城市軌道交通智能建造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，建設(shè)與智慧社會(huì)相匹配的智慧城市軌道交通已成為推進(jìn)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。建設(shè)智慧城市軌道交通的目標(biāo)是在自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，大力應(yīng)用數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)械化等新技術(shù)，并使之與城市軌道交通深度融合，以推進(jìn)城市軌道交通的智慧化。文章以深圳地鐵建造技術(shù)的發(fā)展為背景，系統(tǒng)闡述智能建造是城市軌道交通高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢(shì)，然后以此為依據(jù)提出城市軌道交通智能建造技術(shù)發(fā)展方向及實(shí)現(xiàn)途徑，以期為各城市的軌道交通智能建造技術(shù)提供借鑒和參考。

智能建造是城市軌道交通高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢(shì)

深圳市市區(qū)面積小，人口密度大，公共交通形勢(shì)嚴(yán)峻，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件軟弱復(fù)雜，地下水位高，地鐵車站基本采用明挖、蓋挖法，區(qū)間隧道主要采用礦山法、盾構(gòu)法等傳統(tǒng)的工法進(jìn)行建造。采用傳統(tǒng)明挖、蓋挖及礦山等工法進(jìn)行施工時(shí)，需進(jìn)行交通疏解和大量管線改遷；占地面積大，對(duì)周邊環(huán)境影響廣，周邊商鋪的停業(yè)以及物業(yè)的拆遷還會(huì)造成建設(shè)成本的上升，甚至可能出現(xiàn)由于拆遷困難造成項(xiàng)目無(wú)法推進(jìn)的問(wèn)題；對(duì)公共道路空間的占用還激化了深圳市區(qū)內(nèi)交通擁堵的問(wèn)題。

目前，深圳地鐵建設(shè)力度和規(guī)模仍保持較高水平，其網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)模化建設(shè)發(fā)展的格局和趨勢(shì)愈加明顯。現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能、自動(dòng)化機(jī)械等技術(shù)的快速發(fā)展和在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為城市軌道交通發(fā)展全過(guò)程管理、機(jī)械化裝配式施工、自動(dòng)化操作等提供了重要手段和實(shí)施基礎(chǔ)。建筑信息模型（BIM）技術(shù)作為智能建造的核心模塊，可將設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維充分融合，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息化、精細(xì)化、智能化管控，提升工程全過(guò)程管理品質(zhì)；機(jī)械法施工順應(yīng)了整個(gè)建筑行業(yè)向工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)，可極大減少人工投入，提升施工效率；裝配式施工與傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑作業(yè)方式相比較，施工簡(jiǎn)單，工效可提高數(shù)倍，體現(xiàn)了對(duì)綠色建筑設(shè)計(jì)理念的倡導(dǎo)。在城市軌道交通建設(shè)施工過(guò)程中，智能建造技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為技術(shù)進(jìn)步和業(yè)態(tài)發(fā)展的必然趨勢(shì)，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。

城市軌道交通智能建造發(fā)展方向

2.1 BIM技術(shù)-設(shè)計(jì)建造運(yùn)營(yíng)數(shù)字一體化

隨著信息化、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)意義上的建設(shè)單位完成項(xiàng)目建設(shè)后移交運(yùn)營(yíng)單位進(jìn)行項(xiàng)目管理的模式，已經(jīng)滿足不了智慧城市軌道交通建設(shè)和管理需要以及城市軌道交通智能化建設(shè)需要。基于BIM技術(shù)的建造智能化將城市軌道交通項(xiàng)目通過(guò)BIM技術(shù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)字化模型，它包含物理幾何信息和功能特征，可在一個(gè)城市軌道交通項(xiàng)目的整個(gè)建設(shè)周期過(guò)程中，即從項(xiàng)目設(shè)計(jì)到項(xiàng)目施工建設(shè)及運(yùn)營(yíng)，直到最后的拆除提供可靠的理論科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，工程項(xiàng)目的各個(gè)參與方都可以根據(jù)各自階段及需求，在 BIM 數(shù)字化模型中輸入、獲取、自動(dòng)分析并更新項(xiàng)目信息，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的信息化、精細(xì)化、智能化管控，最終提升城市軌道交通建設(shè)品質(zhì)。

設(shè)計(jì)建造運(yùn)營(yíng)數(shù)字一體化支持軌道交通工程的集成管理環(huán)境，可以使軌道交通工程在其整個(gè)進(jìn)程中顯著提高效率、大量減少風(fēng)險(xiǎn)，其優(yōu)勢(shì)如下。

（1）加快工程建設(shè)進(jìn)度。利用BIM技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)糾正錯(cuò)誤，大大降低設(shè)計(jì)變更所帶來(lái)的工期延誤；利用BIM技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，不僅可以及時(shí)更改設(shè)計(jì)方案，并且可以顯著加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，為設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化完善提供便捷；同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各參與方之間的信息共享，加強(qiáng)協(xié)調(diào)溝通，有效提高工程建設(shè)進(jìn)度。

（2）提高工程造價(jià)的準(zhǔn)確性及工程質(zhì)量。利用BIM技術(shù)的參數(shù)化輸入，用其智能運(yùn)算功能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工計(jì)算，不僅大大降低了前期投資成本，節(jié)省了人力資源，也使工程造價(jià)的估算更精確，更具科學(xué)性、合理性；利用BIM技術(shù)構(gòu)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(duì)平面圖的理解并為項(xiàng)目決策提供更加直觀的依據(jù)，提高了項(xiàng)目決策的準(zhǔn)確度，同時(shí)也提升了工程質(zhì)量。

（3）有助于業(yè)主、設(shè)計(jì)院等多方合作及共贏。業(yè)主方面，BIM技術(shù)是信息技術(shù)與建造行業(yè)深度融合的契機(jī)和抓手，可推動(dòng)工程建設(shè)從粗放式管理向精細(xì)化管理轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能、技術(shù)創(chuàng)新，是工程項(xiàng)目的數(shù)字化和信息化表達(dá)，為實(shí)現(xiàn)工程建造的工業(yè)化、建筑全生命周期管理和工程項(xiàng)目的信息共享與協(xié)同管理提供了技術(shù)支撐；設(shè)計(jì)方面，BIM技術(shù)是工具，提升了設(shè)計(jì)效率、與業(yè)主的可視化溝通效率，也為拓展、延伸業(yè)務(wù)和轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了機(jī)遇；施工方面，BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成本控制、進(jìn)度控制、質(zhì)量控制、安全管理等的重要手段，有助于項(xiàng)目的精細(xì)化管理，達(dá)到降低成本、提高效益的目標(biāo)。

2.2 暗挖施工機(jī)械化

城市軌道交通傳統(tǒng)暗挖工藝流程為采用超前支護(hù)，之后施工初支結(jié)構(gòu)，最后在初支結(jié)構(gòu)保護(hù)下施工主體結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)暗挖工藝多采用人工開挖，機(jī)械化程度較低，并且施工效率較低，施工大斷面車站結(jié)構(gòu)時(shí)施工風(fēng)險(xiǎn)較大。采用機(jī)械化施工能極大地降低工程風(fēng)險(xiǎn)，提高工程機(jī)械化率，推進(jìn)工程標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。常用的暗挖施工機(jī)械化工法如下。

2.2.1 新型管幕初支法

管幕作為初支結(jié)構(gòu)，具有精度高、剛度大、適用性廣等特點(diǎn)。管幕工法可以在周邊管線復(fù)雜、交通流量大的繁華城區(qū)內(nèi)進(jìn)行淺埋暗挖車站的施工，可以減少對(duì)現(xiàn)狀交通及周邊商業(yè)環(huán)境的影響，具有良好的社會(huì)效益。

傳統(tǒng)的管幕法施工車站，先施工工作井，通過(guò)工作井沿車站縱向施工縱向管幕，最后在管幕結(jié)構(gòu)的保護(hù)下采用逆作法施工車站結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的管幕工法在富水地層中適用性較差；對(duì)于較長(zhǎng)車站，長(zhǎng)距離頂推精度難以保證；針對(duì)沿道路方向敷設(shè)的車站，施工工作井過(guò)程對(duì)交通仍然會(huì)產(chǎn)生較大影響。

新型管幕初支法機(jī)械化程度較高，完全不影響路面交通；施工過(guò)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(duì)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(fā)接收?qǐng)龅兀虎墼跈M導(dǎo)洞內(nèi)始發(fā)頂管以施工縱向?qū)Ф矗虎茼敼茉诮邮諜M通道內(nèi)平移后吊出；⑤在頂管內(nèi)施工橫向管幕及圍護(hù)結(jié)構(gòu)；⑥在管幕保護(hù)下進(jìn)行逆作開挖。某新型管幕初支法施工示意圖如圖1所示。

2.2.2 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(hù)下施工主體結(jié)構(gòu)頂板以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)；③在頂板保護(hù)下采用蓋挖逆作工法施工車站主體。

頂管蓋挖工法機(jī)械化程度較高，完全不影響路面交通；施工過(guò)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(duì)安全。某頂管蓋挖法施工示意圖如圖2所示。

2.2.3 矩形頂管法

地鐵車站施工在具備始發(fā)場(chǎng)地條件的情況下，通過(guò)采用大斷面矩形頂管施工，可一次性形成車站結(jié)構(gòu)。其思路為：①在車站兩側(cè)空地施工明挖豎井；②頂管施工橫通道；③在橫通道內(nèi)施工2個(gè)分離式頂管直接形成車站。

矩形頂管施工車站機(jī)械化程度高，通過(guò)廠家制作能做到標(biāo)準(zhǔn)化，并且節(jié)約人力物力，適用于城市軌道交通建設(shè)與發(fā)展。頂管法施工可不封路，不影響道路運(yùn)行及地下管線。某側(cè)式車站矩形頂管法施工示意圖如圖3所示。

2.3 明挖車站裝配化

2.3.1 車站結(jié)構(gòu)裝配化

城市軌道交通地下區(qū)間采用裝配式的盾構(gòu)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但車站還主要以明、蓋挖施工為主。傳統(tǒng)的明挖作業(yè)圬工量大、工人眾多、環(huán)節(jié)復(fù)雜，同時(shí)受施工條件限制，明挖車站多采用平板、直墻的梁板柱結(jié)構(gòu)。這種生產(chǎn)方式工業(yè)化程度低，建設(shè)效率低，施工周期長(zhǎng)。利用傳統(tǒng)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(huán)境差、現(xiàn)場(chǎng)粉塵污染大等問(wèn)題，不能滿足高質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展建設(shè)要求。

裝配式結(jié)構(gòu)相較于明挖結(jié)構(gòu)，構(gòu)件形狀可根據(jù)受力和建筑空間進(jìn)行調(diào)整，工業(yè)化程度高，可提高建設(shè)速度，減少施工勞動(dòng)力。構(gòu)件工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)智能拼裝裝配式車站結(jié)構(gòu)，是城市軌道交通地下車站發(fā)展的方向。裝配式車站可以實(shí)現(xiàn)建筑空間結(jié)構(gòu)一體化，使環(huán)境更好，軌道站臺(tái)結(jié)構(gòu)一體化使品質(zhì)更優(yōu)，裝修管線結(jié)構(gòu)一體化使效率更高，最終實(shí)現(xiàn)全新的一體化裝配式車站設(shè)計(jì)。

整個(gè)車站裝配式主體結(jié)構(gòu)為單拱無(wú)柱結(jié)構(gòu)，橫斷面分為底板A塊、底角板B塊、側(cè)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(tái)板組成一體化箱梁結(jié)構(gòu)，兩側(cè)與整體道床組合為一體結(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)空腔設(shè)置軌頂風(fēng)道；頂板采用拱形結(jié)構(gòu)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(cè)空間設(shè)置結(jié)構(gòu)風(fēng)道，使空間利用最大化。裝配式車站斷面示意圖如圖4所示。

設(shè)計(jì)中分塊寬度為1.5m，可以通過(guò)合理的施工步序和適當(dāng)?shù)钠揭票苊庠黾又伍g距，通過(guò)合理的施工流水步距設(shè)計(jì)做到流水化施工，支撐拆除及預(yù)制構(gòu)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(diǎn)受力較小，采用錨栓連接；底板受水浮力影響，節(jié)點(diǎn)需要承受彎矩、剪力，需具有較大剛度，采用凹凸榫+預(yù)應(yīng)力混凝土PC鋼棒+ 角鋼焊接；側(cè)墻接口承受一定的彎矩和剪力，對(duì)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(yù)埋鋼板焊接；底板縱梁采用預(yù)埋鋼板焊接+ 預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉；側(cè)墻孔邊梁采用預(yù)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(jié)構(gòu)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(tǒng)止水條壓縮度不能保證的問(wèn)題。

2.3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)裝配化

目前，城市軌道交通工程常采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式有圍護(hù)樁、地連墻、鋼板樁等，其中地連墻是運(yùn)用最廣泛的圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，雖然技術(shù)方面已經(jīng)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(chǎng)地多，對(duì)地下管線和周圍環(huán)境影響均較大，水下混凝土現(xiàn)澆質(zhì)量不易保證等問(wèn)題。

裝配式地連墻截面采用實(shí)心矩形斷面，厚度控制在700～900mm之間，寬度控制在1.2～1.5m之間，質(zhì)量宜控制在26～30t以下；裝配式地連墻的吊裝可選用100t及以上的汽車起重機(jī)進(jìn)行起吊，大大減少了場(chǎng)地的占用；裝配式地連墻可采用不同長(zhǎng)度的預(yù)制墻體進(jìn)行錯(cuò)縫拼裝，墻體推薦長(zhǎng)度為8m、9m、11m、12m，通過(guò)采用不同的長(zhǎng)度組合，以滿足工程需求；裝配式地連墻的接縫結(jié)構(gòu)宜為2幅裝配式地連墻側(cè)面，通過(guò)采用后行幅地連墻側(cè)的T（凸）型鋼材插入先行幅地連墻側(cè)的C（凹）型鋼材槽內(nèi)，并通過(guò)預(yù)埋管道注漿形成封閉的側(cè)向接縫結(jié)構(gòu)；接頭結(jié)構(gòu)宜在同幅地連墻內(nèi)上下各墻段間，通過(guò)鋼棒、鋼管、定位器配合環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠、高強(qiáng)螺栓等形成豎向接頭結(jié)構(gòu)。

采用裝配式圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：①預(yù)制墻幅長(zhǎng)度減小，避免了大型鋼筋籠現(xiàn)場(chǎng)吊裝風(fēng)險(xiǎn)；②采用工廠化預(yù)制加工，質(zhì)量有保證，接縫處理更加可靠；③可提高混凝土等級(jí)，墻體耐久性更好；④節(jié)省工期，減少人工勞動(dòng)力。

2.4 工藝設(shè)備創(chuàng)新升級(jí)

2.4.1 盾構(gòu)機(jī)械功能綜合化及自動(dòng)化

對(duì)于城市軌道交通上軟下硬和軟硬交替的復(fù)合地層，通過(guò)選用雙模盾構(gòu)機(jī)，配備復(fù)合式刀盤、大功率主驅(qū)動(dòng)和推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)模式的獨(dú)立運(yùn)行或便捷切換，解決硬巖非爆破問(wèn)題。部分特殊情況下可以使用三模盾構(gòu)機(jī)，通過(guò)強(qiáng)化盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)、提升刀盤結(jié)構(gòu)剛度及預(yù)防滯排能力，提高盾構(gòu)機(jī)對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)工況的適應(yīng)性。這些模式包括適用于透水系數(shù)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(fēng)化程度較高的巖層、土層掘進(jìn)的土壓模式，以及全斷面硬巖及巖層破碎帶發(fā)育段的泥水式模式。

通過(guò)在盾構(gòu)機(jī)上配置鉆注“一體式”超前鉆機(jī)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)前方水平方向以及圓周方向進(jìn)行超前探測(cè)、超前加固，可對(duì)溶洞等不良地層進(jìn)行有效處理。相比傳統(tǒng)“龍門吊+洞內(nèi)機(jī)車編組”的出渣模式，通過(guò)在盾構(gòu)機(jī)后方配套水平（皮帶）、垂直（波紋擋邊）渣土輸送機(jī)，解決機(jī)械快速掘進(jìn)、深井90°提升等出渣問(wèn)題，滿足機(jī)械出渣運(yùn)行平穩(wěn)、可靠、噪聲小等需求。

2.4.2 區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工工藝

城市軌道交通2條單線區(qū)間隧道之間設(shè)置有大量聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道是盾構(gòu)施工過(guò)程中的關(guān)鍵部位，是在“洞中打洞”，作業(yè)面小，不便于使用大型工具設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道施工多采用預(yù)加固+礦山法施工，預(yù)加固方式普遍采用地面垂直加固和洞內(nèi)冷凍加固技術(shù)以及洞內(nèi)深孔注漿加固等，存在妨礙地面公共設(shè)施、工程造價(jià)較高、工期較長(zhǎng)、加固質(zhì)量難以保證、安全風(fēng)險(xiǎn)較高等缺陷。

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道工藝包含盾構(gòu)機(jī)及其配套、始發(fā)和接收套筒、快速支撐體系三大部分。盾構(gòu)機(jī)采用錐形刀盤，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)滿足狹小空間內(nèi)的始發(fā)、掘進(jìn)、接收；始發(fā)套筒采用分段設(shè)計(jì)并在內(nèi)部設(shè)置密封刷，接收套筒內(nèi)部帶壓灌注泥漿；始發(fā)及接收影響范圍內(nèi)設(shè)置一體化的內(nèi)支撐臺(tái)車系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)由液壓控制，通過(guò)伺服控制的千斤頂支撐，達(dá)到施工全過(guò)程隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)的目的，實(shí)現(xiàn)高安全、高效率、低擾動(dòng)地聯(lián)絡(luò)通道施工。

聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法工藝可以在狹小空間內(nèi)快速施工，對(duì)地層進(jìn)行微加固，具有安全、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不僅是城市軌道交通盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工更好的技術(shù)選項(xiàng)，也可以拓展至地鐵出入口及風(fēng)井，長(zhǎng)隧道中間風(fēng)井，聯(lián)絡(luò)線等地下連接工程中。聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工示意圖如圖5所示。

結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通智慧化建設(shè)已成為其發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此應(yīng)借助現(xiàn)代信息技術(shù)和機(jī)械化技術(shù)，尋求更加適合自身發(fā)展的智慧方法，構(gòu)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(tǒng)，推動(dòng)城市軌道交通高質(zhì)量發(fā)展。智能建造技術(shù)作為智慧城市軌道交通建設(shè)體系中的關(guān)鍵技術(shù)之一，將成為整個(gè)城市軌道交通建設(shè)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向，也是國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然要求。基于BIM、機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)的城市軌道交通智能建設(shè)方式，將使城市軌道交通的建設(shè)更安全、高效、綠色、和諧、智慧。