城市軌道交通的綠色安全現代化建造

文/郝志宏，北京市軌道交通設計研究院有限公司

近20年，我國軌道交通一直保持了高強度建設水平。但隨著建設工程的深入發展，逐漸暴露了一些問題，諸如軌道交通工程建設過程中的環境污染、社會影響、資源浪費及勞動力缺乏等。只有堅定不移踐行創新精神，大力提高技術及管理水平，打造城市軌道交通工程的綠色、安全、現代化的新型建造模式，才能保持該行業領域的可持續發展。

我國軌道交通建設現狀及問題

我國城市軌道交通建設從本世紀初即開始高速發展，從2000年與2020年的軌道交通數據對比看，20年時間內，全國擁有軌道交通城市增加了約11倍，全國運營軌道交通線路數量增加了約14倍，運營車站數量增加了約20倍，運營線路總長度增加了約50倍。目前全國城市軌道交通運營里程排行中，以北京、上海為700公里級第一梯隊，廣州、成都等為500公里級第二梯隊，深圳、南京、重慶、武漢等為300公里級第三梯隊，全國運營城市達到了44座，在世界范圍內已遠超其他發達國家。

2020年，國家發展改革委批復徐州、合肥、重慶、濟南、寧波5座城市的城市軌道交通新一輪建設規劃，共4862億元；批復深圳、廈門、福州、南昌建設規劃調整，共計782.69公里，6059億元。

批復《粵港澳大灣區城際鐵路建設規劃》，總投資約4741億元，含深圳都市圈、廣州都市圈項目。合計約1.5萬億元。我國的軌道交通建設在較長一段時間內，仍然處于高速發展期。

在大力發展軌道交通的過程中，雖然取得了耀眼的成績，但也暴露了一些引人深思的問題。主要為：軌道交通工程建設過程中產生的噪音、粉塵、振動等環境污染問題較為嚴重；建設過程帶來的交通干擾、用地占用、景觀影響給百姓正常生活帶來困擾；另外，目前的建設方式，還存在工藝工法復雜、簡單勞動力需求多、施工周期長、臨時建材浪費等問題，需要盡快解決。

其中，軌道交通建設工程的農民工人力資源缺乏問題，尤其嚴重，根據相關研究報告顯示：

整個農民工行業平均年齡為43歲，且按逐年遞增1歲發展；41歲至60歲農民工占比為50%，說明新的年輕人逐漸不愿意從事農民工作業；建筑行業的農民工占比更是少至整個農民工的15%，是農民工不愿意從事的工種；軌道交通領域的農民工需求每年高約5000萬人（次），目前農民工需求不足問題逐漸加劇，逐漸發展為工程開展的社會化難題。

根據相關研究結果，解決上述問題的方案為：提高崗位吸引力；提高建筑業工資水平；改善崗位工作條件；提高勞動生產率；運用新技術，減少對勞動力依賴。這個需求跟軌道交通工程綠色、安全、現代化建造的實現方向是一致的，那就是通過現代會的技術及管理手段，實現軌道交通建設工程的綠色、安全建造。具體為：

·努力方針：機械化減人，信息化換人。

·實現思路：改變傳統工法工藝，滿足機械化、信息化要求；工序更簡，轉換更少；把手工業改成流水線；顆粒化、碎片化的工藝少一些，砌塊化、組裝化的工藝多一些。

·工作方向：

1.盾構工法：是現代化建造的典型代表，基本滿足上述要求。

2.明挖工法：向預制拼裝法過渡，減少現場多工序作業，盡力減少綁筋、支模、澆筑、養護等難以模塊化的工藝。

3.暗挖工法：在傳統的噴錨構筑法基礎上，盡量多把人工作業由機械化代替；傳統噴錨構筑工藝改為拼裝法為主新工藝，配套機械化、信息化裝備；全面革新地下工程建造方法，改為全機械化構造方式。

國家對現代化建造的推廣政策

自黨的十八大提出要發展“新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化”以來，國家多次提出發展裝配式建筑的政策要求。北京、上海、深圳和福建等多個省市也下發了具體實施意見。進入2016年后，政策指向更加明顯：

·2016年2月6日，《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》，要求“積極推廣應用綠色新型建材、裝配式建筑和鋼結構建筑。力爭用10年左右時間，使裝配式建筑占新建筑建筑比例達到30%”；

·2016年3月5日，李克強總理在政府工作報告中提出：在深入推進新型城鎮化過程中，要“積極推廣綠色建筑和建材，大力發展裝配式建筑”；

·2016年3月17日，《國家十三五綱要》正式發布：“提高建筑技術水平、安全標準和工程質量，推廣裝配式建筑和鋼結構建筑”被明確列為發展方向；

·2016年9月14日，李克強主持召開國務院常務會議會議后，出臺政策《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》國辦發〔2016〕71號。

國家層面的系列文件精神，全部集中指向與工程建設領域的裝配化、環保護、智能化、現代化建設。

北京市關于軌道交通綠色安全建造的政策

2017年3月6日，北京市5大委辦局聯合推出的“關于印發《北京市城市軌道交通建設工程推進綠色安全建造指導意見》的通知”文件中，明確了下一輪的北京地鐵建設目標，應是以綠色安全為目標的。2017年10月12日，北京市住房與城鄉建設委員會發布關于《推進軌道交通明挖基坑防塵隔離棚實施工作的通知》。

在上述系列文件中，北京市軌道交通工程的綠色安全現代化建造思路逐漸明晰，那就是圍繞“通用設計模數化”“現場施工工廠化”“工序作業機械化”“過程管理信息化”“綠色施工常態化”的“五化”精神，其中第一、二化為工程裝配式指明了具體執行方向；第一、二、三化為工程建設智能化奠定基礎；第二、四、五化是工程建設環保化的保證。

北京地鐵在綠色安全建造方面的行動

1.施工場地綠色安全標準化

北京市軌道交通工程，圍繞施工場地綠色安全標準化，制定了政策和具體執行手段，在圍擋及場地標準化、圍擋形式立面統一、鋼筋預制加工廠、二維碼構件施工管理等方面已經全面鋪開，取得了整體性的進步，也獲得了技術及管理的系列成果。

2.車站主體裝配式

在明挖蓋挖工法的車站主體結構建造方法革新上，北京市軌道交通在6號線西延工程金安橋站做了大膽試驗，該創新充分吸收民建領域的裝配式技術，將車站主體結構構件按照現場實際操作需求進行針對性改進，如對現場施工難度較大的邊墻、中板、頂板采取了裝配+現澆的疊合結構方式，對裝配安裝條件較好的結構柱采取了全裝配的方式，對現場澆筑條件很好的底板構件采取了直接現澆的方式。這樣的創新以實際需求為主，解決現場問題，避免形而上的本位主義，取得了很好的經濟和社會效益。

北京地鐵6號線西延工程金安橋站主體結構裝配式構造圖

本工程預制構件8種：分別為地下二層的邊墻、中板縱梁、邊跨中板（帶風道）、中跨中板、地下一層邊墻、頂板縱梁、邊跨頂板、中跨頂板，均采用了裝配式疊合結構工藝。其中邊墻與底板、中板的連接采用灌漿套筒方式。主體結構其余的連接部位均采用現澆混凝土工藝。

金安橋站地下車站轉配式建造示范試驗段的順利完成，驗證了預制構件節點設計的合理性、施工工藝的可行性和先進性，為推廣應用新型地下工程裝配式建造方式提供了技術保障。

3.車站站內結構裝配式

對于站內二次結構的裝配式工程試驗，軌道交通19號線新發地站進行了全面的設計方案創新及試驗。創新試驗包括站內樓梯結構、軌頂風道、站臺板、二次隔墻等內部構件。

實驗表明，主體結構的內部結構的裝配式，可大大提高工程質量，減少工序交叉影響，避免工程材料浪費，提升機械化操控，減少工人數量，均具有積極意見。

4.明挖圍護鋼支撐節點創新優化

針對明挖工程基坑圍護結構的鋼支撐活絡頭目前的工業設計程度低、操作簡單粗糙精準性差、受力偏心嚴重、存在安全隱患等問題，研發了適用于基坑圍護結構的錐楔式鋼支撐活絡頭，該創新通過錐楔面將鋼支撐部分軸力改變為橫向作用，利用多排高強螺栓夾緊錐楔座，承受和傳遞鋼支撐軸力；同時通過千斤頂施加預加軸力，調節6套高強螺栓來進行軸向定位，預加軸力達到設定值時，緊固螺栓即可鎖定該裝置來承受和傳遞軸力。

該創新的研發，對提高基坑工程支撐構件的標準化程度、改善目前不規范操作、提升工程安全保障度及工程質量，均具有顯著的積極作用。

5.礦山隧道機械化

北京市軌道交通15號線、16號線工程對目前的礦山法機械化進行了深入的探索，并取得了杰出成就。

其適用于洞樁法（PBA法）暗挖車站的洞內反循環鉆機、鋼管柱安裝機器人，適用于礦山法區間的隧道開挖支護聯合機、礦山二襯模筑機械臺車等裝備已較為成熟，并經多年迭代改進，相繼推出了新版本。在國內礦山法地下工程領域取得較大反響。

為進一步改善洞內鉆機工作環境，減少泥漿對工程環境的影響，又對低凈空旋挖鉆機的創新進行了不斷創新改進，目前已取得一定效果。

根據地鐵隧道施工出碴的特點，北京地鐵19號線工程平安里站研究設計了一種全新立式提升輸送系統，該設備主要優點是輸送傾角大，最大可實現90°。該設備提升效率高，占地面積小，操作簡便，維修方便，運行平穩可靠，噪聲小，沒有斗提機經常出現的卡鏈、掉斗現象。還可以在機頭和機尾設置任意水平輸送段，便于和其他設備銜接。設備調試后進行現場測試結果表明，機械化流水線皮帶式物料輸送系統，可提高5倍工效，取得了較大反響。

6.暗挖區間新工法研發

·新型拼裝式暗挖初期支護襯砌工法。傳統的礦山法隧道工法及洞樁法車站工法，均為構建于噴錨構筑法基礎上的淺埋暗挖法，其工藝工法成熟度較強，安全可控，是目前普遍采用的暗挖工法，在其基礎上，將手工作業改為機械化作業，是實現現代化建造的途徑之一。但由于該傳統工法的工藝局限，其機械化、現代化及智能化的實現水平有一定的上限。所以較為徹底的辦法，為從根本上創新暗挖工程的建造方法，將其更新為更適用于機械化、數字化、智能化的新型工法。北京市昌平線二期工程學院路站對其進行了不斷探索，采用拼裝式波紋板創新工法，取得了非常好的效果，目前該工法取得了多項專利，在后期的工程建設中大力推廣指日可待。

經實驗研究表明，拼裝式波紋板暗挖初支襯砌結構，有如下優點：免除綁扎鋼筋、架立格柵、噴混圬工等作業，綠色環保；工作面環境大大改善，人性化；工序大大簡化，只有開挖、支護兩個大工序，易于機械化；減少民工數量，節約社會資源；施工進度加快，經濟高效；襯砌初期剛度大、封閉成環加快，安全系統提高；減小開挖斷面，管片重復利用，工業化程度高，經濟性好。

該工程目前已完成倒掛井壁豎井及暗挖隧道的波紋板拼裝式試驗工程，后期對機械化安裝的工作，也做了設備需求的研發及研究，目前已積極開展自動化安裝機器人的設備研發工作。

·拼裝式暗挖二襯工法。北京地鐵6號線西延還試驗了拼裝法二襯工藝，研發了相應配套裝備，工程試驗順利圓滿。該技術的研發成功，與上述拼裝式波紋板初襯結構配合，可完全實現暗挖隧道的拼裝式作業，為之后的系統性實現暗挖隧道的綠色安全現代化建造鋪墊了堅實基礎。

7.暗挖車站新工法研發

北京市目前在暗挖工程的新工法新技術探索上，取得了不少成就，其中暗挖工程“不降水、少降水”的各種地下水治理方法，以及新型暗挖工法的研究，均取得了不俗成績。其中超級管幕法（SPR工法）的研究，已通過了理論工法研究及室內試驗研究，取得了顯著進展。

超級管幕法（SPR工法）是一種利用管幕結構體系形成隔水屏障、在其保護下進行施工的新型工法——超級管幕法（Super Tubular Roof Method，簡稱SPR工法）。該工法采用非開挖的方式（頂管），在預建的地下空間外輪廓位置，用小直徑鋼管（如1m）和大直徑鋼管（如3m）直徑管幕形成封閉隔水的屏障，同時充分利用大直徑管幕在開挖空間形成具有一定縱向間距的環向型鋼或鋼筋砼內支撐（類似醫學上的血管支架），以及形成一定縱向間距的土體加固止水阻塞體（類似醫學上的血栓），并利用管幕的縱向抗彎承力特性，將其作為初期支護承擔洞室周邊水土壓力荷載。在此封閉屏障的保護下采用“全斷面棚架法”開挖土方，從而砌筑二襯形成地下空間結構的工法。

超級管幕法是一種全新的暗挖工法，是基于機械化的全新暗挖工法。隨著建設工程自身質量安全續期和環境安全需求的提高，暗挖車站機械化的技術研發思路必定是大型的專用型裝備配套數字化智能化的技術開發思路，本工法的研發，將會大大促進該領域的技術發展。

8.暗挖豎井封閉防護大棚

隨著北京軌道交通工程綠色安全建造行動的開展，從2017年至今，北京市四環內幾乎所有的暗挖工程（包括北京地鐵3號線、11號線、12號線、16號線、17號線、19號線、昌南線等工程的車站及區間）豎井，均采取了防塵隔離棚的建造方式，該建造方式的發展，大大提升了北京市軌道交通建設水平，保護了外部環境，在振動及噪音控制、空氣質量控制、施工安全控制、外部景觀協調、創造全天候施工條件、加快地鐵建設進度等方面，取得了杰出的經濟和社會效益。尤其是北京地鐵8號線三期王府井三站的立體式施工車間工作棚，創造性地將封閉棚與場地立體化布置結合，建造了一個三維工作平臺及物資存放平臺，尤其適合于地面場地條件極端困難時的軌道交通工程施工。

9.明挖基坑防護大棚

除了暗挖工程的防塵隔離封閉棚，北京軌道交通工程在車站明挖基坑的封閉大棚創新也取得了全國矚目的成就。其中積水潭站、三元橋站、香河園站的基坑封閉大棚，采用了全裝配式的超輕鋼結構+骨架模結構型式，在滿足快速拼裝、臨時拆卸恢復、半永久結構的基礎上，還實現了可滿足多次使用的功能，大大延長了封閉大棚的使用壽命、顯著降低了工程使用成本，對該建造方式的可持續發展具有較大的推進作用。

目前該封閉式工廠化的軌道交通建造方式，已形成“北京模式”在全國取得較大反向，各地紛紛學習推廣，其中天津市、濟南市、武漢市、合肥市、重慶市、成都市均在積極開展基于封閉大棚的現代化建造方式探索。

10.施工現場數字化管理系統

基于工廠化的現代化建造項目工地，還需要一個項目綜合智能管控平臺。基于BIM數字技術的信息中臺，對一個建設工程項目部的人員、機械、物資、工序等全方位的智能化管控，才是綠色安全建造模式的本質特征。

隨著國內國際社會的進一步發展及技術研發的提升，軌道交通工程綠色安全建造技術終將逐步進入我們的工作和生活。

在基于BIM等信息技術支持的智能化項目管理平臺的支撐下，在封閉的工程現場管理車間，高度機械化、數字化、自動化、智能化、智慧化仿真機器人設備快速有序運轉，快速、安全、高質量、少人甚至無人的各工種作業有序推進，這樣的綠色安全現代化的新型軌道交通建造方式，即將變為現實。