城市軌道交通智能建造技術發展趨勢分析

賈 科，李愛東，王新線

（1. 深圳市地鐵建設集團有限公司，廣東深圳 518026；2. 中國鐵路設計集團有限公司，天津 300100）

1 背景

隨著我國城鎮化的不斷發展，建設與智慧社會相匹配的智慧城市軌道交通已成為推進交通強國建設的一項重要任務。建設智慧城市軌道交通的目標是在自主創新的基礎上 ，大力應用數字化、智能化、網絡化、機械化等新技術，并使之與城市軌道交通深度融合，以推進城市軌道交通的智慧化。

深圳致力于打造面向乘客、面向服務的智慧地鐵，這有助于加強軌道交通技術創新引領，進一步提升深圳市軌道交通行業設計、施工及服務管理水平，實現深圳市軌道交通高質量發展。其中隨著軌道交通工程飛速發展，實現施工機械化、構件工廠化、運用靈活化，將機械化開挖和精細化設計相融合，將結構受力、有限作業空間和項目生命周期整合為一體，探索新型機械法開挖方式，研究模塊化施工技術，是深圳地鐵建設的需要，也是深圳地鐵發展的方向。

深圳地鐵一期工程主要由1號線東段和4 號線南段2部分組成，線路全長21.866 km，總投資115.5 億元人民幣，于2004年建成試運行。一期工程中，第一次采用左右線重疊的隧道結構；采用信息法進行動態跟蹤監測，成功完成22層樓（最大設計重量1 800 t）的樁基托換工程；率先推廣采用高性能防滲、抗裂混凝土，使混凝土自防水效果達到國內領先水平。

深圳地鐵二期工程由1號、2號、3號、 4號、5號線組成，線路全長156.5 km，于2006年全面開工建設。二期工程中，首次全面開展了深圳地區特有地層條件下盾構施工技術研究，首次提出了適合深圳地區的巖石分類理論和富水復合地層淺埋暗挖地鐵隧道施工沉降規律，自主創新了地鐵建設工程系統化管理技術及信息化技術。

深圳地鐵三期工程主要包括新建6條線路（6號、7 號、 8號、9號、10號、11號線）和4號線延長線，線路總長約170 km。三期工程中主要實現了如下技術創新和成果：研發繁華商業區超大規模地下空間與地鐵車站合建及既有車站擴建施工技術；攻克超寬管線群下大傾角基巖、入巖深度大的地連墻施工技術難題；攻克運營車站擴建條件下樁基的受力轉換及新舊車站結構共同受力體系，確保運營安全；首次建立極小凈距重疊盾構隧道同步下穿既有高速鐵路多重近接控制技術；研制上下盾構隧道可同步施工的移動式支撐臺車，形成重疊盾構隧道“先下后上準同步”工法，實現高鐵不減速運營條件下2 m凈距重疊盾構隧道下穿高鐵軌道群的成功案例；提出礦山法隧道下穿、側穿建（構）筑物及盾構先導洞冷凍法擴挖施工新技術，確保盾構先導洞冷凍法擴挖的施工安全；首次采用TBM盾構法施工長大山嶺隧道，極大縮短了施工時間，提高了穿越山嶺時的環境效益；首次在繁華城區應用頂管通道，實現在既有道路下方小凈距上跨既有地鐵隧道及小間距并行施工的成功案例。

2 智能建造是城市軌道交通高質量發展的必然趨勢

深圳市市區面積小，人口密度大，公共交通形勢嚴峻，區域內地質條件軟弱復雜，地下水位高，地鐵車站基本采用明挖、蓋挖法，區間隧道主要采用礦山法、盾構法等傳統的工法進行建造。采用傳統明挖、蓋挖及礦山等工法進行施工時，需進行交通疏解和大量管線改遷；占地面積大，對周邊環境影響廣，周邊商鋪的停業以及物業的拆遷還會造成建設成本的上升，甚至可能出現由于拆遷困難造成項目無法推進的問題；對公共道路空間的占用還激化了深圳市區內交通擁堵的問題。

目前，深圳地鐵建設力度和規模仍保持較高水平，其網絡化、規模化建設發展的格局和趨勢愈加明顯。現代信息技術、人工智能、自動化機械等技術的快速發展和在交通運輸領域的廣泛應用，為城市軌道交通發展全過程管理、機械化裝配式施工、自動化操作等提供了重要手段和實施基礎。建筑信息模型（BIM）技術作為智能建造的核心模塊，可將設計、施工和運維充分融合， 最終實現項目信息化、精細化、智能化管控，提升工程全過程管理品質；機械法施工順應了整個建筑行業向工業化、產業化發展的趨勢，可極大減少人工投入，提升施工效率；裝配式施工與傳統混凝土現場澆筑作業方式相比較，施工簡單，工效可提高數倍，體現了對綠色建筑設計理念的倡導。在城市軌道交通建設施工過程中，智能建造技術的應用已經成為技術進步和業態發展的必然趨勢，也是提高城市軌道交通自身施工效率、安全管理水平的必然要求。

3 城市軌道交通智能建造發展方向

3.1 BIM技術-設計建造運營數字一體化

隨著信息化、大數據、物聯網的快速發展， 傳統意義上的建設單位完成項目建設后移交運營單位進行項目管理的模式，已經滿足不了智慧城市軌道交通建設和管理需要以及城市軌道交通智能化建設需要。基于BIM技術的建造智能化將城市軌道交通項目通過BIM技術轉化為一個數字化模型，它包含物理幾何信息和功能特征，可在一個城市軌道交通項目的整個建設周期過程中，即從項目設計到項目施工建設及運營，直到最后的拆除提供可靠的理論科學依據。同時，工程項目的各個參與方都可以根據各自階段及需求，在 BIM 數字化模型中輸入、獲取、自動分析并更新項目信息，實現項目的信息化、精細化、智能化管控，最終提升城市軌道交通建設品質。

設計建造運營數字一體化支持軌道交通工程的集成管理環境，可以使軌道交通工程在其整個進程中顯著提高效率、大量減少風險，其優勢如下。

（1）加快工程建設進度。利用BIM技術可以及時發現設計過程中出現的問題，及時糾正錯誤，大大降低設計變更所帶來的工期延誤；利用BIM技術的參數化設計，不僅可以及時更改設計方案，并且可以顯著加快設計進度，為設計方案的優化完善提供便捷；同時，能實現項目各參與方之間的信息共享，加強協調溝通，有效提高工程建設進度。

（2）提高工程造價的準確性及工程質量。利用BIM技術的參數化輸入，用其智能運算功能代替傳統的手工計算，不僅大大降低了前期投資成本，節省了人力資源，也使工程造價的估算更精確，更具科學性、合理性；利用BIM技術構建的三維虛擬模型，能夠給人提供直觀的三維單體空間感受，更有利于對平面圖的理解并為項目決策提供更加直觀的依據，提高了項目決策的準確度，同時也提升了工程質量。

（3）有助于業主、設計院等多方合作及共贏。業主方面，BIM 技術是信息技術與建造行業深度融合的契機和抓手，可推動工程建設從粗放式管理向精細化管理轉變，從而實現建筑節能、技術創新，是工程項目的數字化和信息化表達，為實現工程建造的工業化、建筑全生命周期管理和工程項目的信息共享與協同管理提供了技術支撐；設計方面，BIM 技術是工具，提升了設計效率、與業主的可視化溝通效率，也為拓展、延伸業務和轉型發展提供了機遇；施工方面，BIM 技術是實現項目成本控制、進度控制、質量控制、安全管理等的重要手段，有助于項目的精細化管理，達到降低成本、提高效益的目標。

3.2 暗挖施工機械化

城市軌道交通傳統暗挖工藝流程為采用超前支護，之后施工初支結構，最后在初支結構保護下施工主體結構。傳統暗挖工藝多采用人工開挖，機械化程度較低，并且施工效率較低，施工大斷面車站結構時施工風險較大。采用機械化施工能極大地降低工程風險，提高工程機械化率，推進工程標準化發展。常用的暗挖施工機械化工法如下。

3.2.1 新型管幕初支法

管幕作為初支結構，具有精度高、剛度大、適用性廣等特點。 管幕工法可以在周邊管線復雜、交通流量大的繁華城區內進行淺埋暗挖車站的施工，可以減少對現狀交通及周邊商業環境的影響，具有良好的社會效益。

傳統的管幕法施工車站，先施工工作井，通過工作井沿車站縱向施工縱向管幕，最后在管幕結構的保護下采用逆作法施工車站結構。傳統的管幕工法在富水地層中適用性較差；對于較長車站，長距離頂推精度難以保證；針對沿道路方向敷設的車站，施工工作井過程對交通仍然會產生較大影響。

新型管幕初支法機械化程度較高，完全不影響路面交通；施工過程中能形成止水帷幕，適用于富水地層施工；橫向管幕頂推距離較短，精度較好控制，并且剛度相對較大。該工法思路為：①在空地處施工豎井并頂推頂管橫通道；②利用頂管橫通道作為始發接收場地；③在橫導洞內始發頂管以施工縱向導洞；④頂管在接收橫通道內平移后吊出；⑤在頂管內施工橫向管幕及圍護結構；⑥在管幕保護下進行逆作開挖。某新型管幕初支法施工示意圖如圖1所示。

圖1 某新型管幕初支法施工示意圖

3.2.2 頂管蓋挖法

頂管蓋挖工法思路為：①明挖施工工作井，并利用工作井頂推頂管；②在頂管保護下施工主體結構頂板以及圍護結構；③在頂板保護下采用蓋挖逆作工法施工車站主體。

頂管蓋挖工法機械化程度較高，完全不影響路面交通；施工過程中能形成止水帷幕，適用于富水地層施工；頂管直接形成初支，施工相對安全。某頂管蓋挖法施工示意圖如圖2所示。

圖2 某頂管蓋挖法施工示意圖

3.2.3 矩形頂管法

地鐵車站施工在具備始發場地條件的情況下，通過采用大斷面矩形頂管施工，可一次性形成車站結構。其思路為：①在車站兩側空地施工明挖豎井；②頂管施工橫通道；③在橫通道內施工2個分離式頂管直接形成車站。

矩形頂管施工車站機械化程度高，通過廠家制作能做到標準化，并且節約人力物力，適用于城市軌道交通建設與發展。頂管法施工可不封路，不影響道路運行及地下管線。某側式車站矩形頂管法施工示意圖如圖3所示。

圖3 某側式車站矩形頂管法施工示意圖

3.3 明挖車站裝配化

3.3.1 車站結構裝配化

城市軌道交通地下區間采用裝配式的盾構技術已經較為成熟，但車站還主要以明、蓋挖施工為主。傳統的明挖作業圬工量大、工人眾多、環節復雜，同時受施工條件限制，明挖車站多采用平板、直墻的梁板柱結構。這種生產方式工業化程度低，建設效率低，施工周期長。利用傳統的施工工藝建造地鐵車站還存在材料、資源和能源消耗較大，建筑垃圾量大、施工環境差、現場粉塵污染大等問題，不能滿足高質、高效、節能、環保的可持續發展建設要求。

裝配式結構相較于明挖結構，構件形狀可根據受力和建筑空間進行調整，工業化程度高，可提高建設速度，減少施工勞動力。構件工廠化生產，現場智能拼裝裝配式車站結構，是城市軌道交通地下車站發展的方向。裝配式車站可以實現建筑空間結構一體化，使環境更好，軌道站臺結構一體化使品質更優，裝修管線結構一體化使效率更高，最終實現全新的一體化裝配式車站設計。

整個車站裝配式主體結構為單拱無柱結構，橫斷面分為底板A塊、底角板B塊、側墻C塊、中板D塊、頂角板E塊以及頂板F塊。其中，底板中部與站臺板組成一體化箱梁結構，兩側與整體道床組合為一體結構；中板充分利用圓形車體限界外凈空與吊頂管線層空間，采用魚腹弦桿+上層平板的空間結構，利用結構空腔設置軌頂風道；頂板采用拱形結構解決大跨受力，采用中空的“T”型斷面減輕自重，充分利用拱腳外側空間設置結構風道，使空間利用最大化。裝配式車站斷面示意圖如圖4所示。

圖4 裝配式車站斷面示意圖（單位：mm）

設計中分塊寬度為1.5 m，可以通過合理的施工步序和適當的平移避免增加支撐間距，通過合理的施工流水步距設計做到流水化施工，支撐拆除及預制構件裝配的工作互不影響；接縫處擠壓型頂板接口采用榫接+螺栓；中板連接點受力較小，采用錨栓連接；底板受水浮力影響，節點需要承受彎矩、剪力，需具有較大剛度，采用凹凸榫+預應力混凝土PC鋼棒+角鋼焊接；側墻接口承受一定的彎矩和剪力，對受力完整性要求較高，采用凹凸榫+PC鋼棒連接；縱向分塊間受力較小，采用凹凸榫+精軋螺紋鋼連接；中板縱梁采用預埋鋼板焊接；底板縱梁采用預埋鋼板焊接+預應力鋼絞線張拉；側墻孔邊梁采用預埋鋼板焊接+疊合鋼梁。

在接縫防水方面，采用一種新型的后注漿密封止水三元乙丙橡膠條囊，在結構拼裝完成之后，在囊體中高壓泵入室溫固化聚氨酯灌注彈性體材料，聚氨酯灌注彈性體材料固化后與三元乙丙橡膠囊體一起起到止水作用。該方案有效避免了傳統止水條壓縮度不能保證的問題。

3.3.2 圍護結構裝配化

目前，城市軌道交通工程常采用的圍護結構形式有圍護樁、地連墻、鋼板樁等，其中地連墻是運用最廣泛的圍護結構之一，雖然技術方面已經比較成熟，但是也存在工序繁瑣，容易塌槽，起重吊裝重量大，占用場地多，對地下管線和周圍環境影響均較大，水下混凝土現澆質量不易保證等問題。

裝配式地連墻截面采用實心矩形斷面，厚度控制在700～900 mm之間，寬度控制在1.2～1.5 m之間，質量宜控制在26～30 t以下；裝配式地連墻的吊裝可選用100 t及以上的汽車起重機進行起吊，大大減少了場地的占用；裝配式地連墻可采用不同長度的預制墻體進行錯縫拼裝，墻體推薦長度為8 m、9 m、11 m、12 m，通過采用不同的長度組合，以滿足工程需求；裝配式地連墻的接縫結構宜為2幅裝配式地連墻側面，通過采用后行幅地連墻側的T（凸）型鋼材插入先行幅地連墻側的C（凹）型鋼材槽內，并通過預埋管道注漿形成封閉的側向接縫結構；接頭結構宜在同幅地連墻內上下各墻段間，通過鋼棒、鋼管、定位器配合環氧類結構膠、高強螺栓等形成豎向接頭結構。

采用裝配式圍護結構具有以下優勢：①預制墻幅長度減小，避免了大型鋼筋籠現場吊裝風險；②采用工廠化預制加工，質量有保證，接縫處理更加可靠；③可提高混凝土等級，墻體耐久性更好；④節省工期，減少人工勞動力。

3.4 工藝設備創新升級

3.4.1 盾構機械功能綜合化及自動化

對于城市軌道交通上軟下硬和軟硬交替的復合地層，通過選用雙模盾構機，配備復合式刀盤、大功率主驅動和推進系統，實現2個模式的獨立運行或便捷切換，解決硬巖非爆破問題。部分特殊情況下可以使用三模盾構機，通過強化盾構機結構、提升刀盤結構剛度及預防滯排能力，提高盾構機對于復雜地質工況的適應性。這些模式包括適用于透水系數較大、地表敏感、上軟下硬地段及存在未探明孤石地層的泥水模式，適用于風化程度較高的巖層、土層掘進的土壓模式，以及全斷面硬巖及巖層破碎帶發育段的泥水式模式。

通過在盾構機上配置鉆注“一體式”超前鉆機，對盾構機前方水平方向以及圓周方向進行超前探測、超前加固，可對溶洞等不良地層進行有效處理。相比傳統“龍門吊+洞內機車編組”的出渣模式，通過在盾構機后方配套水平（皮帶）、垂直（波紋擋邊）渣土輸送機，解決機械快速掘進、深井90°提升等出渣問題，滿足機械出渣運行平穩、可靠、噪聲小等需求。

3.4.2 區間聯絡通道機械法施工工藝

城市軌道交通2條單線區間隧道之間設置有大量聯絡通道，聯絡通道是盾構施工過程中的關鍵部位，是在“洞中打洞”，作業面小，不便于使用大型工具設備。目前國內聯絡通道施工多采用預加固+礦山法施工，預加固方式普遍采用地面垂直加固和洞內冷凍加固技術以及洞內深孔注漿加固等，存在妨礙地面公共設施、工程造價較高、工期較長、加固質量難以保證、安全風險較高等缺陷。

機械法聯絡通道工藝包含盾構機及其配套、始發和接收套筒、快速支撐體系三大部分。盾構機采用錐形刀盤，通過特殊設計滿足狹小空間內的始發、掘進、接收；始發套筒采用分段設計并在內部設置密封刷，接收套筒內部帶壓灌注泥漿；始發及接收影響范圍內設置一體化的內支撐臺車系統，支撐系統由液壓控制，通過伺服控制的千斤頂支撐，達到施工全過程隧道結構保護的目的，實現高安全、高效率、低擾動地聯絡通道施工。

聯絡通道機械法工藝可以在狹小空間內快速施工，對地層進行微加固，具有安全、優質、高效、環保等技術優勢，不僅是城市軌道交通盾構隧道聯絡通道施工更好的技術選項，也可以拓展至地鐵出入口及風井，長隧道中間風井，聯絡線等地下連接工程中。聯絡通道機械法施工示意圖如圖5所示。

圖5 聯絡通道機械法施工示意圖

4 結束語

城市軌道交通智慧化建設已成為其發展的必然趨勢，因此應借助現代信息技術和機械化技術，尋求更加適合自身發展的智慧方法，構建智慧化、信息化的城市軌道交通體系，為乘客提供更加安全、便捷、舒適的智慧交通系統，推動城市軌道交通高質量發展。智能建造技術作為智慧城市軌道交通建設體系中的關鍵技術之一，將成為整個城市軌道交通建設行業未來的發展方向，也是國家產業結構調整、轉型升級的必然要求。基于BIM、機械化、自動化技術的城市軌道交通智能建設方式，將使城市軌道交通的建設更安全、高效、綠色、和諧、智慧。