶段提供“高精度、高时效、全要素”的基础地理地质信息、技术支撑和空间数据服务。

在岩土工程中,局部破坏可引发大范围连续破坏事故。地下空间的工程韧性应扩大内涵和外延,不局限于规范,应有地下空间工程的防连续垮塌控制方法,使其从整体上具备合理的防连续破坏或预控连续破坏发展程度的能力,从而对岩土工程连续破坏程度进行合理控制,为地下工程发生连续破坏后功能合理保持及其可恢复性和易愈合性提供基础和保证。

2.1.3 施工阶段

施工阶段的工程韧性提升体现在安全及质量2个方面。施工安全和施工质量是地下空间结构施工永恒的主题,施工质量是确保地下结构服役期正常工作的重要保障,施工过程应强化事前、事中、事后的全过程质量控制,选择支护体系、确定开挖方法、控制围岩变形是保证工程安全施工的3个关键因素。

通病防治是实现工程使用目标和确保工程结构耐久性的重要内容,地下工程质量控制是一个系统工程,贯穿于项目建设全过程。需坚持“质量至上”理念,掌握工程建设标准,创新工艺工法,推进智能建造应用及质量品质提升,实施全过程质量管理,制定有效措施并抓好落实,强化工前质量预防、工中质量控制和工后产品保护,从而确保工程质量。

2.1.4 运维阶段

地下空间运维阶段要具有基于“安全性”的智慧化地下空间运维韧性。城市地下空间从规划、建设到交付使用,各个时期留存的诸如勘察设计不合理、施工质量缺陷和保护不到位等隐患,导致运营期间出现各种各样的病害,加之重建设不重养护的传统观念,地下空间的安全性、耐久性和使用性受到威胁。因此,有效开展病害特征辨识和结构健康状态评价、整治具有重要意义。

随着科学技术的进步,无损检测应运而生,在不伤害结构本身的前提下,使用相关仪器设备,根据结构内部异常或存在缺陷引起的热、声、光、电、磁等反应的变化,对病害进行辨识,为开展病害处治工作提供了一双“眼睛”。通过病害机制分析,可使病害防治更具针对性、系统性,有效提升养护管理水平。

提升地下空间服役性能,确保运行安全,是地下空间运营维养的根本目标。地下空间的运维管理应从制度、技术、人才、设备等方面形成制度化、专业化、标准化、规范化的维养架构,如图3所示。通过一系列智能化的工程技术手段,保障地下空间运营的最大效益。

图3 地下空间维养的基本架构

2.2 地下工程韧性提升的方向

科学技术与社会进步历来息息相关,人类社会的每一次进步与科学技术的进步有密切关系。城市地下空间工程韧性提升更是与地下工程相关建造理念与技术的进步密不可分。

2.2.1 城市更新技术

雷升祥[7]针对我国城市地下空间存在的规划落后于城市建设实践、连通性及系统性不足等问题,提出城市地下空间更新改造与网络化拓建的理念和方式方法,如图4所示。

图4 城市更新与网络化拓建

地下空间开发利用是城市更新的重要措施,我国城市地下基础设施规模大,但开发碎片化,综合功能弱,存在大量网络化拓建的现实需求,以期消除安全隐患,扩大地下空间功能,实现城市地下空间的重构和接续建设。同时,城市地下空间面临风险管控、多维拓建、微扰动控制3大技术难题,需要通过全要素的地质勘探、混凝土防腐防裂、围岩-结构防水、智能监控运维等技术加速地下空间开发建设,通过人工环境营造技术,提高地下空间的应用范围和使用品质。

2.2.2 韧性耗能结构与材料

城市地下空间采用韧性耗能结构及材料,增强结构延性,提高结构抵抗冲击荷载的能力,避免发生连续性破坏。在传统的混凝土和钢结构延性设计的基础上,通过地下空间精细勘测,实现地下空间科学选址定位;研发新型耗能结构及材料,包括高预应力吸能锚杆、水泥基钢纤维复合材料、泡沫铝夹心层、蜂窝结构、新型耗能减震支座及耗能支撑等。高预应力吸能锚杆吸收围岩变形释放的能量,具有高恒阻力、高延伸性能;蜂窝结构是理想的轻质结构,具有良好的抗冲击性能,适合做吸能材料和结构;泡沫铝独特的泡孔结构在受到冲击时能够吸收大量的能量,具有优良的吸能效果以及抵抗爆炸的能力;高聚物注浆材料密度和刚度可控,具有很好的吸收动能的特性,能够缓和冲击,降低应力幅值。

2.2.3 智能建造

城市地下空间向规模大型化、空间多维化、结构复杂化、环境人性化方向发展。构建勘察、设计、施工、运维一体的全寿命周期/全价值链的数字管理平台,提高智能建造水平。基于城市地下基础设施运行综合监测,地下空间巡检机器人,城市地下空间安全监控与智能化管理平台,精确传感、远程传输、专家知识库深度学习、智能分析等技术,实现施工质量与施工安全的自主判断、及时预警,能够将预警事件及应急处置预案同步推送给监测平台和工程管理人员,确保快速、高效处理预警事件,为地下空间安全建造提供技术支撑。

2.2.4 智慧运维

开展工程数字交付,从源头掌握基础数据,满足数据查询与储存、数字化监管与控制、数字化运维与管理,制定国家级/行业级/企业级数字化交付标准,建设城市基础设施数据库。

构建智慧运维的运营监测体系,自动化数据采集、传输,智能监控预警,健康评估,智能治理,形成智慧监测+智慧监控运维管理。城市地下空间智慧运维需从结构安全智能监测、机电系统健康监测、环境监测、智能应急、科学维养管理及工程技术等方面开展相关研究及技术应用。

2.3 工程韧性提升关键建造技术

2.3.1 城市地下空间微扰动建造技术

城市地下空间资源紧张, 受既有建(构)筑物、管线(涵)等工程环境条件限制,对施工变形控制的要求高、难度大。既有工程作为控制性因素存在,形成后续空间开发的边界约束,而较大的净距导致许多新建地下工程无法实施,严重影响地下空间的开发利用。因此,城市地下空间施工要坚持以大刚度(控制变形)为核心,以地层和结构安全(强度和稳定性)为保障的原则。

地下空间施工变形控制的关键环节包括微扰动开挖和大刚度支护,如图5所示。通常采用减小毛洞纵横跨的分部开挖和短进尺开挖以及静态破岩等微扰动开挖技术;在大刚度支护方面,采用包括地层加固、高弹模材料和强刚支护等方法提高施工变形控制能力。

图5 地下空间变形控制

2.3.2 连通接驳等效刚度加固

城市地下空间由于建造时空不连续,连通性和系统性差,需要进行基于既有地下结构的拓建更新,实现不同区域和不同时期建造的地下设施互连互通,功能整合。新旧结构的连通接驳必然要解决既有结构开洞问题。工程实践中常见“先开洞、后加固”的方式,利用了超静定结构在正常使用状态下的结构冗余度,但降低了结构的安全系数。

等效刚度法加固依据结构刚度控制应力分配路径及大小的基本原理,通过刚度设计,构造明确、简洁的内力传递路径,在内力承担方面,最大限度地实现新增结构对原有结构的力学功能替代;同时,既有结构的位移场尽量与开洞前保持一致,降低超静定结构对位移的反应,确保洞周既有结构的内力不超过开洞前状态[27]。

以常见的地下墙体开洞为例,原结构拆除的墙转换为洞周加固的梁柱(环梁)结构,其受力状态由墙的压、弯、剪转换为梁的扭、双向弯剪和柱的压、双向弯剪,如图6所示。加固设计首先根据等效刚度原理确定加固环梁(梁、柱)的截面,墙的压(弯)刚度转变为柱的压(弯)刚度,墙的抗弯(单向)刚度变为梁的抗弯(双向)和抗扭刚度,即先进行刚度计算确定初始截面,再进行极限承载力和正常使用极限状态的设计。

图6 等效刚度加固

2.3.3 混凝土防腐防裂技术

混凝土因其成本低、可塑性强、耐久性高、密实性好等优点非常适合用于地下工程。

钢筋混凝土结构在地下工程中的作用体现在: 1)防漏、防水作用; 2)结构的安全储备; 3)补强支护,约束围岩变形,保障洞室围岩稳定性; 4)提高地下结构的耐久性,并延长结构的使用寿命; 5)有利于对地下空间内部设施进行保护,同时保证地下空间内的美观。从工程实践看,地下工程混凝土结构的质量缺陷和病害也最为严重,投入使用后,病害整治难度大,且难以整治彻底。因此,必须把观念从重整治转变到重预防上,建设“内实外美、安全可靠、经久耐用”的高品质地下工程。

为了提高结构韧性,应重视混凝土结构的耐久性问题。混凝土的耐久性设计要考虑温、湿作用以及二氧化碳、氧、盐、酸等环境因素对结构的作用,混凝土腐蚀机制如表1所示。

表1 混凝土腐蚀机制

混凝土结构的裂缝是影响耐久性的另一个方面,尤其是超长超厚混凝土结构由于温度变化和收缩而导致的有害裂缝危害较大。混凝土在硬化期间,由于水化过程中“热涨”和硬化时“收缩”的特性相互作用,容易诱发结构出现裂缝。混凝土施工应着重采取控制混凝土温升、延缓混凝土降温速率、减少混凝土收缩、提高混凝土极限拉应变、改善约束、完善构造设计等措施。

水泥水化产物堵塞裂缝并将2个断裂面胶接在一起的现象称为混凝土的自愈合性能,一般混凝土的龄期越短,自愈合能力越强。混凝土裂缝的自愈合性能对钢筋混凝土耐久性有重要意义,特别是对于地下空间结构,裂缝的自愈合性能会使原本渗漏水的裂缝愈合,恢复结构的使用功能。可利用混凝土裂缝自愈合技术使混凝土损伤部位中未水化和水化不充分的胶凝材料加速水化或进一步反应生成新的反应产物弥合裂缝,包括结晶沉淀、结晶渗透、聚合物固化、记忆合金、微生物和电解沉积技术等。

2.3.4 围岩-结构防排水技术

城市地下空间结构渗漏水是运营期的“顽疾”,治理费用高且效果差,易出现反复,具有多样性、系统性的特点,严重影响地下空间的使用品质,应从提高工程韧性的角度,提升城市地下空间的综合防水能力。

地下空间结构渗漏水原因可总结为3个方面,即客观原因、直接原因和其他原因,其构成如图7所示。水的存在是地下空间结构渗漏水的前提和客观条件,在富水地段,结构可能会承受较高的水压,结构的任何缺陷和病害都可能成为渗漏水的通道,反过来,渗漏水又会加快结构病害的产生和发展,影响地下空间的使用品质和寿命。

地下空间防水层的耐久性是指防水层在特定环境下的长期服役性能。欧洲认证机构以老化试验为依据的耐久年限证书以25年为限,30年耐久性报告以25年实际工程取样试验后确认,以此类推,更长的耐久年限报告均以实际工程取样进行老化试验后,获得5年的耐久年限进阶。从我国目前的防水材料及施工技术分析,地下空间外设防水层要与结构同寿命,从理论及实践上均无法得到有效确认,要实现地下空间防水设计使用年限不低于工程结构设计使用年限的目标,需要从围岩改良、混凝土结构自防水、辅助防水系统及后期运维方面综合施策。

主要措施包括: 1)采用围岩深-浅孔注浆降低渗透系数,提高围岩承载力的同时,实现地下水有限排放; 2)初期支护喷浆密实、表面圆顺,为防水层敷设提供基面; 3)提高混凝土的密实性,设置构造筋提高抗裂性能,提高结构自防水能力; 4)提高变形缝、施工缝、后浇带及洞口等特殊部位接缝防水质量; 5)设置多道高性能防水层,实行分区防水,将反黏防水等有机防水材料与聚合物等无机防水材料相结合; 6)确保纵横盲管(沟)、排水管、排水沟组成的排水系统畅通; 7)运维过程中,进行渗漏水监测及缺陷、病害处理。

图7 地下空间结构渗漏水成因

2.3.5 高耐久性锚固

在地下空间支护体系中,锚固技术是唯一从内部补强围岩的手段,在复杂地下工程中发挥着重要作用。目前,锚固技术朝着大吨位、高应力的方向发展,其材料腐蚀及力学作用的耐久性已经成为决定工程正常使用和运行安全的重要因素。

锚固工程可采用2种不同防腐方式: 第1种为双重防腐,即在锚筋外壁涂刷环氧树脂涂层后进行试件灌浆成型;第2种为多重防腐(如图8所示),它与第1种的区别在于水泥注浆层中设有高密度聚乙烯波纹管[28]。

(a) 锚固示意

(b) A-A剖面

钢质锚杆杆体设置对中支架,能固定锚杆杆体与锚孔孔壁的位置关系,保证杆体外裹锚固材料的厚度,是钢质杆体防腐的重要措施之一。图9示出了锚杆对中支架实物照片,经优化后的对中支架采用工程塑料,定制化生产,耐腐蚀性强、产品轻、价格低。

图9 锚杆对中支架

对于预应力锚固来说,除了采用防腐措施提高锚固材料耐久性外,预应力损失的监控和补偿也是确保锚固服役耐久性的重要内容。

岩土工程具有隐蔽性,预应力损失问题在岩土工程中显得更为突出。锚固结构工后检测预应力损失,进而对锚固结构的工作状况进行分析评估,利用预应力补偿技术使预应力损失严重的锚索结构恢复到设计要求,维持结构的安全和使用年限。

2.3.6 非结构构件耗能减震

现阶段,我国建筑抗震设计规范规定了主体结构“小震不坏”“中震可修”“大震不倒”三水准的设防要求,但由于非结构构件的抗震研究起步晚,设计理念不够清晰,往往破坏更为严重,这对建筑物使用功能的维持运转造成了较大影响,无法满足工程整体抗震韧性的要求。图10示出了地面建筑非结构构件震害,可看出结构主体并未发生破坏,框架填充墙及吊顶、设备桥架等非结构构件破坏比较严重。

(a)

(b)

图11示出了非结构构件受力特征。图11(a)为框架结构常规填充墙构造,填充墙体与主体结构梁柱顶紧接触。此种情况下,主体结构具有较大的附加侧向刚度,存在增加结构地震作用、改变结构构件的受力特征及结构动力特性等问题,导致填充墙自身破坏严重、主体结构发生薄弱层倒塌或扭转破坏、框架柱因窗间矮墙发生短柱破坏等震害。城市地下大空间多层多跨结构越来越多,应重视框架填充墙的震害问题。减轻填充墙震害的方法主要有: 1)增强填充墙抗震能力; 2)隔断填充墙与结构构件间的传力路径; 3)基于消能减震技术原理对填充墙进行改造。

如图11(b)所示,传统楼梯由于梯板与梯梁固端连接,梯板平面内刚度可传递至其他楼梯构件,形成楼梯“K形”支撑效应。一方面,地震作用下,楼梯“K形”支撑效应使楼梯各构件的内力增加,楼梯构件极易出现严重损伤。另一方面,楼梯“K形”支撑效应对结构刚度水平分布的影响常在结构设计中被忽略,易导致结构(尤其是框架结构)在地震中发生因动力特性改变而扭转破坏的现象。上述现象不仅导致震后楼梯通道功能中断,震后恢复时间长,且阻碍主体结构系统抗震功能的实现。

(b) 楼梯

为降低“K形”支撑效应,可采用消能减震技术原理,在原一体化的梯梁(平台板)与梯板交接处进行“切断”,然后在“切断”处设置水平剪切刚度低、耗能能力好的消能减震(隔震)楼梯支座。该方法可达到楼梯震中不破坏、功能不中断,震后楼梯功能可恢复的韧性要求。消能减震(隔震)楼梯支座可选用黏弹性减震楼梯支座、摩擦减震楼梯支座、软钢减震楼梯支座或橡胶隔震支座。

2.3.7 运维期防灾减灾技术

城市地下空间运维期间应对水灾、火灾和爆炸等灾害的能力是城市地下空间工程韧性的重要内容。地下工程的主体多为钢(钢筋或型钢)-混凝土结构或型钢结构,提高火灾后结构构件的安全性至关重要,具体措施包括优化防火分区、应用高性能耐火材料、开发耐火性结构监测和材料性能监测技术、对烧损程度进行科学评价以及合理加固修复等。地下空间水灾后应防范来水通过排水系统或渗漏水通道进入外部,引起主体结构外部约束条件改变带来危害,包括结构抗浮、承压水上升、流砂掏空以及围岩软化等。城市地下公共空间的主要结构构件应具有抵抗爆炸荷载的能力和防连续倒塌的能力;对具有人防功能的地下空间,应从提高工程韧性的角度,研发高性能耗能结构及耗能材料,以提升防护能力。