地鐵車輛基地上蓋型鋼混凝土轉換層施工監測技術研究

李偉 康龍 孫更利 郭瑞 苗書官

地鐵車輛基地是城市軌道交通系統的重要組成部分，具有檢修、維護、測試地鐵車輛等功能。地鐵車輛基地建設工程量龐大，因此部分地區對車輛基地采用“地鐵+物業”的模式，以起到節約土地資源、優化城市空間布局的作用。由于車輛基地上蓋平臺下采用框架結構，上部往往建設多棟住宅樓，考慮到抗震設防問題，需要設置結構轉換層，而轉換層結構受力十分復雜，且施工難度極大，實際運營過程受地鐵振動、嚴寒地區溫差、結構不均勻沉降等影響顯著。另一方面，由于車輛基地占地面積極大，為了解決其對交通的影響，部分地區會在上蓋規劃市政道路，增大了結構設計的難度，需要同時滿足建筑和市政橋梁的設計要求，并保證在市政道路偶然荷載與長期荷載作用下的安全。這些問題均需要通過應用長期監測手段持續采集相關數據，進而保證車輛基地主體結構的安全。

針對上述結構的監測問題，目前，學界僅在住宅區域轉換層設計、施工方面進行了一定的研究，如：蘇效杰針對深圳蛇口西車輛基地地坪層進行了交通組織設計；張一純對分層設置進出車輛基地的道路和轉換層，較好地解決了結構和交通沖突的問題。但是目前尚無針對該類構件從設計、施工、運營各階段的全壽命性能分析與監測研究。而且在車輛基地上蓋市政道路監測方面，目前尚無相關方面的研究。

鑒于此，本文以哈爾濱車輛段基地為工程背景，結合實際施工環境，提出了指定區域重點部位的應力、應變及溫度的長期監測方法，以全面反映實際施工狀態，實現場地施工信息化，并保證結構安全。同時為基于監測數據的施工優化方法提供支持。

一、工程概況

安通街車輛基地位于哈爾濱市香坊區紅星街以東、規劃安通街以北、既有城市三環路以西區域，該地長約1295m，寬約451m，占地為43.71公頃。車輛基地共分五大區，即車輛運用及工程車庫區、車輛運用及工程車庫前岔行區、檢修庫區、檢修庫前的岔行區以及卸車場區域。其中上蓋平臺下包括C區和D區，C區（檢修庫）平面尺寸145.9×254.1m，層高為14.5m，檢修庫蓋頂由規劃市政道路分成左右兩部分，左側為幼兒園及商業；道路右側為規劃市政停車場及綠化場地。D區上蓋開發項目，不設置地下室，結構一層（層高9.5m，承臺頂面-1.5m，結構高度11.0m）為地鐵停車庫，二層（層高為5.7m）為住宅停車庫，三至十三層（三層層高為4.8m，四層及以上層高為2.95m）為住宅，共建設二十棟單體樓，建筑總高度為49.6m。

圖1 車輛基地上蓋開發效果圖

二、監控方法

1.監控項目

根據設計要求并結合施工環境和工況情況，檢修庫上蓋規劃道路區域鋼筋混凝土梁采用自動化監測，監控項目包括鋼筋混凝土梁應力、鋼筋混凝土梁撓度變形、結構受地鐵及車輛的振動響應。D區上蓋高層住宅選擇代表性區域進行施工過程人工監測，監測項目包括型鋼混凝土梁柱應力、上蓋建設過程沉降、結構受地鐵的振動響應。

2.測點布置與監測手段

在穩固、已經完成沉降的結構物上設置不少于3個監測基準點，形成附合導線。

對于板梁應力，考慮到測試設備的精度和穩定性及堅固程度，選用振弦式應變計進行測試，通過記錄應變計內置鋼弦由于長度變化所造成的振動頻率變化，經公式轉換求取測點應變值。根據鋼筋混凝土梁的受力理論，當梁上部承托城市道路時，在轉換梁常用截面尺寸內，轉換梁在豎向荷載作用下的內力同普通框架梁跨中作用集中荷載相似。由于轉換梁跨度較大，其跨中和梁端的彎矩、剪力都非常大。因此分別在受力較大的梁跨中下緣設置內埋式應變傳感器（C區）/表貼式應變傳感器（D區）及對應位置鋼筋設置鋼筋應力計，分別監測鋼筋混凝土梁/型鋼混凝土梁的變形及受力情況。對于型鋼混凝土框支結構+超大面積厚板形成結構轉換層則選取4個代表性框格，在每一框格框架梁、跨中位置型鋼梁底板各布置一個表貼式振弦應力傳感器，相應位置布置內埋式應力應變傳感器。

針對梁柱撓度沉降問題，在C區檢修庫上蓋規劃道路區域選擇跨度最大的框格，采用大量程壓差式靜力水準儀布置在梁跨中，基準參考點設置在相鄰的墩柱上，運營階段通過自動化設備監測主梁在車輛荷載作用下的撓度變形。對于高層建筑代表區域，轉換層型鋼混凝土梁柱的沉降變形可采用電子水準儀或者全站儀測量。此時需要考慮現場溫度的影響，結構往往在經歷一個夜晚后整體結構溫度會比較均勻，因此多選擇清晨6-8時進行監測，并根據日出時間調整具體時間。通過萊卡全站儀進行測量，考慮現場施工環境的制約，采用極坐標法觀測水平位移。

在C區規劃道路區域最大跨梁格主縱橫梁布置壓電加速度傳感器，作行車振動觀測記錄。行車持續的荷載使建筑物產生持續的響應，驗證建筑物克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。在運營階段針對D區幼兒園、高層住宅區等建筑結構物采用移動式無線拾振器對結構振動情況進行監測。

3.靜動載試驗

靜載試驗主要測試主梁控制截面在相應控制荷載作用下的變形（或者偏位）、應力情況。試驗的主要測試項目有包括對應最不利截面的撓度測試和對應最不利截面的應變測試。

動荷載試驗是為了測定結構的自振特性或者在動力荷載作用下的動力響應特性，通過動載試驗評定該結構的行車性能以及行車安全和舒適度，為了通過監測數據檢驗在行車作用下結構的安全性能，開展監測橋梁的自振特性的監測；汽車荷載作用下的無障礙行車試驗、動應變和沖擊系數；汽車荷載作用下的剎車試驗、動應變和沖擊系數。

4.監控頻率

監控頻率應當在原則上取用相關設計單位規定的頻率進行，并根據現場實際情況進行靈活調整。并且當出現監控數據達到報警值、數據突發性增大或者變動速率加快、周邊荷載突然增大或者超過設計限制等情況時，應提高監控頻率。本次監控任務中各個監控項目的頻率如表1所示。

表1 監控周期及頻率

三、監控信息的處理

監控量測數據均由計算機進行處理與管理，當取得各種監控數據后，能及時進行處理，繪制各種類型的表格及曲線圖，對監控結果進行回歸分析，預測最終位移值，預測結構物的安全性，確定工程技術措施。因此，對每一個測點的監控結果要根據管理基準和變化速率等綜合判斷結構物的安全狀況，并編寫周、月匯總報表，及時回饋指導施工，調整施工參數，達到安全、快速、高效施工之目的。

監控的初始測量值一般通過對初始變量中某一變量的數值或者統計觀測值按照時間順序排列成數值序列進行。在取得量測數據后，及時整理繪制位移時態變化曲線圖，即時態散點圖。在取得足夠的數據后，根據散點圖的數據分布狀況，選擇合適的函數，對監控結果進行回歸分析，以預測該測點可能出現的最大位移值，預測結構物的安全狀況。

四、結語

本文基于哈爾濱車輛段基地的實際工程情況，提出了指定區域重點部位的應力、應變及溫度的長期監測方法，進而保證不同工程階段的主體結構安全，為車輛段基地上蓋物業開發及市政橋梁建設提供保障。