市域鐵路地下段全壽命周期水土風險控制對策研究

楊石飛，劉 楓

（上海勘察設計研究院（集團）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地鐵的新型快捷軌道交通系統。我國市域鐵路建設和發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營線路，總里程為723 km。市域鐵路規劃建設與發展是新型城鎮化必然選擇，是構筑以核心城市為中心的大都市圈，發展城鎮群，實現產業、人口、經濟活動合理分布的基礎架構，也是構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、環境污染等大城市病的“良藥秘方”，更是我國鐵路改革、鐵路業務轉型的重要戰略方向。

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

市域鐵路區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，設計施工所采用水土參數標準不一，極易導致工程風險。并且市域鐵路站間距長，對于地下段而言盾構隧道貫通精度要求相較地鐵更高，同時市域列車運行速度快，高速振動對水土、周邊建筑物的影響也需要重點研究。

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險

軌道交通建設期和運營期風險大多和地下水土有關，水土風險已成為軌道交通主要風險之一。由于市域鐵路地下段線路埋深更深、車站規模更大、基坑挖深更深、城市穿越條件更復雜，所承受水土風險也更加巨大。由于巖土工程的復雜性、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、現場測試與室內試驗所得巖土指標不一致性、外加荷載及其分布不確定性、巖土材料性質復雜性以及計算理論和方法不確定性、材料組成復雜性、影響因素多樣性、條件不可確知性等，導致巖土工程定量預測難度大，水土風險難以精準控制。

2.1 建設期水土風險

在建設期，水土風險最大的當屬車站基坑，市域鐵路地下車站往往呈長條形，規模普遍較大，且埋深更深。以上海機場聯絡線為例，車站長度達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，極易引發基坑坑底突涌，若基坑圍護樁質量欠佳，出現滲漏水現象，極易引發流砂與管涌，造成圍護樁側向位移增大、地表坍塌等事故發生。仍以上海機場聯絡線為例，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，穿越過程水土風險較高，極易造成被穿越的運營軌道交通隧道結構變形過大，引起環片損壞、滲漏等問題。

像上海這樣地鐵發達的城市建設市域鐵路地下段，周邊環境復雜。上海機場聯絡線穿越8 處運營地鐵線路，穿越凈距最近處約7 m；下穿機場衛星廳樁基，距離樁端僅3.9 m；影響范圍中管線錯綜復雜，如緊鄰航油管、原水管、污水總管等。因此，環境控制標準極其嚴苛，對地下線路貫通進度、地下障礙物探測準確性和水土風險控制要求極高。

2.2 運營期水土風險

目前我國未有運營的市域鐵路地下線路，參照上海地鐵運營20 多年經驗，市域鐵路地下段在運營期必然會發生諸多水土風險問題，且由于市域鐵路地下段埋深更深，大多位于承壓含水層，水土風險將會更大。除管片開裂、道床與隧道脫開等隧道結構問題，同樣會在運營之后出現鄰近工程建設，或者隧道上方堆卸負載導致隧道管片結構變形過大的風險問題，一旦風險成為事故，造成的損失將不可估量。因此，對隧道結構變形需要長期監測，市域鐵路保護區范圍重點監護要求也會比地鐵更高，周邊環境巡視范圍也將更大。

3 建設期水土風險控制對策

為有效控制市域鐵路地下段在建設期面臨的各類水土風險，建議從以下3 個方面進行處置。

3.1 創新細分專業的風險管控模式

通過專業單位對全線各標段進行總體質量管控，包括統一標準、現場督導、技術支撐、成果審核等，確保全線成果一致性與連續性，最終形成細分專業的風險咨詢成果。可設置諸如勘察總體、監測總體、降水總體等多個細分專業總體，對總體方案、實施效果、保障措施及應急預案等環節進行把控，確保技術合理、質量可靠、保障有效，以控制各類水土風險，確保工程安全。以勘察總體為例，進行簡要介紹。

勘察總體主要承擔三大職責，在確保全線勘察成果統一性和準確性前提下，進行總體地質風險評估。

（1）建立統一技術標準。統一全線土層定名與劃分標準，統一不同地質單元勘察手段，制定勘察報告編撰技術標準，對勘察方法與工程難點契合性進行審核。

（2）統一水土參數與評價。保障全線物理力學指標合理性與協調性，對全線巖土工程參數合理性進行審查。

（3）開展風險分析與咨詢。對全線地質風險進行分析，并提出相應管控措施建議。對巖土設計經濟性進行分析，對設計與施工方案可行性進行分析，從而形成風險咨詢報告。

上海市“一網通辦”平臺中的“上海市建設工程勘察質量信息化管理平臺”，依托物聯網、無線傳輸等技術，對勘察質量監管實現了被動監管到主動監管、事后管理到全過程監管的轉變，確保勘察數據真實性與可靠性，進而保障工程建設安全。在現場施工開始后，總體單位可協助復核開挖地層與勘察地層差異，提出關鍵節點施工質量控制措施建議，對施工過程中異常情況進行分析解決。

3.2 應用先進有效的風險監測技術及風險管控平臺

3.2.1 準確探明地下狀況

市域鐵路周邊環境復雜，尤其是高速發展的一二線城市，地下障礙物、管線等錯綜復雜，且與原設計圖紙可能存在偏差。因此在施工前，必須通過探測手段探摸清楚，從而提出相應避讓手段或其他處理措施。通常可以采用地質雷達法探測地下室、高密度電法探測人防區域、瑞雷面波法探測建筑物基礎范圍、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 預先檢測圍護滲漏

市域鐵路地下車站基坑規模大、埋深深，地下連續墻滲漏風險巨大，如在圍護結構施工完成后、基坑開挖前，對基坑地墻質量進行圍護結構滲漏隱患無損檢測，則能有針對性對缺陷處進行加固，避免滲漏乃至承壓水突涌事故發生。

目前較為先進的陣列式滲漏檢測原理如圖1 所示，當基坑圍護結構存在滲漏隱患時，隱患處的電阻率相對于正常圍護結構明顯降低，電流集中在隱患處通過，導致地層中微電流場發生細微變化。通過采用高精度儀器及高靈敏度傳感器對圍護結構兩側微電流場空間分布和變化情況進行測試分析計算，從而實現對圍護結構滲漏隱患區域圈定。

3.2.3 應用自動化監測技術

市域鐵路地下段基坑規模大、挖深深，對基坑本體及周邊環境監測要求高。基坑監測作為基坑安全的“眼睛”，僅靠人工監測已無法滿足市域鐵路地下段基坑安全管控要求。通過物聯網技術，采用自動化監測元件，以及高精度圍護測斜、土水壓力及支撐軸力等多類型自動化監測傳感器，例如，基于微機電系統傳感器（MEMS）的超深圍護結構物自動化高精度測斜技術與裝備，氣動式高精度深層土壓力測試裝置等，實現實時采集、傳輸、處理全流程可視化監控，為控制地下段風險及完善設計理論提供重要科學支撐。

針對自動化監測數據中“假異常”數據，采用自動化判別和處理算法，基于“偶然數據”模型和“突變數據”模型，進行“偶然數據”識別與剔除。構建基于多因素、動態權重的監測數據綜合分級預警指標體系，綜合考慮數據因子、工況因子、變化趨勢等因素，使監測數據去偽存真，實現關鍵監測指標準確報警，為基坑安全風險管控提供數據支持。

圖1 基于陣列式微電流場的無損檢測原理圖

圖2 地下空間遠程自動化監測監控平臺

3.2.4 建立風險管控平臺

針對市域鐵路復雜現場情況、大量監測數據，建立風險管控平臺。目前，上海市“一網統管”平臺中的深基坑風險管控系統通過地理信息系統（GIS）+建筑信息模型（BIM）技術手段，將基坑本體信息、周邊環境條件、工況信息、監測數據、預報警系統集成為一體，形成全天候自動化遠程監控系統，并可通過手機移動端實時查詢，如圖2、圖3 所示。項目周報、監測數據、報警信息等，能夠根據險情信息主動推送，加強深基坑風險管控能級。

應用巖土工程信息模型技術，開發實現跨終端應用的數字型沙盤，如圖4 所示，集成各類BIM 數據，實現場地地質、周邊環境、設計、施工信息集成表達。驅動模型實時反饋監測預警信息，可以較為直觀展示隨時間、隨深度變化的監測曲線，監測預警信息及動態數據標簽，為協同分析決策提供支撐。

圖3 手機移動端顯示監測數據

4 運營期水土風險控制對策

參照上海地鐵經驗，市域鐵路地下段運營期水土風險主要是盾構隧道結構長期變形風險及周邊工程活動導致的運營隧道水土風險。其中周邊工程活動將是市域鐵路地下段運營期最主要風險源。上海市交通委發布的《軌道交通保護區作業方案的技術審查服務指南（機場聯絡線、嘉閔線、兩港快線等）》明確指出“地下車站與隧道外邊線外側五十米內、地面車站和高架車站以及線路軌道外邊線外側三十米內、出入口、通風亭、變電站等建筑物、構筑物外邊線外側十米內為安全保護區”，在安全保護區范圍內進行工程作業應經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營期水土風險，建議運用軌道交通智慧感知成套技術進行控制，通過建立保護區巡查管理系統實時掌握市域鐵路保護區范圍內的工程活動情況，結合立體感知組合技術對結構變形、結構內力、結構病害進行綜合檢測，實現全方位、多角度、多方法的信息采集，建立數據服務平臺對上述多源數據進行管理，再輔以人工智能及大數據的方法對軌道交通結構安全狀態進行評估及預測，為軌道交通運營維護提供保障。

圖4 跨終端數字型沙盤

4.1 市域鐵路安全保護區巡查管理系統

市域鐵路地下段運營過程中，沿線保護區內外界工程施工建設在一定程度上對市域鐵路地下段結構及設施安全構成威脅。做好保護區內安全巡查監管工作，對確保市域鐵路地下段的安全運營十分重要。需要由特定人員沿著指定線路進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區施工現場對市域鐵路的影響在安全范圍之內。

通過附有全球定位系統（GPS）+北斗定位及攝像頭的手持移動設備進行現場巡查，必要時輔以高分辨率衛星影像、全景影像和無人機等新型高效數據采集手段，提升保護區巡查效果。通過巡查管理系統對巡查影像及數據進行管理與維護，使巡查做到保護區內無死角，巡查管理無漏洞，為后續市域鐵路結構變形預測、分析提供數據支撐。

4.2 立體感知技術

立體感知理念旨在通過集成空中（衛星、無人機等）、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 套具有標準化數據接口，信息集成、處理分析功能和可視化界面的感知系統，拓展專業技術人員對結構安全監測數據的理解和認知，如圖5 所示。

針對軌道交通結構安全監測行業，需要從不同時間跨度、空間維度、量測精度和信息類型中，高效綜合獲取和監控結構安全狀態，從而提前感知病害前兆，監控變化過程，發現變形規律和指導工程實踐。根據數據采集平臺的位置和用途，軌道交通保護區和結構安全數據采集手段可分為空中、地面和地下3 種情況，如圖6 所示，主要用于發現保護區范圍內違規作業、監控長期變形規律和開展保護區內工程影響監測等具體業務。通過長期自動化監測、定期移動掃描測量、定點進行結構無損檢測，全方位、多角度、多方法控制水土風險，保障市域鐵路運營期結構安全。感知對象、手段、應用需求和目的，如表2 所示。

4.3 數據服務平臺

將空中、地面和地下多源數據進行標準化管理，錄入數據服務平臺中，其目的是為減少數據錄入的差異性和防止信息缺失，借助數據維護工具實現1 次錄入之后標準化調用，從而獲得最佳秩序和管理效益。通過數據服務平臺，對上述多源數據進行在線分析，為市域鐵路地下段構建多維度、全覆蓋數字檔案，通過不同周期數據及影像對比，及時發現和解決問題，防患于未然。

圖5 軌道交通結構安全立體感知概念圖

圖6 空中、地面、地下數據獲取手段示意圖

表2 感知對象、手段、應用需求和目的

5 結論

市域鐵路地下段風險管控需要有經驗的技術人員和嚴謹的管理人員，采用先進監控手段，應用智能管控平臺進行實時全方位管控。文章通過對市域鐵路地下段建設期及運營期水土風險及控制對策的介紹，得出以下結論。

（1）市域鐵路地下段線路長、埋深深、規模大，建設期與運營期水土風險比地鐵線路更大，應正確深刻地認識水土風險。

（2）查明水土分布規律，依靠真實可靠管控手段和技術，切實提高水土風險認知水平。

（3）發揮自動化監測技術和智能平臺作用，實時掌控市域鐵路地下段建設期與運營期結構安全狀態。