百年京张脱胎换骨智能建造领跑世界

百年前，京张铁路建成通车，成为第一条中国人自行设计建设的铁路；百年后，为保障冬季奥运会的交通，京张高铁应运而生。“京张高铁复杂敏感环境地下站隧智能化建造关键技术与应用”项目的成果，写就了百岁京张蜕变新生的这段故事。

2019年12月30日，北京至张家口高速铁路正式开通运营，“京张线”展开了全新的历史篇章。

一百多年前，伴随着火车轰隆隆的声音，京张铁路建成通车，作为第一条由中国人自行设计建设的铁路，成为国人永远的骄傲。一百多年后，为了保障冬奥会的交通，京张高铁应运而生，开启了世界智能高铁的先河。从“最有骨气的铁路”到“世界上第一条时速350公里的智能化高速铁路”,百年京张完成了蜕变。

但这蜕变来之不易。为了建造世界首条智能高铁，中国铁路建设管理有限公司、中国铁道科学研究院集团有限公司、京张城际铁路有限公司、中铁工程设计咨询集团有限公司、中铁五局集团有限公司、中铁十四局集团有限公司、中国铁路北京局集团有限公司等多家单位通力合作，在“京张高铁复杂敏感环境地下站隧智能化建造关键技术与应用”项目中克服重重难题，首创了高速铁路地下站隧工程智能建造体系，创建了世界文化遗产区超大跨深埋密集洞群地下站隧结构与环境构建智能化体系，系统创新了多敏源环境下高铁大直径盾构隧道智能化安全快速建造关键技术。相关研究结出硕果，获得了2021年度北京市科学技术奖科学技术进步奖一等奖。

设备模型展示

移动式钢轨闪光焊机

工程建造面临“史诗级难度”

作为北京冬奥交通保障线、京津冀一体化经济服务线、百年京张文化传承线、世界首条智能高铁示范线，京张高铁在建造中遇到了许多情况复杂且没有先例的难题。例如，八达岭长城站和清华园隧道分别下穿世界文化遗产核心区和城市建筑密集区，地质复杂，环境敏感，面临巨大挑战。

以八达岭长城站为例，它是目前世界上结构最复杂、埋深最大的地下高铁站，建设中面临的工程技术难题包括超大跨隧道修建难、密集洞室施工组织难、文物与环境保护难、复杂地下车站运营组织难等。

看一看它的各项数据：埋深102米、洞室78个、断面88种、交叉口63处，最大开挖跨度32.7米、最大开挖面积494.4平方米，地下建筑面积5.88万平方米。相比之下，在国内外同类型车站中，京津城际铁路滨海站的埋深为65米，广深港高速铁路福田站(明挖)的埋深为31.5米；赣龙铁路新考塘隧道的最大开挖跨度为30.9米，意大利威尼斯车站的最大开挖跨度是30.0米，韩国鹰峰公路隧道的最大开挖跨度是25.1米。可以说，八达岭长城站这样的配置，在交通地下工程建造中无疑属于“史诗级难度”。

超大跨隧道施工开挖、结构稳定、变形控制等难度极大，每一项遥遥领先的数据背后，对应的都是几何级增长的难度系数。

其次，站隧施工与地面施工一个极大的区别是：工作人员不能从四面八方到位，而需统一从隧道口进出。想要在有78个洞室、88种断面、63处交叉口的复杂结构中调配人员作业，无疑是一个巨大的挑战。

同时，该站点2次下穿八达岭长城，1次长距离并行下穿水关长城，1次超浅埋下穿百年京张铁路人字形线路，施工期间的爆破振动与沉降控制要求高、难度大；由于地处国家森林公园、毗邻野生动物园等环保核心区，对建设污水排放、粉尘和噪声控制的标准严、难度大。

此外，在密闭的地下环境中人们难免会感到压抑，如何基于声、光、风、温度等，营造一个使游客感觉舒适的环境，也是一个难点。

建成首座智能地下高铁车站

“会当凌绝顶，一览众山小。”想要睥睨全局，就必须跳出桎梏，站在新的高度。

在八达岭长城站建造之初，项目团队就首创了高速铁路地下站隧工程智能建造体系，提出了基于“模数驱动、轴面协同”的铁路地下站隧智能建造理论，并以“BIM+GIS”技术为核心进行了地下车站智能设计，针对整个工程结构进行了三维实景的虚拟还原，全景可视地对工程进行预制模拟，极大地提高了实际施工的效率，实现了洞室群空间布局与连接优化、碰撞检查等，形成了“勘察—设计—施工—运营—管理”过程可视化、智能化的统一管理平台，解决了有限空间内密集洞室布置的难题。

“简单来说，这相当于在实际动工之前，提前用电子版的形式给整个工程打个样，有不合理的地方也方便修改。”团队成员解释。

尽管前期有了三维规划的帮助，实际开挖过程中遇到的困难还是层出不穷。举例来说，要在地下挖出断面约500平方米的洞室，一般会采取爆破的方法，但这种方案必然会对上方的地层和周围已挖好的结构造成扰动，导致地表下沉等情况。

这么大的断面，应该先挖中间还是先挖外层，先挖上层还是先挖下层?团队采用数值模拟手段建立模型，进而计算出挖掘过程中的沉降和应力变化，确定了最合理的施工方法。

在此过程中，团队创立了超大跨隧道“品”字形开挖技术，将隧道断面分为11个部分，分区域开挖。概括地说，施工期间预留隧道核心提供支撑，先挖顶洞，自上而下、先两边后中间，重点部位锚固锁定。通过这个方案，最终隧道的拱顶最大累计沉降仅17.3米，在保证高效挖掘的同时，解决了超大跨隧道开挖及过程变形控制的难题。

超大跨隧道的施工难点在于减少变形，而密集洞室群的施工难点就在于协调庞大的人和机械数量。地下工程包括78个洞室、88种断面、63处交叉口，但进出隧道却只有一个通道。高峰期时，隧道中可能同时有几百人和100多台挖掘机、装载机等设备在作业，如何协调这些人和机器协同作业，成为一大难题。

“为了做好管理，我们给工人的安全帽和设备上加入了定位，实现了隧道中的网络化覆盖。通过网络连接，每个人、每台机器的定位都被掌握，并通过施工进度管理平台来进行统一的调度。”团队成员表示，通过这种精细化管理的方式，实现了对所有人、车的动态管控，保障了车站多点(13个工作面)施工高效推进与对接，解决了单通道多点施工组织的难题。

八达岭长城站地处世界自然遗产区，为了不影响景区的风景，工程要弱化地上建筑体量，地下车站出口设计要“依山就势”,与自然融为一体，站厅外立面颜色与长城相协调。

长城景区每天游客如织，为了减少对景区的影响，团队采用微振微损伤精准爆破量化控制技术，将爆破震速控制在0.1厘米/秒，实现地面零沉降。用团队成员的话说，这相当于“在长城上跺一下脚”,最大限度地消除了工程建设对文物和环境的不利影响。

此外，团队还采用工作面水幕降尘技术和地下车站清污分离排水系统等手段，有效降低了粉尘和污水对施工人员及八达岭景区环境影响，解决了施工期生态核心区环境保护难题。

值得注意的是，作为世界上第一条智能化高速铁路的地下站隧，八达岭长城站也被建成世界首座智能地下高铁车站——站台内采用砂岩吸声板材料，并使用洞壁吸声降噪技术和群洞布局的隔噪技术，将站台区的噪声控制在80分贝以内；利用“列车活塞风+半高门设计”,巧妙地将风速控制在不影响人体感受的范围内，并在不使用主动降温技术的前提下将最高温度控制在35℃以下，营造舒适的乘车环境。

在安全性方面，团队在既有系统基础上新研发4个子系统，提升了险情发现、警报及应急疏散能力；基于BIM+GIS解决子系统整合问题，实现平台化统一管理，提升了应急管理能力；基于VR仿真进行模拟演练，提升了员工应急处理能力，以保障复杂深埋地下车站中的旅客乘坐体验与生命安全。

“过五关斩六将”之后，团队终于在文保与环保核心区成功修建了世界上跨度最大、埋深最高、结构最复杂的智能高铁地下车站，大大提高了游客便捷度(乘坐京张高铁从北京北至八达岭仅需31分钟，出站步行至景区仅需2分钟),同时传承了百年京张铁路文化，践行了“绿水青山”发展理念，实现了文保与环保“双丰收”。

智能防排水板铺挂台车

清华园隧道“缝合”北京城市空间

有别于八达岭长城站，清华园隧道处于北京市的核心区，这里地下建筑密集，面临着城市密集建筑保护难、大直径盾构智能精准控制难、大直径盾构高效掘进难、城市敏感环境绿色建造难等四大难题。

由于是在城市中心区动工，必须将对地面的影响降低到最小，清华园隧道没有使用爆破法，而是使用地铁施工中常用的盾构法。查阅资料可知，北京地铁所用的盾构机直径一般为6米或8米。不过，建造高速铁路需要更大直径的盾构机——京张高铁工程用到的盾构机，直径达到12.64米。

隧道直径越大，就会与越多的设施产生交集。清华园隧道侧穿北京地铁13号线，同时下穿10号线、15号线及7条市政道路、88条重要管线。这样的情况，相当于在外科手术中，将一根针通过身体的某一部位穿到另一个部位，但不能影响途中分布的诸多器官、神经、血管。怎么在精准控制的同时保证效率，是这场“手术式施工”的难点。

这个问题的解决，依然离不开智能化技术。团队建立了三维地层响应分析模型，创新了大直径盾构穿越多敏源环境微沉降智能预测方法和智能控制技术，构建了盾构掘进可视化智能管控系统，突破了高铁大直径盾构精准控制高效穿越施工难题。

为了将盾构机产生的渣土运出去，团队揭示了高渗透砂卵石地层泥浆渗透成膜机理，掌握了环流系统卵石移运规律及大直径盾构掘进参数演变规律，为复杂地层高铁的大直径盾构安全掘进提供了技术基础。

同时，团队还首创了集防灾、疏散、救援与运营通风于一体的大直径盾构隧道装配式轨下结构，建立了轨下预制结构自稳定设计理论与方法，研发了高精度装配结构智能化拼装装备与配套工艺，实现了高铁盾构隧道全装配式结构安全快速施工。

在很多人的印象中，每当五道口有火车经过时，与铁路相交的城市道路交通就会暂时中断，巨大的人流车流在此处汇聚、停顿。而随着清华园隧道的贯通，这样的画面终于成为历史——新的京张高铁将改写老京张铁路穿城而过的往事，用地下行驶换来北京城市空间的“缝合”,为人们的“五道口记忆”换上新的底色。

坐着高铁看奥运，在长城脚下穿越，在清华园隧道飞驰，百年京张经历脱胎换骨后，焕发出全新光彩。回望百年历史，从自主设计修建“零的突破”到引领世界最先进水平，从时速35公里到时速350公里，京张线见证了中国铁路的辉煌发展史，也见证了中国综合国力的飞跃。

来源: 北京科技报社

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