既有地下结构用于地铁工程的可行性研究.pdf

21卷 2期 2005年 6月 世 界 地 震 工 程 WORLD EARTHQUAKE ENGI NEERI NG Vo. l 21, No . 2 Jun. , 2005 收稿日期 2005- 03- 16; 修订日期 2005- 05- 21 作者简介 姜庆滨 1964- , 男, 黑龙江哈尔滨人, 高级工程师, 主要从事地铁建设与管理工作. 文章编号 1007 -6069 2005 02 - 0099 - 06 既有地下结构用于地铁工程的可行性研究 I 姜庆滨 哈尔滨市人民政府轨道交通办公室, 黑龙江 哈尔滨 150001 摘要 7381工程是 70年代初哈尔滨市按照当时地铁限界标准修建的一条地下人防工程。隧道穿越 粉质粘土、 细砂土层, 埋深 10 20米。为了评价 7381工程现在用于地铁运营的安全性, 本文从结构 承载能力、 构造、 变形和裂缝等方面进行了详细检测, 主要内容包括混凝土强度、 混凝土碳化、 混凝土 表面裂缝、 钢筋强度及锈蚀、 隧道衬砌拱顶厚度等, 检测结果为旧隧道的安全性与使用性评价奠定了 基础。 关键词 地下结构; 地铁; 安全性 中图分类号 P315 文献标识码 A The feasibility of existing underground structure used for subway I JIANG Qing -bin Subway D ivision, HarbinMunicipalAdm inistration, Harbin 15001, China Abstract The 7381 projectwas constructed early in 1970s, which was designed consistentw ith subway standard at that ti me . This tunnel has gone through silty clay and thin sand layer 10 20 meters beneath the ground .In order to uate the current serviceability for subway ,concrete strength ,concrete carbonization ,concrete surface cracks,strength and rust of steel bars aswell as concrete layer thickness of the tunnel arc are investigated and measured in the site of the tunne,l and the results are used for i mportant basis for uating of the serviceability tunne.l Key words underground structure ;subway;serviceability 1前言 早在七十年代, 哈尔滨市沿城市主轴修建了一条人防隧道工程 简称 7381人防工程 , 该工程是按照当 时的地铁标准设计和施工的, 已建成 10 . 1Km 的双线区间隧道, 5座车站以及变电所等附属构筑物, 其走向 是 和兴路 西大直街 东大直街 一曼街, 见图 1 。哈尔滨市轨道交通一期工程拟利用 7381人防 工程中一曼街 西大直街段, 长约 6 . 3Km, 含 4座已建地下车站的土建部分。7381人防工程是运用矿山法 施工建造的, 隧道埋深 15 26m, 土质以粉质粘土为主, 间或细砂。隧道结构是单洞双线 马蹄型断面, 车 站为单层三联拱形式, 结构限界满足当时的地铁技术标准。由于 7381工程建成以后, 闲置了三十余年, 洞内 存在渗水、 塌方等现象, 洞身混凝土衬砌有裂缝、 碳化, 衬砌配筋有无锈蚀以及衬砌关键部位的厚度等重要参 数均未知。此外在过去三十年中, 洞体沿线出现一些新的建筑物以及土体开挖造成的荷载改变。 图 17381人防工程平面图 考虑到本项工程在国内具有示范作用, 现将有关工作的经验和教训呈报给有关工程技术人员参考。 2工作依据与方法 由于本项工作的主要目的是判断闲置多年的隧道的安全性, 在工作中主要依据 地铁设计规范 GB50157- 2003、 铁路隧道设计规范 TB10003- 99、 混凝土结构设计规范 GB 50010- 2002、 回 弹法检测混凝土抗压强度技术规程 J 115- 2001等相关规范以及 7381人防战备工程设计、 施工与竣工 图。主要的方法与手段为 工程地质勘察和土工试验、 表观检查、 超声、 回弹、 取芯、 碳化、 地质雷达探测衬砌 厚度、 矩阵位移法承载能力验算、 开挖探视洞检测外表形态。工作的技术思路与工作流程如图 2所示。 图 2 7381隧道结构安全性评价工作流程图 具体工作时, 在洞内沿轴线每隔 500 800米确定一个重点工作断面, 在每一断面进行详细的勘察、 检测 和受力分析。 3检测结果 3 . 1工程地质勘察结果 依据收集到的地质资料, 将本地区域地质条件概括为 1 地貌 沿线地处岗阜状高平原区的前缘地带, 地势高平, 地面标高 135 . 00 145 . 00m; 2 地层 第四系松散堆积物 Q4 , 厚 60 70m, 往下依次为上更新流 Q3、 中更新流 Q2、 更新流 Q1; 100 世 界 地 震 工 程 21卷 3 地下水 沿线赋存第四系潜水 层间无压水 , 水位埋深 19 . 0m 30 . 0m; 4 地震 属地壳稳定地块, 新构造运动较微弱, 地震设防烈度为Ⅵ度。 钻孔勘察结果如下 图 3 典型的工程地质剖面图 在隧道内钻孔 8个, 地表钻孔 13个, 间隔约 2米取土样, 进行常规试验。钻孔进尺 377 . 1m, 取原状样 121 49件, 标贯试验 43次, 水分析样品 4套。 隧道埋深 15 . 0 26 . 0 m, 贯穿地层为第四系中更新统、 上荒山组、 上更新统哈尔滨组底部, 主要岩性为厚 层的粘性土, 夹 1至 2层细砂层; 粘性土层主要为粉质粘土, 稍显湿, 可塑一硬塑状态, 中等压缩性; 细砂层厚 度分布不均, 0 . 3 6 . 1m, 干、 中密。地层物理力学特性较好, 地下水水位低于洞体埋深, 有利于地下洞室的 施工、 稳定。典型的工程地质剖面图如图 3所示。 3 . 2衬砌混凝土结构检测结果 衬砌的检测方法如下 1普检普测 检查混凝土的蜂窝、 麻面、 裂缝、 渗水、 人为孔洞; 每隔 25m 的限界测量; 每隔 50m利用超 声和回弹方法测混凝土强度; 2 重点检测 对 13个重点断面进行高密度的超声、 回弹和混凝土取芯; 3 实验室试验 混凝土碳化深度试验、 混凝土强度抗压试验、 混凝土弹性模量测试、 钢筋抗拉强度试 验。 检测结果表明隧道内部横断面尺寸基本满足计划地铁限界要求; 沿线有二十余处程度不同的漏水点; 衬 砌纵向和横向有 21条较明显的裂缝。 回弹法是推定混凝土强度的一个主要方法。然而, 由于新、 旧规范关于混凝土强度的认定在理论上有较 大差别, 在如何将回弹法中的直接读数转化成新规范中的混凝土强度等级时很容易造成混淆。实际上, 正确 的做法应该是 把回弹的读数取平均 Rm, 按照 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程J 115- 2001, 得出 混凝土强度换算值 f c cu, 然后经过 1. 645倍的标准差修正, 得到 fcu, e, 且 fcu, e具有 95 的保证率, 与现行混凝土 规范中的混凝土强度等级 C* * 对应。按照该方法检测的衬砌边墙混凝土强度平均达到 C25 , 隧道拱顶混 凝土强度平均达到 C30 , 详细结果见图 4 a和图 4 b。在衬砌边墙上钻取的 45个直径 100毫米的混凝土 芯样抗压强度比回弹推测结果低 20 , 经分析主要原因是取芯钻头径向抖动过大, 对芯样造成强烈扰动, 降 低了芯样的抗压强度。 101 2期姜庆滨 既有地下结构用于地铁工程的可行性研究 I 图 4 衬砌边墙、 拱顶混凝土回弹检测结果 混凝土碳化程度是衡量既有混凝土结构劣化状况的一个重要参数。混凝土碳化是指水泥石中的水化产 物与环境中的二氧化碳作用, 生成碳酸钙或其他物质的现象。这是一个极其复杂的多相物理化学过程。普 通硅酸盐水泥混凝土中水泥熟料的主要矿物成分有硅酸三钙、 硅酸二钙、 铝酸三钙、 铁铝酸四钙及石膏等, 其 水化产物为氢氧化钙 约占 25 、 水化硅酸钙 约占 60 、 水化铝酸钙、 水化硫铝酸钙等, 充分水化后, 混 凝土孔隙水溶液为氢氧化钙饱和溶液, 其 p H 值约为 12 13 , 呈强碱性。在水泥水化过程中, 由于化学收缩、 自由水蒸发等多种原因, 在混凝土内部存在大小不同的毛细管、 孔隙、 气泡等, 大气中的二氧化碳通过这些孔 隙向混凝土内部扩散, 并溶解于孔隙内的液相, 在孔隙溶液中与水泥水化过程中产生的可碳化物质发生碳化 反应, 生成碳酸钙。 由于碳化反应的主要产物碳酸钙属非溶解性钙盐, 比原反应物的体积膨胀约 17 , 因此, 混凝土的胶凝 孔隙和部分毛细孔隙将被碳化产物堵塞, 使混凝土的密实度和强度有所提高, 一定程度上阻碍了二氧化碳和 氧气向混凝土内部的扩散。另一方面, 混凝土碳化使混凝土 pH 值降低, 完全碳化混凝土的 p H 值约为 8. 5 9 . 0 , 使混凝土中的钢筋脱钝, 容易生锈。 混凝土的碳化速度主要取决于二氧化碳的扩散速度和二氧化碳与混凝土中可碳化物质的反应性。而二 氧化碳的扩散速度与混凝土本身的密实性、 二氧化碳气体的浓度、 环境温度及混凝土的含湿状态有关, 碳化 反应则与混凝土中氧化钙的含量、 水化产物的形态及环境的温湿度等因素有关, 这些影响因素可以归结为与 环境有关的外部因素和与混凝土本身有关的内部因素。 试验研究表明, 二氧化碳浓度越高, 碳化越快; 温度越高, 碳化越快; 环境湿度影响规律是, 当湿度很低 10 以下 或很高 90 以上 时, 混凝土碳化速度很慢, 当环境湿度在 30 70 时, 碳化最快。 混凝土品质方面, 水灰比越高, 碳化越快; 混凝土强度越高, 碳化越快。 测量混凝土碳化深度时, 用电钻在选定测区的混凝土表面钻出直径 15mm、 深度 50mm 的孔洞, 孔洞中的 粉末用毛笔和皮老虎除净 不得用水擦洗 。用浓度 1 的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁, 由于无色的酚酞试 液遇碱变红色, 只要变成红色就说明没有碳化, 这样碳化深度定义为从混凝土表面到变红分界的深度。用专 用测量工具, 测量不少于 3次, 取其平均值。每次读数精确到 0 . 5mm。 混凝土碳化测试结果用于修正混凝土表面回弹检测值, 另外, 碳化深度与保护层厚度的对比可以衡量混 凝土内钢筋锈蚀环境的优劣。 对衬砌边墙和拱顶钻取的 45个芯样做混凝土碳化实验。在实验室内测试碳化深度深度时, 将芯样表面 用刷子清除掉钻取时遗留的粉末, 在芯样表面通过圆心画成 45度直线将圆周分成 8等分, 然后用酚酞指示 剂涂于芯样圆柱表面, 用游标卡尺测定变色与不变色的分界线至端头表面的距离, 分别测定 8个点的距离, 然后取平均值作为该点的碳化深度。 碳化深度的测试结果是 大于 20mm 的 1个; 大于 10mm 而小于 20mm的 10个; 小于 10mm的 33个, 其 中小于 5mm的有 17个。 此外, 还对沿线四个地下车站的混凝土墙、 柱和梁进行了现场碳化测试。博物馆站测点 37个, 碳化 4cm 一点, 2cm两点, 1 . 8cm和 1 . 5c m 各一点, 其余均小于 1 . 0cm。平均碳化深度 0 . 52cm, 方差 0 . 82cm。由于烟 102 世 界 地 震 工 程 21卷 厂站已经进行过装修, 通过剥开抹灰层才找到少量混凝土碳化测点。烟厂站测点 7个, 平均碳化深度 0 . 17c m, 方差 0 . 21cm。铁路局站测点 29个, 最大碳化深度 3 . 0c m, 平均碳化深度 0 . 64cm, 方差 0 . 92c m。西 大桥站测点 28个, 最大碳化深度 4. 0c m, 平均碳化深度 1 . 2cm, 方差 1 . 3c m。 3 . 3 钢筋抗拉强度及锈蚀检测 为了检测钢筋抗拉强度及锈蚀程度, 在衬砌施工接缝处选择几个点, 凿开混凝土, 抽取钢筋。在凿取钢 筋之前, 应用由中国地震局工程力学研究所仪器研制室研制的 GS M 型钢筋扫描仪探测钢筋的位置, 用钢钎 凿开混凝土保护层, 截取主钢筋, 所取钢筋的长度为 400mm。共取钢筋 6根。其中 4断面 渗水 1 2根, 2 断面 正常 1 1根, 6 断面 渗水 2 1根, 3 断面 正常 2 2根。 所截取的 6根钢筋中, 渗水段和正常段各 3根。从表面上看, 正常段的 3根看不到锈蚀, 如同新的一样。 而渗水段的 3根, 可见锈蚀, 其中一根锈蚀程度较重, 表面有麻点。 从形状上看, 6根钢筋各不相同, 截面都呈椭圆形。6根钢筋规格各不相同。 为了检测钢筋屈服极限和强度极限, 对钢筋中部进行砂磨, 去除锈蚀, 粘贴应变片。另备一根钢筋粘贴 相同的应变片, 做为温度补偿用。在检测过程中, 测量其应变值的变化。当荷载加到一定值时, 应变值迅速 增加而荷载却保持不变。此时的荷载即为屈服荷载, 这时的强度即为屈服强度。其后继续加载, 直至拉断, 测得极限荷载和抗拉强度。 从实验结果看, 渗水段的锈蚀钢筋对屈服强度和抗拉强度影响不大。钢筋平均屈服强度 s 218 253 MPa , 符合 Q235的标准。 钢筋保护层厚度是影响钢筋混凝土结构耐久性的另一重要参数。在凿取钢筋时, 可以测得钢筋保护层 厚度。从实测结果看, 拱顶和边墙钢筋保护层厚度在 60 120mm 之间, 对耐久性有利。 3 . 4拱顶衬砌厚度检测 隧道拱顶衬砌厚度是隧道设计的重要参数之一, 是评价隧道结构安全性的重要指标。通过检测, 给出了 主隧道和 4个车站拱顶衬砌厚度沿隧道轴向的变化, 为隧道结构性安全性评价提供依据。 拱顶衬砌厚度检测采用美国 GSSI公司生产的 SI R - 10B型地质雷达。地质雷达是工作于 VHF、 UHF 微波频段的超带宽 VMB探测雷达。它是根据电磁波在有耗介质中的传播特性工作的。该仪器携带的发 射天线向被探测介质发出高频电磁波, 当电磁波遇到介质不均匀、 介电常数有差异时便发生反射, 其反射系 数由介质的介电常数决定。反射信号通过接收天线耦合后由记录器记录下来, 得到雷达信号剖面图, 通过资 料的处理解释可以得到隧道衬砌厚度。该地雷达对 0 . 5m 厚衬砌的探测误差在 1 cm 左右。 7381隧道工程沿大直街轴线展布, 位于岗阜状高平原的前缘地带, 地势高平微向松花江河谷方向倾斜。 第四纪地层发育 厚度大于 60m , 地下水深埋 地下水位埋深大于 30m。隧道硐体位于地面以下 10- 22m, 其中和兴路 西大桥 铁路局 博物馆段隧道覆盖土层较厚, 由博物馆向东覆盖层厚度逐渐变 小, 在哈尔滨工程大学站处仅有 10m左右。隧道硐体围岩为第四纪上更新统哈尔滨组、 中更新统上荒山组 粉质粘土层, 局部夹薄层粉细砂。隧道硐体位于地下水位以上, 不受地下水的影响。隧道硐体为钢筋混凝土 结构, 拱顶设计厚 40 80cm。隧道硐体围岩土体为可塑 - - 硬塑粉质粘土层和较致密的粉细砂层, 其与隧 道硐体混凝土结构具有明显的物性差异, 隧道硐体拱顶相对平整, 不同地质体界线清楚, 地质雷达信号比较 表 1 地雷达探测区内常见介质介电常数参数表 介质相对介电常数电磁波速 m /ns 粘性土120 . 08 粉细砂100 . 09 混凝土6 . 40 . 12 容易识别, 有利于开展地质雷达探测工作。但是, 本次测试 工作对象为隧道硐体和车站拱顶部位, 地质雷达天线不能 与拱顶部密切接触, 天线把持的稳定性较差; 隧道硐体内各 种电缆、 电线的分布和隧道硐体渗水点对地质雷达信号具 有一定的干扰。这些不利因素给资料的解译工作带来一定 的困难。工作区内常见介质介电常数参数见表 1 。 图 5是一个典型的地雷达检测信号, 该图显示的拱顶衬砌厚度为 51cm。为了验证地质雷达探测结果的 准确性, 利用电钻在衬砌上打孔并利用已有孔洞进行了实际量测厚度与地质雷达检测结果的比较, 来校核地 雷达的检测结果。比较结果表明地质雷达检测误差小于 5。 经地雷达检测, CX1 CX11测线 97号风洞 西大桥车站段隧道硐体拱顶厚度 48 55c m, 其中 96号 风洞 93号风洞最厚达 55c m; CX12 CX38测线西大桥车站 海关街附近的 19号风洞隧道洞体拱顶 厚 37 42cm, 平均 39 . 0cm; CX39 CX65测线 19号风洞 工程大学附近 54号风洞间隧道洞体拱顶厚 103 2期姜庆滨 既有地下结构用于地铁工程的可行性研究 I 图 5 测线 CX10地质雷达信息剖面 36 42cm, 平均 39 . 9cm, 其中 5413 5529m段隧道拱顶平均厚度 36cm。 4结语 统计计算表明, 主隧道洞体拱顶厚度沿轴线方向, 最大厚度为 55cm, 最小厚度为 36c m, 算术平均值为 41. 78cm, 长度的加权平均值为 40 . 97c m。车站方面, 西大桥车站站台拱顶厚度 37 41cm, 算术平均值为 38. 8c m, 长度的加权平均值为 39 . 26cm; 铁路局车站站台拱顶厚度 34 43cm, 算术平均值为 38 . 69cm, 长度 的加权平均值为 39. 11cm; 博物馆车站站台拱顶厚度 30 44cm, 算术平均值为 35 . 68cm, 长度的加权平均值 为 36 . 03cm; 烟厂车站站台拱顶厚度一般为 35 46c m, 算术平均值为 38 . 78c m, 长度的加权平均值为 39. 23cm。 此外, 为了了解衬砌背面的完好性以及衬砌与围岩的接触状态, 利用人工开凿的方法, 在衬砌背面打开 孔洞, 观察和探视衬砌的背面形态。详细记录了混凝土的施工质量、 衬砌与土层的接触状态、 渗水侵蚀等信 息。分别在西大桥车站、 铁路局车站和 27号风洞附近各开凿 1个探视硐, 在探视硐内观察、 记录衬砌背面形 态, 测试混凝土碳化深度。检测结果表明, 衬砌背面土层固结早已完成, 与衬砌接触紧密。背面所见衬砌混 凝土基本饱满, 整体性较好, 没有浸水现象。 参考文献 [ 1]GB50157- 2003, 地铁设计规范 [ S]. 北京城建设计研究总院主编, 中国计划出版社, 2003. [ 2]TB10003- 99 , 铁路隧道设计规范 [ S]. 铁道部第二勘测设计院主编, 中国铁道出版社, 1999. [ 3]GB50010- 2002, 混凝土结构设计规范 [ S]. 中国建筑工业出版社, 2002. [ 4]J 115- 2001 , 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 [ S]. 中国标准化出版社, 2001 . [ 5]哈尔滨市轨道交通工程利用七三八一隧道结构安全性评价研究报告 [ R]. 中国地震局工程力学研究所, 2001 . [ 6]GB50299- 1999, 地下铁道工程施工及验收规范 [ S]. 北京城乡建设委员会主编, 中国计划出版社, 1999 . [ 7]哈尔滨市轨道交通一期工程预可行性研究报告 [R ]. 上海市隧道工程轨道交通设计研究院, 2000 . 10 . [ 8]7381人防战备工程设计、 施工与竣工图[ R ]. 哈尔滨市地下建筑设计研究院, 1976 . [ 9]GB /T 50081- 2002, 普通混凝土力学性能试验方法标准 [ S]. [ 10] 牛荻涛. 混凝土结构耐久性与寿命预测 [M ]. 北京 科学出版社, 2003 . [ 11] 陈肇元主编. 土建结构工程的安全性与耐久性 [M ]. 中国建筑工业出版社, 2003. [ 12] 周新刚. 混凝土结构的耐久性与损伤防治 [M ]. 中国建材工业出版, 1999. 104 世 界 地 震 工 程 21卷