地下空间施工技术进展及数智化技术现状

21世纪是地下空间开发利用的世纪，世界将有1/3的人口在地下生活工作，地下空间工程的安全高效建设成为重中之重。国家“十四五”发展规划和2035年远景目标纲要明确提出，统筹推进传统基础设施和新型基础设施建设，打造系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系。随着中国川藏铁路、粤港澳大湾区、长江经济带、京津冀协调发展等国家发展战略规划的启动与实施，地下空间的开发利用进入了一个高速发展期。在城市的总体规划中，地下空间的发展模式已经由原来的“单点建设、单一功能、单独运转”转变为现阶段的“统一规划、多功能集成、规模化建设”。长远来看，中国地下空间的开发利用将进入“超深、超敏感”阶段，构建“一体化、生态化”的地下城市。

随着城市地下空间高速发展，地下工程施工常面临着水文与地下水、地下岩土体稳定性、城市区域稳定性等岩土工程问题，即面临着“水、软、变形难以预测”三大技术难题。这些问题制约了城市地下空间的开发利用，甚至为施工埋下严重的安全隐患。地下空间临近敏感性建构筑物及众多地下管线，特殊富水地层不易加固，且施工场地狭小，传统工法难以实施，通常需要因地制宜创新施工技术，其核心问题为在多场耦合的复杂地层中多次下穿既有建筑结构变形协调机理和新旧结构工后动态响应与稳定特征。超大超长超深城市地下空间通常具有微变形、小间距、大断面、大埋深、高精度、长距离和超大规模等特征，需要精细化施工，这对施工装备提出了更高要求。

国家“十三五”规划强调促进实现城市地下空间数字化管理，提升城市地下空间管理标准化、信息化、精细化水平。“十四五”规划多处地方释放出中国全面部署数字化、智能化的明显信号。目前数智化技术在地下空间应用中存在技术间融合不够、基础性数据不足及系统性平台缺失等问题，远不能满足地下工程建设需求。

本文总结了近年来地下空间尤其是城市地下空间近接施工技术、施工装备和数智化技术等方面的技术发展与创新，详细分析了软土富水地层位移和变形控制技术，提出具有施工安全智能预控的工法（辅助工法）；介绍了集合人工智能、物联网等新一代前沿技术和隧道装备核心共性技术，具有自主知识产权的典型超级地下工程装备；阐述了地下空间信息的共建共享，构建可视化的地下空间信息平台，实现“透明地下空间”理念。最后指出未来地下工程需加强数智化技术应用，实现整个建设过程的精细化、数字化、智能化以及信息化，对地下空间的高效开发利用具有重要的理论和现实意义。

1地下空间发展历史、现状、趋势与面临的问题

1.1地下空间发展历史

国外对地下空间的开发利用起步较早，以1863年英国伦敦地铁的开通为标志，拉开了现代城市地下空间开发的序幕。此后，美国纽约、法国巴黎、德国柏林等地先后建成开通地铁线路。经过多年的发展，这些国家已具有较成熟的地下空间发展理论与技术，处于世界领先水平。

自新中国成立以后，中国对地下空间的开发利用主要经历了3个阶段：20世纪60年代末、70年代以防备战争、保护战争潜力为主要目的的地下防护空间开发期；20世纪80年代中期地下空间商业利用起步期；21世纪以后地下空间高速发展期。

1.2地下空间发展现状

城市地下空间的开发利用历经300余年，从浅层利用到大规模开发，从解决城市问题到提升城市竞争力，空间资源的集约复合利用已经被视作支撑城市现代化持续发展的标准范式。以城市轨道交通、综合管廊、地下停车场为主导的中国城市地下空间开发每年以1.5万多亿人民币规模的速度增长，据保守估计“十三五”期间，全国地下空间开发直接投资总规模约8万亿人民币。

为推动中国经济有效增长，并为其提供重要的产业支撑，以地铁为主导的城市轨道交通、以综合管廊为主导的地下市政设施等快速崛起，城市地下空间开发利用呈现规模发展态势，中国已成为名副其实的地下空间开发利用大国。当前已形成三大城市群，城市地下空间发展形成了“三心三轴”结构（图1）。

1.3地下空间发展趋势

地下空间开发与国家发展战略一致。《“十三五”国家科技创新规划》面向2030年“深度”布局，专项规划中提到要构筑国家先发优势，围绕“深空、深海、深地、深蓝”，发展保障国家安全和战略利益的技术体系。深地包括在城市空间安全利用、减灾防灾等方面的内容。之后，国家“十四五”发展规划和2035年远景目标纲要明确提出，统筹推进传统基础设施和新型基础设施建设，打造系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系。当前，全球的焦点是应对气候变化。中国第十四个五年规划和2035年远景目标纲要也为应对气候变化制定了明确的时间表：2030年前实现碳达峰，争取2060年前实现碳中和。为减少碳排放，地下空间可以多层、深层开发，容纳目前地面大量设施，释放地面空间，创造绿色生态环境。同时，通过低碳高效长寿命地下结构建造，尽量减少建设过程的浪费，确保基础设施全生命周期的低碳化是未来地下空间发展的必由之路。

地下空间开发与人民群众利益一致。新型城镇化进程的加速、人口环境压力的增长，地下空间资源开发利用已成为扩充城市空间容量、调节城市土地利用强度分布、有序配置城市空间资源的重要手段，是确保城市可持续发展、解决和缓解城市发展与空间资源矛盾的重要途径之一。中国新型城镇化对人居环境质量提出了新的要求，2016~2019年，全国累计新增地下空间建筑面积达到10.7亿m²，以2019年末大陆城镇常住人口84843万人计算，新增地下空间人均建筑面积1.26m²。

1.4地下空间发展面临的问题

（1）前期规划不合理：①缺乏统筹规划，前期地下空间开发与地面建设不够协调，与城市规划很少衔接，功能上单一，形态上分散，地下空间与周边环境无法形成互联互通；②资源破坏严重，地下空间开发可逆性较差，浅层地下空间的无序开发和深层地下空间的无限制占用破坏了地下生态环境，增加了未来城市地下空间开发的难度。

（2）绿色安全、低碳环保要求高。在传统地下工程施工的过程之中，部分施工队伍过分追求经济效益或工程效果，而忽略了对环境的影响。而随着“青山绿水便是金山银山”“碳达峰碳中和”绿色环保可持续理念的深入贯彻，绿色、安全、可持续化发展，成为地下施工过程中最为重要的环节，给地下空间开发技术提出更高要求。

2施工技术进展

经过30年快速城市化进程和地下工程的高速发展，中国地下空间施工技术有了显著提高。尤其是近年来大量代表性地下工程项目克服了微变形、小间距、大断面、大埋深、高精度、长距离、超大规模等技术难题，在近接施工和辅助施工技术方面均取得了较大突破，创新了地下工程的建造技术。

2.1近接施工技术

2.1.1盾构隧道下穿地铁运营隧道控制变形的精细技术

盾构下穿地铁运营隧道必须严格遵守《地铁限界标准》（CJJ/T96-2018），严格控制相关结构参数。经过多年实践，中国已成功掌握盾构下穿地铁运营隧道控制变形的精细技术（图2）。

主要包括：压力动态控制方法；群泵综合注浆加固技术；多参数准智能化控制技术；“人-机-环-测-控”准智能化施工综合技术。具体包括：

（1）盾构推进时采用盾构土仓压力略高于地层压力的动态控制方法，可有效预防开挖面的涌水和坍塌。

（2）采用基于时空效应的隧道围岩的群泵综合注浆加固技术对隧道进行矫正。实践发现盾构隧道多次下穿使土体发生多次扰动，导致既有地铁隧道的沉降变形随穿越次数而相互叠加，如深圳地铁3号线下穿1号线工程，首次下穿导致1号线沉降为5.1mm，第2次下穿已扰动土体导致1号线沉降为12mm，远大于隧道首次下穿诱发地层沉降。

（3）在隧道变形监测时，采用孙钧院士提出的基于多步滚动预测法来逼近隧道沉降最小的多参数准智能化控制技术，可实现施工变形最小的模糊逻辑准智能化逼近（表1）。

（4）基于工程类比的敏感参数逼近的“人-机-环-测-控”准智能化施工综合技术，即动态操作、盾构机掘进、环境控制、变形实时监测、隧道矫正，较之以往盾构掘进“人-机-环”操控方法更为科学，沉降控制准度提高约65%。

如新建双曲线盾构隧道成功下穿深圳地铁2号线工程（图3）。在新建盾构隧道完工后再多次对隧道间的地层进行综合注浆不断矫正，地铁轨面沉降差小于2mm，攻克了国际首例此类下穿的小夹角小间距近接施工精准控制技术难题。

2.1.2矿山法隧道下穿建筑群关键技术

（1）桩基托换。近年来，随着城市地下隧道数量的迅速增长，隧道穿越既有建（构）筑物的桩基不可避免，因此桩基托换技术被广泛应用于解决此类问题。桩基托换就是在既有建（构）筑物上施建一托换梁，将既有桩与梁相连接，使上部荷载传递到梁上，再通过梁传递到所新建的托换桩上，达到替代原桩来承受上部荷载的目的。

如深圳地铁1号线穿越22层百货广场以及广深铁路桥等30根桩基时采用了大量桩基置换技术。如图4所示，在百货广场桩基托换过程中，单桩最大轴力达15734kN，上部结构的变形控制在±1mm内。

（2）新型管幕法（New Tubular Roof）。新型管幕法具有断面形式灵活的特点，可用于修建大跨度地下结构。其施工方法大致分为3步：首先利用顶管技术在拟建的地下结构部位四周顶入多根大直径钢管，并采用钢管之间切割支护或利用结构环梁将钢管相互连接，在相互连接的大直径钢管内部施作永久性结构，最后对永久性结构所包围的土体进行开挖。

如深圳某地铁隧道下穿荔园新村小区。针对矿山法隧道下穿浅基础建筑群等地质条件复杂的特殊工况，利用单次钻进水平长度120m的“孔口密封装置+大功率定向动力钻头+钻机组合”新型高精度管幕技术，配合小管棚+全断面注浆支护技术等，成功连续下穿荔园新村小区13栋8~9层住宅浅基础建筑群，如图5所示。

2.2辅助施工技术

2.2.1富水地层冻结技术

富水地层冻结技术是指通过人工制冷方法将地层内的水冻结成冰以均匀加固地层，该法可在开挖体周围形成整体强度极高的冻土保护体，是确保工程安全的可靠技术，可提高地层整体力学性能。在地铁隧道等工程中大多需要对水平方向进行加固，水平冻结成套技术已经成为该类风险防控的最有效技术。通过采用冻结孔口止逆装置、冻结管取代钻杆技术，可实现钻孔和冻结管安装一次完成。

该技术在港珠澳大桥拱北曲线隧道管幕间止水工程中得到成功应用。胡向东及其团队以港珠澳大桥拱北隧道为研究背景，对管幕冻结法（FSPR）即曲线管幕法与人工地层冻结法相结合的方法作了较为系统的研究。拱北隧道暗挖段全长255m，断面面积达345m²，埋深仅5~6m，且下穿拱北口岸，由于拱北口岸区域地质条件复杂，为砂土、淤泥质土、黏土相互交错，地下水含量丰富。在隧道暗挖段首次采用管幕冻结法来加固与止水，成功解决了港珠澳大桥拱北隧道管幕间止水的难题（图6）。

2.2.2跨地铁运营隧道综合辅助施工技术

现阶段地铁沿线安保区大量的土地资源无法实现立体空间效能最大化利用，在一定程度上制约着城市的空间发展。释放地铁安保区土地，需解决以下三大技术问题：上部开挖卸载导致地层回弹时地铁运营隧道结构安全控制理论与技术；狭小空间新旧结构变形互不影响；地铁运营隧道施工全过程及工后全寿命稳定。经过多年理论和实践发展，成功提出跨地铁运营隧道综合辅助施工技术，包括以下6个方面（图7）：

（1）地铁运营隧道被弱化围岩群泵综合注浆加固，对已扰动范围地层采取分层注多组分浆液方式，使开挖时地铁运营隧道的沉降可控；

（2）采用超前钢护筒旋挖钻机施工桩基，最大限度减少对地铁运营隧道围岩和隧道结构本身的影响；

（3）采用竖井跳挖方式以最大限度抑制地铁运营隧道结构的反弹上浮[图7（a）]；

（4）采用门式框反压结构。即上覆地层地下空间竖井跳挖到底时，立即架设约束地铁运营隧道反弹上浮的结构底板[图7（b）]，抑制隧道在开挖相邻竖井时的反弹，承载桩距隧道外侧3～5m（盾构隧道扰动范围内）；

（5）采用科学合理的结构。地下空间结构与隧道结构，二者竖向受力独立、变形相互隔离，确保上覆地层地下空间建设全过程和2种结构全寿命周期的安全稳定[图7（c）]；

（6）运用高精度三维激光隧道扫描仪与全站仪组合技术对地铁运营隧道进行实时自动化精确监测
[图7（d）]。

通过采用上述地铁安保区综合辅助施工技术，圆满解决了深圳地铁车公庙站地下四线换乘枢纽、地面错叠互通立交工程交通接驳设施难题[图8（a）]，在全国最大的综合枢纽城市综合体深圳前海
[图8（b）]15km²内轨道交通密度3.2km·km^-2条件下，成功释放了原本无法利用的24万m²（折合360亩）土地资源，直接经济效益超过60亿元。

3隧道及竖井施工装备

随着地下空间的发展，中国研发出一批具有自主知识产权的超级地下工程装备，集合了人工智能、物联网等新一代前沿技术和隧道装备核心共性技术，具有绿色化、智能化、国产化等特点，能够自适应复杂多变的自然环境，应对高风险的地质条件，满足超大超长超深城市地下空间结构施工要求，不仅将解决中国紧迫的超级工程施工需求，也将大幅度提升中国地下工程装备的技术水平，实现领先国际的跨越式发展。

3.1异型盾构机与矩形顶管机

与圆形盾构施工技术相比，矩形顶管机[图9（a）]技术可提高空间利用率20%以上，马蹄形盾构[图9（b）]技术可减少隧道开挖量的15%，两者都大幅降低了施工成本，且能够适应软土、砂、卵石、软岩地层，广泛应用于过街通道、综合管廊、地铁出入口、地下停车场等领域。

类矩形盾构[图9（c）]技术可以把双洞变为一个洞即一洞双线，减少对地下空间的占用和扰动，其2X+I型刀盘属于同平面干涉刀盘DOT，关键在于防干涉。中国自主研制的防干涉控制系统可实现相位角“变频”调差，优于日本双圆盾构的控制水平。不仅实现了全断面切削，还有利于控制沉降，能够适应复杂工况和长距离推进。朱瑶宏等基于“科研-设计-施工一体化”的管理模式，开发了一种“轨道交通类矩形盾构隧道”技术体系。贾连辉等研制了马蹄形盾构机及其关键技术，并成功应用于蒙华铁路白城隧道，白城隧道的地层以新、老黄土为主，最大埋深约为81m，其隧道断面尺寸为11.9m×10.95m，开挖面积为104.5m²。

3.2超长水平地质钻

地下空间的开发利用应分步骤、按时序开展地下空间普查工作，对地下通道、地下公共停车场、人防、地下公共服务、地下基础设施等精准普查，并对重要道路开展地下空洞探测，掌握存在的隐患风险点，为地下空间合理开发、安全利用与科学管理提供重要保障。

超长水平地质钻技术是一种新兴的非开挖管道建设技术，主要应用于地下管道的铺设，目前该技术一次性铺设的最长钻孔可达5.2km，铺设过程包括钻导向孔、扩孔和管道回拖3个阶段，且已开始尝试应用于山岭隧道的地质勘察。与传统垂直钻孔勘察技术相比，该技术能很好地适用于高地震烈度、高地应力、高海拔、高地温、强活动断层、大埋深等复杂地质条件，具有“四超”的技术特性，即超长距离、超快速度、超高精度、超强适应能力。该技术已成功应用于新疆乌尉公路天山胜利隧道勘察项目，如图10所示。

3.3竖井施工装备

当前中国竖井开挖向深部发展，建设所遇到的地质条件越来越复杂，还面临高地应力、高地温、高水压等问题，造成竖井开挖的难度越来越大。现今采用具有机械化、无人化、智能化的施工装备取代人工下井作业是建井技术的发展趋势。

随着竖井钻机钻井技术与装备的发展，刘志强等以国家“863”计划中的重大项目“煤矿智能掘进技术及装备”研究为基础，研制出中国首台下排渣式竖井掘进机MSJ5.8/1.6D（图11），并将其成功应用于云南以礼河4级电站复建竖井工程中，钻井深度达282.5m，直径达5.8m，为日后进一步开发千米级全断面竖井掘进机打下了良好的基础。

4地下空间数智化技术

城市地下空间开发利用“十三五”规划强调促进实现城市地下空间数字化管理，提升城市地下空间管理标准化、信息化、精细化水平。地下空间是城市空间的重要组成部分，将地下空间纳入各地“数字城市”“智慧城市”的规划建设中，充分运用物联网、互联网、大数据等现代信息技术，加强地下空间信息数据库建设，建立地下空间变化监测和数据资源动态更新机制，实现地下空间信息的共建共享，消除信息孤岛，促进城市“生命线”高效协同管理，构建可视化的地下空间信息平台，实现“透明地下空间”。

4.1地下空间设计的数字化

基于BIM技术、GIS技术、视频融合技术建立地质信息三维可视化，基于交又剖面的分区拼接交互建模、平面地质图和实际材料图的地质体自动建模、GPU与模板的多视点动态剖切技术、时间序列的四维动态分析技术、数值模拟的地下水四维模拟计算及动态预演技术等创新技术，完成地质结构模型的构建以及对地下水的数值模拟和模拟结果的直观、高效展示。借助现代数字化技术，实现地下工程合理设计。如深圳春风隧道项目通过BIM建模（图12），整合各类基础数据，准确构建地质三维模型，为基坑开挖和隧道掘进提供可视化地质信息与风险预警；根据基坑开挖模型，可计算出基坑土方开挖工程量、土方开挖动画视频，进行3D交底。

4.2地下空间施工的数字化

运用基于网络的地下工程施工可视化分析管理系统，建立工程施工的三维数字化模型，并采用智能设备，以实现数字化施工。通过三维可视化的360°全方位视角进行可视化交底，规避错误施工和返工风险，提高施工效率。如珠三角水资源配置工程项目通过基础设施智慧服务系统（is3）进行智能施工安全管控（图13），系统基于多源地质信息建立海底盾构隧道地质模型，并利用地质统计学方法对断层破碎带地层位置进行预测，可实现工程数据管理、数据可视化、智能施工安全管控等功能。

4.3地下空间监测的数字化

将无人机、三维激光扫描仪、机器人、光纤传感及图像处理等监测技术应用于地下空间监测中，对地下工程自动化监测区域进行云数据采集，可缩短数据收集的时间，有效实现数字化监测。特别是对于大型复杂工程项目，利用数字化技术可实现对施工诱发地面变形、围岩变形等问题的实时监控，对工程及时准确预警。如深圳市轨道交通2号线地铁隧道自动化监测项目实现了三维激光扫描仪在隧道变形监测中的应用（图14）。

通过Leica Scan Str tion 三维激光扫描仪对隧道自动化监测区域进行点云数据采集，并进行数据处理和分析，成功预警工程险情。

4.4地下空间运维的数字化

结合大数据、云计算、智能识别、地球信息技术、人工智能、BIM技术、VR技术、可视化管理技术，采用数字化管理平台对地下管线、地下管廊等地下空间进行数字化管理，实现地下空间的智能韧性运维和可视化管理，提高了运维数据管理的效率。依托5G技术带来的“物联网感知设备”和“高清低延时视频传输技术”，可实现对地下工程危险的空间分析及预测，有效地保障了地下工程安全运维。如深圳南山高新公寓包括3幢62层、3幢44~45层住宅楼，开展了群桩全寿命周期智能感知与预测，并基于光纤传感器和物联网技术对桩基础的建设和运维进行了全寿命周期监测。

5结论与建议

近年来，中国地下空间的施工技术与装备都取得了较大的突破。地铁盾构隧道等工法近接施工安全控制、地铁运营隧道上部和两侧地下空间施工安全风险预测预控这两大综合技术都取得了长足进步，地层位移和变形控制技术引领全球；地层冻结技术是治理富水地层的最后工法，总体也处于国际先进水平；机械化施工技术（盾构和竖井掘进）取得了巨大成就。

但是，当前仍存在理论与实际融合不足的问题，一些核心软件及硬件尚依赖于进口，相关的政策法规不够完善。当下正处于信息技术革命时期，5G、大数据及人工智能技术发展迅猛，地下空间工程可在以下几方面进一步提升：

（1）设计精细化。采用超长水平地质钻与深地高精度物探等先进设备对地质条件进行精细化勘探，以提高勘察过程的高效性与勘察结果的准确性，同时结合信息化技术建立地质条件数据库。进一步加强三维立体规划，并为未来留有一定空间，地下空间开发与利用，浅层以生活为主，中深层地下空间以交通和地下非居住功能为主。

（2）施工智能化。通过多维度、多方向、多模式、动态等全域感知与回馈、递进矫正寻优求协同。首先是施工装备的智能化，包括状态与能耗两方面；其次，依靠大数据自动采集和比对等深度学习与云计算，使岩土物理力学性质与原位感知数据协同吻合；最后，通过工作面与围岩全域感知获取的数据来反映岩土物理力学性质。

（3）监管信息化。采用无人机、机器人、三维激光扫描、光纤传感等技术对大型岩土工程进行监测，运用大数据、云计算、GIS配合（人工智能）AI建立监测管理系统，对工程进行全过程管理并及时反馈。

未来地下工程将向信息化、机械化、数字化、智能化发展，而这离不开多学科领域之间的相互融合，因此，需加强数智化技术在地下工程中的应用，建立基础性数据库，同时与BIM技术结合构建一个系统性的平台，实现整个建设过程的精细化、智能化以及信息化。

 

本文由唐兴装备整理自《中国公路学报》中的《地下空间施工技术进展及数智化技术现状》陈湘生，付艳斌，陈曦，肖惠，包小华，庞小朝，王雪峰，转载请注明出处，如有侵权请联系删除。