城市轨道交通智能建造技术发展趋势分析

国际金属加工网 2021年11月30日

随着我国城镇化的不断发展,建设与智慧社会相匹配的智慧城市轨道交通已成为推进交通强国建设的一项重要任务。建设智慧城市轨道交通的目标是在自主创新的基础上 ,大力应用数字化、智能化、网络化、机械化等新技术,并使之与城市轨道交通深度融合,以推进城市轨道交通的智慧化。文章以深圳地铁建造技术的发展为背景,系统阐述智能建造是城市轨道交通高质量发展的必然趋势,然后以此为依据提出城市轨道交通智能建造技术发展方向及实现途径,以期为各城市的轨道交通智能建造技术提供借鉴和参考。

智能建造是城市轨道交通

高质量发展的必然趋势

深圳市市区面积小,人口密度大,公共交通形势严峻,区域内地质条件软弱复杂,地下水位高,地铁车站基本采用明挖、盖挖法,区间隧道主要采用矿山法、盾构法等传统的工法进行建造。采用传统明挖、盖挖及矿山等工法进行施工时,需进行交通疏解和大量管线改迁;占地面积大,对周边环境影响广,周边商铺的停业以及物业的拆迁还会造成建设成本的上升,甚至可能出现由于拆迁困难造成项目无法推进的问题;对公共道路空间的占用还激化了深圳市区内交通拥堵的问题。

目前,深圳地铁建设力度和规模仍保持较高水平,其网络化、规模化建设发展的格局和趋势愈加明显。现代信息技术、人工智能、自动化机械等技术的快速发展和在交通运输领域的广泛应用,为城市轨道交通发展全过程管理、机械化装配式施工、自动化操作等提供了重要手段和实施基础。建筑信息模型(BIM)技术作为智能建造的核心模块,可将设计、施工和运维充分融合, 最终实现项目信息化、精细化、智能化管控,提升工程全过程管理品质;机械法施工顺应了整个建筑行业向工业化、产业化发展的趋势,可极大减少人工投入,提升施工效率;装配式施工与传统混凝土现场浇筑作业方式相比较,施工简单,工效可提高数倍,体现了对绿色建筑设计理念的倡导。在城市轨道交通建设施工过程中,智能建造技术的应用已经成为技术进步和业态发展的必然趋势,也是提高城市轨道交通自身施工效率、安全管理水平的必然要求。

城市轨道交通

智能建造发展方向

2.1 BIM技术-设计建造运营数字一体化

随着信息化、大数据、物联网的快速发展,传统意义上的建设单位完成项目建设后移交运营单位进行项目管理的模式,已经满足不了智慧城市轨道交通建设和管理需要以及城市轨道交通智能化建设需要。基于BIM技术的建造智能化将城市轨道交通项目通过BIM技术转化为一个数字化模型,它包含物理几何信息和功能特征,可在一个城市轨道交通项目的整个建设周期过程中,即从项目设计到项目施工建设及运营,直到最后的拆除提供可靠的理论科学依据。同时,工程项目的各个参与方都可以根据各自阶段及需求,在 BIM 数字化模型中输入、获取、自动分析并更新项目信息,实现项目的信息化、精细化、智能化管控,最终提升城市轨道交通建设品质。

设计建造运营数字一体化支持轨道交通工程的集成管理环境,可以使轨道交通工程在其整个进程中显著提高效率、大量减少风险,其优势如下。

(1)加快工程建设进度。利用BIM技术可以及时发现设计过程中出现的问题,及时纠正错误,大大降低设计变更所带来的工期延误;利用BIM技术的参数化设计,不仅可以及时更改设计方案,并且可以显著加快设计进度,为设计方案的优化完善提供便捷;同时,能实现项目各参与方之间的信息共享,加强协调沟通,有效提高工程建设进度。

(2)提高工程造价的准确性及工程质量。利用BIM技术的参数化输入,用其智能运算功能代替传统的手工计算,不仅大大降低了前期投资成本,节省了人力资源,也使工程造价的估算更精确,更具科学性、合理性;利用BIM技术构建的三维虚拟模型,能够给人提供直观的三维单体空间感受,更有利于对平面图的理解并为项目决策提供更加直观的依据,提高了项目决策的准确度,同时也提升了工程质量。

(3)有助于业主、设计院等多方合作及共赢。业主方面,BIM技术是信息技术与建造行业深度融合的契机和抓手,可推动工程建设从粗放式管理向精细化管理转变,从而实现建筑节能、技术创新,是工程项目的数字化和信息化表达,为实现工程建造的工业化、建筑全生命周期管理和工程项目的信息共享与协同管理提供了技术支撑;设计方面,BIM技术是工具,提升了设计效率、与业主的可视化沟通效率,也为拓展、延伸业务和转型发展提供了机遇;施工方面,BIM技术是实现项目成本控制、进度控制、质量控制、安全管理等的重要手段,有助于项目的精细化管理,达到降低成本、提高效益的目标。

2.2 暗挖施工机械化

城市轨道交通传统暗挖工艺流程为采用超前支护,之后施工初支结构,最后在初支结构保护下施工主体结构。传统暗挖工艺多采用人工开挖,机械化程度较低,并且施工效率较低,施工大断面车站结构时施工风险较大。采用机械化施工能极大地降低工程风险,提高工程机械化率,推进工程标准化发展。常用的暗挖施工机械化工法如下。

2.2.1 新型管幕初支法

管幕作为初支结构,具有精度高、刚度大、适用性广等特点。 管幕工法可以在周边管线复杂、交通流量大的繁华城区内进行浅埋暗挖车站的施工,可以减少对现状交通及周边商业环境的影响,具有良好的社会效益。

传统的管幕法施工车站,先施工工作井,通过工作井沿车站纵向施工纵向管幕,最后在管幕结构的保护下采用逆作法施工车站结构。传统的管幕工法在富水地层中适用性较差;对于较长车站,长距离顶推精度难以保证;针对沿道路方向敷设的车站,施工工作井过程对交通仍然会产生较大影响。

新型管幕初支法机械化程度较高,完全不影响路面交通;施工过程中能形成止水帷幕,适用于富水地层施工;横向管幕顶推距离较短,精度较好控制,并且刚度相对较大。该工法思路为:①在空地处施工竖井并顶推顶管横通道;②利用顶管横通道作为始发接收场地;③在横导洞内始发顶管以施工纵向导洞;④顶管在接收横通道内平移后吊出;⑤在顶管内施工横向管幕及围护结构;⑥在管幕保护下进行逆作开挖。某新型管幕初支法施工示意图如图1所示。

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2.2.2 顶管盖挖法

顶管盖挖工法思路为:①明挖施工工作井,并利用工作井顶推顶管;②在顶管保护下施工主体结构顶板以及围护结构;③在顶板保护下采用盖挖逆作工法施工车站主体。

顶管盖挖工法机械化程度较高,完全不影响路面交通;施工过程中能形成止水帷幕,适用于富水地层施工;顶管直接形成初支,施工相对安全。某顶管盖挖法施工示意图如图2所示。

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2.2.3 矩形顶管法

地铁车站施工在具备始发场地条件的情况下,通过采用大断面矩形顶管施工,可一次性形成车站结构。其思路为:①在车站两侧空地施工明挖竖井;②顶管施工横通道;③在横通道内施工2个分离式顶管直接形成车站。

矩形顶管施工车站机械化程度高,通过厂家制作能做到标准化,并且节约人力物力,适用于城市轨道交通建设与发展。顶管法施工可不封路,不影响道路运行及地下管线。某侧式车站矩形顶管法施工示意图如图3所示。

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2.3 明挖车站装配化

2.3.1 车站结构装配化

城市轨道交通地下区间采用装配式的盾构技术已经较为成熟,但车站还主要以明、盖挖施工为主。传统的明挖作业圬工量大、工人众多、环节复杂,同时受施工条件限制,明挖车站多采用平板、直墙的梁板柱结构。这种生产方式工业化程度低,建设效率低,施工周期长。利用传统的施工工艺建造地铁车站还存在材料、资源和能源消耗较大,建筑垃圾量大、施工环境差、现场粉尘污染大等问题,不能满足高质、高效、节能、环保的可持续发展建设要求。

装配式结构相较于明挖结构,构件形状可根据受力和建筑空间进行调整,工业化程度高,可提高建设速度,减少施工劳动力。构件工厂化生产,现场智能拼装装配式车站结构,是城市轨道交通地下车站发展的方向。装配式车站可以实现建筑空间结构一体化,使环境更好,轨道站台结构一体化使品质更优,装修管线结构一体化使效率更高,最终实现全新的一体化装配式车站设计。

整个车站装配式主体结构为单拱无柱结构,横断面分为底板A块、底角板B块、侧墙C块、中板D块、顶角板E块以及顶板F块。其中,底板中部与站台板组成一体化箱梁结构,两侧与整体道床组合为一体结构;中板充分利用圆形车体限界外净空与吊顶管线层空间,采用鱼腹弦杆+上层平板的空间结构,利用结构空腔设置轨顶风道;顶板采用拱形结构解决大跨受力,采用中空的“T”型断面减轻自重,充分利用拱脚外侧空间设置结构风道,使空间利用最大化。装配式车站断面示意图如图4所示。

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设计中分块宽度为1.5m,可以通过合理的施工步序和适当的平移避免增加支撑间距,通过合理的施工流水步距设计做到流水化施工,支撑拆除及预制构件装配的工作互不影响;接缝处挤压型顶板接口采用榫接+螺栓;中板连接点受力较小,采用锚栓连接;底板受水浮力影响,节点需要承受弯矩、剪力,需具有较大刚度,采用凹凸榫+预应力混凝土PC钢棒+ 角钢焊接;侧墙接口承受一定的弯矩和剪力,对受力完整性要求较高,采用凹凸榫+PC钢棒连接;纵向分块间受力较小,采用凹凸榫+精轧螺纹钢连接;中板纵梁采用预埋钢板焊接;底板纵梁采用预埋钢板焊接+ 预应力钢绞线张拉;侧墙孔边梁采用预埋钢板焊接+叠合钢梁。
在接缝防水方面,采用一种新型的后注浆密封止水三元乙丙橡胶条囊,在结构拼装完成之后,在囊体中高压泵入室温固化聚氨酯灌注弹性体材料,聚氨酯灌注弹性体材料固化后与三元乙丙橡胶囊体一起起到止水作用。该方案有效避免了传统止水条压缩度不能保证的问题。

2.3.2 围护结构装配化

目前,城市轨道交通工程常采用的围护结构形式有围护桩、地连墙、钢板桩等,其中地连墙是运用最广泛的围护结构之一,虽然技术方面已经比较成熟,但是也存在工序繁琐,容易塌槽,起重吊装重量大,占用场地多,对地下管线和周围环境影响均较大,水下混凝土现浇质量不易保证等问题。

装配式地连墙截面采用实心矩形断面,厚度控制在700~900mm之间,宽度控制在1.2~1.5m之间,质量宜控制在26~30t以下;装配式地连墙的吊装可选用100t及以上的汽车起重机进行起吊,大大减少了场地的占用;装配式地连墙可采用不同长度的预制墙体进行错缝拼装,墙体推荐长度为8m、9m、11m、12m,通过采用不同的长度组合,以满足工程需求;装配式地连墙的接缝结构宜为2幅装配式地连墙侧面,通过采用后行幅地连墙侧的T(凸)型钢材插入先行幅地连墙侧的C(凹)型钢材槽内,并通过预埋管道注浆形成封闭的侧向接缝结构;接头结构宜在同幅地连墙内上下各墙段间,通过钢棒、钢管、定位器配合环氧类结构胶、高强螺栓等形成竖向接头结构。

采用装配式围护结构具有以下优势:①预制墙幅长度减小,避免了大型钢筋笼现场吊装风险;②采用工厂化预制加工,质量有保证,接缝处理更加可靠;③可提高混凝土等级,墙体耐久性更好;④节省工期,减少人工劳动力。

2.4 工艺设备创新升级

2.4.1 盾构机械功能综合化及自动化

对于城市轨道交通上软下硬和软硬交替的复合地层,通过选用双模盾构机,配备复合式刀盘、大功率主驱动和推进系统,实现2个模式的独立运行或便捷切换,解决硬岩非爆破问题。部分特殊情况下可以使用三模盾构机,通过强化盾构机结构、提升刀盘结构刚度及预防滞排能力,提高盾构机对于复杂地质工况的适应性。这些模式包括适用于透水系数较大、地表敏感、上软下硬地段及存在未探明孤石地层的泥水模式,适用于风化程度较高的岩层、土层掘进的土压模式,以及全断面硬岩及岩层破碎带发育段的泥水式模式。

通过在盾构机上配置钻注“一体式”超前钻机,对盾构机前方水平方向以及圆周方向进行超前探测、超前加固,可对溶洞等不良地层进行有效处理。相比传统“龙门吊+洞内机车编组”的出渣模式,通过在盾构机后方配套水平(皮带)、垂直(波纹挡边)渣土输送机,解决机械快速掘进、深井90°提升等出渣问题,满足机械出渣运行平稳、可靠、噪声小等需求。

2.4.2 区间联络通道机械法施工工艺

城市轨道交通2条单线区间隧道之间设置有大量联络通道,联络通道是盾构施工过程中的关键部位,是在“洞中打洞”,作业面小,不便于使用大型工具设备。目前国内联络通道施工多采用预加固+矿山法施工,预加固方式普遍采用地面垂直加固和洞内冷冻加固技术以及洞内深孔注浆加固等,存在妨碍地面公共设施、工程造价较高、工期较长、加固质量难以保证、安全风险较高等缺陷。

机械法联络通道工艺包含盾构机及其配套、始发和接收套筒、快速支撑体系三大部分。盾构机采用锥形刀盘,通过特殊设计满足狭小空间内的始发、掘进、接收;始发套筒采用分段设计并在内部设置密封刷,接收套筒内部带压灌注泥浆;始发及接收影响范围内设置一体化的内支撑台车系统,支撑系统由液压控制,通过伺服控制的千斤顶支撑,达到施工全过程隧道结构保护的目的,实现高安全、高效率、低扰动地联络通道施工。

联络通道机械法工艺可以在狭小空间内快速施工,对地层进行微加固,具有安全、优质、高效、环保等技术优势,不仅是城市轨道交通盾构隧道联络通道施工更好的技术选项,也可以拓展至地铁出入口及风井,长隧道中间风井,联络线等地下连接工程中。联络通道机械法施工示意图如图5所示。

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结束语

城市轨道交通智慧化建设已成为其发展的必然趋势,因此应借助现代信息技术和机械化技术,寻求更加适合自身发展的智慧方法,构建智慧化、信息化的城市轨道交通体系,为乘客提供更加安全、便捷、舒适的智慧交通系统,推动城市轨道交通高质量发展。智能建造技术作为智慧城市轨道交通建设体系中的关键技术之一,将成为整个城市轨道交通建设行业未来的发展方向,也是国家产业结构调整、转型升级的必然要求。基于BIM、机械化、自动化技术的城市轨道交通智能建设方式,将使城市轨道交通的建设更安全、高效、绿色、和谐、智慧。

(来源:现代城市轨道交通)

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