城市综合管廊结构健康状况综合评价

1 绪论 1.1 概述 1.1.1 城市综合管廊建设与发展状况 城市综合管廊(utility tunnel)，也称共同沟，是实施统一规划、设计、施工和维护，建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施[1]。城市综合管廊作为城市市政工程管线的综合载体，可以实现各类市政管线的集约化、统一化、标准化的建设与管理，改变城市地下管线纵横交错、杂乱无章、维修频繁的现状，有效解决“马路拉链”、“空中蜘蛛网”、交通阻塞、事故频发和环境污染等一系列问题，对提高城市地下空间的利用效率和地下市政管线的安全水平具有十分重要的意义[2，3]。早在1833年，巴黎为解决地下管线铺设问题和提高环境质量，开始兴建地下管线的综合管廊，随后世界各国也随之拉开了综合管廊的建设序幕[1]。我国*早是在1958年于北京的天安门广场下铺设了超过1km的综合管廊，但是在2000年之前，我国的综合管廊建设规模总体有限[4]。近年来，随着国内出台一系列政策推动国内综合管廊建设，我国综合管廊迎来了建设高峰期。据统计，截至2014年，我国综合管廊建成的总长度仅有500km，而2015年开工建设的综合管廊就达到1000km以上，2016年我国综合管廊建设里程在2000km以上，至2020年，全国建成管廊8000km[5-11]。由此可见，综合管廊将发展成为我国重要的城市基础设施。 城市综合管廊中敷设的都是保障城市正常高效运转的“城市生命线”，这些“城市生命线”的安全运行关系着民众的日常生活、企业的生产经营乃至国家和社会的稳定，因此综合管廊在运维管理期间的首要任务就是保障“城市生命线”的正常运行。布满管线的地下综合管廊一旦在运维阶段发生故障和灾害事故，就会产生连锁效应和衍生灾害，直接威胁整个城市的公共安全，给人民的生活造成重大影响。综合管廊的结构健康是保障管廊安全运行的基本前提，因此，保障管廊结构健康的技术和方法是管廊未来长期安全运行的重中之重[8，11]。 我国城市综合管廊总体起步较晚，在城市综合管廊运营养护尤其是结构养护方面的经验相对较为缺乏[12]。城市综合管廊结构健康评价及维护技术是保障管廊结构安全运行的重要前提，当前相应的研究主要是参考交通隧道等类似地下工程。但综合管廊具有自身独有的一系列技术特点，如埋深浅、多节点、多明挖、周边环境复杂、敷设管线多样等，不能完全套用交通隧道结构的检测和维护技术。因此，探索城市综合管廊结构健康状况的评价技术，以形成成熟、稳定、先进的运维管理技术体系，对管廊结构的病害及发展进行提前防范、超前预警、及时处理、事后巩固，对入廊管线提供安全可靠的运行环境以及维持综合管廊正常运营生产，具有重要的研究意义。 1.1.2 城市综合管廊结构修建方法概述 城市综合管廊土建结构包括主体结构与附属结构。管廊的土建结构形式与施工方法密切相关，以利于结构受力优化、空间高效利用，而管廊结构在运营期间出现的病害往往与结构形式、施工方法以及施工质量也有直接的关联，因此需要先对目前管廊结构的修建方法进行简要归纳。当前阶段国内的城市综合管廊主要集中在各城市的新区，修建条件利于采用较为经济和快速的明挖法，因此目前国内城市综合管廊的修建方法主要为明挖法(根据管廊结构的形成方式，又包括明挖现浇式和明挖预制装配式两种)，而盾构法、顶管法、矿山法等修建技术在一些局部位置(如管廊埋深较大或下穿既有道路时)也有一定的使用。 1. 管廊主体结构修建方法 (1)明挖法(现浇式)。明挖现浇综合管廊的形式目前较为常见，在明确综合管廊位置的基础上先要对地面进行大面积开挖，在工作面出来后再对结构进行现浇(图1-1)，因此其断面形式主要为矩形，布置一个或多个舱室。这种方式虽然直接成本较低，但对地表的破坏性大，而且易引起交通的阻塞，同时造成环境的破坏，主要适用于城市新区的综合管廊建设。 图1-1 明挖现浇式综合管廊结构施工 (2)明挖法(预制装配式)。预制装配式综合管廊是指采用预制拼装施工工艺将工厂预制的分段构件在现场拼装成型的综合管廊(图1-2)。其地面开挖方式与明挖现浇的方式相同，对地表也有一定的破坏和影响，因此目前也主要是在城市新区的综合管廊建设中采用。在预制综合管廊结构中，由于预制管节一般能保证较好的混凝土浇筑和防渗质量，因此接头部位往往是防水处理的重点。目前我国综合管廊中采用预制拼装法施工的实例尚比较少，但在国家政策的推动下，预制装配式管廊的比例也会逐年上升。 图1-2 明挖预制装配式综合管廊结构的施工 (3)盾构法。盾构法是目前我国城市轨道交通区间隧道修建的成熟施工方法，是采用盾构机进行隧道的掘进，并在盾壳的保护下完成隧道结构管片的拼装(图1-3)。在城区修建管廊或者穿越河流等条件下采用盾构法具有较好的优势，在我国也有不少应用实例，比如天津海河综合管廊，建成后的管廊直径为6m，长约100m，里面安装了包括电力、燃气、通信在内的所有过河管线。 图1-3 盾构法综合管廊的施工 (4)顶管法。顶管法是采用液压千斤顶或具有顶进、牵引功能的设备，以顶管工作井作承压壁，将管节按设计高程、方位、坡度逐根顶入土层。顶管法具有无须开挖地面、对地面交通和环境影响较小的优点，因此在穿越一些既有道路的情况下，采用顶管法修建综合管廊较为方便。采用顶管法修建的综合管廊的口径往往较大(＞3m)，以容纳较多的管线及保证检修空间，近期也出现了一些非圆形的顶管结构用于地下通道、综合管廊的修建，见图1-4所示。 (5)矿山法。矿山法是采用钻眼放炮或人力及机械挖掘等方式开挖隧道空间，并用喷射混凝土支护、现浇混凝土衬砌等方式形成衬砌结构的施工方法，其常见断面为直墙拱形。矿山法综合管廊的本体造价较高，但其施工过程中对城市交通的影响较小，可以有效地降低综合管廊建设的外部成本，如施工引起的交通延滞成本、拆迁成本等，因此在城区内修建综合管廊、电力隧道时，矿山法是一种较适合的修建方法(图1-5)。 图1-4 顶管法综合管廊结构 图1-5 矿山法施工综合管廊结构 2. 管廊附属结构修建方法 综合管廊除了主体结构，还包括人员出入口、吊装口、逃生口、通风口、管线分支口、风道等附属结构。此类附属结构往往结构形式复杂、埋深浅且通常需与地表连通，所以目前主要是采用明挖法(现浇式)进行修建。部分城市综合管廊的附属结构实例见图1-6所示。 图1-6 综合管廊附属结构实例 1.2 城市综合管廊结构检测技术概况 1.2.1 城市综合管廊结构病害检测技术 综合管廊结构的检测与监测工作分成了多个层次，不同层次的检测与监测工作的目标与对象各有特点，所对应的检测内容、频率以及所采用的检测与监测技术都不尽相同[13-20]。《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)对检测与监测工作的内容、频次等都做出了相应规定(表1-1～表1-4)，地方标准在此基础上再进行调整。 表1-1 综合管廊结构常规巡检项目、内容和频次 表1-2 综合管廊结构定期检测主要内容与频次 表1-3 综合管廊结构监测主要项目与频次 表1-4 综合管廊结构检测与监测方法和技术 表1-5 管廊主体结构在经历灾害和异常事故后的检查