王同軍， 馬偉斌， 王 勇

(1. 中國國家鐵路集團(tuán)有限公司， 北京 100844； 2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所， 北京 100081； 3. 中國鐵道科學(xué)研究院， 北京 100081)

0 引言

自1909年京張鐵路建成至今，我國鐵路隧道總體技術(shù)水平已處于世界先進(jìn)，部分技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先[1-2]。隨著技術(shù)進(jìn)步，地下工程的修建形式呈現(xiàn)多樣化，深埋、復(fù)雜結(jié)構(gòu)地下工程越來越多。深圳福田站利用明挖型深基坑和柱-梁-板結(jié)構(gòu)體系，建成了上下3層大跨度的地下車站，實(shí)現(xiàn)了高鐵、地鐵與商業(yè)建筑融合。香港西九龍地下車站埋深30 m，采用5層設(shè)計(jì)，通過研發(fā)先墻后拱交叉中隔壁法(PBCRD法)實(shí)現(xiàn)了高鐵近距離安全下穿地鐵[3]，構(gòu)建了鐵路、軌道交通、公交的立體交通模式。重慶臨江門地鐵站采用雙側(cè)壁臺(tái)階組合法實(shí)現(xiàn)了城市核心區(qū)大斷面安全開挖[4]。贛龍鐵路新考塘隧道針對不同加寬段采用不同超前支護(hù)、支護(hù)參數(shù)和開挖方法，其中，加寬2、4、6 m段分別采用了4步CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、大墻腳復(fù)合雙側(cè)壁法,加寬8 m和10.3 m段采用了“靴型大邊墻+加勁拱”復(fù)合工法，最終實(shí)現(xiàn)了30.26 m大跨度隧道安全開挖[5]。在國外，米蘭威尼斯車站埋深4 m，開挖跨度達(dá)到30 m，為暗挖隧道，采用蜂窩狀拱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了淺埋大跨度隧道穩(wěn)定支護(hù)； 韓國采用新管幕法[6]修建了彈弓跨度為29.6 m的首爾地鐵9號(hào)線923車站。上述工程的相關(guān)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)為實(shí)現(xiàn)隧道及地下工程建設(shè)安全和結(jié)構(gòu)形式的多樣化奠定了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。隨著交通隧道由單一的通行轉(zhuǎn)變?yōu)榧朔?、立體交通、環(huán)境友好等多元化于一體，對隧道及地下工程設(shè)計(jì)、施工提出了更高的要求?；谌芷诘闹悄芑ㄔ斐蔀樾袠I(yè)的發(fā)展趨勢。

在中國國家鐵路集團(tuán)有限公司領(lǐng)導(dǎo)下，我國完成了智能高鐵建造的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)[7-10]，形成了以鐵路工程管理平臺(tái)為主的管控體系[11]，實(shí)現(xiàn)了鐵路建設(shè)頂層到基層的結(jié)構(gòu)化管理，提升了綜合管理能力。當(dāng)前，鐵路工程管理平臺(tái)的相關(guān)專業(yè)模塊依然在持續(xù)建設(shè)和優(yōu)化中，已基本實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)主要工序覆蓋[12]。京張高鐵八達(dá)嶺長城地下車站基于全生命周期設(shè)計(jì)，以智能建造為主線進(jìn)行了系列技術(shù)創(chuàng)新，并針對特殊結(jié)構(gòu)在隧道設(shè)計(jì)、施工、材料和裝備方面進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。針對車站所處區(qū)域特殊性，在建設(shè)之初便全面統(tǒng)籌考慮了后期運(yùn)維的需求，切實(shí)做到了基于全生命周期的設(shè)計(jì)和施工，最終形成了系列暗挖大跨度和密集洞群地下車站建造技術(shù)。

本文從八達(dá)嶺長城站相關(guān)工程技術(shù)難題出發(fā)，闡述為解決這些難題所提出或形成的相關(guān)建造關(guān)鍵技術(shù)，以期為同類工程建造提供借鑒。

1 八達(dá)嶺長城站工程概況

京張高速鐵路全長174 km，線路起自北京北站，沿途經(jīng)清河站、昌平站、八達(dá)嶺長城站、懷來站、下花園北站、宣化北站，至張家口南站。作為我國京包蘭通道的重要組成部分，京張高鐵同時(shí)也是百年京張鐵路文化傳承線，是北京冬奧會(huì)交通保障線，是京津冀一體化重要經(jīng)濟(jì)服務(wù)線，是世界上首條智能高鐵工程示范線。

八達(dá)嶺長城站位于北京市延慶區(qū)，是京張高鐵控制性工程，車站設(shè)置于12.01 km長的新八達(dá)嶺隧道內(nèi)，位于八達(dá)嶺—十三陵風(fēng)景名勝區(qū)核心位置滾天溝停車場下方，車站出口距離八達(dá)嶺長城索道登城口250 m，距離八達(dá)嶺步道登城口800 m。

1.1 工程概況

站址區(qū)屬軍都山中低山區(qū)，地形呈現(xiàn)東北高、西南低的特點(diǎn)，起伏大[13]，受燕山期侵入巖影響，站址區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，巖性以花崗巖雜巖為主，一般較堅(jiān)硬，局部破碎帶節(jié)理裂隙發(fā)育，站址區(qū)地應(yīng)力為中等應(yīng)力水平，地下水類型為基巖裂隙水，主要受大氣降水補(bǔ)給，以Ⅲ—Ⅴ級(jí)圍巖為主。

八達(dá)嶺長城站軌面最大埋深為102 m，旅客垂直提升高度達(dá)到62 m，單洞最大開挖跨度為32.7 m。車站按“3縱3層”設(shè)計(jì)，地面部分為進(jìn)出站廳、候車廳及部分辦公、設(shè)備用房，建筑面積為0.95萬m2；地下部分建筑面積為5.88萬m2，其中站臺(tái)、站場、進(jìn)出通道、地下設(shè)備用房建筑面積為3.98萬m2；地下環(huán)形救援廊道總長為2 482 m，建筑面積為1.9萬m2。八達(dá)嶺長城站布置情況見圖1。

圖1 八達(dá)嶺長城站布置情況Fig. 1 Layout of Badaling Great Wall underground station

1.2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

由于位置特殊、規(guī)模巨大，八達(dá)嶺長城站建造具有洞室多密度大、跨度大埋深大、古跡多環(huán)保嚴(yán)的特點(diǎn)，運(yùn)營期間受景區(qū)影響存在人流大行車密的潛在特點(diǎn)，造成了以下4大工程技術(shù)難題。

1.2.1 超大跨隧道修建難

八達(dá)嶺長城站是世界上埋深最大的地下暗挖高鐵車站，車站兩端過渡段各163 m，Ⅲ—Ⅴ級(jí)圍巖，為單洞暗挖隧道，最大開挖跨度為32.7 m，開挖面積為494.4 m2(見圖2)，是目前國內(nèi)開挖跨度最大、斷面面積最大的地下暗挖交通隧道。大跨度段受F2斷層影響，圍巖軟弱破碎，施工穩(wěn)定性控制難、安全風(fēng)險(xiǎn)大。

圖2 大跨段斷面設(shè)置Fig. 2 Cross-section of large-span tunnel section

1.2.2 密集洞室設(shè)計(jì)與施工組織難

八達(dá)嶺長城站在長800 m、寬560 m、高34 m的地下空間布設(shè)78個(gè)洞室，共88種斷面、63處交叉口(見圖3)，是世界上結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜的暗挖高鐵車站，有限空間密集洞室合理設(shè)置難。最小水平間距為2.27 m、最小豎向間距僅4.55 m，密集洞室群施工安全保障難。13個(gè)工作面同時(shí)作業(yè)，僅通過2號(hào)斜井設(shè)置8個(gè)分通道施工地下車站及大跨段，單通道多點(diǎn)施工組織難。

圖3 八達(dá)嶺長城站密集洞群Fig. 3 Stacked/overlapped tunnels/caverns of Badaling Great Wall underground station

1.2.3 文物與環(huán)境保護(hù)難

八達(dá)嶺地下車站下穿八達(dá)嶺長城，并超淺埋下穿百年京張鐵路人字形線路，文物年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)老化，對振動(dòng)和變形極度敏感，爆破振動(dòng)與沉降控制要求高、難度大。同時(shí)，工程地處國家森林公園、毗鄰野生動(dòng)物園等環(huán)保核心區(qū)，污水排放、粉塵和噪音等控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)、難度大。

1.2.4 復(fù)雜地下車站運(yùn)營組織難

八達(dá)嶺長城站埋深大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成旅客便捷出行保障難。八達(dá)嶺長城站是世界首例高鐵隧道與車站地下接駁，面對多語種、大人流、多通道、高落差挑戰(zhàn)，防災(zāi)疏散救援難度大。由于車站所處地下環(huán)境，基于聲、光、風(fēng)、溫度、藝術(shù)的舒適環(huán)境營造難度大。

2 八達(dá)嶺長城站建造及運(yùn)營關(guān)鍵技術(shù)

針對八達(dá)嶺長城站工程難題，主要從密集洞室群設(shè)計(jì)與施工組織、超大跨隧道修建技術(shù)、隧道下穿風(fēng)景名勝區(qū)文環(huán)保技術(shù)、首座智能運(yùn)營地下高鐵車站構(gòu)建4個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新，形成了14項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 密集洞室群施工組織模式

2.1.1 基于BIM的地下車站協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)

八達(dá)嶺長城站洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量大，受地下空間限制，存在有限空間密集洞群布局難的問題。為解決該問題，八達(dá)嶺地下車站以“BIM+GIS”為核心進(jìn)行了密集洞室群協(xié)同設(shè)計(jì)，通過建立設(shè)計(jì)協(xié)同工作管理平臺(tái)，將貫穿于項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中的信息以三維模型為載體進(jìn)行協(xié)同化管理，讓項(xiàng)目各專業(yè)的設(shè)計(jì)人員，在同一平臺(tái)環(huán)境下工作，實(shí)現(xiàn)信息快速共享。把各專業(yè)BIM模型進(jìn)行合并，并通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙連接優(yōu)化和碰撞檢查(見圖4)。同時(shí)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行仿真漫游，檢查人員通過VR眼鏡對八達(dá)嶺長城站各部位及結(jié)構(gòu)進(jìn)行沉浸式漫游，實(shí)現(xiàn)對工程碰撞情況的進(jìn)一步確認(rèn)，解決了有限空間內(nèi)密集洞室布置的難題[14]。

圖4 碰撞點(diǎn)檢查Fig. 4 Collision check

2.1.2 層疊交錯(cuò)小凈距洞室施工安全保障技術(shù)

京張高鐵八達(dá)嶺車站洞室層疊交錯(cuò)，凈距小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了保障施工安全，將洞群之間某一巖墻或者巖板(包含巖墻或者巖板中的巖體、噴射混凝土、二次襯砌模筑混凝土)能承擔(dān)的最大應(yīng)力流與該巖墻或巖板的實(shí)際應(yīng)力流之比作為安全系數(shù)[15]。通過數(shù)值計(jì)算確定了施工階段安全系數(shù)最低須達(dá)到1.2。通過BIM結(jié)構(gòu)分解，施工模擬，尋求最優(yōu)施工組織順序及施工方法。3洞分離段采用“先邊后中”的開挖順序和小導(dǎo)洞先行的爆破方法施工，最不利工況下圍巖最大壓應(yīng)力為11.81 MPa，最大拉應(yīng)力為1.27 MPa，拱頂最大沉降為10.24 mm，有效地減小了3洞分離段洞室間的相互影響。采用了基于電子雷管精準(zhǔn)延時(shí)的微震控制爆破技術(shù)，顯著降低了爆破振動(dòng)，減小了洞室間中巖柱的圍巖損傷。整個(gè)爆破過程以13.02 cm/s的振速指標(biāo)進(jìn)行控制，確保了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

上下重疊區(qū)域采用“先下層后上層”方案，下層站臺(tái)層先行施工，采用“平行錯(cuò)開”原則，3洞分離隧道掌子面錯(cuò)開30～50 m；再根據(jù)“先邊后中”的施工順序，安排3支施工作業(yè)班組施工3洞分離小間距隧道。下層3洞分離小間距隧道下穿上層洞室群后，立即組織二次襯砌施工，優(yōu)先施工完成上層洞室群下方的二次襯砌。待下層二次襯砌強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，開始施工上層進(jìn)出站主通道并進(jìn)行設(shè)備層洞室開挖，與下層近接位置施工時(shí)，采用電子雷管精準(zhǔn)微損傷爆破技術(shù)施工。

基于以上手段，實(shí)現(xiàn)了層疊交錯(cuò)小凈距洞室施工安全控制，施工中最小安全系數(shù)為1.28，竣工后最小安全系數(shù)為2.8，確保了先行洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全，加快了洞室群的施工進(jìn)度，保證了層疊交錯(cuò)小凈距洞室施工安全[16]。

2.1.3 復(fù)雜洞室群智能施工組織技術(shù)

為了解決單通道多點(diǎn)施工問題，提出了“整體優(yōu)化、統(tǒng)籌布局、強(qiáng)化通風(fēng)、信息共享、攻克大跨、解決小間”的施工組織原則。

基于第2代無線射頻識(shí)別技術(shù)和洞內(nèi)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了隧道施工人員考勤、區(qū)域定位、安全預(yù)警、災(zāi)后急救、車輛管理和交通疏解、日常管理等功能，避免車輛擁堵，實(shí)現(xiàn)人員與設(shè)備、材料的高效配置。基于“模數(shù)一體”思想，研發(fā)了項(xiàng)目管理信息平臺(tái)，采用大型機(jī)械化配套，實(shí)現(xiàn)了“人-機(jī)-巖-隧”信息化動(dòng)態(tài)施工管理。基于“模數(shù)驅(qū)動(dòng)、軸面協(xié)同”思想，利用項(xiàng)目管理信息平臺(tái)(見圖5)實(shí)現(xiàn)交通物流暢通、人機(jī)作業(yè)面多點(diǎn)協(xié)同和信息共享，保障了車站多點(diǎn)(13個(gè)工作面)施工高效推進(jìn)與對接，解決了單通道多點(diǎn)施工組織難題，高峰期洞內(nèi)作業(yè)人員數(shù)量達(dá)到800人以上。

圖5 項(xiàng)目管理信息平臺(tái)Fig. 5 Project management information platform

2.2 超大跨隧道修建技術(shù)

2.2.1 超大跨隧道主動(dòng)支護(hù)技術(shù)

為了使圍巖更早地形成承載拱、充分發(fā)揮圍巖自承載能力，采用了主動(dòng)支護(hù)理念。研發(fā)高性能材料，通過超前主動(dòng)支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿對圍巖進(jìn)行加固[17]，搭配普通錨桿，構(gòu)建了剛?cè)岵?jì)、多重防護(hù)的超大跨隧道預(yù)應(yīng)力自承載支護(hù)體系。大跨段初期支護(hù)設(shè)計(jì)見圖6。

圖6 大跨段初期支護(hù)設(shè)計(jì)Fig. 6 Design of primary support for large-span tunnel section

為充分發(fā)揮錨索支護(hù)能力，研發(fā)了可加大錨索斷面面積的“錨固節(jié)”以提高錨索與注漿體之間的握裹力。如圖7所示，錨固節(jié)由3瓣夾片和單孔錨環(huán)組成，夾片采用“倒刺”設(shè)計(jì)。安裝時(shí)由3瓣夾片夾住錨索并將單孔錨環(huán)套住夾片，單孔錨環(huán)被注漿體固定，當(dāng)錨索受拉時(shí)夾片沿受拉方向移動(dòng)，在單孔錨環(huán)作用下會(huì)緊緊夾住錨索，增加握裹力(見圖8)。在錨索鋼絞線上每間隔1 m設(shè)置1個(gè)錨固節(jié)，7束鋼絞線錨索與注漿體之間握裹力可達(dá)到2 492.5 kN。為了提高注漿體與圍巖之間的黏聚力，采用6～7 MPa的高壓注漿工藝改良圍巖條件，注漿體與圍巖之間的黏聚力可達(dá)1 836.9 kN。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索快速張拉，采用硫鋁酸鹽水泥為主要材料，通過摻加外加劑形成改性硫鋁酸鹽水泥。通過試驗(yàn)，采用水泥漿液水灰質(zhì)量比為0.33∶1，外加劑摻加量為水泥質(zhì)量的3%～5%，測試漿液凝膠時(shí)間為30～40 min。漿液不同齡期強(qiáng)度見表1。采用改性硫鋁酸鹽水泥漿液進(jìn)行高壓注漿，其24 h強(qiáng)度可達(dá)到30 MPa以上，縮短了張拉時(shí)間，從而有效地控制了隧道圍巖變形，既保證了施工安全，又提高了施工效率[18]。

圖7 “錨固節(jié)”產(chǎn)品Fig. 7 Photograph of "anchor joint"

圖8 “錨固節(jié)”安裝示意圖Fig. 8 Installation diagram of "anchor joint"

表1 改性硫鋁酸鹽水泥漿液強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of strength of modified sulphoaluminate cement grout

超大跨隧道主動(dòng)支護(hù)技術(shù)提升了圍巖自身承載力，使圍巖和初期支護(hù)形成承載拱承擔(dān)全部圍巖荷載，二次襯砌僅作為安全儲(chǔ)備。傳統(tǒng)支護(hù)襯砌厚度將達(dá)到2 m，采用主動(dòng)支護(hù)技術(shù)充分發(fā)揮了圍巖自承載能力，襯砌厚度降至0.6 m。通過對比，較傳統(tǒng)支護(hù)襯砌厚度減少70%，開挖跨度減少8%，開挖斷面減少20%，每延米混凝土用量減少68%，每延米土建工程投資下降45%。

2.2.2 超大跨隧道“品”字形開挖技術(shù)

國內(nèi)外同類工程調(diào)研情況見表2?？梢钥闯觯?1)針對超大跨度和超大斷面的隧道，一般以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為主要施工方法； 2)部分隧道通過采取非常規(guī)的超前加固、超前支護(hù)措施后，采用了臺(tái)階法施工。如米蘭威尼斯地下車站通過在隧道周邊開挖了多個(gè)小導(dǎo)洞形成蜂窩拱后進(jìn)行開挖，港珠澳大橋拱北隧道通過采取冷凍法加固地層、管幕法超前支護(hù)后進(jìn)行開挖。

表2 國內(nèi)外同類工程調(diào)研情況Table 2 Survey on excavation methods used in similar projects in China and abroad

八達(dá)嶺長城站隧道開挖跨度和面積在交通隧道領(lǐng)域較為罕見，為了降低開挖對圍巖的頻繁擾動(dòng)，創(chuàng)立了超大跨隧道“品”字形開挖技術(shù)，提出了“頂超前、分層挖、核心留、重點(diǎn)鎖”的開挖理念。分11部開挖，中間不設(shè)任何臨時(shí)支撐，通過頂部開挖超前導(dǎo)洞明確前方地質(zhì)情況，分部開挖化大為小，預(yù)留中央核心土提供支撐，重點(diǎn)部位通過長短錨桿及錨索組合鎖定。

“品”字形開挖工法工序見圖9。首先開挖中央頂洞(圖中①)，通過超前導(dǎo)洞探明地質(zhì)，并對地層進(jìn)行加固。初噴混凝土厚度為5 cm，拱部設(shè)鋼架，邊墻施作鋼筋肋，后復(fù)噴混凝土直至覆蓋鋼架，接著施作普通錨桿(拱部施作藥卷錨桿，邊墻施作玻璃纖維錨桿)，待頂洞貫通后，施作預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索。然后，按照“預(yù)留核心、自上而下、先兩邊后中間”的方式進(jìn)行分層、分步開挖(圖中②、③、④、⑤、⑥、⑦)。待支護(hù)發(fā)揮作用、隧道圍巖具備一定的承載能力后，逐步開挖核心土及仰拱(圖中⑧、⑨、⑩、)，并快速采取支護(hù)措施，及時(shí)形成封閉的支護(hù)體系。該方法支護(hù)體系以主動(dòng)支護(hù)充分發(fā)揮圍巖自承載力為目標(biāo)，通過超前導(dǎo)管或管棚、格柵鋼架、噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨桿及錨索實(shí)現(xiàn)。每一部開挖完成后施作格柵鋼架，格柵鋼架通過鎖腳錨管固定，同時(shí)在格柵鋼架之間預(yù)留預(yù)應(yīng)力錨索錨固頭安裝位置，錨固頭與鋼架采用鋼板連接。為了實(shí)現(xiàn)“快挖快支”，隧道每步開挖寬度為8～12 m、開挖高度為5～6 m，使作業(yè)空間滿足大型機(jī)械施工要求。為了保證施工安全，支護(hù)作業(yè)緊跟開挖步驟。通過以上手段，最終實(shí)現(xiàn)了超大斷面隧道的安全快速施工[19]。

圖9 “品”字形開挖工法工序圖Fig. 9 Sketch of sequential excavation

監(jiān)控量測顯示大跨段最大累計(jì)沉降僅17.3 mm，拱頂相對下沉僅為0.09%，其他各段拱頂累計(jì)沉降為10～15 mm[20]，解決了超大跨隧道開挖及過程變形控制難題。

2.2.3 超大跨隧道長壽命混凝土制備技術(shù)

八達(dá)嶺長城站開挖跨度大，結(jié)構(gòu)承受的荷載較常規(guī)隧道大得多，更易出現(xiàn)損傷。八達(dá)嶺長城站圍巖主要為花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，具有良好的耐久性，其暴露在空氣中的風(fēng)化速度僅為0.1 mm/年，即300年的風(fēng)化深度僅為30 mm，從工程尺度可認(rèn)為穩(wěn)定后的圍巖基本不變[21]，其作為承載結(jié)構(gòu)的耐久性受錨桿、注漿體、錨索等構(gòu)件劣化的影響。為了實(shí)現(xiàn)超大跨結(jié)構(gòu)長壽命，需要充分發(fā)揮圍巖自承載能力。在設(shè)計(jì)之初，八達(dá)嶺長城站就將圍巖作為永久性承載結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用主動(dòng)支護(hù)技術(shù)對圍巖進(jìn)行加固和改良，并對錨桿、錨索等進(jìn)行專項(xiàng)耐久性設(shè)計(jì)。具體如下： 將錨桿注漿保護(hù)層厚度控制在4 mm以上，并使用定位器使錨桿居中，嚴(yán)格控制注漿層密實(shí)度以提升錨桿耐久性；采用孔口段2 m先注漿封口，凝固后以7 MPa進(jìn)行高壓注漿，提升錨索注漿體的密實(shí)度和飽滿度，達(dá)到提升錨索耐久性的目的；嚴(yán)格控制噴射混凝土組分中的鹽、堿類物質(zhì)，采用分層噴射和設(shè)置排水系統(tǒng)并噴涂水泥基滲透結(jié)晶材料的方式提升噴射混凝土的耐久性[21]。同時(shí)，利用“品”字形開挖技術(shù)盡可能降低對圍巖的擾動(dòng)，提升圍巖承載能力。

在此基礎(chǔ)上，研制了二次襯砌長壽命混凝土。八達(dá)嶺長城站襯砌混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境作用等級(jí)為T2，不受其他有害介質(zhì)侵蝕。在該環(huán)境條件下，混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕是降低結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因。為了降低混凝土碳化速度，在原材料選取上，選用水化熱低、強(qiáng)度穩(wěn)定增長的硅酸鹽水泥。采用中熱水泥，實(shí)現(xiàn)低收縮，降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)。選用粒形良好、級(jí)配合理、質(zhì)地堅(jiān)固、吸水率低、線脹系數(shù)小的潔凈碎石。采用5～31.5 mm的3級(jí)配，控制緊密空隙率小于38%，針片狀顆粒在骨料中的占比小于3%。同時(shí)，采用粗骨料整形技術(shù)，增加骨料圓潤度，改善混凝土流變性，減小空隙。礦物摻和料選用顏色均勻、不含有油污等雜質(zhì)、且品質(zhì)穩(wěn)定的F類Ⅰ級(jí)粉煤灰。使用摻膨脹劑的匹配性補(bǔ)償收縮材料，抑制混凝土的收縮。采用石粉等具有微集料填充效應(yīng)的惰性膠凝材料，提高混凝土的密實(shí)度和抗碳化能力，減小混凝土化學(xué)收縮。選用保坍性能較好的外加劑，保障混凝土工作性的同時(shí)，降低水膠比。通過配比試驗(yàn)，確定最優(yōu)配比?；谥袩崴唷⒍栊晕⒓吓c溫敏型補(bǔ)償收縮材料組成的復(fù)合膠材體系制備了長壽命混凝土，與現(xiàn)有100年設(shè)計(jì)使用壽命的常規(guī)混凝土相比，混凝土密實(shí)性提升2.9倍，抗裂性能提升46%，自然碳化深度與碳化速率系數(shù)均降低75%左右(見圖10)。

(a) 普通混凝土

(b) 長壽命混凝土圖10 長壽命混凝土與普通混凝土碳化速度對比Fig. 10 Comparison of carbonization rate between long service life concrete and ordinary concrete

同時(shí)，對制備過程進(jìn)行信息化監(jiān)控，運(yùn)輸車輛實(shí)時(shí)定位并研發(fā)了超大跨變截面智能襯砌臺(tái)車，采用數(shù)字化混凝土方量控制技術(shù)、集成振搗控制技術(shù)和恒溫恒濕智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二次襯砌施工質(zhì)量的控制和智能化管理。從原材料選取、制備過程、運(yùn)輸過程和施工與養(yǎng)護(hù)過程全流程的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性大幅提升[22]。

2.3 隧道下穿風(fēng)景名勝區(qū)文環(huán)保技術(shù)

2.3.1 地下車站出口消隱設(shè)計(jì)方法

八達(dá)嶺長城是世界文化遺產(chǎn)，為了減少對風(fēng)景區(qū)的影響，弱化了地上建筑體量，地面層高控制為9 m，地面部分拆解為3個(gè)體塊，以消減地面建筑體量；地面站房規(guī)模縮減到1 998 m2，遠(yuǎn)小于同等規(guī)格鐵路站房建筑規(guī)模。采用擬態(tài)周邊環(huán)境的手法，地面站房依山就勢(見圖11)，并與長城及山勢相協(xié)調(diào)，通過屋頂綠化與山體之間自然過渡，形體錯(cuò)落有致，互為照應(yīng)[23]。為協(xié)調(diào)周邊環(huán)境，進(jìn)出站廳外立面采用與長城遺跡相協(xié)調(diào)的米黃色砌筑砂巖石，就地取材，2層體塊材料采用與石材顏色相近的陶土棍，減輕結(jié)構(gòu)荷載的同時(shí)，豐富了建筑立面的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了站景融合。站房設(shè)計(jì)效果見圖12。

圖11 站房依山就勢設(shè)計(jì)Fig. 11 Design of station buildings according to landscaping conditions of mountain

圖12 站房設(shè)計(jì)效果圖Fig. 12 Design rendering of station buildings

2.3.2 微震微損傷精準(zhǔn)爆破量化控制技術(shù)

八達(dá)嶺長城站下穿八達(dá)嶺長城，為避免對長城古建筑物的影響，提出了“導(dǎo)洞超前、預(yù)鉆孔減震、分步起爆”的精準(zhǔn)控制爆破技術(shù)。按照既有規(guī)范要求，古建筑物爆破振速應(yīng)小于0.2～0.3 cm/s。通過對隧道爆破方案進(jìn)行虛擬仿真優(yōu)化，爆破振速控制為0.1 cm/s，實(shí)現(xiàn)地面零沉降，消除了工程建設(shè)對文物和環(huán)境的不利影響。采用電子雷管進(jìn)行“導(dǎo)洞超前、預(yù)鉆孔減震、分步起爆”的精準(zhǔn)控制爆破技術(shù)。爆破設(shè)計(jì)示意見圖13。上臺(tái)階開挖時(shí)，1次打眼，分3次依次爆破①、②、③步；再在距上臺(tái)階掌子面約50 m處開挖下臺(tái)階，1次打眼，分2次分別爆破④、⑤步；最后距離下臺(tái)階約40 m處爆破第⑥步仰拱。為有效控制爆破振速，采用電子雷管控制爆破技術(shù)，并在第②步輪廓線外設(shè)置5個(gè)減震孔以降低掏槽孔的爆破沖擊。通過以上方法，實(shí)現(xiàn)了微震爆破，避免了爆破對八達(dá)嶺長城的影響[24]。

圖13 爆破設(shè)計(jì)示意圖Fig. 13 Schematic of blasting design

2.3.3 地下車站施工通風(fēng)與粉塵處理技術(shù)

基于通風(fēng)和降塵的目的，八達(dá)嶺長城站采用混合通風(fēng)模式，2號(hào)斜井洞口設(shè)置4臺(tái)132×2 kW軸流風(fēng)機(jī)壓入式供應(yīng)新鮮風(fēng)，污風(fēng)通過3#、4#豎井排出。同時(shí)，隧道洞室交叉口配置大功率除塵凈化設(shè)備，隧道工作面采用水幕降塵技術(shù)，PM0.5以上粉塵的去除率可達(dá)90%，處理后的空氣清潔度可達(dá)0.1 mg/m3[23]。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)與數(shù)值模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，現(xiàn)場實(shí)測的風(fēng)速均大于指標(biāo)要求(0.15 m/s)，粉塵質(zhì)量濃度基本小于指標(biāo)要求(2 mg/m3)。通過上述方法，有效控制了粉塵對施工人員及八達(dá)嶺景區(qū)環(huán)境影響，解決了施工期生態(tài)核心區(qū)環(huán)境保護(hù)難題。

2.3.4 地下車站清污分離排水系統(tǒng)

為了保護(hù)景區(qū)水環(huán)境，施工期襯砌背后滲入的清水和掌子面的污水分開排放，設(shè)置了高標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠處理隧道排出的施工污水，清水排放到自然環(huán)境中。運(yùn)營期污水預(yù)處理后通過污水排水系統(tǒng)排到市政的污水管網(wǎng)，送入市政的污水廠處理后進(jìn)行工農(nóng)業(yè)利用或地下水回灌[25]。八達(dá)嶺長城站施工期和運(yùn)營期清水、污水分離處理流程見圖14。

圖14 清水、污水分離處理流程Fig. 14 Procedure of clean/sewage water separation and treatment

2.4 首座智能運(yùn)營地下高鐵車站構(gòu)建

八達(dá)嶺長城站通過對聲、光、風(fēng)、溫的設(shè)計(jì)營造了舒適的乘車環(huán)境，通過智能防災(zāi)疏散救援系統(tǒng)提升運(yùn)營階段的應(yīng)急能力，通過地下車站智能運(yùn)營管理技術(shù)提升旅客出行體驗(yàn)，通過地下車站智能能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠色、低碳運(yùn)營。

2.4.1 深埋洞室群車站舒適環(huán)境構(gòu)建技術(shù)

為了控制八達(dá)嶺長城站站內(nèi)噪聲，采用了砂巖吸聲板等材料，并結(jié)合隧道洞壁吸聲降噪技術(shù)、群洞布局隔噪技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車站的噪聲控制。站臺(tái)區(qū)噪聲控制在80 dB以內(nèi)，500 Hz頻率聲音混響時(shí)間控制在1.5 s以內(nèi)，語言清晰度RASTI指數(shù)控制在0.45以上。

為了兼顧溫度和通風(fēng)對旅客的影響，利用“列車活塞風(fēng)+半高門設(shè)計(jì)”將風(fēng)速控制在不影響人體感受的同時(shí)，將最不利條件溫度控制在35 ℃內(nèi)，一般可維持人體舒適溫度，極端情況搭配空調(diào)調(diào)節(jié)至人體舒適溫度。

為了營造良好的照明環(huán)境，采用“點(diǎn)、線、面”組合的人字形燈具，突出了文化主題，改善了空間感受，光照度控制在150 Lx左右。

2.4.2 深埋多層洞室群車站智能防災(zāi)疏散救援系統(tǒng)

通過對列車火災(zāi)煙氣蔓延狀態(tài)分析，確定了列車火災(zāi)發(fā)展過程中人員最大安全疏散時(shí)間為6 min；站臺(tái)合理排煙口間距為15 m，尺寸為1 m×1.6 m；站臺(tái)安全排煙風(fēng)速不應(yīng)小于8 m/s；進(jìn)出站通道加壓送風(fēng)風(fēng)速不應(yīng)小于3 m/s。

對國內(nèi)外地下車站48組火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以此建立地下車站火災(zāi)數(shù)據(jù)庫，分析了地下車站火災(zāi)原因及規(guī)律。提出了地下車站防火分區(qū)的劃分原則和方法，利用地下洞室群之間的巖墻和巖板，輔助防火門、防火卷簾、防火水幕等措施，構(gòu)建了地下車站的防火分區(qū)，將站臺(tái)層、進(jìn)出站通道、站廳層和救援通道等區(qū)域劃分為11個(gè)防火分區(qū)。

基于VR仿真進(jìn)行模擬演練，利用3D模擬仿真功能對工作人員的事件處理能力進(jìn)行培訓(xùn)考核，提升員工應(yīng)急處理能力。視頻綜合監(jiān)控依托于車站的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)進(jìn)行事件監(jiān)控并啟動(dòng)報(bào)警，支持現(xiàn)場圖像等信息傳送，提供專家級(jí)事件處理預(yù)案，高效協(xié)調(diào)突發(fā)事件。首次提出了流線3分離的流線設(shè)計(jì)方案，即利用施工期臨時(shí)通道布置、獨(dú)立疏散樓梯布置、立體環(huán)形疏散救援廊道(見圖15)布置實(shí)現(xiàn)進(jìn)出站人流分離、緊急非緊急人員分離和救援車流疏散人流分離。

圖15 環(huán)形救援廊道Fig. 15 Looped rescue tunnel

在以上技術(shù)措施的基礎(chǔ)上，建立了基于BIM、3D GIS、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)的國內(nèi)最復(fù)雜三維可視化多系統(tǒng)(16個(gè))耦合防災(zāi)疏散救援管控系統(tǒng)(見圖16)，形成了“廊道疏散+廣播引導(dǎo)+標(biāo)志引導(dǎo)+救援進(jìn)場+智能管控”多位一體的深埋密集洞群地下車站安全快速防災(zāi)救援疏散體系，保障了深埋密集洞群地下車站乘客安全。

圖16 防災(zāi)綜合平臺(tái)耦合聯(lián)控Fig. 16 Integrated disaster prevention platform

2.4.3 地下車站智能運(yùn)營管理技術(shù)

為了提升運(yùn)營效率和旅客服務(wù)質(zhì)量，依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的一體化，運(yùn)用“模數(shù)驅(qū)動(dòng)、軸面協(xié)同”方法理念，自主開發(fā)了電子客票、旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺(tái)系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能維修系統(tǒng)等。

電子客票將旅客購買的車票和服務(wù)的信息完整地記錄和整合，根據(jù)服務(wù)進(jìn)度或者旅客的變更實(shí)時(shí)進(jìn)行信息的更新，并記錄下更新的軌跡，形成一個(gè)完整行程的數(shù)據(jù)描述。同時(shí)，為旅客提供無紙化的出行方式，免去旅客在出行前必須打印車票的環(huán)節(jié)，支持旅客線上或線下購票、線上變更(改簽、退票、變更到站)，縮短了旅客的出行和排隊(duì)等候時(shí)間，提升了鐵路旅客的出行體驗(yàn)。

旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺(tái)系統(tǒng)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)客運(yùn)車站相關(guān)數(shù)據(jù)的全面匯集和共享；通過開放式標(biāo)準(zhǔn)的API為各應(yīng)用提供智能化的服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)客運(yùn)車站生產(chǎn)和服務(wù)所需要基礎(chǔ)算法和模型的統(tǒng)一存儲(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)用、統(tǒng)一維護(hù)和升級(jí)，提高智能服務(wù)水平。

綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)引入人像識(shí)別等技術(shù)，建立系統(tǒng)間信息共享和互聯(lián)互通機(jī)制，通過智能視頻分析、跨媒體分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車站全范圍全時(shí)段的安全監(jiān)控和人流分析。為了提升旅客體驗(yàn)，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對車站人流密度進(jìn)行自動(dòng)分析，當(dāng)人流過大或排隊(duì)過長時(shí)，車站人員可通過平臺(tái)獲取相關(guān)信息，并安排人員到場協(xié)調(diào)，為及時(shí)優(yōu)化站內(nèi)旅客服務(wù)提供依據(jù)。在獲取用戶的準(zhǔn)確位置與朝向后，結(jié)合尋路算法的計(jì)算結(jié)果，將導(dǎo)航路徑實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)旅客在站內(nèi)的智能導(dǎo)航。

通過智能維修系統(tǒng)對車站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)車站設(shè)備在線管理、水暖電鏈路管理等。站內(nèi)設(shè)備通過傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等集成至平臺(tái)統(tǒng)一管理，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)修、及時(shí)閉環(huán)。通過鏈路管理模式，實(shí)現(xiàn)水暖電等線路的關(guān)聯(lián)管理，提供各專業(yè)回路展示、各位置部件管理、影響區(qū)域關(guān)聯(lián)關(guān)系展示功能，將隱蔽的管線通過BIM的方式展示，實(shí)現(xiàn)可視化的維修管理。

2.4.4 地下車站智能能源管理系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)車站的節(jié)能降耗，開發(fā)了智能能源管理系統(tǒng)，通過對用電、用水、用熱等能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、預(yù)警提醒等，實(shí)現(xiàn)10%～15%技術(shù)節(jié)能。通過用能定額、定額自動(dòng)跟蹤、能耗排名、用能公示、用能報(bào)表、節(jié)能考核等管理工具，實(shí)現(xiàn)5%～10%管理節(jié)能。此外，在站內(nèi)照明和溫度調(diào)控上也應(yīng)用了智能識(shí)別和控制技術(shù)，基于列車到發(fā)時(shí)刻，自動(dòng)控制站臺(tái)區(qū)的照明開關(guān)；根據(jù)站內(nèi)不同區(qū)域的光照信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)站內(nèi)照明開關(guān)；依據(jù)站內(nèi)不同區(qū)域的人群密度，自動(dòng)設(shè)定并調(diào)節(jié)該區(qū)域空調(diào)溫度。

3 結(jié)論與建議

1)BIM參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)能夠解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)密集洞群布置難題；復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)采用“先下后上、先邊后中”的順序?qū)Π踩┕な强尚械?；發(fā)展復(fù)雜結(jié)構(gòu)封閉環(huán)境下的人機(jī)動(dòng)態(tài)定位及跟蹤的智能施工組織技術(shù)，能夠提高管理水平、提升人機(jī)協(xié)同程度。

2)大跨度隧道支護(hù)以圍巖結(jié)構(gòu)作為承載結(jié)構(gòu)是可行的，采用及時(shí)生效的主動(dòng)支護(hù)技術(shù)能夠充分發(fā)揮圍巖自承能力。

3)采用環(huán)境友好型技術(shù)能夠降低對文環(huán)保核心區(qū)的影響，綠色、精細(xì)化的隧道建造技術(shù)為敏感環(huán)境區(qū)隧道建設(shè)提供了思路。

4)AR、人工智能技術(shù)與環(huán)形救援廊道配合進(jìn)一步提升了車站的安全性；監(jiān)測技術(shù)與平臺(tái)化的管理可以提升車站運(yùn)營效率、降低隧道能耗、提升旅客體驗(yàn)感，智能化技術(shù)在地下工程具備良好的應(yīng)用前景。

八達(dá)嶺長城地下車站的工程實(shí)踐為復(fù)雜結(jié)構(gòu)地下工程智能建造提供了可行性方案及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是，隧道智能建造在綜合感知與分析的施工裝備體系、較完備的隧道地質(zhì)信息庫和不同地質(zhì)條件下施工風(fēng)險(xiǎn)與對策數(shù)據(jù)庫、全周期和全要素的隧道數(shù)字孿生技術(shù)等方面亟待完善，這也是未來隧道智能建造發(fā)展的主要方向之一。