穿越高速铁路的地下工程

文/姚晨辉

当高铁遇到地铁

2008年北京奥运会前夕，我国首条设计速度为350千米/时的高速铁路——京津城际铁路开通，这意味着中国高铁时代的正式来临。到2019年年底，我国高铁运营里程已经超过3.5万千米，运营和在建规模均为世界第一。高铁已经成为我国的一张独特而靓丽的“名片”。

随着城镇化发展，地下工程建设及立体综合交通体系建设需求不断提升，道路、地铁和市政工程等每年以超过20万千米的速度增长。作为路权专有、高密度、高运量的城市轨道交通系统，地铁受到大都市的青睐。与城市中的其他交通工具相比，地铁具有节省地面空间、减少噪音、节约能源、减少污染、运量大、准时、速度快等优点。截至2019年年底，我国已有30多个城市开通了地铁，地铁线路长度超过了5000千米。

城市地下工程建设如火如荼

地铁线路多位于地下，其施工有时需要从地下穿越高速铁路。与下穿其他建筑施工相比，下穿高铁施工需要严格控制地面变形，仅允许轨面变形2毫米。而对路面要求极为严格的机场跑道，道面允许变形范围为10毫米。高速列车动荷载也对地铁施工安全有着复杂影响，容易造成列车脱轨、路面坍塌等事故，致使铁路运输和工程建设中断。因此下穿高铁施工是国际工程界的一大难题，尤其在沿海发达地区，软土分布广、高铁线网多、行车密度大，下穿高铁施工一度成为技术禁区。

传统施工方法中，下穿铁路施工技术仅允许列车以45千米/时的速度通行，或者需要采用绕行措施完成施工，这些措施都将造成大量列车晚点或取消，扰乱正常的铁路运输秩序。如何在不限速的前提下，完成对下穿铁路工程的精准控制，已经成为工程界亟须攻克的难题。

打破下穿高铁施工的限速“魔咒”

为了解决复杂工程地质条件和严格环境制约条件下进行地下工程建设面临的诸多技术难题，同济大学道路与交通工程教育部重点实验室周顺华教授，带领团队几十年如一日进行攻关，攻克了地下工程穿越高速铁路设计方法、施工变形控制技术体系和智能化施工装置制造等关键瓶颈技术，形成了地下工程穿越高速铁路的精细化控制技术体系，推动了我国地下工程领域技术水平的大幅度提升。

下穿高铁施工难度极大

不限速下穿高铁设计方法：针对国内外传统下穿铁路技术需要对列车限速或绕行，以及没有统一的下穿铁路设计模式的现状，研究团队以控制开挖应力释放为目标，发明了棚架法、刚柔复合结构隔离、地基分区加固等不限速下穿铁路设计技术，首次完成了不限速下穿300千米/时运营高铁的工程施工。

施工变形控制技术：研究团队基于动态平衡开挖应力释放理念，发明了轨区高精度自动监测、实时预警、下穿施工参数精细化自动补偿三大施工控制技术，使轨区自动监测精度达到0.5毫米，下穿高铁施工产生的变形小于2毫米，达到了隧道施工变形控制的国际最高水平。

智能化施工装置：研究团队发明了下穿施工开挖应力自动平衡的智能型施工装置，包括盾构机土仓渣土智能感知调控装置、长管棚智能化导向定位纠偏装置、水平循环置换成桩加固装置，填补了国内外空白。

实践检验

研究团队的成果成功应用于软土地层首次一次性穿越26股道、下穿300千米/时高铁、高铁咽喉道岔区及高铁群等工程实践，创造了一次性穿越距离最长、速度最高、高铁线路最密集和下穿高铁咽喉道岔区4项国际工程纪录，并在下穿京沪、京广、沪昆、杭深等高铁的数百项工程中得到推广应用。

地下工程穿越高速铁路的精细化控制技术体系，为不限速下穿高铁工程提供了关键技术支撑，有力解决了轨道交通、道路、市政设施等建设与铁路运输运能保障之间的矛盾，在保障铁路运营安全、运输正点率方面发挥了重大作用。

原载于《科学画报》2020年第12期，本文受到上海科委2019年度“科技创新行动计划”科普领域项目资助。项目名称：“立足科创中心，传播尖端科技——打造上海重大获奖科技成果科普化融媒体专栏”；项目编号：19DZ2332600。