城市轨道交通的绿色安全现代化建造

2021-08-28郝志宏北京市轨道交通设计研究院有限公司

城市轨道交通 2021年7期

文/郝志宏，北京市轨道交通设计研究院有限公司

近20年，我国轨道交通一直保持了高强度建设水平。但随着建设工程的深入发展，逐渐暴露了一些问题，诸如轨道交通工程建设过程中的环境污染、社会影响、资源浪费及劳动力缺乏等。只有坚定不移践行创新精神，大力提高技术及管理水平，打造城市轨道交通工程的绿色、安全、现代化的新型建造模式，才能保持该行业领域的可持续发展。

我国轨道交通建设现状及问题

我国城市轨道交通建设从本世纪初即开始高速发展，从2000年与2020年的轨道交通数据对比看，20年时间内，全国拥有轨道交通城市增加了约11倍，全国运营轨道交通线路数量增加了约14倍，运营车站数量增加了约20倍，运营线路总长度增加了约50倍。目前全国城市轨道交通运营里程排行中，以北京、上海为700公里级第一梯队，广州、成都等为500公里级第二梯队，深圳、南京、重庆、武汉等为300公里级第三梯队，全国运营城市达到了44座，在世界范围内已远超其他发达国家。

2020年，国家发展改革委批复徐州、合肥、重庆、济南、宁波5座城市的城市轨道交通新一轮建设规划，共4862亿元；批复深圳、厦门、福州、南昌建设规划调整，共计782.69公里，6059亿元。

批复《粤港澳大湾区城际铁路建设规划》，总投资约4741亿元，含深圳都市圈、广州都市圈项目。合计约1.5万亿元。我国的轨道交通建设在较长一段时间内，仍然处于高速发展期。

在大力发展轨道交通的过程中，虽然取得了耀眼的成绩，但也暴露了一些引人深思的问题。主要为：轨道交通工程建设过程中产生的噪音、粉尘、振动等环境污染问题较为严重；建设过程带来的交通干扰、用地占用、景观影响给百姓正常生活带来困扰；另外，目前的建设方式，还存在工艺工法复杂、简单劳动力需求多、施工周期长、临时建材浪费等问题，需要尽快解决。

其中，轨道交通建设工程的农民工人力资源缺乏问题，尤其严重，根据相关研究报告显示：

整个农民工行业平均年龄为43岁，且按逐年递增1岁发展；41岁至60岁农民工占比为50%，说明新的年轻人逐渐不愿意从事农民工作业；建筑行业的农民工占比更是少至整个农民工的15%，是农民工不愿意从事的工种；轨道交通领域的农民工需求每年高约5000万人（次），目前农民工需求不足问题逐渐加剧，逐渐发展为工程开展的社会化难题。

根据相关研究结果，解决上述问题的方案为：提高岗位吸引力；提高建筑业工资水平；改善岗位工作条件；提高劳动生产率；运用新技术，减少对劳动力依赖。这个需求跟轨道交通工程绿色、安全、现代化建造的实现方向是一致的，那就是通过现代会的技术及管理手段，实现轨道交通建设工程的绿色、安全建造。具体为：

·努力方针：机械化减人，信息化换人。

·实现思路：改变传统工法工艺，满足机械化、信息化要求；工序更简，转换更少；把手工业改成流水线；颗粒化、碎片化的工艺少一些，砌块化、组装化的工艺多一些。

·工作方向：

1.盾构工法：是现代化建造的典型代表，基本满足上述要求。

2.明挖工法：向预制拼装法过渡，减少现场多工序作业，尽力减少绑筋、支模、浇筑、养护等难以模块化的工艺。

3.暗挖工法：在传统的喷锚构筑法基础上，尽量多把人工作业由机械化代替；传统喷锚构筑工艺改为拼装法为主新工艺，配套机械化、信息化装备；全面革新地下工程建造方法，改为全机械化构造方式。

国家对现代化建造的推广政策

自党的十八大提出要发展“新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化”以来，国家多次提出发展装配式建筑的政策要求。北京、上海、深圳和福建等多个省市也下发了具体实施意见。进入2016年后，政策指向更加明显：

·2016年2月6日，《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，要求“积极推广应用绿色新型建材、装配式建筑和钢结构建筑。力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建筑建筑比例达到30%”；

·2016年3月5日，李克强总理在政府工作报告中提出：在深入推进新型城镇化过程中，要“积极推广绿色建筑和建材，大力发展装配式建筑”；

·2016年3月17日，《国家十三五纲要》正式发布：“提高建筑技术水平、安全标准和工程质量，推广装配式建筑和钢结构建筑”被明确列为发展方向；

·2016年9月14日，李克强主持召开国务院常务会议会议后，出台政策《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》国办发〔2016〕71号。

国家层面的系列文件精神，全部集中指向与工程建设领域的装配化、环保护、智能化、现代化建设。

北京市关于轨道交通绿色安全建造的政策

2017年3月6日，北京市5大委办局联合推出的“关于印发《北京市城市轨道交通建设工程推进绿色安全建造指导意见》的通知”文件中，明确了下一轮的北京地铁建设目标，应是以绿色安全为目标的。2017年10月12日，北京市住房与城乡建设委员会发布关于《推进轨道交通明挖基坑防尘隔离棚实施工作的通知》。

在上述系列文件中，北京市轨道交通工程的绿色安全现代化建造思路逐渐明晰，那就是围绕“通用设计模数化”“现场施工工厂化”“工序作业机械化”“过程管理信息化”“绿色施工常态化”的“五化”精神，其中第一、二化为工程装配式指明了具体执行方向；第一、二、三化为工程建设智能化奠定基础；第二、四、五化是工程建设环保化的保证。

北京地铁在绿色安全建造方面的行动

1.施工场地绿色安全标准化

北京市轨道交通工程，围绕施工场地绿色安全标准化，制定了政策和具体执行手段，在围挡及场地标准化、围挡形式立面统一、钢筋预制加工厂、二维码构件施工管理等方面已经全面铺开，取得了整体性的进步，也获得了技术及管理的系列成果。

2.车站主体装配式

在明挖盖挖工法的车站主体结构建造方法革新上，北京市轨道交通在6号线西延工程金安桥站做了大胆试验，该创新充分吸收民建领域的装配式技术，将车站主体结构构件按照现场实际操作需求进行针对性改进，如对现场施工难度较大的边墙、中板、顶板采取了装配+现浇的叠合结构方式，对装配安装条件较好的结构柱采取了全装配的方式，对现场浇筑条件很好的底板构件采取了直接现浇的方式。这样的创新以实际需求为主，解决现场问题，避免形而上的本位主义，取得了很好的经济和社会效益。

北京地铁6号线西延工程金安桥站主体结构装配式构造图

本工程预制构件8种：分别为地下二层的边墙、中板纵梁、边跨中板（带风道）、中跨中板、地下一层边墙、顶板纵梁、边跨顶板、中跨顶板，均采用了装配式叠合结构工艺。其中边墙与底板、中板的连接采用灌浆套筒方式。主体结构其余的连接部位均采用现浇混凝土工艺。

金安桥站地下车站转配式建造示范试验段的顺利完成，验证了预制构件节点设计的合理性、施工工艺的可行性和先进性，为推广应用新型地下工程装配式建造方式提供了技术保障。

3.车站站内结构装配式

对于站内二次结构的装配式工程试验，轨道交通19号线新发地站进行了全面的设计方案创新及试验。创新试验包括站内楼梯结构、轨顶风道、站台板、二次隔墙等内部构件。

实验表明，主体结构的内部结构的装配式，可大大提高工程质量，减少工序交叉影响，避免工程材料浪费，提升机械化操控，减少工人数量，均具有积极意见。

4.明挖围护钢支撑节点创新优化

针对明挖工程基坑围护结构的钢支撑活络头目前的工业设计程度低、操作简单粗糙精准性差、受力偏心严重、存在安全隐患等问题，研发了适用于基坑围护结构的锥楔式钢支撑活络头，该创新通过锥楔面将钢支撑部分轴力改变为横向作用，利用多排高强螺栓夹紧锥楔座，承受和传递钢支撑轴力；同时通过千斤顶施加预加轴力，调节6套高强螺栓来进行轴向定位，预加轴力达到设定值时，紧固螺栓即可锁定该装置来承受和传递轴力。

该创新的研发，对提高基坑工程支撑构件的标准化程度、改善目前不规范操作、提升工程安全保障度及工程质量，均具有显著的积极作用。

5.矿山隧道机械化

北京市轨道交通15号线、16号线工程对目前的矿山法机械化进行了深入的探索，并取得了杰出成就。

其适用于洞桩法（PBA法）暗挖车站的洞内反循环钻机、钢管柱安装机器人，适用于矿山法区间的隧道开挖支护联合机、矿山二衬模筑机械台车等装备已较为成熟，并经多年迭代改进，相继推出了新版本。在国内矿山法地下工程领域取得较大反响。

为进一步改善洞内钻机工作环境，减少泥浆对工程环境的影响，又对低净空旋挖钻机的创新进行了不断创新改进，目前已取得一定效果。

根据地铁隧道施工出碴的特点，北京地铁19号线工程平安里站研究设计了一种全新立式提升输送系统，该设备主要优点是输送倾角大，最大可实现90°。该设备提升效率高，占地面积小，操作简便，维修方便，运行平稳可靠，噪声小，没有斗提机经常出现的卡链、掉斗现象。还可以在机头和机尾设置任意水平输送段，便于和其他设备衔接。设备调试后进行现场测试结果表明，机械化流水线皮带式物料输送系统，可提高5倍工效，取得了较大反响。

6.暗挖区间新工法研发

·新型拼装式暗挖初期支护衬砌工法。传统的矿山法隧道工法及洞桩法车站工法，均为构建于喷锚构筑法基础上的浅埋暗挖法，其工艺工法成熟度较强，安全可控，是目前普遍采用的暗挖工法，在其基础上，将手工作业改为机械化作业，是实现现代化建造的途径之一。但由于该传统工法的工艺局限，其机械化、现代化及智能化的实现水平有一定的上限。所以较为彻底的办法，为从根本上创新暗挖工程的建造方法，将其更新为更适用于机械化、数字化、智能化的新型工法。北京市昌平线二期工程学院路站对其进行了不断探索，采用拼装式波纹板创新工法，取得了非常好的效果，目前该工法取得了多项专利，在后期的工程建设中大力推广指日可待。

经实验研究表明，拼装式波纹板暗挖初支衬砌结构，有如下优点：免除绑扎钢筋、架立格栅、喷混圬工等作业，绿色环保；工作面环境大大改善，人性化；工序大大简化，只有开挖、支护两个大工序，易于机械化；减少民工数量，节约社会资源；施工进度加快，经济高效；衬砌初期刚度大、封闭成环加快，安全系统提高；减小开挖断面，管片重复利用，工业化程度高，经济性好。

该工程目前已完成倒挂井壁竖井及暗挖隧道的波纹板拼装式试验工程，后期对机械化安装的工作，也做了设备需求的研发及研究，目前已积极开展自动化安装机器人的设备研发工作。

·拼装式暗挖二衬工法。北京地铁6号线西延还试验了拼装法二衬工艺，研发了相应配套装备，工程试验顺利圆满。该技术的研发成功，与上述拼装式波纹板初衬结构配合，可完全实现暗挖隧道的拼装式作业，为之后的系统性实现暗挖隧道的绿色安全现代化建造铺垫了坚实基础。

7.暗挖车站新工法研发

北京市目前在暗挖工程的新工法新技术探索上，取得了不少成就，其中暗挖工程“不降水、少降水”的各种地下水治理方法，以及新型暗挖工法的研究，均取得了不俗成绩。其中超级管幕法（SPR工法）的研究，已通过了理论工法研究及室内试验研究，取得了显著进展。

超级管幕法（SPR工法）是一种利用管幕结构体系形成隔水屏障、在其保护下进行施工的新型工法——超级管幕法（Super Tubular Roof Method，简称SPR工法）。该工法采用非开挖的方式（顶管），在预建的地下空间外轮廓位置，用小直径钢管（如1m）和大直径钢管（如3m）直径管幕形成封闭隔水的屏障，同时充分利用大直径管幕在开挖空间形成具有一定纵向间距的环向型钢或钢筋砼内支撑（类似医学上的血管支架），以及形成一定纵向间距的土体加固止水阻塞体（类似医学上的血栓），并利用管幕的纵向抗弯承力特性，将其作为初期支护承担洞室周边水土压力荷载。在此封闭屏障的保护下采用“全断面棚架法”开挖土方，从而砌筑二衬形成地下空间结构的工法。

超级管幕法是一种全新的暗挖工法，是基于机械化的全新暗挖工法。随着建设工程自身质量安全续期和环境安全需求的提高，暗挖车站机械化的技术研发思路必定是大型的专用型装备配套数字化智能化的技术开发思路，本工法的研发，将会大大促进该领域的技术发展。

8.暗挖竖井封闭防护大棚

随着北京轨道交通工程绿色安全建造行动的开展，从2017年至今，北京市四环内几乎所有的暗挖工程（包括北京地铁3号线、11号线、12号线、16号线、17号线、19号线、昌南线等工程的车站及区间）竖井，均采取了防尘隔离棚的建造方式，该建造方式的发展，大大提升了北京市轨道交通建设水平，保护了外部环境，在振动及噪音控制、空气质量控制、施工安全控制、外部景观协调、创造全天候施工条件、加快地铁建设进度等方面，取得了杰出的经济和社会效益。尤其是北京地铁8号线三期王府井三站的立体式施工车间工作棚，创造性地将封闭棚与场地立体化布置结合，建造了一个三维工作平台及物资存放平台，尤其适合于地面场地条件极端困难时的轨道交通工程施工。

9.明挖基坑防护大棚

除了暗挖工程的防尘隔离封闭棚，北京轨道交通工程在车站明挖基坑的封闭大棚创新也取得了全国瞩目的成就。其中积水潭站、三元桥站、香河园站的基坑封闭大棚，采用了全装配式的超轻钢结构+骨架模结构型式，在满足快速拼装、临时拆卸恢复、半永久结构的基础上，还实现了可满足多次使用的功能，大大延长了封闭大棚的使用寿命、显著降低了工程使用成本，对该建造方式的可持续发展具有较大的推进作用。