市域鐵路地下段全壽命周期水土風(fēng)險控制對策研究

楊石飛，劉 楓

（上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200093）

1 研究背景

市域鐵路是一種不同于城際鐵路與傳統(tǒng)地鐵的新型快捷軌道交通系統(tǒng)。我國市域鐵路建設(shè)和發(fā)展總體而言起步較晚，尚處于探索階段。截至2018 年底，全國僅6座城市開通市域鐵路運(yùn)營線路，總里程為723 km。市域鐵路規(guī)劃建設(shè)與發(fā)展是新型城鎮(zhèn)化必然選擇，是構(gòu)筑以核心城市為中心的大都市圈，發(fā)展城鎮(zhèn)群，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)、人口、經(jīng)濟(jì)活動合理分布的基礎(chǔ)架構(gòu)，也是構(gòu)建國家多元化交通體系的重要組成部分，是解決城市交通擁堵、環(huán)境污染等大城市病的“良藥秘方”，更是我國鐵路改革、鐵路業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略方向。

近年來，全國各地積極規(guī)劃發(fā)展市域鐵路，我國市域鐵路建設(shè)蓄勢待發(fā)。 《上海市城市總體規(guī)劃（2017—2035）》提出，到2035 年上海市市域鐵路運(yùn)營里程將達(dá)到1 000 km。2019 年堪稱上海新建市域鐵路“元年”，隨著機(jī)場聯(lián)絡(luò)線建設(shè)，嘉閔線也蓄勢待發(fā)，市域鐵路即將成為上海市軌道交通主要形式。

市域鐵路區(qū)別于地鐵與城際鐵路，與其他軌道交通方式典型特征對比如表1 所示。市域鐵路線路長，整條線路水土特性變化大，設(shè)計(jì)施工所采用水土參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一，極易導(dǎo)致工程風(fēng)險。并且市域鐵路站間距長，對于地下段而言盾構(gòu)隧道貫通精度要求相較地鐵更高，同時市域列車運(yùn)行速度快，高速振動對水土、周邊建筑物的影響也需要重點(diǎn)研究。

表1 市域鐵路與其他軌道交通方式典型特征對比

2 市域鐵路地下段水土風(fēng)險

軌道交通建設(shè)期和運(yùn)營期風(fēng)險大多和地下水土有關(guān)，水土風(fēng)險已成為軌道交通主要風(fēng)險之一。由于市域鐵路地下段線路埋深更深、車站規(guī)模更大、基坑挖深更深、城市穿越條件更復(fù)雜，所承受水土風(fēng)險也更加巨大。由于巖土工程的復(fù)雜性、軟弱性、各向異性以及不確定性，包括土層分布與地下水分布不確定性、現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)所得巖土指標(biāo)不一致性、外加荷載及其分布不確定性、巖土材料性質(zhì)復(fù)雜性以及計(jì)算理論和方法不確定性、材料組成復(fù)雜性、影響因素多樣性、條件不可確知性等，導(dǎo)致巖土工程定量預(yù)測難度大，水土風(fēng)險難以精準(zhǔn)控制。

2.1 建設(shè)期水土風(fēng)險

在建設(shè)期，水土風(fēng)險最大的當(dāng)屬車站基坑，市域鐵路地下車站往往呈長條形，規(guī)模普遍較大，且埋深更深。以上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線為例，車站長度達(dá)600 m，最大挖深37 m，坑底為承壓含水層，基坑施工時，若未做好降水工作，極易引發(fā)基坑坑底突涌，若基坑圍護(hù)樁質(zhì)量欠佳，出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，極易引發(fā)流砂與管涌，造成圍護(hù)樁側(cè)向位移增大、地表坍塌等事故發(fā)生。仍以上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線為例，地下線路長約56.7 km，占比83%，隧道最大埋深約50 m，處于巨厚承壓含水層，穿越過程水土風(fēng)險較高，極易造成被穿越的運(yùn)營軌道交通隧道結(jié)構(gòu)變形過大，引起環(huán)片損壞、滲漏等問題。

像上海這樣地鐵發(fā)達(dá)的城市建設(shè)市域鐵路地下段，周邊環(huán)境復(fù)雜。上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線穿越8 處運(yùn)營地鐵線路，穿越凈距最近處約7 m；下穿機(jī)場衛(wèi)星廳樁基，距離樁端僅3.9 m；影響范圍中管線錯綜復(fù)雜，如緊鄰航油管、原水管、污水總管等。因此，環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)極其嚴(yán)苛，對地下線路貫通進(jìn)度、地下障礙物探測準(zhǔn)確性和水土風(fēng)險控制要求極高。

2.2 運(yùn)營期水土風(fēng)險

目前我國未有運(yùn)營的市域鐵路地下線路，參照上海地鐵運(yùn)營20 多年經(jīng)驗(yàn)，市域鐵路地下段在運(yùn)營期必然會發(fā)生諸多水土風(fēng)險問題，且由于市域鐵路地下段埋深更深，大多位于承壓含水層，水土風(fēng)險將會更大。除管片開裂、道床與隧道脫開等隧道結(jié)構(gòu)問題，同樣會在運(yùn)營之后出現(xiàn)鄰近工程建設(shè)，或者隧道上方堆卸負(fù)載導(dǎo)致隧道管片結(jié)構(gòu)變形過大的風(fēng)險問題，一旦風(fēng)險成為事故，造成的損失將不可估量。因此，對隧道結(jié)構(gòu)變形需要長期監(jiān)測，市域鐵路保護(hù)區(qū)范圍重點(diǎn)監(jiān)護(hù)要求也會比地鐵更高，周邊環(huán)境巡視范圍也將更大。

3 建設(shè)期水土風(fēng)險控制對策

為有效控制市域鐵路地下段在建設(shè)期面臨的各類水土風(fēng)險，建議從以下3 個方面進(jìn)行處置。

3.1 創(chuàng)新細(xì)分專業(yè)的風(fēng)險管控模式

通過專業(yè)單位對全線各標(biāo)段進(jìn)行總體質(zhì)量管控，包括統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場督導(dǎo)、技術(shù)支撐、成果審核等，確保全線成果一致性與連續(xù)性，最終形成細(xì)分專業(yè)的風(fēng)險咨詢成果?？稍O(shè)置諸如勘察總體、監(jiān)測總體、降水總體等多個細(xì)分專業(yè)總體，對總體方案、實(shí)施效果、保障措施及應(yīng)急預(yù)案等環(huán)節(jié)進(jìn)行把控，確保技術(shù)合理、質(zhì)量可靠、保障有效，以控制各類水土風(fēng)險，確保工程安全。以勘察總體為例，進(jìn)行簡要介紹。

勘察總體主要承擔(dān)三大職責(zé)，在確保全線勘察成果統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性前提下，進(jìn)行總體地質(zhì)風(fēng)險評估。

（1）建立統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一全線土層定名與劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一不同地質(zhì)單元勘察手段，制定勘察報(bào)告編撰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對勘察方法與工程難點(diǎn)契合性進(jìn)行審核。

（2）統(tǒng)一水土參數(shù)與評價。保障全線物理力學(xué)指標(biāo)合理性與協(xié)調(diào)性，對全線巖土工程參數(shù)合理性進(jìn)行審查。

（3）開展風(fēng)險分析與咨詢。對全線地質(zhì)風(fēng)險進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)管控措施建議。對巖土設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，對設(shè)計(jì)與施工方案可行性進(jìn)行分析，從而形成風(fēng)險咨詢報(bào)告。

上海市“一網(wǎng)通辦”平臺中的“上海市建設(shè)工程勘察質(zhì)量信息化管理平臺”，依托物聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，對勘察質(zhì)量監(jiān)管實(shí)現(xiàn)了被動監(jiān)管到主動監(jiān)管、事后管理到全過程監(jiān)管的轉(zhuǎn)變，確保勘察數(shù)據(jù)真實(shí)性與可靠性，進(jìn)而保障工程建設(shè)安全。在現(xiàn)場施工開始后，總體單位可協(xié)助復(fù)核開挖地層與勘察地層差異，提出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)施工質(zhì)量控制措施建議，對施工過程中異常情況進(jìn)行分析解決。

3.2 應(yīng)用先進(jìn)有效的風(fēng)險監(jiān)測技術(shù)及風(fēng)險管控平臺

3.2.1 準(zhǔn)確探明地下狀況

市域鐵路周邊環(huán)境復(fù)雜，尤其是高速發(fā)展的一二線城市，地下障礙物、管線等錯綜復(fù)雜，且與原設(shè)計(jì)圖紙可能存在偏差。因此在施工前，必須通過探測手段探摸清楚，從而提出相應(yīng)避讓手段或其他處理措施。通?？梢圆捎玫刭|(zhì)雷達(dá)法探測地下室、高密度電法探測人防區(qū)域、瑞雷面波法探測建筑物基礎(chǔ)范圍、井中磁梯度法探測樁長，基于聲頻振動、電法等探測地下管線埋置情況。

3.2.2 預(yù)先檢測圍護(hù)滲漏

市域鐵路地下車站基坑規(guī)模大、埋深深，地下連續(xù)墻滲漏風(fēng)險巨大，如在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后、基坑開挖前，對基坑地墻質(zhì)量進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏隱患無損檢測，則能有針對性對缺陷處進(jìn)行加固，避免滲漏乃至承壓水突涌事故發(fā)生。

目前較為先進(jìn)的陣列式滲漏檢測原理如圖1 所示，當(dāng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在滲漏隱患時，隱患處的電阻率相對于正常圍護(hù)結(jié)構(gòu)明顯降低，電流集中在隱患處通過，導(dǎo)致地層中微電流場發(fā)生細(xì)微變化。通過采用高精度儀器及高靈敏度傳感器對圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)微電流場空間分布和變化情況進(jìn)行測試分析計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏隱患區(qū)域圈定。

3.2.3 應(yīng)用自動化監(jiān)測技術(shù)

市域鐵路地下段基坑規(guī)模大、挖深深，對基坑本體及周邊環(huán)境監(jiān)測要求高。基坑監(jiān)測作為基坑安全的“眼睛”，僅靠人工監(jiān)測已無法滿足市域鐵路地下段基坑安全管控要求。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用自動化監(jiān)測元件，以及高精度圍護(hù)測斜、土水壓力及支撐軸力等多類型自動化監(jiān)測傳感器，例如，基于微機(jī)電系統(tǒng)傳感器（MEMS）的超深圍護(hù)結(jié)構(gòu)物自動化高精度測斜技術(shù)與裝備，氣動式高精度深層土壓力測試裝置等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集、傳輸、處理全流程可視化監(jiān)控，為控制地下段風(fēng)險及完善設(shè)計(jì)理論提供重要科學(xué)支撐。

針對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)中“假異?！睌?shù)據(jù)，采用自動化判別和處理算法，基于“偶然數(shù)據(jù)”模型和“突變數(shù)據(jù)”模型，進(jìn)行“偶然數(shù)據(jù)”識別與剔除。構(gòu)建基于多因素、動態(tài)權(quán)重的監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分級預(yù)警指標(biāo)體系，綜合考慮數(shù)據(jù)因子、工況因子、變化趨勢等因素，使監(jiān)測數(shù)據(jù)去偽存真，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)準(zhǔn)確報(bào)警，為基坑安全風(fēng)險管控提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 基于陣列式微電流場的無損檢測原理圖

圖2 地下空間遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測監(jiān)控平臺

3.2.4 建立風(fēng)險管控平臺

針對市域鐵路復(fù)雜現(xiàn)場情況、大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立風(fēng)險管控平臺。目前，上海市“一網(wǎng)統(tǒng)管”平臺中的深基坑風(fēng)險管控系統(tǒng)通過地理信息系統(tǒng)（GIS）+建筑信息模型（BIM）技術(shù)手段，將基坑本體信息、周邊環(huán)境條件、工況信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)警系統(tǒng)集成為一體，形成全天候自動化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并可通過手機(jī)移動端實(shí)時查詢，如圖2、圖3 所示。項(xiàng)目周報(bào)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等，能夠根據(jù)險情信息主動推送，加強(qiáng)深基坑風(fēng)險管控能級。

應(yīng)用巖土工程信息模型技術(shù)，開發(fā)實(shí)現(xiàn)跨終端應(yīng)用的數(shù)字型沙盤，如圖4 所示，集成各類BIM 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)場地地質(zhì)、周邊環(huán)境、設(shè)計(jì)、施工信息集成表達(dá)。驅(qū)動模型實(shí)時反饋監(jiān)測預(yù)警信息，可以較為直觀展示隨時間、隨深度變化的監(jiān)測曲線，監(jiān)測預(yù)警信息及動態(tài)數(shù)據(jù)標(biāo)簽，為協(xié)同分析決策提供支撐。

圖3 手機(jī)移動端顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 運(yùn)營期水土風(fēng)險控制對策

參照上海地鐵經(jīng)驗(yàn)，市域鐵路地下段運(yùn)營期水土風(fēng)險主要是盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)長期變形風(fēng)險及周邊工程活動導(dǎo)致的運(yùn)營隧道水土風(fēng)險。其中周邊工程活動將是市域鐵路地下段運(yùn)營期最主要風(fēng)險源。上海市交通委發(fā)布的《軌道交通保護(hù)區(qū)作業(yè)方案的技術(shù)審查服務(wù)指南（機(jī)場聯(lián)絡(luò)線、嘉閔線、兩港快線等）》明確指出“地下車站與隧道外邊線外側(cè)五十米內(nèi)、地面車站和高架車站以及線路軌道外邊線外側(cè)三十米內(nèi)、出入口、通風(fēng)亭、變電站等建筑物、構(gòu)筑物外邊線外側(cè)十米內(nèi)為安全保護(hù)區(qū)”，在安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行工程作業(yè)應(yīng)經(jīng)過上海市交通行政管理部門同意。

因此，針對市域鐵路地下段運(yùn)營期水土風(fēng)險，建議運(yùn)用軌道交通智慧感知成套技術(shù)進(jìn)行控制，通過建立保護(hù)區(qū)巡查管理系統(tǒng)實(shí)時掌握市域鐵路保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的工程活動情況，結(jié)合立體感知組合技術(shù)對結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行綜合檢測，實(shí)現(xiàn)全方位、多角度、多方法的信息采集，建立數(shù)據(jù)服務(wù)平臺對上述多源數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，再輔以人工智能及大數(shù)據(jù)的方法對軌道交通結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行評估及預(yù)測，為軌道交通運(yùn)營維護(hù)提供保障。

圖4 跨終端數(shù)字型沙盤

4.1 市域鐵路安全保護(hù)區(qū)巡查管理系統(tǒng)

市域鐵路地下段運(yùn)營過程中，沿線保護(hù)區(qū)內(nèi)外界工程施工建設(shè)在一定程度上對市域鐵路地下段結(jié)構(gòu)及設(shè)施安全構(gòu)成威脅。做好保護(hù)區(qū)內(nèi)安全巡查監(jiān)管工作，對確保市域鐵路地下段的安全運(yùn)營十分重要。需要由特定人員沿著指定線路進(jìn)行定期或不定期巡視、查看，以確保被巡查線路安全或沿線保護(hù)區(qū)施工現(xiàn)場對市域鐵路的影響在安全范圍之內(nèi)。

通過附有全球定位系統(tǒng)（GPS）+北斗定位及攝像頭的手持移動設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場巡查，必要時輔以高分辨率衛(wèi)星影像、全景影像和無人機(jī)等新型高效數(shù)據(jù)采集手段，提升保護(hù)區(qū)巡查效果。通過巡查管理系統(tǒng)對巡查影像及數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與維護(hù)，使巡查做到保護(hù)區(qū)內(nèi)無死角，巡查管理無漏洞，為后續(xù)市域鐵路結(jié)構(gòu)變形預(yù)測、分析提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 立體感知技術(shù)

立體感知理念旨在通過集成空中（衛(wèi)星、無人機(jī)等）、地面（全景影像、人工巡檢等）、地下（精密工程測量、自動化傳感器、移動三維激光掃描等）信息源，形成1 套具有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口，信息集成、處理分析功能和可視化界面的感知系統(tǒng)，拓展專業(yè)技術(shù)人員對結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的理解和認(rèn)知，如圖5 所示。

針對軌道交通結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測行業(yè)，需要從不同時間跨度、空間維度、量測精度和信息類型中，高效綜合獲取和監(jiān)控結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，從而提前感知病害前兆，監(jiān)控變化過程，發(fā)現(xiàn)變形規(guī)律和指導(dǎo)工程實(shí)踐。根據(jù)數(shù)據(jù)采集平臺的位置和用途，軌道交通保護(hù)區(qū)和結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)采集手段可分為空中、地面和地下3 種情況，如圖6 所示，主要用于發(fā)現(xiàn)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)違規(guī)作業(yè)、監(jiān)控長期變形規(guī)律和開展保護(hù)區(qū)內(nèi)工程影響監(jiān)測等具體業(yè)務(wù)。通過長期自動化監(jiān)測、定期移動掃描測量、定點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)無損檢測，全方位、多角度、多方法控制水土風(fēng)險，保障市域鐵路運(yùn)營期結(jié)構(gòu)安全。感知對象、手段、應(yīng)用需求和目的，如表2 所示。

4.3 數(shù)據(jù)服務(wù)平臺

將空中、地面和地下多源數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，錄入數(shù)據(jù)服務(wù)平臺中，其目的是為減少數(shù)據(jù)錄入的差異性和防止信息缺失，借助數(shù)據(jù)維護(hù)工具實(shí)現(xiàn)1 次錄入之后標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)用，從而獲得最佳秩序和管理效益。通過數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，對上述多源數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析，為市域鐵路地下段構(gòu)建多維度、全覆蓋數(shù)字檔案，通過不同周期數(shù)據(jù)及影像對比，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，防患于未然。

圖5 軌道交通結(jié)構(gòu)安全立體感知概念圖

圖6 空中、地面、地下數(shù)據(jù)獲取手段示意圖

表2 感知對象、手段、應(yīng)用需求和目的

5 結(jié)論

市域鐵路地下段風(fēng)險管控需要有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾砣藛T，采用先進(jìn)監(jiān)控手段，應(yīng)用智能管控平臺進(jìn)行實(shí)時全方位管控。文章通過對市域鐵路地下段建設(shè)期及運(yùn)營期水土風(fēng)險及控制對策的介紹，得出以下結(jié)論。

（1）市域鐵路地下段線路長、埋深深、規(guī)模大，建設(shè)期與運(yùn)營期水土風(fēng)險比地鐵線路更大，應(yīng)正確深刻地認(rèn)識水土風(fēng)險。

（2）查明水土分布規(guī)律，依靠真實(shí)可靠管控手段和技術(shù)，切實(shí)提高水土風(fēng)險認(rèn)知水平。

（3）發(fā)揮自動化監(jiān)測技術(shù)和智能平臺作用，實(shí)時掌控市域鐵路地下段建設(shè)期與運(yùn)營期結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。