城市地下空间工程韧性提升研究.pdf
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1、引用格式:雷升祥,赵伟,雷宇明.城市地下空间工程韧性提升研究J.隧道建设(中英文),2023,43(10):1627.LEI Shengxiang,ZHAO Wei,LEI Yuming.Enhancing engineering resilience in urban underground spaceJ.Tunnel Construction,2023,43(10):1627.收稿日期:2023-04-21;修回日期:2023-09-13基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC0808700);四川省高校工程研究中心开放基金资助项目(SC-FBHT2022-05,SC-FBHT202
2、2-14)第一作者简介:雷升祥(1965),男,安徽桐城人,2012 年毕业于西南交通大学,桥梁与隧道工程专业,博士,正高级工程师,主要从事隧道与地下工程领域的科研与技术管理工作。E-mail:18192088688 。通信作者:赵伟,E-mail:swjtu_zhao 。城市地下空间工程韧性提升研究雷升祥1,赵 伟2,雷宇明3(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)摘要:城市地下空间开发利用是提升国防战备、提高城市综合防灾能力的重要举措。目前,我国地下基础设施建设规模大、发展迅猛
3、,同时也存在规划落后、建设和运营风险大等问题。为了提升我国地下空间工程韧性和使用品质,基于城市地下空间工程的特点,给出城市地下空间工程韧性的定义和内涵特征,分析城市地下空间全寿命周期工程韧性提升方法。研究认为:1)应从规划、勘察设计、施工、运维全生命周期提升工程韧性,系统地建造城市地下空间;2)城市更新技术、韧性结构及材料、智能建造和智慧运维是韧性提升的重要方向;3)提出 7 项工程韧性提升关键建造技术,以期通过提升城市地下空间工程韧性,增强城市功能和防灾减灾能力。关键词:城市地下空间;工程韧性;全生命周期;韧性提升;防灾减灾DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.
4、10.001文章编号:2096-4498(2023)10-1627-10中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):E En nh ha an nc ci in ng g E En ng gi in ne ee er ri in ng g R Re es si il li ie en nc ce e i in n U Ur rb ba an n U Un nd de er rg gr ro ou un nd d S Sp pa ac ce eLEI Shengxiang1,ZHAO Wei2,*,LEI Yuming3(1.China Railway Const
5、ruction Co.,Ltd.,Beijing 100855,China;2.China Railway 18th Bureau Group Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;3.General Contracting Department of China Railway Construction Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:The development and utilization of urban underground spaces play a vital role in
6、 bolstering national defense preparedness and enhancing the overall disaster prevention capabilities of cities.While China has made significant strides in scaling up underground infrastructure construction at a rapid pace,it still struggles with issues such as outdated planning and elevated construc
7、tion and operational risks.To enhance Chinas underground space engineering resilience and quality,the authors define the key characteristics of urban underground space engineering resilience and explore methods to enhance it throughout the spaces entire life cycle.The analysis leads to the following
8、 conclusions:(1)Engineering resilience must be improved across the entire-life cycle,including planning,investigation,design,construction,and operation and maintenance,thus necessitating a systematic and holistic approach.(2)Embracing urban renewal technology,resilience-focused structures and materi
9、als as well as intelligent construction and operation and maintenance,are crucial avenues for resilience enhancement.(3)Therefore,seven key construction techniques are proposed to strengthen the urban function and disaster prevention and mitigation capabilities by enhancing the engineering resilienc
10、e of urban underground space.K Ke ey yw wo or rd ds s:urban underground space;engineering resilience;entire-life cycle;resilience improvement;disaster prevention and mitigation隧道建设(中英文)第 43 卷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
11、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
12、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“720”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
13、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。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
14、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。(a)水灾(b)火灾图 1 地下空间灾害Fig.1 Disasters in underground space1 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
15、 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。8261第 10 期雷升祥,等:城市地下空间工程韧性提升研究 3)低灾害后果性。降低扰动事件对工程的影响程度,减轻不
16、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
17、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
18、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Fig.2 Resilience improvement throughout life cycle of underground space2.1.1 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
19、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9261隧道建设(中英文)第 43 卷础地理地质信息
20、、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
21、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
22、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
23、效益。图 3 地下空间维养的基本架构Fig.3 Basic structure of maintenance of underground caverns2.2 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Fig.4 Urban renewal and net
24、work expansion 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。0361第 10 期雷升祥,等:城市地下空间工程韧性提升研究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
25、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
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