城市軌道交通工程結構20年發(fā)展歷程

1999年之后，隨著經濟實力和技術水平的提高，我國進入了城市軌道交通建設的高潮期。然而，由于受到城市既有建（構）筑物的影響以及所處工程地質條件的多樣性，城市軌道交通建設的環(huán)境越來越復雜，面臨的制約影響也越來越苛刻，如下穿高速鐵路、建筑物群、重要文物等情況越來越多［4］。圖1列出了地鐵區(qū)間隧道下穿建筑物的特殊情況。同時，也出現了在極軟、砂卵石、高水壓等特殊地層中修建城市軌道交通工程的情況［4］。城市軌道交通建設環(huán)境的復雜，不僅增加了工程施工難度，也大幅提高了施工風險，因此帶來的工程事故也越來越多，如盾構機被埋［5］、盾構隧道施工引起地面塌陷［6-7］、盾構隧道管片滲漏水［8-9］、車站基坑整體坍塌［10-12］等。這給城市軌道交通的設計和施工提出了更高、更嚴格的要求。只有解決了這些難題，才能滿足城市軌道交通快速發(fā)展的步伐，否則會付出沉痛的代價。

圖1 盾構下穿建筑物（群）

我國城市軌道交通經過20年的發(fā)展，已躍居世界第一的規(guī)模。在城市軌道交通的建設過程中，經歷了建設理念的變遷、設計方法的優(yōu)化和施工技術的提升。本文分別從建設理念、設計理念以及施工技術等三方面對我國城市軌道交通工程結構發(fā)展進行概況和總結，并對今后的發(fā)展趨勢進行展望。

1 城市軌道交通建設理念轉變

城市軌道交通工程建設理念不僅是實踐經驗的總結和積累，也是一定時期內城市軌道交通工程發(fā)展的方向［13-14］，表現形式主要為制定的地鐵設計規(guī)劃和建設標準等［15-17］。其在城市軌道交通工程的建設中具有舉足輕重的作用。縱觀我國城市軌道交通工程的發(fā)展歷史，其建設理念的轉變主要經歷了以下三個階段。

1.1 由平戰(zhàn)結合向交通功能為主轉變

1971年建成通車的我國第一條城市軌道交通——北京地鐵1號線，以及1976年投入運營的天津地鐵和1993年投入運營的上海軌道交通1號線，其設計理念都是軍事戰(zhàn)略防備和防空［18］。之后，隨著改革開放和經濟體制改革的逐步深入，大中城市對交通的需求日益增加，導致許多城市的交通供給能力嚴重不足，并出現了交通堵塞，供需矛盾日益突出，甚至制約了城市社會經濟的發(fā)展。城市軌道交通具有運量大、便捷方便、安全可靠、準時舒適、無污染或少污染等特點，能有效解決城市交通擁堵，因此，隨后城市軌道交通的建設理念就轉變?yōu)閷崿F交通功能為主。

1.2 由解決現狀交通向完善城市功能轉變

城市軌道交通不僅可以解決城市交通擁堵問題，提高城市出行效率，而且城市軌道交通所到之處，樓宇興旺、土地增值、人口增加，居住、產業(yè)、文化、社會等社區(qū)功能迅速形成。另外，以軌道交通站點為核心的交通樞紐帶來了人流、物流、信息流等，這對商業(yè)有著非常積極的促進作用。研究表明，緊鄰地鐵站點的物業(yè)升值空間可達到30%～50%，若將交通樞紐設施的整合與商業(yè)、娛樂、服務等功能相結合，合理配置工作、休閑、購物、居住，可以構建交通便捷、商業(yè)繁榮的環(huán)境。因此，城市軌道交通的建設和運營可以改善或完善沿線特別是站點的城市功能，改變城市布局，實現城市環(huán)境和交通的綜合治理。目前，許多城市的軌道交通規(guī)劃都與完善城市功能結合在一起，如武漢、南昌、南寧、徐州等。

1.3 由交通規(guī)劃向引領發(fā)展轉變

城市軌道交通不僅可以完善城市功能，同時也可以引領城市發(fā)展，優(yōu)化城市布局，拓展城市空間。之前，我國城市軌道交通規(guī)劃理念著重強調對緩解交通擁堵的意義，而在一定程度上輕視了軌道交通對城市發(fā)展的引領作用；目前已充分認識到軌道交通的引領作用，提出了“軌道+”的規(guī)劃建設思路，采用軌道+物業(yè)、軌道+社區(qū)、軌道+小鎮(zhèn)、軌道+舊城改造、軌道+綜合管廊等模式，把軌道交通建設與片區(qū)開發(fā)、城鎮(zhèn)化、城市更新、市政基礎設施建設相結合，加強軌道交通場站和周邊土地一體化規(guī)劃與建設，確保軌道交通與城市建設的融合發(fā)展，并取得了較好效果。例如，成都市牢固樹立軌道交通引領城市發(fā)展格局理念，強力推進軌道交通加速成網計劃，引導人口和產業(yè)在郊區(qū)衛(wèi)星城、新城的集聚和擴散，實現生產要素在空間上的重新整合和布局。

2 城市軌道交通結構設計理念轉變

城市軌道交通工程結構設計理念很大程度上依賴于工程材料學科發(fā)展水平，以及施工方法、施工工藝的創(chuàng)新。城市軌道交通工程的結構多采用鋼筋混凝土或預應力鋼筋混凝土，因此混凝土結構理論及施工技術對城市軌道交通工程結構設計產生了深遠影響。此外，由于受到城市既有建筑和布局的影響，城市軌道交通工程結構的設計和實施還具有其顯著的特殊性，設計理念也在不斷完善，具體體現在以下幾個方面。

2.1 由注重建設向建運一體轉變

相比西方國家，我國城市軌道交通工程的建設起步較晚，早期我國城市軌道交通工程的工作者主要關注建設，即如何能夠在中國建成城市軌道交通，實現從無到有的突破。當時的結構設計理論主要參照國際上通行的極限狀態(tài)法，之后隨著鋼筋混凝土這一學科分支的形成，以統(tǒng)計學為基礎的結構可靠性理論開始進入工程實踐階段。

不論是極限狀態(tài)設計還是可靠度設計，其目的都是保證結構的強度、剛度和穩(wěn)定性滿足要求。隨著城市軌道交通工程在運營中碰到的結構滲漏、破損和大變形等問題越來越多，工程界發(fā)現，城市軌道交通工程（尤其是地下工程）在復雜環(huán)境下的抗腐蝕能力和在應力敏感地層中的變形及防水等耐久性問題也是保障“百年工程”的關鍵，這使得城市軌道交通結構設計理念在以往的以強度、剛度和穩(wěn)定性控制為主的基礎上又加入了耐久性因素。

城市軌道交通考慮耐久性設計首先要解決的就是結構耐久性問題，只有結構耐久性解決了，才能真正實現“百年工程”。城市軌道交通工程與其它工程相比，具有自身的特殊性，如：

（1）存在大量地下結構，如地下車站、地下區(qū)間隧道等。這些結構處于復雜的應力環(huán)境之中，長期變形特性很難描述，同時，部分地區(qū)還面臨化學侵蝕作用，如氯離子的腐蝕問題。

（2）長期受列車振動荷載的作用。動力作用下結構周邊力學行為更加復雜，其誘發(fā)的長期沉降一直是工程界難以解決的問題。

（3）結構建造質量難以保障。城市軌道交通存在大量地下工程，其施工環(huán)境、影響因素較地上工程要復雜得多，致使工程在交付時便存在不同程度的初始缺陷，如地下連續(xù)墻接縫漏水、拼裝誤差導致的管片損傷或錯臺等。這使得城市軌道交通工程結構在服役之初便已不再處于設計狀態(tài)，也使得耐久性問題不可避免地會出現。

為此，針對城市軌道交通結構耐久性方面的研究和工程實踐一直在持續(xù)［21-22］，如針對盾構隧道管片應該是通縫拼裝還是錯縫拼裝（拼裝結構見圖2和圖3）的研究。上海軌道交通采用通縫拼裝形式，其斷面尺寸與結構型式的選取受制于當時工程投入與工藝水平，并考慮到設備限界與拼裝難度，最終采用外徑6 200 mm、內徑5 500 mm的形式，并一直延續(xù)至今。隨著工程實踐經驗的豐富和理論研究的深入，已有成果表明通縫隧道整體剛度較差，在荷載（埋深）較大或外部環(huán)境發(fā)生變化時容易出現局部變形超限，從而導致各種病害，增加后期運營風險和維養(yǎng)費用，影響盾構隧道使用的耐久性。采用錯縫拼裝的隧道結構可以很好地解決上述問題。后續(xù)南京、杭州、寧波等市的軌道交通建設中均采用了錯縫拼裝形式。當然，錯縫拼裝由于工藝復雜，可能會出現因拼裝誤差而出現的初始缺陷，但該問題現可通過采用復合纖維混凝土得到解決，如上海軌道交通下穿虹橋機場段。上海軌道交通新一輪建設中因考慮側向平臺對限界的影響，將隧道尺寸擴大至外徑6 600 mm、內徑5 900 mm，但仍采用通縫拼裝，擴徑后管片變形特性受外部環(huán)境影響會更為顯著，該結構形式是否值得優(yōu)化仍是需要探討的課題。

圖2 通縫拼裝隧道

圖3 錯縫拼裝隧道

城市軌道交通工程的耐久性不僅與結構的力學性態(tài)有關，還與構件的抗腐蝕性能密切相關。圖4為隧道預埋滑槽示意圖。在使用過程中，安裝預埋槽道的位置可能發(fā)生漏水、冒漿等，如圖5所示。研究發(fā)現，由于槽道防腐涂層不均勻或防腐工藝不成熟，容易在局部位置出現防腐缺陷，導致槽道在堿性環(huán)境中發(fā)生化學反應，最終形成漏水通道。因外部環(huán)境導致的構件腐蝕或老化等耐久性問題在地下結構防水密封墊、高架段車站鋼（膜）結構頂棚等關鍵部位同樣存在。

總之，城市軌道交通工程結構設計除了要保證結構不發(fā)生因強度、剛度及穩(wěn)定性不足所導致的“致命性”破壞，還需要考慮耐久性缺失而出現的工程“短命”問題。結構的耐久性設計應針對構件的防腐工藝及標準做出明確要求，以保證城市軌道交通工程的長期使用性能。

2.2 由單因素向多因素轉變

城市建設的一般規(guī)律總是先易后難，隨著我國近20年的大規(guī)模建設和發(fā)展，我國城市軌道交通結構已開始面臨越來越多的復雜影響因素。

首先，早期城市軌道交通工程結構設計主要考慮周邊水土荷載和部分超載，但隨著城市基礎設施的大量興建，城市軌道交通建成區(qū)周邊勢必會出現新的工程加、卸載行為，這給結構設計增加了難度。即城市軌道交通工程關鍵節(jié)點的設計還需考慮城市環(huán)境變化導致的多種影響因素。另外，先期建設的工程會直接影響后續(xù)工程的實施工法和設計思路，只有統(tǒng)籌考慮找到最優(yōu)的建設順序，才能使多個工程得以順利完工，否則很容易成為制約城市發(fā)展的死結。

其次，隨著城市軌道交通下穿工程數量的增多，如某地鐵區(qū)間超近距離多次下穿運營磁浮線（見圖6），受鄰近既有建（構）筑物嚴格變形控制的需求，原本粗放式的設計理論已難以滿足高精度的要求；若再考慮上部環(huán)境的動應力影響，則對于受結構特征、多相組合體以及復雜應力歷史過程影響的巖土體來說，無疑是巨大的挑戰(zhàn)。這需要對設計理念和模型、施工過程等作精細化的處理，同時還要解決高精度計算參數的獲取問題。

圖6 某地鐵區(qū)間超近距離多次下穿運營磁浮線

最后，城市軌道交通結構設計還需要考慮工程建設期與城市綠色發(fā)展的矛盾及相互影響，如中心城區(qū)基坑開挖對交通、管線的影響。特別在我國大中城市，由于人口眾多，環(huán)境保護要求極高，上述問題處理不當將嚴重影響市民出行，甚至引發(fā)一系列社會問題。為最大限度地降低城市軌道交通建設期帶來的影響，沿海地區(qū)已經逐漸開始嘗試采用非開挖的設計方法，如上海軌道交通有分別采用頂管法和管幕法進行的暗挖地鐵車站示范工程（見圖7）。這是國際上在飽和極軟弱土層中暗挖地下車站的重要試驗，也是城市軌道交通設計在眾多嚴苛的制約條件下所做的積極探索。

圖7 富水軟土城市中心城區(qū)采用暗挖法設計的車站

2.3 由注重構件向注重體系轉變

城市軌道交通結構體系由多種結構構件相互組合而成，如盾構法區(qū)間隧道結構包含管片、螺栓及密封墊等，而地下車站結構則包含圍護、支撐和主體（梁、板、柱）等。很顯然，城市軌道交通結構體系的整體功能大于局部構件之和。因此，城市軌道交通結構設計也不能只停留在對單個構件的獨立設計上，還應注重各組成部分的相互聯系以及在外部環(huán)境作用下的綜合結果。即考慮結構的系統(tǒng)性，將結構作為一個整體來進行計算、進行設計，切不可只注重單一構件。

3 對地下水認識的爭議

水是地下工程建設遇到的萬害之源，諸多事故都與地下水直接或間接相關?，F有統(tǒng)計資料顯示［21］，約有22%的基坑事故與地下水處理有關。2018年2月7日發(fā)生的佛山地鐵盾構隧道透水坍塌事故也是由地下水引起的［7］。時至今日，學術界和工程界對于城市軌道交通工程建設中遇到的地下水處理技術仍存在爭議，并無統(tǒng)一認識，具體體現在以下幾方面。

3.1 地下結構的防水處理方式

城市軌道交通工程結構防水遵循以防為主、防排結合、因地制宜、綜合治理的原則［14］，但區(qū)間隧道的設計只能遵循以防為主，只有在施工與因地制宜、綜合運營過程中不得已且疏排水不會引起周圍地層下降的前提下，才允許對進入主體結構內的少量滲水進行疏排。在落實以防為主時，普遍的做法是采用剛柔并濟的防水體系，即結構自防水和防水層防水共存。

在城市軌道交通工程地下結構中，采用最多的防水層防水方式是全包防水，即將地下結構用完全不透水的材料包裹起來，使地下結構與地下水隔斷。其設計理念先進，但在具體施作過程中存在局部防水材料“破洞”的可能性，從而導致防水失效。據調查，寧波軌道交通1號線采用全包防水后仍出現了滲漏水情況［22］。另外，全包防水鋪設也需要一定時間，不利于軟土地層地下結構的搶修。

結構自防水是利用結構材料的密實性及某些構造措施（止水條等）起到防水作用。結構自防水由于不需要另外鋪設防水材料，可以實現快速封閉施工，在有搶險要求時可保證施工安全，但防水效果較全包防水要差，后續(xù)的防滲漏工程量大，另外也缺少切實有效的綜合補救方法。

3.2 承壓水的處理技術

隨著城市軌道交通工程埋置深度的增加，工程建設中不可避免地會遇到承壓水。在承壓水作用下，基坑工程會發(fā)生突涌破壞（圖8為某地鐵基坑出現“泉眼”群造成突涌），盾構隧道工程可能發(fā)生噴涌破壞（見圖9），且由承壓水引發(fā)的工程事故具有突發(fā)性強、破壞力大、搶修困難等特點［4］，故對施工安全和結構防水帶來較大挑戰(zhàn)。

針對承壓水的處理技術主要有隔斷和降壓［23］兩種。隔斷是利用止水帷幕將施工區(qū)域內外承壓水的水力聯系切斷，使其失去承壓性。該方法會增加止水帷幕的施工成本，還存在隔斷失效的風險，適合于承壓含水層厚度較薄或隔斷需增加止水帷幕不大的情況。降壓是通過不斷抽取承壓水來滿足施工期工程的穩(wěn)定性，待工程完工后再逐步恢復地下水位。該方法可能會引起周圍地層較大沉降，適合于承壓水降深不大或周圍無重點保護建（構）筑物的工程。寧波軌道交通1號線鼓樓站基坑工程就采用了降壓法（見圖10）。另外，還有一些工程采用隔降結合的方法，即采用加長止水帷幕（但不完全隔斷承壓含水層）與降壓的方法，但在設計中要注意止水帷幕與降壓井插入承壓含水層的深度，以盡可能減少降壓對周圍環(huán)境的影響［24］。杭州地鐵1號線濱江路站基坑工程就采用了隔降結合的承壓水處理方案。

圖8 基坑承壓水突涌

圖9 盾構發(fā)生噴涌

圖10 寧波軌道交通1號線鼓樓站基坑降水井布置圖

3.3 結構抗浮技術

抗浮與沉降是地下工程的一對矛盾。地下車站在飽和土層中由于覆土變薄，常常設置抗拔樁以解決結構的抗浮問題，但迄今為止飽和地層中地下車站大多呈現微量下沉而不是上?。煌瑯?，在飽和地層中的區(qū)間隧道在設計時也必須滿足抗浮要求，但運營之后卻發(fā)生了下沉現象。對于軌道交通來說，無論是下沉還是上浮，都會導致軌面的不平順，這種不平順會加大運行中列車作用在軌道上的振動荷載。振動荷載的加大，一方面會使軌道惡化、損壞道床；另一方面會加大對周邊環(huán)境的振動和噪聲的不利影響，有悖于環(huán)境友好的城市發(fā)展理念。

在飽和土層中依照抗浮設計的工程卻屢屢下沉的原因非常復雜，一方面與周邊新建工程有關，另一方面與結構自身的滲漏水也有關系。

4 城市軌道交通工程施工技術轉變

施工技術是與當時的施工機械、施工工藝密切相關的。我國城市軌道交通建設技術的發(fā)展可以分為三個階段：第一階段是1980年之前，施工機械很少，主要采用傳統(tǒng)的施工方法，如放坡明挖回填法，部分采用礦山法，其技術特點是充分利用場地條件和勞動力資源，施工機械化程度不高；第二階段是20世紀80至90年代，隨著改革開放的推進，我國了解了國外許多先進的施工技術、施工機械和工程材料，這一時期的特點是拓展了傳統(tǒng)施工方法，創(chuàng)立了淺埋暗挖法［25］，同時也引進了國外的先進機械，如地下連續(xù)墻施工設備和盾構掘進機等，施工技術水平得到了提升；第三階段是進入21世紀，隨著綜合國力的提升和技術研發(fā)能力的提高，我國開始注重技術再創(chuàng)新、施工機械國產化以及新材料的研制，這一時期的特點是高技術代替勞動密集型、自動控制裝備代替人工控制。

隨著技術水平的提高以及施工環(huán)境的日趨復雜、施工難度的不斷增加，今后城市軌道交通施工技術將向裝配式、智能化、精細化及機械化方面轉變，詳述如下。

（1）裝配式。裝配式建筑是采用工廠預制的構件在施工現場裝配而成的建筑，是勞動組織方式理論的轉變（即由施工現場轉移至工廠內），可加快施工速度、提高施工安全、降低材料損耗、實現循環(huán)利用。裝配式已被列入住建部《建筑產業(yè)現代化發(fā)展綱要》，并要求至2020年裝配式建筑占新建建筑的比例在20%以上［26］。城市軌道交通工程的裝配式由來已久，盾構法隧道是其中最典型的一種。為擴大裝配式在城市軌道交通工程行業(yè)的應用，裝配式地鐵車站也在逐漸推廣，如長春地鐵2號線［27］和北京地鐵6號線的部分車站，但在具體實施中還存在開挖施工精度、拼裝工藝、結構防水等方面的技術難題。

（2）智能化。智能化是施工控制理論的轉變，即由人工判斷轉為機械自動判斷，是綜合運用智能監(jiān)控技術、現代通信與信息技術、計算機網絡技術以及智能控制技術而使工程建設達到智能感知、準確判斷、快速反應的目的，使工程建設更安全、更高效、更便捷。目前，應用在城市軌道交通工程施工中的智能化裝備越來越多，如長距離管棚智能化導向定位裝置［28］、盾構法隧道下穿鐵路土壓平衡智能感知調控裝置［29］等，以后隨著技術進步，還將出現更多的智能化裝備。

（3）精細化。隨著城市軌道交通工程建設密度的增加以及城市基礎設施的完善，城市軌道交通工程的建設環(huán)境會愈加復雜，工程建設引起的環(huán)境影響也愈來愈嚴格，特別是臨近對變形較為敏感的重要建（構）筑物（如高速鐵路等）時，就需要一改粗獷式施工，進而轉向精細化設計、精細化監(jiān)控、精細化管理、精細化施工，從而實現精細化的施工控制。通過精準計算、分區(qū)設計、實時監(jiān)控、即刻反應等系列精細化控制措施，目前已實現城市軌道交通工程下穿高鐵施工的毫米級變形控制［30］，大大提高了城市軌道交通工程的施工技術水平。

（4）機械化。機械化是施工方式理論的轉變，即用機械代替人工勞動，不僅可以提高施工效率和質量，還能降低施工風險。隨著科技的進步，我國城市軌道交通工程的施工機械化程度不斷提高，目前已出現了用于地鐵聯絡通道施工的盾構機。該盾構機能夠實現管片結構切割、盾構隧道T形結構連接、高精度施工控制和結構安全管控，是地下工程向全機械化邁進的重要一步［31］。另外，據悉西班牙將研發(fā)自動隧道掘進機器人，實現小直徑隧道的全自動開挖［32］。今后，隨著科技的進步及“中國制造2025”的不斷推進，我國城市軌道交通工程的機械化程度將不斷提高。

5 結語

（1）城市軌道交通工程建設理念的轉變主要經歷了三個階段，即平戰(zhàn)結合、交通功能為主以及完善城市功能和引領城市發(fā)展。

（2）城市軌道交通工程結構設計則實現了由注重建設向注重建運一體轉變、由單因素向多因素轉變、由注重構件向注重體系轉變。

（3）分析闡明了地下水仍是城市軌道交通工程結構設計和施工的重點和難點。

（4）提出了城市軌道交通工程施工技術向裝配式、智能化、精細化及機械化發(fā)展的趨勢。

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