城市轨道交通工程结构20年发展历程

1999年之后，随着经济实力和技术水平的提高，我国进入了城市轨道交通建设的高潮期。然而，由于受到城市既有建（构）筑物的影响以及所处工程地质条件的多样性，城市轨道交通建设的环境越来越复杂，面临的制约影响也越来越苛刻，如下穿高速铁路、建筑物群、重要文物等情况越来越多［4］。图1列出了地铁区间隧道下穿建筑物的特殊情况。同时，也出现了在极软、砂卵石、高水压等特殊地层中修建城市轨道交通工程的情况［4］。城市轨道交通建设环境的复杂，不仅增加了工程施工难度，也大幅提高了施工风险，因此带来的工程事故也越来越多，如盾构机被埋［5］、盾构隧道施工引起地面塌陷［6-7］、盾构隧道管片渗漏水［8-9］、车站基坑整体坍塌［10-12］等。这给城市轨道交通的设计和施工提出了更高、更严格的要求。只有解决了这些难题，才能满足城市轨道交通快速发展的步伐，否则会付出沉痛的代价。

图1 盾构下穿建筑物（群）

我国城市轨道交通经过20年的发展，已跃居世界第一的规模。在城市轨道交通的建设过程中，经历了建设理念的变迁、设计方法的优化和施工技术的提升。本文分别从建设理念、设计理念以及施工技术等三方面对我国城市轨道交通工程结构发展进行概况和总结，并对今后的发展趋势进行展望。

1 城市轨道交通建设理念转变

城市轨道交通工程建设理念不仅是实践经验的总结和积累，也是一定时期内城市轨道交通工程发展的方向［13-14］，表现形式主要为制定的地铁设计规划和建设标准等［15-17］。其在城市轨道交通工程的建设中具有举足轻重的作用。纵观我国城市轨道交通工程的发展历史，其建设理念的转变主要经历了以下三个阶段。

1.1 由平战结合向交通功能为主转变

1971年建成通车的我国第一条城市轨道交通——北京地铁1号线，以及1976年投入运营的天津地铁和1993年投入运营的上海轨道交通1号线，其设计理念都是军事战略防备和防空［18］。之后，随着改革开放和经济体制改革的逐步深入，大中城市对交通的需求日益增加，导致许多城市的交通供给能力严重不足，并出现了交通堵塞，供需矛盾日益突出，甚至制约了城市社会经济的发展。城市轨道交通具有运量大、便捷方便、安全可靠、准时舒适、无污染或少污染等特点，能有效解决城市交通拥堵，因此，随后城市轨道交通的建设理念就转变为实现交通功能为主。

1.2 由解决现状交通向完善城市功能转变

城市轨道交通不仅可以解决城市交通拥堵问题，提高城市出行效率，而且城市轨道交通所到之处，楼宇兴旺、土地增值、人口增加，居住、产业、文化、社会等社区功能迅速形成。另外，以轨道交通站点为核心的交通枢纽带来了人流、物流、信息流等，这对商业有着非常积极的促进作用。研究表明，紧邻地铁站点的物业升值空间可达到30%～50%，若将交通枢纽设施的整合与商业、娱乐、服务等功能相结合，合理配置工作、休闲、购物、居住，可以构建交通便捷、商业繁荣的环境。因此，城市轨道交通的建设和运营可以改善或完善沿线特别是站点的城市功能，改变城市布局，实现城市环境和交通的综合治理。目前，许多城市的轨道交通规划都与完善城市功能结合在一起，如武汉、南昌、南宁、徐州等。

1.3 由交通规划向引领发展转变

城市轨道交通不仅可以完善城市功能，同时也可以引领城市发展，优化城市布局，拓展城市空间。之前，我国城市轨道交通规划理念着重强调对缓解交通拥堵的意义，而在一定程度上轻视了轨道交通对城市发展的引领作用；目前已充分认识到轨道交通的引领作用，提出了“轨道+”的规划建设思路，采用轨道+物业、轨道+社区、轨道+小镇、轨道+旧城改造、轨道+综合管廊等模式，把轨道交通建设与片区开发、城镇化、城市更新、市政基础设施建设相结合，加强轨道交通场站和周边土地一体化规划与建设，确保轨道交通与城市建设的融合发展，并取得了较好效果。例如，成都市牢固树立轨道交通引领城市发展格局理念，强力推进轨道交通加速成网计划，引导人口和产业在郊区卫星城、新城的集聚和扩散，实现生产要素在空间上的重新整合和布局。

2 城市轨道交通结构设计理念转变

城市轨道交通工程结构设计理念很大程度上依赖于工程材料学科发展水平，以及施工方法、施工工艺的创新。城市轨道交通工程的结构多采用钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土，因此混凝土结构理论及施工技术对城市轨道交通工程结构设计产生了深远影响。此外，由于受到城市既有建筑和布局的影响，城市轨道交通工程结构的设计和实施还具有其显著的特殊性，设计理念也在不断完善，具体体现在以下几个方面。

2.1 由注重建设向建运一体转变

相比西方国家，我国城市轨道交通工程的建设起步较晚，早期我国城市轨道交通工程的工作者主要关注建设，即如何能够在中国建成城市轨道交通，实现从无到有的突破。当时的结构设计理论主要参照国际上通行的极限状态法，之后随着钢筋混凝土这一学科分支的形成，以统计学为基础的结构可靠性理论开始进入工程实践阶段。

不论是极限状态设计还是可靠度设计，其目的都是保证结构的强度、刚度和稳定性满足要求。随着城市轨道交通工程在运营中碰到的结构渗漏、破损和大变形等问题越来越多，工程界发现，城市轨道交通工程（尤其是地下工程）在复杂环境下的抗腐蚀能力和在应力敏感地层中的变形及防水等耐久性问题也是保障“百年工程”的关键，这使得城市轨道交通结构设计理念在以往的以强度、刚度和稳定性控制为主的基础上又加入了耐久性因素。

城市轨道交通考虑耐久性设计首先要解决的就是结构耐久性问题，只有结构耐久性解决了，才能真正实现“百年工程”。城市轨道交通工程与其它工程相比，具有自身的特殊性，如：

（1）存在大量地下结构，如地下车站、地下区间隧道等。这些结构处于复杂的应力环境之中，长期变形特性很难描述，同时，部分地区还面临化学侵蚀作用，如氯离子的腐蚀问题。

（2）长期受列车振动荷载的作用。动力作用下结构周边力学行为更加复杂，其诱发的长期沉降一直是工程界难以解决的问题。

（3）结构建造质量难以保障。城市轨道交通存在大量地下工程，其施工环境、影响因素较地上工程要复杂得多，致使工程在交付时便存在不同程度的初始缺陷，如地下连续墙接缝漏水、拼装误差导致的管片损伤或错台等。这使得城市轨道交通工程结构在服役之初便已不再处于设计状态，也使得耐久性问题不可避免地会出现。

为此，针对城市轨道交通结构耐久性方面的研究和工程实践一直在持续［21-22］，如针对盾构隧道管片应该是通缝拼装还是错缝拼装（拼装结构见图2和图3）的研究。上海轨道交通采用通缝拼装形式，其断面尺寸与结构型式的选取受制于当时工程投入与工艺水平，并考虑到设备限界与拼装难度，最终采用外径6 200 mm、内径5 500 mm的形式，并一直延续至今。随着工程实践经验的丰富和理论研究的深入，已有成果表明通缝隧道整体刚度较差，在荷载（埋深）较大或外部环境发生变化时容易出现局部变形超限，从而导致各种病害，增加后期运营风险和维养费用，影响盾构隧道使用的耐久性。采用错缝拼装的隧道结构可以很好地解决上述问题。后续南京、杭州、宁波等市的轨道交通建设中均采用了错缝拼装形式。当然，错缝拼装由于工艺复杂，可能会出现因拼装误差而出现的初始缺陷，但该问题现可通过采用复合纤维混凝土得到解决，如上海轨道交通下穿虹桥机场段。上海轨道交通新一轮建设中因考虑侧向平台对限界的影响，将隧道尺寸扩大至外径6 600 mm、内径5 900 mm，但仍采用通缝拼装，扩径后管片变形特性受外部环境影响会更为显著，该结构形式是否值得优化仍是需要探讨的课题。

图2 通缝拼装隧道

图3 错缝拼装隧道

城市轨道交通工程的耐久性不仅与结构的力学性态有关，还与构件的抗腐蚀性能密切相关。图4为隧道预埋滑槽示意图。在使用过程中，安装预埋槽道的位置可能发生漏水、冒浆等，如图5所示。研究发现，由于槽道防腐涂层不均匀或防腐工艺不成熟，容易在局部位置出现防腐缺陷，导致槽道在碱性环境中发生化学反应，最终形成漏水通道。因外部环境导致的构件腐蚀或老化等耐久性问题在地下结构防水密封垫、高架段车站钢（膜）结构顶棚等关键部位同样存在。

总之，城市轨道交通工程结构设计除了要保证结构不发生因强度、刚度及稳定性不足所导致的“致命性”破坏，还需要考虑耐久性缺失而出现的工程“短命”问题。结构的耐久性设计应针对构件的防腐工艺及标准做出明确要求，以保证城市轨道交通工程的长期使用性能。

2.2 由单因素向多因素转变

城市建设的一般规律总是先易后难，随着我国近20年的大规模建设和发展，我国城市轨道交通结构已开始面临越来越多的复杂影响因素。

首先，早期城市轨道交通工程结构设计主要考虑周边水土荷载和部分超载，但随着城市基础设施的大量兴建，城市轨道交通建成区周边势必会出现新的工程加、卸载行为，这给结构设计增加了难度。即城市轨道交通工程关键节点的设计还需考虑城市环境变化导致的多种影响因素。另外，先期建设的工程会直接影响后续工程的实施工法和设计思路，只有统筹考虑找到最优的建设顺序，才能使多个工程得以顺利完工，否则很容易成为制约城市发展的死结。

其次，随着城市轨道交通下穿工程数量的增多，如某地铁区间超近距离多次下穿运营磁浮线（见图6），受邻近既有建（构）筑物严格变形控制的需求，原本粗放式的设计理论已难以满足高精度的要求；若再考虑上部环境的动应力影响，则对于受结构特征、多相组合体以及复杂应力历史过程影响的岩土体来说，无疑是巨大的挑战。这需要对设计理念和模型、施工过程等作精细化的处理，同时还要解决高精度计算参数的获取问题。

图6 某地铁区间超近距离多次下穿运营磁浮线

最后，城市轨道交通结构设计还需要考虑工程建设期与城市绿色发展的矛盾及相互影响，如中心城区基坑开挖对交通、管线的影响。特别在我国大中城市，由于人口众多，环境保护要求极高，上述问题处理不当将严重影响市民出行，甚至引发一系列社会问题。为最大限度地降低城市轨道交通建设期带来的影响，沿海地区已经逐渐开始尝试采用非开挖的设计方法，如上海轨道交通有分别采用顶管法和管幕法进行的暗挖地铁车站示范工程（见图7）。这是国际上在饱和极软弱土层中暗挖地下车站的重要试验，也是城市轨道交通设计在众多严苛的制约条件下所做的积极探索。

图7 富水软土城市中心城区采用暗挖法设计的车站

2.3 由注重构件向注重体系转变

城市轨道交通结构体系由多种结构构件相互组合而成，如盾构法区间隧道结构包含管片、螺栓及密封垫等，而地下车站结构则包含围护、支撑和主体（梁、板、柱）等。很显然，城市轨道交通结构体系的整体功能大于局部构件之和。因此，城市轨道交通结构设计也不能只停留在对单个构件的独立设计上，还应注重各组成部分的相互联系以及在外部环境作用下的综合结果。即考虑结构的系统性，将结构作为一个整体来进行计算、进行设计，切不可只注重单一构件。

3 对地下水认识的争议

水是地下工程建设遇到的万害之源，诸多事故都与地下水直接或间接相关。现有统计资料显示［21］，约有22%的基坑事故与地下水处理有关。2018年2月7日发生的佛山地铁盾构隧道透水坍塌事故也是由地下水引起的［7］。时至今日，学术界和工程界对于城市轨道交通工程建设中遇到的地下水处理技术仍存在争议，并无统一认识，具体体现在以下几方面。

3.1 地下结构的防水处理方式

城市轨道交通工程结构防水遵循以防为主、防排结合、因地制宜、综合治理的原则［14］，但区间隧道的设计只能遵循以防为主，只有在施工与因地制宜、综合运营过程中不得已且疏排水不会引起周围地层下降的前提下，才允许对进入主体结构内的少量渗水进行疏排。在落实以防为主时，普遍的做法是采用刚柔并济的防水体系，即结构自防水和防水层防水共存。

在城市轨道交通工程地下结构中，采用最多的防水层防水方式是全包防水，即将地下结构用完全不透水的材料包裹起来，使地下结构与地下水隔断。其设计理念先进，但在具体施作过程中存在局部防水材料“破洞”的可能性，从而导致防水失效。据调查，宁波轨道交通1号线采用全包防水后仍出现了渗漏水情况［22］。另外，全包防水铺设也需要一定时间，不利于软土地层地下结构的抢修。

结构自防水是利用结构材料的密实性及某些构造措施（止水条等）起到防水作用。结构自防水由于不需要另外铺设防水材料，可以实现快速封闭施工，在有抢险要求时可保证施工安全，但防水效果较全包防水要差，后续的防渗漏工程量大，另外也缺少切实有效的综合补救方法。

3.2 承压水的处理技术

随着城市轨道交通工程埋置深度的增加，工程建设中不可避免地会遇到承压水。在承压水作用下，基坑工程会发生突涌破坏（图8为某地铁基坑出现“泉眼”群造成突涌），盾构隧道工程可能发生喷涌破坏（见图9），且由承压水引发的工程事故具有突发性强、破坏力大、抢修困难等特点［4］，故对施工安全和结构防水带来较大挑战。

针对承压水的处理技术主要有隔断和降压［23］两种。隔断是利用止水帷幕将施工区域内外承压水的水力联系切断，使其失去承压性。该方法会增加止水帷幕的施工成本，还存在隔断失效的风险，适合于承压含水层厚度较薄或隔断需增加止水帷幕不大的情况。降压是通过不断抽取承压水来满足施工期工程的稳定性，待工程完工后再逐步恢复地下水位。该方法可能会引起周围地层较大沉降，适合于承压水降深不大或周围无重点保护建（构）筑物的工程。宁波轨道交通1号线鼓楼站基坑工程就采用了降压法（见图10）。另外，还有一些工程采用隔降结合的方法，即采用加长止水帷幕（但不完全隔断承压含水层）与降压的方法，但在设计中要注意止水帷幕与降压井插入承压含水层的深度，以尽可能减少降压对周围环境的影响［24］。杭州地铁1号线滨江路站基坑工程就采用了隔降结合的承压水处理方案。

图8 基坑承压水突涌

图9 盾构发生喷涌

图10 宁波轨道交通1号线鼓楼站基坑降水井布置图

3.3 结构抗浮技术

抗浮与沉降是地下工程的一对矛盾。地下车站在饱和土层中由于覆土变薄，常常设置抗拔桩以解决结构的抗浮问题，但迄今为止饱和地层中地下车站大多呈现微量下沉而不是上浮；同样，在饱和地层中的区间隧道在设计时也必须满足抗浮要求，但运营之后却发生了下沉现象。对于轨道交通来说，无论是下沉还是上浮，都会导致轨面的不平顺，这种不平顺会加大运行中列车作用在轨道上的振动荷载。振动荷载的加大，一方面会使轨道恶化、损坏道床；另一方面会加大对周边环境的振动和噪声的不利影响，有悖于环境友好的城市发展理念。

在饱和土层中依照抗浮设计的工程却屡屡下沉的原因非常复杂，一方面与周边新建工程有关，另一方面与结构自身的渗漏水也有关系。

4 城市轨道交通工程施工技术转变

施工技术是与当时的施工机械、施工工艺密切相关的。我国城市轨道交通建设技术的发展可以分为三个阶段：第一阶段是1980年之前，施工机械很少，主要采用传统的施工方法，如放坡明挖回填法，部分采用矿山法，其技术特点是充分利用场地条件和劳动力资源，施工机械化程度不高；第二阶段是20世纪80至90年代，随着改革开放的推进，我国了解了国外许多先进的施工技术、施工机械和工程材料，这一时期的特点是拓展了传统施工方法，创立了浅埋暗挖法［25］，同时也引进了国外的先进机械，如地下连续墙施工设备和盾构掘进机等，施工技术水平得到了提升；第三阶段是进入21世纪，随着综合国力的提升和技术研发能力的提高，我国开始注重技术再创新、施工机械国产化以及新材料的研制，这一时期的特点是高技术代替劳动密集型、自动控制装备代替人工控制。

随着技术水平的提高以及施工环境的日趋复杂、施工难度的不断增加，今后城市轨道交通施工技术将向装配式、智能化、精细化及机械化方面转变，详述如下。

（1）装配式。装配式建筑是采用工厂预制的构件在施工现场装配而成的建筑，是劳动组织方式理论的转变（即由施工现场转移至工厂内），可加快施工速度、提高施工安全、降低材料损耗、实现循环利用。装配式已被列入住建部《建筑产业现代化发展纲要》，并要求至2020年装配式建筑占新建建筑的比例在20%以上［26］。城市轨道交通工程的装配式由来已久，盾构法隧道是其中最典型的一种。为扩大装配式在城市轨道交通工程行业的应用，装配式地铁车站也在逐渐推广，如长春地铁2号线［27］和北京地铁6号线的部分车站，但在具体实施中还存在开挖施工精度、拼装工艺、结构防水等方面的技术难题。

（2）智能化。智能化是施工控制理论的转变，即由人工判断转为机械自动判断，是综合运用智能监控技术、现代通信与信息技术、计算机网络技术以及智能控制技术而使工程建设达到智能感知、准确判断、快速反应的目的，使工程建设更安全、更高效、更便捷。目前，应用在城市轨道交通工程施工中的智能化装备越来越多，如长距离管棚智能化导向定位装置［28］、盾构法隧道下穿铁路土压平衡智能感知调控装置［29］等，以后随着技术进步，还将出现更多的智能化装备。

（3）精细化。随着城市轨道交通工程建设密度的增加以及城市基础设施的完善，城市轨道交通工程的建设环境会愈加复杂，工程建设引起的环境影响也愈来愈严格，特别是临近对变形较为敏感的重要建（构）筑物（如高速铁路等）时，就需要一改粗犷式施工，进而转向精细化设计、精细化监控、精细化管理、精细化施工，从而实现精细化的施工控制。通过精准计算、分区设计、实时监控、即刻反应等系列精细化控制措施，目前已实现城市轨道交通工程下穿高铁施工的毫米级变形控制［30］，大大提高了城市轨道交通工程的施工技术水平。

（4）机械化。机械化是施工方式理论的转变，即用机械代替人工劳动，不仅可以提高施工效率和质量，还能降低施工风险。随着科技的进步，我国城市轨道交通工程的施工机械化程度不断提高，目前已出现了用于地铁联络通道施工的盾构机。该盾构机能够实现管片结构切割、盾构隧道T形结构连接、高精度施工控制和结构安全管控，是地下工程向全机械化迈进的重要一步［31］。另外，据悉西班牙将研发自动隧道掘进机器人，实现小直径隧道的全自动开挖［32］。今后，随着科技的进步及“中国制造2025”的不断推进，我国城市轨道交通工程的机械化程度将不断提高。

5 结语

（1）城市轨道交通工程建设理念的转变主要经历了三个阶段，即平战结合、交通功能为主以及完善城市功能和引领城市发展。

（2）城市轨道交通工程结构设计则实现了由注重建设向注重建运一体转变、由单因素向多因素转变、由注重构件向注重体系转变。

（3）分析阐明了地下水仍是城市轨道交通工程结构设计和施工的重点和难点。

（4）提出了城市轨道交通工程施工技术向装配式、智能化、精细化及机械化发展的趋势。

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