城市軌道交通結構安全評估研究及其應用研究

摘要：近年來，我國城市軌道交通建設迅猛發展，線網運營里程直線式增加，全國各地城市軌道交通運營規模均呈現不斷擴大態勢。外部作業與地鐵既有線近接施工已不可避免，并且已成為一種工程建設的常見現象。外部作業施工鄰近軌道交通結構的安全評估是確保軌道交通結構安全和運營安全的有力措施。城市軌道交通結構安全評估重點是根據外部作業的設計方案、施工方案、工前檢測情況等，通過建模計算、數值分析與工程類比，開展針對外部作業項目鄰近城市軌道交通結構安全所產生影響的預測工作。旨在總結和完善城市軌道交通結構安全評估理論與方法和內容，并通過實際應用驗證其有效性，以保障城市軌道交通的長期安全、穩定運行，為石家莊地鐵后續的運營管理、結構維護提供科學依據。

關鍵詞："城市軌道交通結構""安全評估""石家莊地鐵""外部作業

Research"on"Structural"Safety"Assessment"of"Urban"Rail"Transit"and"Its"Application

—Taking"Shijiazhuang"Metro"as"an"Example

SONG"Xiaoye1""ZHOU"Zhilong2

1.Shijiazhuang"Rail"Transit"Group"Co.，"Limited，"Shijiazhuang，"Hebei"Province，"050000"China；2.Beijing"Urban"Construction"Design"amp;"Development"Group"Co.，"Limited，"Beijing，"100101"China

Abstract："China's"urban"rail"transit"infrastructure"has"undergone"rapid"expansion，"with"operational"network"mileage"growing"exponentially.nbsp;The"scale"of"urban"rail"transit"operation"across"the"country"has"been"continuously"expanding."External"operations"in"close"proximity"to"existing"subway"lines"are"inevitable"and"have"become"a"common"phenomenon"in"engineering"construction."The"safety"assessment"of"the"structures"of"urban"rail"transit"adjacent"to"external"operations"is"a"powerful"measure"to"ensure"the"safety"of"the"structures"and"operations"of"rail"transit."The"focus"of"the"safety"assessment"of"urban"rail"transit"structures"is"to"conduct"prediction"work"on"the"impact"on"the"safety"of"urban"rail"transit"structures"adjacent"to"external"operation"projects"through"modeling"calculations，"numerical"analysis，"and"engineering"analogies，"based"on"the"design"plans，"construction"plans，"and"pre-construction"inspection"conditions"of"external"operations."This"research"aims"to"summarize"and"improve"the"theories，"methods，"and"contents"of"the"safety"assessment"of"urban"rail"transit"structures"and"verify"their"effectiveness"through"practical"applications，"so"as"to"ensure"the"long-term"safe"and"stable"operation"of"urban"rail"transit."This"provides"a"scientific"basis"for"the"subsequent"operation"management"and"structural"maintenance"of"Shijiazhuang"Metro.

Key"Words："Urban"rail"transit"structures;"Safety"assessment;"Shijiazhuang"Metro;"External"operations

隨著交通強國戰略的持續推進，人們對出行的品質要求越來越高，軌道交通已成為新型城鎮化和城市化地區高質量發展的命脈[1]。近年來，我國城市軌道交通建設迅猛發展，線網運營里程直線式增加，全國各地城市軌道交通運營規模均呈現不斷擴大態勢[2]。但是，隨著城市發展和地下空間開發利用進程的加快，城市軌道交通運營線路保護區內施工作業項目逐年增加，使保護區的安全生產隱患頻繁出現[3]。從相關案例來看，北京、廣州、成都、重慶、南寧等地先后發生過多起運營線路保護區安全事故，造成隧道結構受損、設備設施受損、線路停運、大量乘客滯留等問題，造成了重大經濟損失和惡劣社會影響[4-5]。例如："2004年4月7日，鄰近工程施工單位打樁挖斷高壓電纜，導致廣州地鐵2號線供電中斷；2005年7月21日，鄰近工地基坑擋土墻發生坍塌，造成廣州地鐵2號線停運[6]；2021年5月，成都市雙流區當地市政工程施工時未按報審方案施工，現場擅自新增降水井施工時，擊穿成都地鐵8號線珠江路至順風上行區間隧道，導致隧道拱頂結構受損嚴重、大面積透水，造成嚴重的社會負面影響[7]。外部作業與地鐵既有線近接施工已不可避免，并且已成為一種工程建設的常見現象，外部作業施工鄰近軌道交通結構的安全評估是確保軌道交通結構安全和運營安全的有力措施。

1""石家莊地鐵工程概況

石家莊地鐵線網規劃6條線，共80.4"km，自2012年開工建設。目前，1號線一期、1號線二期（除部分工程外）、2號線一期、3號線一期和3號線二期均已建成通車，通車里程61.6"km；4、5、6號線一期工程與1號線三期工程同步在施工。

石家莊工程地質主要為粉質黏土、黃土狀粉土、粉細砂、中粗砂。石家莊市地下水埋深較大，一般大于地鐵車站與區間底板埋深。

由于石家莊地質條件較好，因此，石家莊施工工法較全面，車站包含明挖車站、單層暗挖車站、雙層暗挖車站、蓋挖順作法車站、蓋挖逆作法車站；區間除盾構法外，還包含明挖、單線單洞暗挖、大斷面暗挖等。

2""開展安全評估的條件

2.1""控制保護區范圍規定

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T"202—2013）（以下簡稱“保護規范”）與《石家莊市軌道交通管理條例》規定，以下區域列為地鐵的控制保護區范圍[8]：（1）地下車站和隧道結構外邊線外側50"m內；（2）地面車站和高架車站、線路軌道結構與車輛基地用地范圍外邊線外側30"m內；（3）出入口、通風亭、冷卻塔、變電所、控制中心等建（構）筑物結構外邊線外側10"m內；（4）過河（湖）隧道結構外邊線兩側各100"m內。

外部作業在城市軌道交通結構控制保護區內進行施工活動時，必須征求軌道交通管理機構的意見。其核心目的在于確保外部作業施工減少對城市軌道交通的結構的影響，因為城市軌道交通結構一旦遭到破壞，可能會造成諸如軌道變形、塌陷等嚴重后果，危及行車安全與乘客生命財產安全。

2.2""開展安全評估的規范要求

（1）“保護規范”規定：當外部作業影響等級為特級、一級時，應對城市軌道交通結構進行安全評估；當外部作業影響等級為二級時，宜進行安全評估[8]。

（2）廣東省《城市軌道交通既有結構保護技術規范》（DBJ/T"15-120—2017）規定：在城市軌道交通控制保護區從事重大影響外部作業時，作業單位應對軌道交通既有結構進行安全評估。

（3）廣西壯族自治區《城市軌道交通結構安全防護技術規程》（DBJ/"T45-072—2018）規定：城市軌道交通控制保護區內的外部作業達到重大影響外部作業規定條件的，還應結合既有結構現狀，對城市軌道交通既有結構進行安全評估。

從以上規范可以看出，當外部作業影響等級為特級、一級或重大影響外部作業時，應對城市軌道交通結構進行安全評估；當外部作業影響等級為二級時，宜進行安全評估。但是，根據工程經驗和監測數據，雖然外部作業影響等級為特級或一級，但上跨既有地鐵區間的作業（直徑小于0.5"m且與既有區間凈距大于6"m的市政管線）或上跨既有地鐵車站的作業（直徑小于1.5"m且與既有地鐵車站凈距大于0.5"m的市政管線）對軌道交通結構影響很小，故無需開展安全評估。

所以，當外部作業在城市軌道交通結構控制保護區內進行施工活動時，應征求軌道交通管理機構的意見。首先，應定性判斷外部作業項目對軌道交通結構的影響大小。若外部作業對軌道交通結構影響較小，則無需開展安全評估；若外部作業對軌道交通結構影響較大，則應根據“保護規范”判斷外部作業影響等級，再根據影響等級大小來判斷是否進行安全評估。

3""安全評估技術路線和原則

3.1""技術路線

在實際工程應用中，城市軌道交通結構的安全評估需要建立科學、規范的評估技術路線。安全評估項目的總體技術路線示意圖如圖1所示。

3.2""評估原則

安全評估應遵循以下原則。

3.2.1"客觀性原則

嚴格根據外部作業設計文件資料、相關規范標準與法律法規開展風險評估工作，以保證評估工作的客觀真實性。

3.2.2"科學性原則

采用業內廣泛應用和認可的工程軟件與成熟可靠的評估方法開展評估工作，不使用缺乏實踐檢驗和科學論證的分析方法，以保證評估結論的真實性和可靠性。

3.2.3"完整性原則

依據安全評估項目的特性，并結合相關規范和法律法規要求，制訂完整全面的評估內容，并開展評估工作，不遺漏任何一項需要評估的內容，以保證評估報告內容和結論的完整性。

4""安全評估方法

為了全面、準確地評估城市軌道交通結構的安全性，需要采用多種方法和手段。首先，結構檢測是安全評估的基礎。通過先進的檢測技術，如地質雷達、激光掃描等，可以獲取結構表面的裂縫、沉降、變形等數據，為后續分析提供可靠依據。其次，結構分析是安全評估的核心。利用有限元分析、數值模擬等方法，可以模擬結構在不同工況下的受力情況和響應特征，評估其安全性能。此外，還需要結合工程類比進行綜合分析和評估。

4.1""模型試驗

模型試驗的基礎是相似理論，即要求模型和原型相似，模型能夠反映原型的情況。在模型試驗中，應采用相似材料來制作模型[9]，然而，能否正確地選擇合適的相似材料往往決定著模型試驗最終能否取得成功。在特定的模型和試驗條件下進行相似模擬試驗，能夠直觀地觀測和分析外部作業對軌道交通結構的影響程度，從而為安全評估提供關鍵的數據支持。

但是，由于試驗模型與原型的相似性存在局限，以及實驗條件的特殊性，因而會干擾實驗結果，降低結果的準確性。所以，在實際安全評估中，通常很少采用模型試驗來分析外部作業對軌道交通的影響。

4.2""計算軟件

計算軟件在安全評估工作中也發揮著不可或缺的作用。借助先進的計算軟件，如有限元計算軟件，可以對復雜的工程結構進行準確的數值模擬與分析。基于強大的數學算法和物理模型，這些軟件能夠快速處理海量的數據，計算出諸如結構內力、變形等關鍵安全指標。

地下結構理論計算所采用的力學模型可歸納為兩種：（1）地層-結構模型；（2）荷載-結構模型。其中，地層-結構模型主要考慮地層與結構的協同作用，主要分析結構變形；荷載-結構模型將結構作為計算本體，主要分析結構內力。

石家莊地鐵均為地下線，在其軌道交通安全評估工作中，需要準確分析各種因素對軌道交通結構的影響。其中，外部作業（如周邊建筑施工、地下管線施工等）可能會引起軌道交通結構產生變形，鑒于軌道交通結構變形與地層之間有著極為緊密的關系，所以采用地層-結構模型開展變形分析工作。

目前，地層-結構模型分析所采用的計算軟件主要為"Midas"GTS、ANSYS"和"FlAC"3D。在安全評估計算時，運用計算軟件模擬外部作業工程在施工期間對地鐵結構性安全性所產生的影響，提供軌道交通結構的變形結果，預測地鐵結構的安全性。但Midas"GTS、ANSYS"和"FlAC"3D等計算軟件各有優缺點。

（1）Midas"GTS是一款專門針對地下工程而開發設計的有限元軟件，具有友好的中文操作界面，操作簡單，上手較快。由于其有豐富的建模與網格劃分助手，且與CAD等工程軟件接口開發較好，簡化了工程師建模計算的過程，建模計算效率較高，其前處理和后處理操作功能等更是針對工程需要而開發，所以在國內相關設計單位推廣較好。

（2）ANSYS是一款大型的通用有限元分析軟件，有廣泛的分析范疇，可以進行結構、流體、電場、磁場等多種類型的數值分析。ANSYS功能強大，尤其是在處理復雜的大型的非線性研究時有突出優勢，其有限元分析在世界范圍具有廣泛的認可度。但是，其英文操作界面相對復雜，對操作人員的專業水平要求較高。并且，ANSYS作為一款強大的工程仿真軟件，價格較為昂貴，適合高級用戶和專業工程師。

（3）FlAC"3D是一款基于有限差分法的數值模擬分析軟件，是二維的有限差分程序FLAC2D的擴展，其在分析漸進破壞、失穩、模擬大變形等方面有著尤為突出的適用性，能夠對材料的塑性破壞進行較為精準的模擬。但是，FlAC"3D的操作界面較為原始，前處理功能較弱，復雜三維模型的建立比較困難。同時，對于線性問題的求解，FLAC3D程序運行時間偏長，且對涉及多個物理場相互作用的復雜問題的求解能力有待提高。

綜上所述，在巖土工程與地下工程領域，Midas"GTS在業內認可較高，積累了豐富的工程實踐經驗，為其在行業內的推廣奠定了堅實的基礎。

4.3""工程類比

工程類比是一種很重要的安全評估方法，它是根據已有的類似工程案例的經驗和數據來推斷和評估當前工程項目在類似條件下可能出現的安全問題和風險等級。這種方法主要基于相似工程在地質條件、工程結構、施工工藝、外部環境等方面的相似性，通過參考以往類似工程案例，可以獲取大量的實際經驗數據。相比于復雜的模型試驗和現場監測，工程類比的方法相對簡單、快捷。這種方法能夠在一定程度上節省安全評估時間和成本，同時充分利用行業內積累的豐富實踐經驗，為安全評估提供有益的參考和借鑒。但是，在確定類比工程案例時，這種方法對工程之間相似性的判斷可能存在主觀性。并且，每個工程項目都有其特殊之處，工程類比可能無法完全考慮到這些特殊情況。所以，在實際安全評估中，不應僅采用工程類比來分析外部作業對軌道交通的影響。

4.4""安全評估內容

安全評估主要針對軌道交通結構完成并正常運營后，外部作業工程施工對軌道交通結構的安全評估，具體評估內容如下。

（1）建立地層-結構模型，進行三維數值計算，模擬外部作業工程施工期間對既有地鐵結構的影響，提供既有地鐵結構變形、應力等相關分析結果。（2）根據外部作業工程施工，對地鐵結構內力配筋、裂縫進行驗算，分析地鐵結構的安全性。（3）對地鐵結構的變形提出控制指標要求。（4）對外部作業設計、施工、第三方監測、應急預案等提出合理化要求。

4.5""注意事項

（1）當軌道交通結構的勘察報告和外部作業項目的勘察報告中的物理力學參數差異時，應首先和雙方勘察單位溝通確認，清楚地勘試驗與參數取值過程，結合計算軟件計算特點，綜合判定參數取值。

（2）當安全評估控制指標和規范限值有差異時，考慮規范限值為可以接受的極限值，考慮外部作業的影響程度不同，不宜一次性放寬控制指標至最大值，應結合施工可行性合理選取監測控制指標，為后續外部作業留有一定的余量。另外，通過荷載-結構模型，向軌道交通結構施加強制位移—結構安全控制值，可以看出結構本體的受力和裂縫是否滿足相關要求，最后確定合理的軌道交通結構監測控制指標。

（3）數值模擬計算過程中，應考慮模型的邊界效應，整體模型不宜太小，網格劃分應綜合考慮計算效率與計算精度，合理選取。

5""監測控制指標

城市軌道交通結構的安全控制標準需要綜合多方面因素來確定，其中包括安全評估報告、類似工程案例等。結構控制指標包括結構位移、軌道橫向高差、道床脫空量和結構裂縫等。

針對石家莊地層，結合《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T"202—2013）、安全評估報告和石家莊類似工程案例，結構控制指標值宜符合表1規定。

6""工程管理

近年來，隨著城市軌道交通建設規模不斷擴大，城市軌道交通保護區內建設項目管理日益重要[10]。保護區安全管理日常工作主要包括外部作業項目技術審查審批、現場施工過程監管、工程驗收管理等內容。

6.1""工程技術審查審批管理

6.1.1""前置審批程序

任何單位在地鐵保護區內進行工程建設時，都需要提前向地鐵管理部門提交工程建設方案，地鐵管理部門會組織專業技術人員對方案進行審查。外部作業項目的材料審查應按階段實施，原則上分為規劃總平方案審查階段、地鐵保護專項設計（施工圖）審查階段、地鐵保護專項方案評審階段，階段劃分可以根據實際情況進行調整。當對外部作業項目風險判定為重大影響項目時，其審查流程如圖2所示。

6.1.2""許可制度

只有通過審批獲得許可的工程才能在保護區內施工。許可文件會明確規定工程建設過程中的各項安全要求和注意事項。例如：許可某一地下管道鋪設工程在地鐵保護區內施工后，會規定其管道的埋深、施工方法（如禁止采用可能引起較大振動的施工工藝）等。

6.2""施工過程監管

6.2.2""安全監測體系

在保護區內工程施工期間，需要建立安全監測體系，包括對地鐵結構（隧道、車站等）的變形、位移、振動等參數進行實時監測。例如，通過在地鐵隧道內安裝高精度的位移傳感器，監測隧道在保護區內工程施工過程中的變形情況，一旦監測數據超過預警值，立即要求施工單位停止施工，并采取相應的補救措施。

6.2.2""現場監督檢查

地鐵管理部門會安排專人對施工場地進行定期和不定期的現場檢查。檢查內容主要包括外部作業單位是否按照審批的方案施工、安全防護措施是否到位等。例如：檢查在地鐵保護區內進行的市政道路施工是否按照規定的施工順序進行、是否對地鐵設施進行了有效的防護。

6.3""工程驗收管理

6.3.3""安全評估驗收

工程竣工后，需要對地鐵保護區內工程進行安全評估驗收。驗收內容包括地鐵設施是否受到損壞、地鐵結構的安全性能是否恢復到施工前的狀態等。例如，在地鐵保護區內完成一個地下停車場建設項目后，要對地鐵隧道的變形情況進行檢測，評估其是否符合安全標準，同時檢查地鐵的供電、通信等設施是否正常運行。

6.3.3""資料歸檔管理

將工程建設過程中的所有相關資料（如施工方案、監測數據、驗收報告等）進行歸檔保存，這些資料可以為今后地鐵保護區內其他工程管理提供參考，也有助于在地鐵設施出現問題時追溯責任。

7""結論與展望

外部作業與地鐵既有線近接施工已不可避免，且已成為一種工程建設的常見現象。外部作業施工鄰近軌道交通結構的安全評估是確保軌道交通結構安全和運營安全的有力措施。對鄰近城市軌道交通的外部作業項目施工開展安全評估，及時發現和解決潛在問題，是確保城市軌道交通系統安全可靠運行的重要保障。本文旨在總結和完善城市軌道交通結構安全評估理論與方法和內容，并通過實際應用驗證其有效性，以保障城市軌道交通的長期安全、穩定運行。

城市軌道交通結構的安全評估是一項復雜而重要的系統工程，通過科學、全面的安全評估，可以預測和處理潛在的安全隱患，保障軌道交通運營安全。未來，隨著技術的不斷進步和評估方法的不斷完善，城市軌道交通結構的安全評估將更加精準、高效，為城市的可持續發展提供有力保障。

參考文獻

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