地铁地下车站绿色高效智能建造的思考

朱 旻, 孙晓辉, 陈湘生, *, 崔宏志, 李爱东, 丁志坤

(1. 深圳大学土木与交通工程学院， 广东 深圳 518060； 2. 深圳大学 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室， 广东 深圳 518060; 3. 深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室， 广东 深圳 518060; 4. 中国铁路设计集团有限公司， 天津 300100)

0 引言

近年来，在全球经济发展面临前所未有的资源与环境压力的大背景下，绿色发展成为世界主要城市发展的核心战略。《住房和城乡建设部等部门关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》(建市〔2020〕60号)提出了智能、绿色和装配式建造的指导意见；2021年政府工作报告中将“做好碳达峰、碳中和各项工作”列为重点任务；“十四五”规划也将加快推动绿色低碳发展列入其中。因此，绿色、高效、智能成为我国基础设施建设的重要发展趋势。

截至2020年底，我国城市轨道交通运营总里程已达7 655 km，新增运营线路里程约1 226 km[1]。未来10～15年仍有大量地铁线路规划待建，这其中包括了数量庞大的地铁地下车站。按照当前的设计、建造方式，每座地铁车站主体结构大约消耗混凝土36 400 m3、钢筋7 120 t、防水卷材39 100 m2、外弃土方192 400 m3；围护结构需要消耗混凝土21 280 m3，制备泥浆4 820 m3。地铁地下车站耗能、耗材的建造方式，带来环境和空间的巨大压力。另外，地铁地下车站同时还作为盾构区间渣土的出口，需要处置大量的渣土，就现有技术而言，处置难度和环境压力更大。因此，在大规模进行的地铁建设中，率先实现绿色、高效、智能建造的目标将对全国的地铁地下车站建设和地下空间开发产生重要的引领、示范意义； 同时，其中所伴随的高端装备、新材料等技术的产业化应用对经济、社会发展将起到重要作用。

本文基于对地铁地下车站建造技术研究现状的分析与思考，提出未来地铁地下车站绿色高效智能建造的技术路径。在打破传统的资源高耗、环境负效、建时过长的建造模式基础上，通过颠覆式技术、方法、新材料和新结构体系，形成绿色高效智能建造模式，为全国地铁地下车站建造提供新范式，实现绿色高效智能建造，践行建设美丽中国的宗旨。

1 地铁地下车站新型装配式结构体系

1.1 我国装配式地下车站研究现状

传统地铁地下车站基坑支护体系一般采用锚拉式结构(适用于硬地层)或支挡式结构(适用于软弱地层或复杂软硬混合地层)，挡土结构多为钻孔灌注围护桩或地下连续墙，而主体结构一般采用现浇钢筋混凝土，其优点在于整体性和防水性能较好，但现浇钢筋混凝土养护时间长、施工质量难以保证。当主体结构建造完成后，支护结构中的围护桩或地下连续墙废弃于地下，造成了极大的资源和空间浪费。

装配式地下车站结构部分或全部采用预制构件，具有施工效率高、劳动力需求少、环境污染小等优势。在我国大力推进装配式建筑的政策背景下，装配式地下车站蓬勃兴起。长春地铁2号线袁家店站是我国首个装配式地下车站，如图1所示。此后，长春地铁陆续建成了6座装配式地铁车站，北京地铁、青岛地铁、哈尔滨地铁、济南地铁等也进行了装配式地下车站应用。此外，深圳地铁计划将7座地铁车站作为首批装配式车站试点。

图1 装配式车站施工现场(长春地铁2号线袁家店站)

地下车站埋设于地层之中，在水土压力作用下地层-结构协同变形，其结构力学特性和一般地上装配式结构不同。如图2所示，长春地铁装配式车站采用了桩锚基坑支护体系和单拱双层主体结构型式，在榫槽接头抗弯抗剪性能[2]、整体结构力学性能[3]、防水体系[4]和结构抗震性能[5]等方面，经过一系列理论、试验研究和工程实践，形成了适合长春地区的装配式地下车站成套设计理论和技术体系。北京、济南、哈尔滨等城市采用叠合式车站主体结构，并对车站节点型式、结构体系抗震性能进行了研究[6]。此外，深圳、杭州等城市陆续开展了链刀法装配式车站(无支护结构，车站地面装配后整体下沉)、连续墙-内支撑支护下的装配式结构等新结构型式的研发工作，推动了装配式地下车站理论体系进一步发展。

图2 装配式车站理论和技术体系(单拱双层结构，长春)

目前，许多装配式车站仍采用现浇+装配的复合结构形式，整体装配率较低且造成资源浪费。长春地铁采用的桩锚支护方案在北方城市适用性较好； 但南方地下水位高，且随着城市地下空间开发密度不断增大，新建车站的变形控制更加严格，采用内支撑+连续墙支护体系成为装配式车站发展的迫切需求。针对上述不足，提出采用预制地下连续墙同时作为围护结构和永久结构的“两墙合一”装配式地下车站新型式，可作为未来装配式车站的发展方向。

1.2 装配式地下车站新结构型式研究——以“两墙合一”装配式地下结构为例

现浇地下连续墙作为工程最常用的围护结构型式之一，存在如下弊病： 水下浇筑混凝土易因夹泥而引起墙面渗水；泥浆护壁不当容易引起槽壁坍塌；现浇墙接头处抗渗指标达不到技术要求；接头结构无法传递弯矩，整体性有所降低。预制地下连续墙的混凝土浇筑质量和耐久性可以保证，成槽完毕即可连续吊放墙段，可采用不同构造措施加强整体性并满足结构自防水要求，能有效解决现浇地下连续墙存在的问题。作为地铁地下车站围护结构的一项突破性技术，“两墙合一”主要采用预制地下连续墙，将基坑围护地下连续墙同时用作地下结构主体外墙，承担正常使用阶段荷载，从而有效提高材料利用率，减少土方开挖量和回填量，降低工程成本，节约资源和空间[7]。相关研究成果表明，“两墙合一”在控制基坑变形、缩短工期和降低工程造价等方面具有优势[8-10]。

装配式地下连续墙施工现场如图3所示，目前仅有上海、天津等城市进行了少量预制地下连续墙的施工，相关研究处于起步阶段，而国内外关于“两墙合一”装配式地下车站的研究尚属空白。因此，亟需针对“两墙合一”装配式地下车站节点设计、结构力学特性、防水体系和抗灾性能方面进行深入研究，形成系统的设计理论和技术体系。

图3 装配式地下连续墙施工现场(天津地铁6号线景荔道站)

1.2.1 “两墙合一”装配式地下车站设计理论

1.2.1.1 预制地下连续墙墙身和节点设计

系统研究装配式地下连续墙的离散分块优化方案和构件轻量化技术；基于钢筋锚接、螺栓连接、钢棒连接、凹凸榫接、钢板连接等常用预制构件连接技术，研发适用于预制地下连续墙的新型横纵向接头，并通过室内试验和数值分析，研究预制地下连续墙幅内横缝、幅间接头的承载能力、变形特征和破坏机制，形成预制地下连续墙接头型式设计理论。预制地下连续墙新型横纵向接头如图4所示。预制地下连续墙采用钢棒横缝接头和幅间C-T钢接头时，能够较好地满足墙身整体拉拔和抗弯性能要求，但其定位施工难度较大，防水要求高，仍有进一步优化空间。

(a) 接头构造

(b) 计算模型

1.2.1.2 预制地下连续墙和主体结构间节点设计

研究预制地下连续墙与全预制主体结构板间的刚性、半刚性和铰接节点连接技术，并通过结构板-侧墙新型节点试验和数值仿真，揭示节点变形和破坏特征。

1.2.1.3 “两墙合一”装配式车站结构力学性能

根据预制地下连续墙横纵缝以及地下连续墙和地下车站底板、中板和顶板间的刚性、半刚性和铰接连接条件建立不同的理论计算模型，研究“两墙合一”装配式地下车站结构受力机制和变形模态。 采用内支撑体系的“两墙合一”装配式车站结构型式时，预制地下连续墙在施工阶段和服役阶段的力系转换机制尚不明确，因此，应研究地下连续墙从围护结构到主体结构功能转换中车站结构的力系转换模式及变形演化规律(见图5)。在以上研究的基础上，系统提出装配式“两墙合一”地铁地下车站的设计理论和相应构造措施。目前已有研究成果表明，采用铰接或半刚接接缝，对结构转换过程中的受力更加有利。

(a) 施工阶段 (b) 使用阶段

1.2.2 “两墙合一”装配式地下车站防水理论和关键技术

为了适应南方地区地下水位高的环境特点，提升“两墙合一”装配式地下车站的结构自防水和接头防水性能尤为重要。造成地下车站混凝土开裂的原因主要有塑性收缩、化学收缩、干燥收缩、温度收缩、碳化收缩等。因此，应从水化-温度-湿度-约束多场耦合的角度，结合热力学和多孔介质力学量化混凝土收缩开裂风险，实现混凝土开裂防控，形成抗裂性能专项设计理论。同时，应重视补偿收缩混凝土、纤维抗裂混凝土、自密实混凝土等高性能防水混凝土的研发工作[11]，形成新型自防水混凝土成套制备-施工技术，并建立相应性能控制指标体系。

传统的接头和接缝防水方式即为止水带和注浆等。但对于预制地下连续墙而言，预留膨胀止水条与泥浆反应效果不佳，地下连续墙横纵缝的防水效果难以保证；注浆防水的机制仍未完全阐明，注浆时机和注浆量仍需深入研究。因此，需加强适配于预制地下连续墙横纵缝新型接头、地下连续墙和主体结构板接头的防水装置研究(见图6)，建立接头防水设计理论和技术体系，全面提升“两墙合一”装配式车站接头和接缝的防水性能。

图6 预制地下连续墙新型接头防水装置

1.2.3 “两墙合一”装配式地下车站抗灾性能

与地面结构不同，地下结构在地震作用下受土-结构相互作用影响，有其独特的特点和地震反应规律。近年来，地下装配式车站在地震、爆轰等极端条件下的性能成为众多学者关注的焦点。与现浇车站相比，装配式车站具有更好的抗变形能力[12-13]。但目前“两墙合一”装配式地下车站的抗震性能研究尚属空白，尤其是对不同地质体环境和地震条件下，采用不同接头连接方式的车站结构地震反应规律认识不清。另外，地铁车站作为地下人流密集场所，对爆炸、轰击等极端状况下的承受能力是韧性基础设施建设的必然要求。

目前对于“两墙合一”装配式车站的抗爆轰性能，尤其是重点构件的爆炸响应、地下结构安全防护及生命保障体系缺乏系统研究。因此，应聚焦于“两墙合一”装配式地下车站在地震、爆轰等灾变因素作用下的结构动力响应、损伤演化过程及灾变破坏机制，建立和完善地铁地下车站新型结构体系灾害防控理论和安全防护体系。重点研究“两墙合一”装配式地下结构抗震分析理论方法和抗震构造措施、隔震减震新型材料及技术，以及爆轰条件下“两墙合一”装配式地下车站结构破坏规律和相应防控措施。

1.3 装配式车站中新功能材料的研发及应用

装配式车站在设计建造阶段应广泛使用新型功能材料，实现结构材料功能一体化。例如: 采用力学性能和化学性能均优于普通混凝土的纤维混凝土材料、超细水泥注浆材料和生物注浆材料等克服传统注浆缺陷的新型注浆材料，可有效修复混凝土裂缝的自修复材料与形状记忆合金(SMA)等[14-16]。未来应进一步开发适用于地铁地下车站的关键构件和部位，且兼具高韧性和高抗冲击性能的新型复合材料、新型记忆性材料、智能材料和自修复材料。

2 地铁地下车站智能建造关键技术

智能建造是人工智能等新一代信息技术和工程建造需求深度融合的一种工程建造创新模式[17]。实现地铁地下车站智能建造的核心，是在地铁车站要素资源数字化基础上，结合自主知识产权工程软件体系、工程物联网技术、大数据和人工智能算法、智能工程机械，实现设计、施工、运维管理全流程一体化高效协同。

2.1 地铁地下车站材料-结构一体化协同设计方法

当前传统的基于安全系数或可靠度的结构极限状态设计理论无法完全适应智能建造高效动态协同的设计需求，而数字孪生等信息化技术在设计行业中的成功应用，则提供了一种极具颠覆性的面向未来的设计理念和方案[18]。地铁地下车站材料-结构一体化协同设计理论的核心，是在大量材料力学试验、构件性能试验、结构足尺试验和数值分析获得的材料物性和结构模态规律基础上，基于已建案例的设计模型和海量实测数据，建立特定地层条件和周边建构筑物环境下的地铁地下车站数字孪生模型，并通过海量计算和深度学习算法得到车站结构模态的动态演化规律，从而判别最优的车站几何特征、材料配比、结构型式和感知元件布置方式等。特别是对于装配式地下车站，还包括确定最优的围护结构和主体结构的构件分块方式，以及拼接和拼装方案等。

实现地铁地下车站材料-结构一体化协同设计的关键，一是实现对材料物性和结构模态的准确判识，特别是要开展新型高韧性材料(如钢纤维混凝土等)的材料物性和相应车站装配式构件/结构的力学性能演化的理论和试验研究；二是应基于大量已有车站监测数据的积累，加强深度学习算法和数字孪生技术在地下车站结构设计中的应用研究。

2.2 地铁地下车站轻量化BIM模型和集成应用

建立以BIM为核心的工程软件和集成应用体系是工程建设领域实现智能建造的关键。自住建部2016年发布《2016—2020年建筑信息化发展纲要》以来，相继有3部BIM国家标准GB/T 51269—2017《建筑信息模型分类与编码标准》、GB/T 51301—2018《建筑信息模型交付标准》、GB/T 51302—2019《制造工业工程设计模型应用标准》以及1部行业标准JGJ/T 448—2018《建筑工程设计信息模型制图标准》陆续发布。同时，国产BIM软件研发工作也进展迅速，极大地推动了BIM技术在设计、施工、运维全过程的集成应用[19]。但不可忽视的是，当前我国国产BIM软件研发整体实力不强，核心技术缺失，行业市场份额长期被Autodesk、Bentley、Catia、Dassault等国外公司占据。由于国家标准出台较晚，BIM技术的应用大都在地方企业层面，也导致了标准无法统一。因此，在宏观方向上，首先应面向国家基础设施工程建造需求，尽快完善BIM软件技术标准体系，并对三维图形引擎等“卡脖子”技术进行攻关，不断优化国产具有自主知识产权的BIM软件，并以此为核心形成全产业链一体化软件生态和应用场景。

地铁地下车站工程体量大、地质信息庞杂，导致了BIM基础数据庞大冗余，难以适应PC端、移动端多维度下的可视化需求。轻量化BIM模型是解决上述问题的重要方法，通过参数几何化描述、相似性图元合并、遮挡剔除、批量绘制和LOD(level of details)等技术实现模型几何和渲染轻量化[20]。装配式地下车站是未来地铁车站发展的重要趋势，主体结构由标准化预制构件拼装而成，具有应用轻量化BIM技术的潜力，其中，关键技术包括地铁地下车站结构物分类与映射、基于地铁地下车站结构物特征的建模算法、异形结构网络模块关键算法、三维几何图形可视化模块算法和外部行业通用的数据交换模块等。以地铁地下车站轻量化BIM模型为核心，进一步完成BIM技术和智能机器人、工程物联网及云平台的协同交互和集成应用，先“化整为零”开发不同功能的子系统，再“积零为整”形成多方协同的系统化管控平台[21]。图7为研究团队开发的基于自主知识产权BIM软件和物联网技术的深圳地铁某车站基坑智能监测预警平台。

(a) BIM模型建立

(b) 监测数据可视化

2.3 基于工程物联网的地铁地下车站构件智能融合感知技术

物联网技术通过多种智能传感器获取工程状态信息，实现工程现场“人、机、料、环”的互联互通和高效整合，是“智慧工地”和智能建造的关键技术。目前，国内地下工程建设积极采用机器视觉、分布式光纤、微机电传感(MEMS)、射频识别(RFID)、无线传感网络(WSN)和BIM技术，实现工程现场人员、机械的高效管理和施工安全现场监测。图8为深圳市黄木岗地铁枢纽采用机器视觉和MEMS高精度倾角计监测结构变形，监测数据均采用无线网络上传至云端后进行分析和预警。如图9所示，珠三角供水工程中将盾构管片钢筋笼上遍布分布式光纤，全方位监测隧道管片施工期内的管片应力。随着5G技术、物联网、移动终端的融合发展，将智能感知识别技术内嵌于装配式构件中，形成构件制造、施工及运维过程全覆盖的监测网络平台，已经成为装配式地下结构新的发展趋势。

对于新型地铁地下车站装配式结构体系，在地下连续墙、梁板等预制装配式构件中内置智能化应力、应变、渗漏、温度等感知元件(包括但不限于准分布光纤光栅、全分布式光纤、微机电传感器、无线应力应变传感器、自修复胶囊等)，并结合5G、物联网、边缘计算、大数据和人工智能算法、BIM技术，实现构件浇筑、养护、运输、吊装、拼装、运维全生命周期关键信息智能感知、研判和预警，获得新型地铁地下车站预制构件和整体结构在制造、建造、运维全过程的力学性能演变规律，从而保证车站结构安全可靠。其中，亟待突破的关键技术为适用于地下复杂工作环境的新型全要素感知和柔性自适应组网技术、满足长时工作要求的高性能智能传感元件和封装技术、高效稳定的无线网络传输技术、多模态异构数据智能融合处理技术等。同时，也要充分利用我国未来地铁地下车站建造市场的规模优势，积极推进智能融合感知技术的示范应用工作，尽快形成相关应用标准和技术指南，不断提升地铁地下车站物联网技术应用水平和价值。

(a) 机器视觉

(b) MEMS高精度倾角计

2.4 地铁车站智能工程装备和配套技术集成开发

面对地铁地下车站发展新趋势，亟需开展新型智能工程装配和配套技术开发工作。智能化工程机械融合多维信息感知进行自决策，通过土木、电子、机械、信息等多专业联合，实现无人化或少人化作业，提高施工安全性和作业效率。

2.4.1 预制地下连续墙施工装备和配套技术

在常规抓斗成槽和TRD成槽技术的基础上，结合可编程逻辑控制器(PLC)、电子控制单元(ECU)、控制器局域网络(CAN)、5G+北斗+物联网深度融合的智能定位技术(见图10)，研发适用重型预制地下连续墙的智能成槽和精准吊放于一体的成套装备与系统。未来还可结合VR+AR技术，进行装备远程操控，实现施工现场少人化甚至无人化。通过工程装备的智能化改造可移植、通用模块，实现地铁地下车站智能现代化装备的集成开发，并与之配套形成地铁地下车站新型围护结构高效、智能施工成套技术，包括适用重型预制地下连续墙工艺的高效施工成槽、开挖及变形控制技术，适用不同类型地层的新型护壁泥浆支护技术，基于图像智能识别的地层-泥浆配比匹配算法，适用于地铁地下车站的预制地下连续墙构件划分、拼接及拼装方案等。

(a) 分布式光纤布设

(b) 传感器现场调试

图10 基于5G+北斗+物联网技术的预制构件高精度吊装设备

2.4.2 车站结构智能拼装装备和配套技术

预制构件智能定位拼装技术在桥梁节段、盾构隧道管片等领域已有应用[22]，但在预制装配式地铁车站建造中尚不多见，相关装备研发工作尚未开展，尤其在护壁泥浆下的预制地下连续墙的智能化拼装技术尚属空白。因此，需结合不同地下装配式车站围护结构和主体结构型式特点，研发相应的拼装方案和智能化装配系统。图11为适用于南方高地下水位地区的地下连续墙+内支撑围护体系地下车站智能拼装装备。配套技术方面，首先研发地铁地下车站预制构件拼装过程实时感知、调整和精准校正技术，尤其是对泥浆护壁条件下预制地下连续墙拼装进行重点攻关和突破；同时，通过建立地铁地下车站智能精准拼装云平台，对复杂施工条件地下车站预制构件拼装定位、传输风险进行实时预测和精准预控，形成标准化智能拼装成套技术方案。

图11 地下连续墙+内支撑围护体系地下车站智能拼装装备

2.5 地铁地下车站全生命周期安全智控平台

智能建造的目标是实现数字链驱动下设计-制造-现场施工-运维服务全生命周期高效协同一体化。因此需融合多元化智能感知技术、5G数据传输技术、大数据和人工智能技术、可视化技术等，实现装配式地铁地下车站从结构型式设计、预制装配式构件(包括预制地下连续墙、梁板柱主体结构等)生产、现场拼装和运营期维修养护的全产业链全流程智能数据挖掘、知识发现、风险评估、反馈预警与应急响应和可视化展示，从而建立起地铁地下车站全生命周期智能感知、评估决策和安全控制平台。

地铁地下车站全生命周期安全智控平台的核心是大数据平台和人工智能决策。工程大数据包含工程全生命周期各阶段和各层级产生的数据，其核心价值通过各类分析产生，其中，以深度学习为代表的人工智能分析算法具有广阔发展前景。深度学习算法通过将海量数据作为训练样本，可在装配式构件和结构整体性能评价、施工风险行为识别等方面发挥重要作用。因此，应在大数据分析基本理论方面开展科研攻关和技术突破，加强地铁地下车站关键性数据的采集传输和存储挖掘技术研发，并充分利用大数据串联推动地铁地下车站上下游全产业链发展。

实现地铁地下车站安全管控智慧化的主要技术挑战之一是巨量数据的实时处理需求会极大增加数据传输网络的压力。研发自主感知、处理和反馈环境刺激的“智能材料”是解决上述挑战的突破口[23]。例如: 建立自修复材料+边缘计算+云计算相结合的多层级结构安全控制体系，其中，自修复混凝土可感知车站结构混凝土开裂并自动进行裂缝修复；边缘计算通过在数据生产端直接进行数据处理，减轻网络带宽和云端计算压力，结合云端的大数据分析判识和智能决策，共同保障地铁地下车站结构全生命周期安全。

3 地铁地下车站绿色建造关键技术

钱七虎院士指出，利用地下空间助力发展绿色建筑和绿色城市是突破当前困境的主要着力点[24]。一方面，地铁地下车站的绿色节能与地热能利用、储能材料的应用密不可分；另一方面，地铁地下车站建造会消耗大量钢筋混凝土，同时产生大量泥浆和废弃渣土，造成资源浪费和环境污染。因此，亟需从能源地下结构和废弃物资源化利用2方面开展相关研究，建立起科学的绿色智能评价体系，实现地铁地下车站绿色建造。

3.1 能源地下车站关键技术

3.1.1 地源热泵技术

地源热泵技术是目前利用浅层地热能的主要方式之一。如图12所示，以能源桩为代表的能源地下结构，将地埋管地源热泵系统和地下混凝土结构相结合，有力推动了地源热泵技术的应用和发展。1994年，日本的K.Morino率先提出了桩埋管换热器的概念；国内2004年在天津首次应用能源桩，而后发展迅速。据初步统计，我国己经有超过20个能源桩项目，安装了超过1万根能源桩。此外，地源热泵技术在隧道、综合管廊、地下连续墙中均有成功应用的案例。目前，国内外能源桩的理论研究主要集中于热传递机制(包括流体管道、桩土的传热性能，传热模型等)、结构响应、荷载传递机制、承载变形特性等方面，但由于能源地下结构具有提供承载和能量传递双重作用，结构与功能结合复杂，在传热模型适用性、多场耦合下桩体界面力学特性、群桩效应和长期承载性能方面仍需深入研究[25-28]。

图12 能源地下结构

地铁地下车站的地下连续墙和结构底板均可作为地源侧换热管敷设载体。上海自然博物馆项目是我国第一次在地铁车站地下连续墙内运用地源热泵技术的工程案例。相比于能源桩，能源地下车站的几何形状和结构型式更加复杂，临空侧墙体的热边界难以确定，其荷载传递机制和结构力学响应尚不明确[29]。近年来，关于能源地下连续墙的传热机制与力学行为的理论和试验研究逐渐成为学者关注的热点[30-32]。为了进一步推动地源热泵技术在地铁地下车站中的应用，尚需加强地铁地下车站结构整体的传热模型、热力耦合作用下的界面力学特征、结构响应和性能演变规律研究。此外，还要重点关注能源地下车站运行过程中的冷热堆积、地表地下水污染以及对周边环境和建构筑物的影响问题。

3.1.2 相变储能技术

相变储能材料具有较高的相变潜热，相变过程中可吸收或释放大量热能，具有体积变化小、节能效果好等特点[33]。相变储能材料通过浸渍法、微胶囊法和混合法等方法和建筑材料机体进行复合，形成相变储能建筑材料(phase change building materials，PCBM)，可调节建筑居住环境舒适度，实现节能减排。建筑行业中的相变材料主要包括四水氟化钾、六水氯化钙、硬脂酸丁醇、正十二醇等，具备潜热高、相变温度20～30 ℃、相变过程可逆性好、无毒无害、成本低、易制造等特点。

在地铁地下车站建造过程中应用相变储能材料是实现绿色建造的另一重要途径。一方面，可以将相变材料作为填充地下连续墙和土体间孔隙的回填材料，克服传统回填材料热影响半径大的缺点，改善蓄能传热特性；另一方面，可直接采用具备调温作用的相变混凝土(见图13)作为地下车站预制构件材料，解决能源地下结构热交换能量密度低的技术难题，实现地热能高效利用。因此，应重视新型复合相变材料和定形封装技术的研发和应用，并对相变混凝土配合比设计、传热性质和力学性能进行系统研究[34-36]；同时，需对应用相变储能材料的能源地下车站在不同工况下的相变过程、传热机制和热-力-水多场耦合作用下的车站结构界面力学特性、结构承载能力和长期工作性能进行深入研究。

图13 相变储能混凝土

3.2 废弃物资源化利用技术

在地铁地下车站开挖过程中产生了大量渣土、护壁泥浆，同时建造场地也担负着盾构区间盾构泥浆的处理工作，由于城市土地资源严重稀缺，发展与处置之间的矛盾日益突出； 此外，车站临时结构拆除后又会产生大量废弃混凝土，处置不当时会造成生态环境破坏。因此，通过现场资源化处置，将渣土、泥浆进行原位工程使用(见图14)，并对废弃混凝土进行分拣、剔除或粉碎后作为再生资源重新利用，是地铁地下车站绿色建造的关键。

图14 渣土原位资源化利用

3.2.1 地铁地下车站余泥渣土资源化利用技术

当前国内外对废弃泥浆的处理方法主要有絮凝固液分离处理法、絮凝+机械脱水处理法等。对于高含水率、污染水平较低的工程废弃泥浆，最具应用前景的处理方法是“化学絮凝+机械脱水”处理法。对于盾构渣土的资源化利用当前主要采用多级分离技术，将其中的粗骨料、细骨料等进行筛分，直接用于工程建设中。当前所采用的设备处理效率低、体积庞大、智能化程度低，难以适用于复杂多变的泥浆、渣土的处理。因此，应基于物理、化学、生物协同处理技术，利用高效絮凝、固化剂实现泥浆和渣土的原位减量化、资源化利用。同时加快研发注浆材料、垫层、流动化填料、快速固化砌块等多元产品，拓展地铁地下车站泥浆、渣土原位利用的应用场景，形成模块化、集成化、智能化的泥浆、渣土资源化利用成套技术体系。

3.2.2 地铁地下车站废弃混凝土资源化利用技术

在地铁地下车站建造中，大量采用废弃混凝土骨料，可为废弃混凝土的消纳开辟新的路径。应提出地铁地下车站绿色建造中废弃混凝土消纳整体方案，采用低成本、高效率、高品质的再生骨料破碎和分选工艺，推进车站底板、支护结构构件及永久构件的再生混凝土应用等。基于对再生骨料构件在地铁地下车站中劣化机制及耐久性的深刻认识，研究经济、安全、适用的再生骨料高值化利用技术，以适应地铁地下车站绿色建造的广泛需求。

此外，应开展地铁地下车站施工设计和建筑材料产品应用市场发展调查研究，分析绿色智能建造方案的环境影响和潜在的市场需求(竞争力)，并评估其规模化推广应用的经济效益。在此基础上，进一步开发绿色再生利用产品在地铁施工、站场建设及其他相关的建筑工程中的规模化应用场景，开展绿色技术的前沿发展动态评估。

4 结论与展望

本文在对我国地铁地下车站建造现状分析的基础上，从装配式和绿色智能建造新理念出发，提出一系列核心技术及其突破路径， 对推动我国地铁地下车站建造水平整体进步，引领我国城市地下空间开发的高效、绿色、智能建造新方向具有积极意义。主要结论如下：

1)装配式是地铁地下车站的重要发展趋势。当前装配式车站整体装配率低且结构型式单一，未来应重点关注以“两墙合一”装配式地铁地下车站结构为代表的新结构型式，集中解决预制地下连续墙和主体结构节点连接、结构自防水理念和处理工艺、结构体系承载性能和抗灾能力等关键难题，形成地铁地下车站新结构型式的系统设计理论和技术体系，并推动新型功能材料在地铁车站结构体系中的应用，实现材料-结构功能一体化。

2)地铁地下车站智能建造是在新一代信息化软硬件技术的加持下，深度融合工程建造需求，在车站各资源要素数字化基础上，通过多源异构数据感知处理和物理世界实施联动数字孪生，形成规划设计-施工-运维管理全流程一体化高效协同的成套技术和系统，实现材料-结构一体化全链韧性设计，构件生产自动操控和智能制造，施工动态调整和智能拼装，全生命周期安全智控管理决策。

3)为实现地铁地下车站智能建造，需从以下几个方面进行技术创新。在材料物性和结构模态深刻认知基础上，结合数字孪生技术的材料-结构一体化协同设计方法；轻量化BIM平台和工程物联网、智能机器人和云平台的集成应用；以装配式构件内嵌物联网感知元件为代表的地铁车站结构智能融合感知技术；适用于不同车站结构体系的智能工程装备和成套技术集成开发；基于大数据和人工智能算法的地铁车站全生命周期多层级安全智控平台。

4)将地源热泵和相变储能技术应用于地铁地下车站，并对车站结构传热机制和承载性能进行深入研究和技术突破，实现地热能在地铁地下车站中的循环利用；基于物理、化学方法原位减量化、资源化利用渣土泥浆，并在建造过程中大幅采用再生混凝土进行底板及相关构件的建造，实现地铁地下车站的绿色建造。