宁波市轨道交通建设创新成果与展望

2018-05-25朱瑶宏

城市轨道交通研究 2018年5期

关键词：管片矩形号线

朱瑶宏

（1.宁波市轨道交通集团有限公司，315101，宁波；2.宁波大学建筑工程与环境学院，315211，宁波∥教授级高级工程师）

1 宁波轨道交通概况

1.1 宁波轨道交通概述

宁波，是一座古城，素有“书藏古今、港通天下”的美誉。古老文明为宁波积累了深厚的历史底蕴，现代文明则使宁波充溢着无限的活力和生机。

城市轨道交通进入宁波市市民生活，从2009年始建至今。线网规划建造10条线路，全长409 km，放射状线加环线成网，呈现“一环两快七射”的轨道交通网络骨架。截至目前，1号线全线及2号线一期工程已通车运营（见图1），运营线路长75 km；在建线路5条。预计到2020年，运营线路长度将达到155 km。

1.2 宁波地区概况

宁波轨道交通工程范围内均为第四纪松散沉积物，地质时代为第四纪全新世Q43～上更新世Q31，属第四系滨海平原沉积层，主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成。线路穿越及下卧的土层主要包括：②2层淤泥质黏土、③1层黏质粉土、③2层粉质黏土、④1层淤泥质粉质黏土、④2层黏土、⑤1层黏土、⑤2层粉质黏土、⑤3层粉质黏土等。场地周围河网较发育，河渠纵横，沿线穿越多处跨河桥，各土层含水率变化大。

宁波软土与上海等典型软土地区的土层性质相比，工程性质更差，尤其是②、④层软土，具有明显的含水量高、流动性强、灵敏度高、压缩性高、抗剪能力差等特点。同时，部分地层⑤1层黏土、⑤2层粉质黏土又具备土质较硬、黏性强的特点，部分工程区域内存在土层软硬不均的现象。

宁波轨道交通网络位于宁波平原，属甬江水系，河渠密布。同时，宁波作为古城，旧城区地面蜿蜒，周边环境复杂，老旧房屋重大，保护难度大。

1.3 建设技术难点及应对策略

宁波的地域水文地质特点，对轨道交通工程建设造成很大的困难。主要表现在：

（1）复杂的地面环境对站点和线路布置造成了较大的困难。

（2）老旧城区和地面核心区域的动拆迁难度大。（3）基坑工程中，因土体软弱引起的基坑变形及周边稳定问题成为轨道交通建设过程中的重大安全风险。

图1 宁波轨道交通运营线路

（4）盾构施工中，工程施工引起的地面沉降、管片和盾构上浮，以及轴线控制困难等问题，为区间隧道的实施增加了难度。

针对上述巨大的挑战，通过对轨道交通先进城市的学习、调研和认真分析，宁波轨道交通确定了“以管理创新促生产，以技术创新促发展”的思路，着力从管理和技术创新两方面入手，开展了一系列卓有成效的工作，总结形成了具有宁波特色的管理和技术创新成果［1-3］。

2 工程建设管理创新

宁波轨道交通在工程建设管理中，明确自身定位，树立服务意识，从规划设计层面和工程管理体制层面出发，提出了从源头抓安全、建立奖惩体系、结构施工安全管控、提高建设安全生产基础保障能力等措施，针对宁波轨道交通工程建设管理进行了探索和实践。并从利益分配、重视设计管理和施工队伍管理、优化教育培训、推进标准化等方面着力，建立了颇具宁波特色的轨道交通工程管理体系和创新管理体系。

2.1 树立服务意识

从为工程服务的角度，正确定位建设单位的工作职责。宁波轨道交通所倡导的服务意识，是基于对施工等各参与单位尊重和权利对等的基础上提出的，简而言之是要给工程以简单、纯粹的环境。

为了让施工单位进场后能集中精力抓建设，建设单位将管线改迁、交通疏解、渣土协调、房屋维修等作为自己的服务职责，成立单独部门进行统筹协调，让看似杂乱的工作有章可循成为一种做法，有效地促进了现场生产。

2.2 按合理价选择中标单位

在工程筹建阶段，顶住了来自各方的压力，以杭州湾大桥建设中合理价中标为样板，制订了“确保造价，工期合理”的招投标策略并持续至今，从而为参建勘察、设计、施工单位营造良好的经营环境，减少工程建设中的违约风险，进而减少工程建设中因投入不足造成的安全及质量隐患。

2.3 严格的管理制度

从无到有，逐渐建立安全及生产管理制度，按照先常规后特殊、循序渐进的思路，在较短的时间里推出了完整、系统的工程管理制度。其设计严密、程序清晰、可操作性强。将确定的制度作为管理的依据，使其成为工程管理中的“法律”，是不可触碰和逾越的红线，强调有法必依、执法必严、违法必究；建立了常态化的监管体系，有效运转。

2.4 特别的奖惩措施

与宁波市总工会联合开展了立功竞赛活动，设立了安全生产特别奖，将工程建设成果与奖励挂钩，根据产值和安全生产目标完成情况，定期兑现奖金，奖励到位、到人。惩罚措施也同样客观有力。奖金由参建单位和个人出资，并由建设单位配套资金。

2.5 人才政策

宁波在轨道交通建设领域是一个后进城市，亟需引进有经验的施工单位和人才队伍。因此我们常常打比方：要像选择亲家一样选择施工单位，像选择女婿一样选择项目经理。

选得好还要留得住，招标文件设定，更换项目经理的违约金为500万元，更换总监的违约金为50万元，实行重典。同时，尽力关心爱护项目经理、总监，给压力，更给动力，使其愉悦地工作。现在，大批优秀的项目经理、总监理工程师、第三方监控工程师活跃在工地上，宁波的轨道专家队伍也就此形成。

2.6 从源头抓安全

通过不断总结经验，整理出从源头抓安全的思路。具体为：结构安全从设计阶段抓，队伍素质从招标阶段抓，安全投入从标价抓，安全行为从教育培训抓，生产安排从合理节点工期抓。像深基坑工程这样的重大风险源，除进行安全管理生产条例中规定的安全专项评审外，由建设单位技术管理部门牵头，组织设计方案和施工方案联合审查，将结构施工风险提前消除。

2.7“战区制”建设管理模式

随着轨道交通线路增加，建设管理任务日趋艰巨。为适应复杂的管理，2016年8月宁波轨道交通实施“四位一体”改革，成立了建设分公司并进行大刀阔斧的机制改革，建立了以项目为核心的“战区制”管理模式。项目建设部作为“战区司令部”统一调动资源，各职能部门作为“兵种”负责相应的专业建设，统一服务于工程建设。“战区制”的建立更好地降低了内耗，减少了各部门、各专业之间的协调，提升了工作效率，也进一步提高了建设管理的专业性。

2.8 招标模式创新

除了建设管理机构的调整，针对技术集成度高、施工难度大的类矩形盾构隧道工程，还创新性地采用了科研、设计、施工总承包的招标模式。由施工企业牵头，联合设计、设备制造和科研院校组建实力强大的联合体共同进行投标。通过施工单位和设备制造单位的研发，获得类矩形盾构的设计方案和成形设备；通过设计和科研单位的研究，依托管片试制和试验，获得类矩形盾构断面、结构设计和可实施的管片。在整个联合体中，各参与单位各取所长，通力合作。随着该招标模式在3号线一期矩形盾构试验应用，并在2号线二期正式成功应用，为下一步轨道交通重难点项目提供了招标新模式。

从招标阶段的合理定位，到进场初期建立共识，再到工程实施的躬身践行，宁波轨道交通只是走出了第一步。未来任重道远，作为建设单位要时刻保持管理活力，创新意识还需要再延伸再深化，为进一步实现轨道交通建设的高质量发展添力。

3 工程建设技术创新

科学技术是第一生产力。宁波轨道交通针对建设过程中存在的难题进行了系统的技术攻关。自2009年起，宁波轨道交通开展了专项研究40余项，累计投入科研经费超过6 000万元；承担了宁波市科技局专项课题8项，发表学术论文200余篇；获得浙江省科技进步二等奖2项，上海市科技进步一等奖1项，宁波市科学技术进步奖一等奖3项、二等奖2项，省级以上行业协会奖4项。尤其是类矩形盾构和盾构隧道T接技术，作为创新性技术具有巨大的社会潜力，对行业发展起到了巨大的推动作用。

3.1 软土基坑修建技术

由于成因及地域性的差异，宁波软土具有鲜明的特点，深基坑变形特性也有别于其它软土地区。针对宁波地铁车站基坑工程施工面临地质条件差、环境保护苛刻的技术挑战，在国内外相关研究的基础上，宁波轨道交通开展了高流变性软土地层车站基坑修建关键技术攻关。在1号线基坑工程，对13个车站地下连续墙深基坑监测数据进行统计分析［4］，从基坑围护结构水平位移和墙后地表沉降两个方面对基坑变形特性进行了研究，得到地表最大沉降（δvm）与开挖深度（H）之间关系（见图 2）。

图2 地表最大沉降与开挖深度之间关系

通过系统的土力学试验和变形规律监测，得出了宁波软土的变形特征和沉降规律，提出了宁波地区深基坑工程变形控制标准，为宁波地区及软土地区深基坑工程提供指导。开展了施工工艺创新，在全国首创了基坑“三图四表”管控手段，形成了系统的管理和技术体系，取得了良好的应用效果。宁波轨道交通已完成的100多个大小基坑均安全无事故。

3.2 软土盾构修建关键技术

作为典型的软土地层，宁波轨道交通盾构施工面临着隧道轴线控制难、周边环境保护难和软土地层盾构隧道沉降防治难等重大技术难题。针对以上问题，宁波轨道交通开展了地铁盾构隧道修建关键技术研究，在盾构施工与软土变形规律研究的基础上，开展了软土刀盘切削工艺及渣土改良技术、同步注浆浆液配比及工艺研究，确定了符合宁波软土地层特点的施工参数；同时，针对通用环管片的特点开展了盾构施工精细化系列研究，取得了一整套盾构隧道沉降和不均匀沉降的控制和防治技术，以及施工纠偏技术和工艺控制方法，有效保护了周边环境。

目前宁波已开通的2号线一期地铁盾构线路，平均沉降≤6 mm，平均收敛≤7 mm，全线无病害。2号线一期地下段盾构区间沉降、收敛数据分别如图3、图4所示。

图3 2号线一期上行线地下段盾构区间（栎社国际机场站—鼓楼站）沉降数据

图4 2号线一期上行线地下段盾构区间（栎社国际机场站—运霞路站）收敛数据

3.3 宁波通用环管片结构关键技术

宁波轨道交通采用错缝拼装带凹凸榫槽的通用环管片（见图5）。管片外径6 200 mm，内径5 500 mm，环宽1 200 mm；每环由6块管片构成，其中含标准块3块，邻接块2块，封顶块1块。管片间接缝均采用强度等级为5.8级的M30螺栓连接，管片环与环之间采用16根M30螺栓连接。

该管片具有结构刚度大、长期沉降小、收敛变形小、模具统一经济性好、便于贮存和调配等特点［5］，同时对管片拼装以及盾构推进提出了较高的要求。

为研究通用环管片结构安全的控制指标，研究宁波轨道交通通用环管片结构在不同工况下的受力机制和破坏行为，开展了基于管片接缝试验和三环足尺模型的通用环管片结构安全关键技术研究（见图 6、图 7）。

该研究通过纵缝抗弯试验、环缝抗剪弯矩传递试验得到宁波通用管片的纵缝转角刚度、抗剪刚度和强度，以及弯矩传递系数等试验参数［6-7］，并开展足尺破坏试验以研究管片在施工、设计运营、超载和卸载等极限工况下的受力机制和变形行为，通过极限破坏试验得到管片的破坏链。试验荷载计算模型见图8。该试验中，国内首次开展了三环足尺破坏试验。

通过试验和模拟计算，得到管片结构的关键设计参数，为管片的设计优化提供了理论依据。通过试验探明了宁波环缝凹凸榫结构通用环管片整体刚度的机理，在宁波轨道交通4号线开展了管片结构优化试验，进一步提升了管片结构的强度和刚度。

图5 宁波通用环管片结构设计图

图6 接缝试验

图7 三环整环破坏试验

图8 试验荷载计算模型

3.4“阳明号”类矩形盾构的研发与应用

在宁波轨道交通3号线工程中，创新采用科研—设计—施工一体化的管理模式，开发了轨道交通类矩形盾构隧道技术体系。

该技术体系在类矩形盾构法隧道的衬砌结构设计方面，解决了管片设计、结构优化等问题；在类矩形盾构方面，开发了全断面切削刀盘与驱动系统、壳体铰接与密封、环臂式拼装机等技术；在施工技术方面，研究了同步注浆技术、管片拼装仿真与工艺优化、盾构轴线控制等关键技术［8-13］。这一新的技术体系将为我国地铁建设提供一种全新的单峒双线隧道类型，以解决都市核心区和老旧城区“地下空间摆不下、邻近设施碰不起”的普遍问题。

类矩形盾构法隧道在结构效率和空间利用效率方面比较平衡：与矩形断面相比，占用空间略大，但结构厚度大幅减小；与普通圆隧道和单峒双线大型圆隧道相比，大幅减小了占用的地下空间，但结构厚度略有增加。与21世纪初引入我国的双圆盾构相比，类矩形盾构法隧道有可能局部区段不设中立柱，空间使用具有更好的灵活性和发展潜力，例如可在区间内设渡线或存车线，亦可作为车站主体的一部分。

出于对经济性的考虑，常规类矩形盾构区间隧道衬砌采用设立柱的钢筋混凝土管片 (掺钢纤维)，设计最大顶覆土厚度＞25 m，限界按B2鼓型车考虑，兼顾A型车要求；特殊段采用钢或钢混复合管片后具备取消立柱的能力。类矩形盾构法隧道限界图见图9。综合平衡结构受力要求和管片回转、拼装空间，将衬砌环全环分为11块（见图10），混凝土管片厚度为450 mm。环间采用错缝拼装，管片环、纵向连接分别采用40根M36铸铁手孔短螺栓和30根M30斜螺栓，通过A型和B型衬砌环交错拼装形成错缝。

图9 类矩形盾构法隧道限界图

图10 类矩形盾构管片

类矩形盾构技术体系主要应用于城市核心区和老旧城区的地铁建设。针对这一需求特征，类矩形盾构的总体设计要求和指标如下：①采用土压平衡模式，外包尺寸为11.83 m×7.27 m，具备浅覆土和超浅覆土施工能力；②最大顶覆土不小于25 m；③最小转弯半径＜350 m；④系统性强化沉降控制能力；⑤确保长距离推进的设备可靠性；⑥具有富水软土地区普遍的地层适应能力；⑦施工效率与普通盾构相当。经试验工程验证，类矩形盾构达到了上述指标要求，刀盘、壳体铰接和拼装机设计都具有创新性。

与普通盾构和双圆盾构施工技术相比，类矩形盾构施工既有普遍性也有特殊性，相应施工技术的研究和应用可分为两个层次。首先，解决新型隧道的基本施工工艺问题，包括轴线和转角控制、管片拼装优化、同步注浆等问题；其次，在双圆盾构施工经验基础上进一步提高沉降控制能力，解决好宁波地区盾构隧道普遍存在的隧道上浮问题，以适应实际工程环境。类矩形盾构在施工工艺各环节均得到了有效的把控，地面沉降也得到了很好的控制，总体表现优于同类地层的普通盾构，达到了预期的目的［14-15］。

目前，3号线首条类矩形盾构区间工程已经贯通，类矩形盾构已在4号线及2号线二期工程中成功推广应用。试验段沉降情况见图11。本项目所采用的科研—设计—施工一体化模式所体现的科技成果转化效率是极高的，其打破设计、施工、装备制造之间的行业隔阂，找到了从装备研发入手，高速推动我国地下工程技术迈向世界领先水平的方法。

3.5 盾构隧道T接技术

为了适应地下空间开发要求，减小联络通道施工影响，降低施工成本，缩短施工工期，宁波轨道交通对目前国内外联络通道施工工艺的优缺点进行了充分分析。为进一步弥补现有施工工艺不足，提出了以微加固、可切削、严密封、强支护为基本特点的联络通道微加固机械法T接施工技术理念。其主要包含以下核心技术：

（1）盾构隧道区间泵房内置技术。宁波轨道交通开展了专项研究和试验（见图12），通过空间集约化的集水池设计和高性能水泵选型，在隧道道床范围内实现了满足消防规范要求的区间泵房设置。目前该技术已经在3号线及后续线路中全面应用。

图11 试验段沉降情况

图12 内置式泵房排水试验

（2）T接隧道结构设计技术。通过结构接缝试验、理论计算和模拟研究，实现了狭小空间联络通道盾构管片接头、结构及管节结构设计，以及复杂、可变受荷状态下主隧道盾构特殊管片结构设计和复杂受力结构T接洞门接头结构的设计。开展了联络通道盾构管片及顶管管节防水设计及试验研究，形成了满足城市轨道交通工程建设的盾构T接隧道结构及防水设计技术理论。管片结构示意图如图13所示。

图13 管片结构示意图

（3）集约空间一体化装备研发。首创集约型模块化适应性盾构顶管一体机，包含可切削混凝土管片结构的仿形刀盘设计、模块化盾构顶管装备整机一体化设计、集约空间适应性联络通道装备整机集成设计、高性能狭小空间管片拼装系统研发、适应性伺服内支撑台车及控制系统设计研发。装备概念图如图14所示。

图14 装备概念图

（4）机械法联络通道施工关键技术。通过狭小空间内的盾构顶管机套筒始发及套箱接收技术，实现了全封闭状态下的盾构进出洞；配合止水注浆工艺技术研究以及结构的变形支护，达到了微加固状态下的T接隧道施工。同时，通过研究微加固机械化施工对结构和周边环境的影响及变形的机理，以及建立数字化和精细化的施工管控体系，形成了符合轨道交通隧道工程要求的T接施工关键技术体系，如图15所示。

（5）首创多环伺服控制全环境结构隧道试验模拟装置及试验理论。为了模拟掘进机真实的进出洞施工过程及过程中隧道结构的受荷演变规律，分析支撑体系的安全性及有效性，设计了可模拟联络通道掘进施工的全环境模拟试验系统，以进行相应的模型试验。试验系统采用“站立式”以考虑隧道的自重荷载，最多可实现7环管片的同时加载，以考虑隧道局部受荷情况下的纵向传递特性；同时在模型装置一侧开口，可模拟联络通道结构的施工过程及受荷过程。全环境模拟试验装置见图16。装置净空直径初步设计为10 m，可满足目前国内所有常规盾构隧道结构尺寸的试验要求。

图15 施工管控体系

图16 全环境模拟试验装置

该技术已在宁波轨道交通3号线联络通道工程中成功应用。该工程为目前世界上首次采用盾构法施工轨道交通联络通道，工程实施效果良好。

4 思考与展望

“用心求知、躬身践行”是宁波轨道交通建设者的创新哲学。历经十载，宁波轨道交通人通过不断的学习与磨砺，形成了优秀的管理与技术创新成果，诸如“阳明号”类矩形盾构、通用管片技术、内置泵房技术和盾构隧道T接技术等成果的发明为实现宁波轨道交通安全、优质、高效的建设提供了有力的保障。宁波轨道交通建设者用勤劳和智慧绘就了一幅秀美的“十字”画卷，实现了数百万宁波市民的地铁梦。作为轨道交通的后来者，宁波轨道交通建设取得的成绩，离不开行业的支持。作为轨道交通和地下工程行业的一员，宁波轨道交通也寄希望于通过自己的技术研发推动整个行业更好更快地发展。

创新是发展的原动力，恰逢我国轨道交通事业快速发展和中国制造业转型的机遇期，未来的轨道交通建设对新技术、新工艺和与之对应的新的管理理念的需求将更加强烈。宁波轨道交通将立足于矩形盾构与T接技术等成果，继续深化创新与研究，为行业的发展做出新的更大的贡献！

参考文献

［1］朱瑶宏.宁波轨道交通土建工程初期建设的关键技术［M］.上海：同济大学出版社，2014.

［2］朱瑶宏.宁波轨道交通建设安全管理探索与实践［C］.∥中国土木工程学会，上海土木工程学会，上海城建隧道股份有限公司.地下交通工程与工程安全——第五届中国国际隧道工程研讨会文集.上海：同济大学出版社，2011：10.

［3］朱瑶宏，郦亮.轨道交通与城市环境的建设协同［J］.城市轨道交通研究，2014（10）：8-9.

［4］朱瑶宏，叶俊能，刘晓虎，等.宁波轨道交通地下连续墙深基坑工程变形特性及控制研究［J］.水文地质工程地质，2012，39（4）：66.

［5］朱瑶宏.地铁盾构通用管片结构理论与实践［M］.北京：中国建筑工业出版社，2017.

［6］朱瑶宏，柳献，张晨光，等.地铁盾构隧道纵缝接头螺栓形式对比试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2015，12（6）：1427.

［7］朱瑶宏，张宸，柳献，等.错缝拼装通用环管片环缝抗剪性能试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2017，14（2）：315.

［8］杨志豪，沈张勇，朱雁飞，等.类矩形盾构隧道设计方案研究［J］.现代隧道技术，2016，53（S1）：83.

［9］朱瑶宏，朱雁飞，黄德中，等.类矩形盾构法隧道关键技术研究与应用［J］.隧道建设，2017，37（9）：1055.

［10］朱瑶宏，张维熙，董子博，等.类矩形地铁盾构隧道纵向接缝受力性能对比研究［J］.铁道科学与工程学报，2017，14（6）：1278.