地鐵地下車站綠色高效智能建造的思考

朱 旻, 孫曉輝, 陳湘生, *, 崔宏志, 李愛東, 丁志坤

(1. 深圳大學土木與交通工程學院， 廣東 深圳 518060； 2. 深圳大學 濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室， 廣東 深圳 518060; 3. 深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點實驗室， 廣東 深圳 518060; 4. 中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300100)

0 引言

近年來，在全球經濟發展面臨前所未有的資源與環境壓力的大背景下，綠色發展成為世界主要城市發展的核心戰略。《住房和城鄉建設部等部門關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》(建市〔2020〕60號)提出了智能、綠色和裝配式建造的指導意見；2021年政府工作報告中將“做好碳達峰、碳中和各項工作”列為重點任務；“十四五”規劃也將加快推動綠色低碳發展列入其中。因此，綠色、高效、智能成為我國基礎設施建設的重要發展趨勢。

截至2020年底，我國城市軌道交通運營總里程已達7 655 km，新增運營線路里程約1 226 km[1]。未來10～15年仍有大量地鐵線路規劃待建，這其中包括了數量龐大的地鐵地下車站。按照當前的設計、建造方式，每座地鐵車站主體結構大約消耗混凝土36 400 m3、鋼筋7 120 t、防水卷材39 100 m2、外棄土方192 400 m3；圍護結構需要消耗混凝土21 280 m3，制備泥漿4 820 m3。地鐵地下車站耗能、耗材的建造方式，帶來環境和空間的巨大壓力。另外，地鐵地下車站同時還作為盾構區間渣土的出口，需要處置大量的渣土，就現有技術而言，處置難度和環境壓力更大。因此，在大規模進行的地鐵建設中，率先實現綠色、高效、智能建造的目標將對全國的地鐵地下車站建設和地下空間開發產生重要的引領、示范意義； 同時，其中所伴隨的高端裝備、新材料等技術的產業化應用對經濟、社會發展將起到重要作用。

本文基于對地鐵地下車站建造技術研究現狀的分析與思考，提出未來地鐵地下車站綠色高效智能建造的技術路徑。在打破傳統的資源高耗、環境負效、建時過長的建造模式基礎上，通過顛覆式技術、方法、新材料和新結構體系，形成綠色高效智能建造模式，為全國地鐵地下車站建造提供新范式，實現綠色高效智能建造，踐行建設美麗中國的宗旨。

1 地鐵地下車站新型裝配式結構體系

1.1 我國裝配式地下車站研究現狀

傳統地鐵地下車站基坑支護體系一般采用錨拉式結構(適用于硬地層)或支擋式結構(適用于軟弱地層或復雜軟硬混合地層)，擋土結構多為鉆孔灌注圍護樁或地下連續墻，而主體結構一般采用現澆鋼筋混凝土，其優點在于整體性和防水性能較好，但現澆鋼筋混凝土養護時間長、施工質量難以保證。當主體結構建造完成后，支護結構中的圍護樁或地下連續墻廢棄于地下，造成了極大的資源和空間浪費。

裝配式地下車站結構部分或全部采用預制構件，具有施工效率高、勞動力需求少、環境污染小等優勢。在我國大力推進裝配式建筑的政策背景下，裝配式地下車站蓬勃興起。長春地鐵2號線袁家店站是我國首個裝配式地下車站，如圖1所示。此后，長春地鐵陸續建成了6座裝配式地鐵車站，北京地鐵、青島地鐵、哈爾濱地鐵、濟南地鐵等也進行了裝配式地下車站應用。此外，深圳地鐵計劃將7座地鐵車站作為首批裝配式車站試點。

圖1 裝配式車站施工現場(長春地鐵2號線袁家店站)

地下車站埋設于地層之中，在水土壓力作用下地層-結構協同變形，其結構力學特性和一般地上裝配式結構不同。如圖2所示，長春地鐵裝配式車站采用了樁錨基坑支護體系和單拱雙層主體結構型式，在榫槽接頭抗彎抗剪性能[2]、整體結構力學性能[3]、防水體系[4]和結構抗震性能[5]等方面，經過一系列理論、試驗研究和工程實踐，形成了適合長春地區的裝配式地下車站成套設計理論和技術體系。北京、濟南、哈爾濱等城市采用疊合式車站主體結構，并對車站節點型式、結構體系抗震性能進行了研究[6]。此外，深圳、杭州等城市陸續開展了鏈刀法裝配式車站(無支護結構，車站地面裝配后整體下沉)、連續墻-內支撐支護下的裝配式結構等新結構型式的研發工作，推動了裝配式地下車站理論體系進一步發展。

圖2 裝配式車站理論和技術體系(單拱雙層結構，長春)

目前，許多裝配式車站仍采用現澆+裝配的復合結構形式，整體裝配率較低且造成資源浪費。長春地鐵采用的樁錨支護方案在北方城市適用性較好； 但南方地下水位高，且隨著城市地下空間開發密度不斷增大，新建車站的變形控制更加嚴格，采用內支撐+連續墻支護體系成為裝配式車站發展的迫切需求。針對上述不足，提出采用預制地下連續墻同時作為圍護結構和永久結構的“兩墻合一”裝配式地下車站新型式，可作為未來裝配式車站的發展方向。

1.2 裝配式地下車站新結構型式研究——以“兩墻合一”裝配式地下結構為例

現澆地下連續墻作為工程最常用的圍護結構型式之一，存在如下弊病： 水下澆筑混凝土易因夾泥而引起墻面滲水；泥漿護壁不當容易引起槽壁坍塌；現澆墻接頭處抗滲指標達不到技術要求；接頭結構無法傳遞彎矩，整體性有所降低。預制地下連續墻的混凝土澆筑質量和耐久性可以保證，成槽完畢即可連續吊放墻段，可采用不同構造措施加強整體性并滿足結構自防水要求，能有效解決現澆地下連續墻存在的問題。作為地鐵地下車站圍護結構的一項突破性技術，“兩墻合一”主要采用預制地下連續墻，將基坑圍護地下連續墻同時用作地下結構主體外墻，承擔正常使用階段荷載，從而有效提高材料利用率，減少土方開挖量和回填量，降低工程成本，節約資源和空間[7]。相關研究成果表明，“兩墻合一”在控制基坑變形、縮短工期和降低工程造價等方面具有優勢[8-10]。

裝配式地下連續墻施工現場如圖3所示，目前僅有上海、天津等城市進行了少量預制地下連續墻的施工，相關研究處于起步階段，而國內外關于“兩墻合一”裝配式地下車站的研究尚屬空白。因此，亟需針對“兩墻合一”裝配式地下車站節點設計、結構力學特性、防水體系和抗災性能方面進行深入研究，形成系統的設計理論和技術體系。

圖3 裝配式地下連續墻施工現場(天津地鐵6號線景荔道站)

1.2.1 “兩墻合一”裝配式地下車站設計理論

1.2.1.1 預制地下連續墻墻身和節點設計

系統研究裝配式地下連續墻的離散分塊優化方案和構件輕量化技術；基于鋼筋錨接、螺栓連接、鋼棒連接、凹凸榫接、鋼板連接等常用預制構件連接技術，研發適用于預制地下連續墻的新型橫縱向接頭，并通過室內試驗和數值分析，研究預制地下連續墻幅內橫縫、幅間接頭的承載能力、變形特征和破壞機制，形成預制地下連續墻接頭型式設計理論。預制地下連續墻新型橫縱向接頭如圖4所示。預制地下連續墻采用鋼棒橫縫接頭和幅間C-T鋼接頭時，能夠較好地滿足墻身整體拉拔和抗彎性能要求，但其定位施工難度較大，防水要求高，仍有進一步優化空間。

(a) 接頭構造

(b) 計算模型

1.2.1.2 預制地下連續墻和主體結構間節點設計

研究預制地下連續墻與全預制主體結構板間的剛性、半剛性和鉸接節點連接技術，并通過結構板-側墻新型節點試驗和數值仿真，揭示節點變形和破壞特征。

1.2.1.3 “兩墻合一”裝配式車站結構力學性能

根據預制地下連續墻橫縱縫以及地下連續墻和地下車站底板、中板和頂板間的剛性、半剛性和鉸接連接條件建立不同的理論計算模型，研究“兩墻合一”裝配式地下車站結構受力機制和變形模態。 采用內支撐體系的“兩墻合一”裝配式車站結構型式時，預制地下連續墻在施工階段和服役階段的力系轉換機制尚不明確，因此，應研究地下連續墻從圍護結構到主體結構功能轉換中車站結構的力系轉換模式及變形演化規律(見圖5)。在以上研究的基礎上，系統提出裝配式“兩墻合一”地鐵地下車站的設計理論和相應構造措施。目前已有研究成果表明，采用鉸接或半剛接接縫，對結構轉換過程中的受力更加有利。

(a) 施工階段 (b) 使用階段

1.2.2 “兩墻合一”裝配式地下車站防水理論和關鍵技術

為了適應南方地區地下水位高的環境特點，提升“兩墻合一”裝配式地下車站的結構自防水和接頭防水性能尤為重要。造成地下車站混凝土開裂的原因主要有塑性收縮、化學收縮、干燥收縮、溫度收縮、碳化收縮等。因此，應從水化-溫度-濕度-約束多場耦合的角度，結合熱力學和多孔介質力學量化混凝土收縮開裂風險，實現混凝土開裂防控，形成抗裂性能專項設計理論。同時，應重視補償收縮混凝土、纖維抗裂混凝土、自密實混凝土等高性能防水混凝土的研發工作[11]，形成新型自防水混凝土成套制備-施工技術，并建立相應性能控制指標體系。

傳統的接頭和接縫防水方式即為止水帶和注漿等。但對于預制地下連續墻而言，預留膨脹止水條與泥漿反應效果不佳，地下連續墻橫縱縫的防水效果難以保證；注漿防水的機制仍未完全闡明，注漿時機和注漿量仍需深入研究。因此，需加強適配于預制地下連續墻橫縱縫新型接頭、地下連續墻和主體結構板接頭的防水裝置研究(見圖6)，建立接頭防水設計理論和技術體系，全面提升“兩墻合一”裝配式車站接頭和接縫的防水性能。

圖6 預制地下連續墻新型接頭防水裝置

1.2.3 “兩墻合一”裝配式地下車站抗災性能

與地面結構不同，地下結構在地震作用下受土-結構相互作用影響，有其獨特的特點和地震反應規律。近年來，地下裝配式車站在地震、爆轟等極端條件下的性能成為眾多學者關注的焦點。與現澆車站相比，裝配式車站具有更好的抗變形能力[12-13]。但目前“兩墻合一”裝配式地下車站的抗震性能研究尚屬空白，尤其是對不同地質體環境和地震條件下，采用不同接頭連接方式的車站結構地震反應規律認識不清。另外，地鐵車站作為地下人流密集場所，對爆炸、轟擊等極端狀況下的承受能力是韌性基礎設施建設的必然要求。

目前對于“兩墻合一”裝配式車站的抗爆轟性能，尤其是重點構件的爆炸響應、地下結構安全防護及生命保障體系缺乏系統研究。因此，應聚焦于“兩墻合一”裝配式地下車站在地震、爆轟等災變因素作用下的結構動力響應、損傷演化過程及災變破壞機制，建立和完善地鐵地下車站新型結構體系災害防控理論和安全防護體系。重點研究“兩墻合一”裝配式地下結構抗震分析理論方法和抗震構造措施、隔震減震新型材料及技術，以及爆轟條件下“兩墻合一”裝配式地下車站結構破壞規律和相應防控措施。

1.3 裝配式車站中新功能材料的研發及應用

裝配式車站在設計建造階段應廣泛使用新型功能材料，實現結構材料功能一體化。例如: 采用力學性能和化學性能均優于普通混凝土的纖維混凝土材料、超細水泥注漿材料和生物注漿材料等克服傳統注漿缺陷的新型注漿材料，可有效修復混凝土裂縫的自修復材料與形狀記憶合金(SMA)等[14-16]。未來應進一步開發適用于地鐵地下車站的關鍵構件和部位，且兼具高韌性和高抗沖擊性能的新型復合材料、新型記憶性材料、智能材料和自修復材料。

2 地鐵地下車站智能建造關鍵技術

智能建造是人工智能等新一代信息技術和工程建造需求深度融合的一種工程建造創新模式[17]。實現地鐵地下車站智能建造的核心，是在地鐵車站要素資源數字化基礎上，結合自主知識產權工程軟件體系、工程物聯網技術、大數據和人工智能算法、智能工程機械，實現設計、施工、運維管理全流程一體化高效協同。

2.1 地鐵地下車站材料-結構一體化協同設計方法

當前傳統的基于安全系數或可靠度的結構極限狀態設計理論無法完全適應智能建造高效動態協同的設計需求，而數字孿生等信息化技術在設計行業中的成功應用，則提供了一種極具顛覆性的面向未來的設計理念和方案[18]。地鐵地下車站材料-結構一體化協同設計理論的核心，是在大量材料力學試驗、構件性能試驗、結構足尺試驗和數值分析獲得的材料物性和結構模態規律基礎上，基于已建案例的設計模型和海量實測數據，建立特定地層條件和周邊建構筑物環境下的地鐵地下車站數字孿生模型，并通過海量計算和深度學習算法得到車站結構模態的動態演化規律，從而判別最優的車站幾何特征、材料配比、結構型式和感知元件布置方式等。特別是對于裝配式地下車站，還包括確定最優的圍護結構和主體結構的構件分塊方式，以及拼接和拼裝方案等。

實現地鐵地下車站材料-結構一體化協同設計的關鍵，一是實現對材料物性和結構模態的準確判識，特別是要開展新型高韌性材料(如鋼纖維混凝土等)的材料物性和相應車站裝配式構件/結構的力學性能演化的理論和試驗研究；二是應基于大量已有車站監測數據的積累，加強深度學習算法和數字孿生技術在地下車站結構設計中的應用研究。

2.2 地鐵地下車站輕量化BIM模型和集成應用

建立以BIM為核心的工程軟件和集成應用體系是工程建設領域實現智能建造的關鍵。自住建部2016年發布《2016—2020年建筑信息化發展綱要》以來，相繼有3部BIM國家標準GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類與編碼標準》、GB/T 51301—2018《建筑信息模型交付標準》、GB/T 51302—2019《制造工業工程設計模型應用標準》以及1部行業標準JGJ/T 448—2018《建筑工程設計信息模型制圖標準》陸續發布。同時，國產BIM軟件研發工作也進展迅速，極大地推動了BIM技術在設計、施工、運維全過程的集成應用[19]。但不可忽視的是，當前我國國產BIM軟件研發整體實力不強，核心技術缺失，行業市場份額長期被Autodesk、Bentley、Catia、Dassault等國外公司占據。由于國家標準出臺較晚，BIM技術的應用大都在地方企業層面，也導致了標準無法統一。因此，在宏觀方向上，首先應面向國家基礎設施工程建造需求，盡快完善BIM軟件技術標準體系，并對三維圖形引擎等“卡脖子”技術進行攻關，不斷優化國產具有自主知識產權的BIM軟件，并以此為核心形成全產業鏈一體化軟件生態和應用場景。

地鐵地下車站工程體量大、地質信息龐雜，導致了BIM基礎數據龐大冗余，難以適應PC端、移動端多維度下的可視化需求。輕量化BIM模型是解決上述問題的重要方法，通過參數幾何化描述、相似性圖元合并、遮擋剔除、批量繪制和LOD(level of details)等技術實現模型幾何和渲染輕量化[20]。裝配式地下車站是未來地鐵車站發展的重要趨勢，主體結構由標準化預制構件拼裝而成，具有應用輕量化BIM技術的潛力，其中，關鍵技術包括地鐵地下車站結構物分類與映射、基于地鐵地下車站結構物特征的建模算法、異形結構網絡模塊關鍵算法、三維幾何圖形可視化模塊算法和外部行業通用的數據交換模塊等。以地鐵地下車站輕量化BIM模型為核心，進一步完成BIM技術和智能機器人、工程物聯網及云平臺的協同交互和集成應用，先“化整為零”開發不同功能的子系統，再“積零為整”形成多方協同的系統化管控平臺[21]。圖7為研究團隊開發的基于自主知識產權BIM軟件和物聯網技術的深圳地鐵某車站基坑智能監測預警平臺。

(a) BIM模型建立

(b) 監測數據可視化

2.3 基于工程物聯網的地鐵地下車站構件智能融合感知技術

物聯網技術通過多種智能傳感器獲取工程狀態信息，實現工程現場“人、機、料、環”的互聯互通和高效整合，是“智慧工地”和智能建造的關鍵技術。目前，國內地下工程建設積極采用機器視覺、分布式光纖、微機電傳感(MEMS)、射頻識別(RFID)、無線傳感網絡(WSN)和BIM技術，實現工程現場人員、機械的高效管理和施工安全現場監測。圖8為深圳市黃木崗地鐵樞紐采用機器視覺和MEMS高精度傾角計監測結構變形，監測數據均采用無線網絡上傳至云端后進行分析和預警。如圖9所示，珠三角供水工程中將盾構管片鋼筋籠上遍布分布式光纖，全方位監測隧道管片施工期內的管片應力。隨著5G技術、物聯網、移動終端的融合發展，將智能感知識別技術內嵌于裝配式構件中，形成構件制造、施工及運維過程全覆蓋的監測網絡平臺，已經成為裝配式地下結構新的發展趨勢。

對于新型地鐵地下車站裝配式結構體系，在地下連續墻、梁板等預制裝配式構件中內置智能化應力、應變、滲漏、溫度等感知元件(包括但不限于準分布光纖光柵、全分布式光纖、微機電傳感器、無線應力應變傳感器、自修復膠囊等)，并結合5G、物聯網、邊緣計算、大數據和人工智能算法、BIM技術，實現構件澆筑、養護、運輸、吊裝、拼裝、運維全生命周期關鍵信息智能感知、研判和預警，獲得新型地鐵地下車站預制構件和整體結構在制造、建造、運維全過程的力學性能演變規律，從而保證車站結構安全可靠。其中，亟待突破的關鍵技術為適用于地下復雜工作環境的新型全要素感知和柔性自適應組網技術、滿足長時工作要求的高性能智能傳感元件和封裝技術、高效穩定的無線網絡傳輸技術、多模態異構數據智能融合處理技術等。同時，也要充分利用我國未來地鐵地下車站建造市場的規模優勢，積極推進智能融合感知技術的示范應用工作，盡快形成相關應用標準和技術指南，不斷提升地鐵地下車站物聯網技術應用水平和價值。

(a) 機器視覺

(b) MEMS高精度傾角計

2.4 地鐵車站智能工程裝備和配套技術集成開發

面對地鐵地下車站發展新趨勢，亟需開展新型智能工程裝配和配套技術開發工作。智能化工程機械融合多維信息感知進行自決策，通過土木、電子、機械、信息等多專業聯合，實現無人化或少人化作業，提高施工安全性和作業效率。

2.4.1 預制地下連續墻施工裝備和配套技術

在常規抓斗成槽和TRD成槽技術的基礎上，結合可編程邏輯控制器(PLC)、電子控制單元(ECU)、控制器局域網絡(CAN)、5G+北斗+物聯網深度融合的智能定位技術(見圖10)，研發適用重型預制地下連續墻的智能成槽和精準吊放于一體的成套裝備與系統。未來還可結合VR+AR技術，進行裝備遠程操控，實現施工現場少人化甚至無人化。通過工程裝備的智能化改造可移植、通用模塊，實現地鐵地下車站智能現代化裝備的集成開發，并與之配套形成地鐵地下車站新型圍護結構高效、智能施工成套技術，包括適用重型預制地下連續墻工藝的高效施工成槽、開挖及變形控制技術，適用不同類型地層的新型護壁泥漿支護技術，基于圖像智能識別的地層-泥漿配比匹配算法，適用于地鐵地下車站的預制地下連續墻構件劃分、拼接及拼裝方案等。

(a) 分布式光纖布設

(b) 傳感器現場調試

圖10 基于5G+北斗+物聯網技術的預制構件高精度吊裝設備

2.4.2 車站結構智能拼裝裝備和配套技術

預制構件智能定位拼裝技術在橋梁節段、盾構隧道管片等領域已有應用[22]，但在預制裝配式地鐵車站建造中尚不多見，相關裝備研發工作尚未開展，尤其在護壁泥漿下的預制地下連續墻的智能化拼裝技術尚屬空白。因此，需結合不同地下裝配式車站圍護結構和主體結構型式特點，研發相應的拼裝方案和智能化裝配系統。圖11為適用于南方高地下水位地區的地下連續墻+內支撐圍護體系地下車站智能拼裝裝備。配套技術方面，首先研發地鐵地下車站預制構件拼裝過程實時感知、調整和精準校正技術，尤其是對泥漿護壁條件下預制地下連續墻拼裝進行重點攻關和突破；同時，通過建立地鐵地下車站智能精準拼裝云平臺，對復雜施工條件地下車站預制構件拼裝定位、傳輸風險進行實時預測和精準預控，形成標準化智能拼裝成套技術方案。

圖11 地下連續墻+內支撐圍護體系地下車站智能拼裝裝備

2.5 地鐵地下車站全生命周期安全智控平臺

智能建造的目標是實現數字鏈驅動下設計-制造-現場施工-運維服務全生命周期高效協同一體化。因此需融合多元化智能感知技術、5G數據傳輸技術、大數據和人工智能技術、可視化技術等，實現裝配式地鐵地下車站從結構型式設計、預制裝配式構件(包括預制地下連續墻、梁板柱主體結構等)生產、現場拼裝和運營期維修養護的全產業鏈全流程智能數據挖掘、知識發現、風險評估、反饋預警與應急響應和可視化展示，從而建立起地鐵地下車站全生命周期智能感知、評估決策和安全控制平臺。

地鐵地下車站全生命周期安全智控平臺的核心是大數據平臺和人工智能決策。工程大數據包含工程全生命周期各階段和各層級產生的數據，其核心價值通過各類分析產生，其中，以深度學習為代表的人工智能分析算法具有廣闊發展前景。深度學習算法通過將海量數據作為訓練樣本，可在裝配式構件和結構整體性能評價、施工風險行為識別等方面發揮重要作用。因此，應在大數據分析基本理論方面開展科研攻關和技術突破，加強地鐵地下車站關鍵性數據的采集傳輸和存儲挖掘技術研發，并充分利用大數據串聯推動地鐵地下車站上下游全產業鏈發展。

實現地鐵地下車站安全管控智慧化的主要技術挑戰之一是巨量數據的實時處理需求會極大增加數據傳輸網絡的壓力。研發自主感知、處理和反饋環境刺激的“智能材料”是解決上述挑戰的突破口[23]。例如: 建立自修復材料+邊緣計算+云計算相結合的多層級結構安全控制體系，其中，自修復混凝土可感知車站結構混凝土開裂并自動進行裂縫修復；邊緣計算通過在數據生產端直接進行數據處理，減輕網絡帶寬和云端計算壓力，結合云端的大數據分析判識和智能決策，共同保障地鐵地下車站結構全生命周期安全。

3 地鐵地下車站綠色建造關鍵技術

錢七虎院士指出，利用地下空間助力發展綠色建筑和綠色城市是突破當前困境的主要著力點[24]。一方面，地鐵地下車站的綠色節能與地熱能利用、儲能材料的應用密不可分；另一方面，地鐵地下車站建造會消耗大量鋼筋混凝土，同時產生大量泥漿和廢棄渣土，造成資源浪費和環境污染。因此，亟需從能源地下結構和廢棄物資源化利用2方面開展相關研究，建立起科學的綠色智能評價體系，實現地鐵地下車站綠色建造。

3.1 能源地下車站關鍵技術

3.1.1 地源熱泵技術

地源熱泵技術是目前利用淺層地熱能的主要方式之一。如圖12所示，以能源樁為代表的能源地下結構，將地埋管地源熱泵系統和地下混凝土結構相結合，有力推動了地源熱泵技術的應用和發展。1994年，日本的K.Morino率先提出了樁埋管換熱器的概念；國內2004年在天津首次應用能源樁，而后發展迅速。據初步統計，我國己經有超過20個能源樁項目，安裝了超過1萬根能源樁。此外，地源熱泵技術在隧道、綜合管廊、地下連續墻中均有成功應用的案例。目前，國內外能源樁的理論研究主要集中于熱傳遞機制(包括流體管道、樁土的傳熱性能，傳熱模型等)、結構響應、荷載傳遞機制、承載變形特性等方面，但由于能源地下結構具有提供承載和能量傳遞雙重作用，結構與功能結合復雜，在傳熱模型適用性、多場耦合下樁體界面力學特性、群樁效應和長期承載性能方面仍需深入研究[25-28]。

圖12 能源地下結構

地鐵地下車站的地下連續墻和結構底板均可作為地源側換熱管敷設載體。上海自然博物館項目是我國第一次在地鐵車站地下連續墻內運用地源熱泵技術的工程案例。相比于能源樁，能源地下車站的幾何形狀和結構型式更加復雜，臨空側墻體的熱邊界難以確定，其荷載傳遞機制和結構力學響應尚不明確[29]。近年來，關于能源地下連續墻的傳熱機制與力學行為的理論和試驗研究逐漸成為學者關注的熱點[30-32]。為了進一步推動地源熱泵技術在地鐵地下車站中的應用，尚需加強地鐵地下車站結構整體的傳熱模型、熱力耦合作用下的界面力學特征、結構響應和性能演變規律研究。此外，還要重點關注能源地下車站運行過程中的冷熱堆積、地表地下水污染以及對周邊環境和建構筑物的影響問題。

3.1.2 相變儲能技術

相變儲能材料具有較高的相變潛熱，相變過程中可吸收或釋放大量熱能，具有體積變化小、節能效果好等特點[33]。相變儲能材料通過浸漬法、微膠囊法和混合法等方法和建筑材料機體進行復合，形成相變儲能建筑材料(phase change building materials，PCBM)，可調節建筑居住環境舒適度，實現節能減排。建筑行業中的相變材料主要包括四水氟化鉀、六水氯化鈣、硬脂酸丁醇、正十二醇等，具備潛熱高、相變溫度20～30 ℃、相變過程可逆性好、無毒無害、成本低、易制造等特點。

在地鐵地下車站建造過程中應用相變儲能材料是實現綠色建造的另一重要途徑。一方面，可以將相變材料作為填充地下連續墻和土體間孔隙的回填材料，克服傳統回填材料熱影響半徑大的缺點，改善蓄能傳熱特性；另一方面，可直接采用具備調溫作用的相變混凝土(見圖13)作為地下車站預制構件材料，解決能源地下結構熱交換能量密度低的技術難題，實現地熱能高效利用。因此，應重視新型復合相變材料和定形封裝技術的研發和應用，并對相變混凝土配合比設計、傳熱性質和力學性能進行系統研究[34-36]；同時，需對應用相變儲能材料的能源地下車站在不同工況下的相變過程、傳熱機制和熱-力-水多場耦合作用下的車站結構界面力學特性、結構承載能力和長期工作性能進行深入研究。

圖13 相變儲能混凝土

3.2 廢棄物資源化利用技術

在地鐵地下車站開挖過程中產生了大量渣土、護壁泥漿，同時建造場地也擔負著盾構區間盾構泥漿的處理工作，由于城市土地資源嚴重稀缺，發展與處置之間的矛盾日益突出； 此外，車站臨時結構拆除后又會產生大量廢棄混凝土，處置不當時會造成生態環境破壞。因此，通過現場資源化處置，將渣土、泥漿進行原位工程使用(見圖14)，并對廢棄混凝土進行分揀、剔除或粉碎后作為再生資源重新利用，是地鐵地下車站綠色建造的關鍵。

圖14 渣土原位資源化利用

3.2.1 地鐵地下車站余泥渣土資源化利用技術

當前國內外對廢棄泥漿的處理方法主要有絮凝固液分離處理法、絮凝+機械脫水處理法等。對于高含水率、污染水平較低的工程廢棄泥漿，最具應用前景的處理方法是“化學絮凝+機械脫水”處理法。對于盾構渣土的資源化利用當前主要采用多級分離技術，將其中的粗骨料、細骨料等進行篩分，直接用于工程建設中。當前所采用的設備處理效率低、體積龐大、智能化程度低，難以適用于復雜多變的泥漿、渣土的處理。因此，應基于物理、化學、生物協同處理技術，利用高效絮凝、固化劑實現泥漿和渣土的原位減量化、資源化利用。同時加快研發注漿材料、墊層、流動化填料、快速固化砌塊等多元產品，拓展地鐵地下車站泥漿、渣土原位利用的應用場景，形成模塊化、集成化、智能化的泥漿、渣土資源化利用成套技術體系。

3.2.2 地鐵地下車站廢棄混凝土資源化利用技術

在地鐵地下車站建造中，大量采用廢棄混凝土骨料，可為廢棄混凝土的消納開辟新的路徑。應提出地鐵地下車站綠色建造中廢棄混凝土消納整體方案，采用低成本、高效率、高品質的再生骨料破碎和分選工藝，推進車站底板、支護結構構件及永久構件的再生混凝土應用等。基于對再生骨料構件在地鐵地下車站中劣化機制及耐久性的深刻認識，研究經濟、安全、適用的再生骨料高值化利用技術，以適應地鐵地下車站綠色建造的廣泛需求。

此外，應開展地鐵地下車站施工設計和建筑材料產品應用市場發展調查研究，分析綠色智能建造方案的環境影響和潛在的市場需求(競爭力)，并評估其規模化推廣應用的經濟效益。在此基礎上，進一步開發綠色再生利用產品在地鐵施工、站場建設及其他相關的建筑工程中的規模化應用場景，開展綠色技術的前沿發展動態評估。

4 結論與展望

本文在對我國地鐵地下車站建造現狀分析的基礎上，從裝配式和綠色智能建造新理念出發，提出一系列核心技術及其突破路徑， 對推動我國地鐵地下車站建造水平整體進步，引領我國城市地下空間開發的高效、綠色、智能建造新方向具有積極意義。主要結論如下：

1)裝配式是地鐵地下車站的重要發展趨勢。當前裝配式車站整體裝配率低且結構型式單一，未來應重點關注以“兩墻合一”裝配式地鐵地下車站結構為代表的新結構型式，集中解決預制地下連續墻和主體結構節點連接、結構自防水理念和處理工藝、結構體系承載性能和抗災能力等關鍵難題，形成地鐵地下車站新結構型式的系統設計理論和技術體系，并推動新型功能材料在地鐵車站結構體系中的應用，實現材料-結構功能一體化。

2)地鐵地下車站智能建造是在新一代信息化軟硬件技術的加持下，深度融合工程建造需求，在車站各資源要素數字化基礎上，通過多源異構數據感知處理和物理世界實施聯動數字孿生，形成規劃設計-施工-運維管理全流程一體化高效協同的成套技術和系統，實現材料-結構一體化全鏈韌性設計，構件生產自動操控和智能制造，施工動態調整和智能拼裝，全生命周期安全智控管理決策。

3)為實現地鐵地下車站智能建造，需從以下幾個方面進行技術創新。在材料物性和結構模態深刻認知基礎上，結合數字孿生技術的材料-結構一體化協同設計方法；輕量化BIM平臺和工程物聯網、智能機器人和云平臺的集成應用；以裝配式構件內嵌物聯網感知元件為代表的地鐵車站結構智能融合感知技術；適用于不同車站結構體系的智能工程裝備和成套技術集成開發；基于大數據和人工智能算法的地鐵車站全生命周期多層級安全智控平臺。

4)將地源熱泵和相變儲能技術應用于地鐵地下車站，并對車站結構傳熱機制和承載性能進行深入研究和技術突破，實現地熱能在地鐵地下車站中的循環利用；基于物理、化學方法原位減量化、資源化利用渣土泥漿，并在建造過程中大幅采用再生混凝土進行底板及相關構件的建造，實現地鐵地下車站的綠色建造。