市域铁路地下段全寿命周期水土风险控制对策研究

杨石飞，刘 枫

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海 200093）

1 研究背景

市域铁路是一种不同于城际铁路与传统地铁的新型快捷轨道交通系统。我国市域铁路建设和发展总体而言起步较晚，尚处于探索阶段。截至2018 年底，全国仅6座城市开通市域铁路运营线路，总里程为723 km。市域铁路规划建设与发展是新型城镇化必然选择，是构筑以核心城市为中心的大都市圈，发展城镇群，实现产业、人口、经济活动合理分布的基础架构，也是构建国家多元化交通体系的重要组成部分，是解决城市交通拥堵、环境污染等大城市病的“良药秘方”，更是我国铁路改革、铁路业务转型的重要战略方向。

近年来，全国各地积极规划发展市域铁路，我国市域铁路建设蓄势待发。 《上海市城市总体规划（2017—2035）》提出，到2035 年上海市市域铁路运营里程将达到1 000 km。2019 年堪称上海新建市域铁路“元年”，随着机场联络线建设，嘉闵线也蓄势待发，市域铁路即将成为上海市轨道交通主要形式。

市域铁路区别于地铁与城际铁路，与其他轨道交通方式典型特征对比如表1 所示。市域铁路线路长，整条线路水土特性变化大，设计施工所采用水土参数标准不一，极易导致工程风险。并且市域铁路站间距长，对于地下段而言盾构隧道贯通精度要求相较地铁更高，同时市域列车运行速度快，高速振动对水土、周边建筑物的影响也需要重点研究。

表1 市域铁路与其他轨道交通方式典型特征对比

2 市域铁路地下段水土风险

轨道交通建设期和运营期风险大多和地下水土有关，水土风险已成为轨道交通主要风险之一。由于市域铁路地下段线路埋深更深、车站规模更大、基坑挖深更深、城市穿越条件更复杂，所承受水土风险也更加巨大。由于岩土工程的复杂性、软弱性、各向异性以及不确定性，包括土层分布与地下水分布不确定性、现场测试与室内试验所得岩土指标不一致性、外加荷载及其分布不确定性、岩土材料性质复杂性以及计算理论和方法不确定性、材料组成复杂性、影响因素多样性、条件不可确知性等，导致岩土工程定量预测难度大，水土风险难以精准控制。

2.1 建设期水土风险

在建设期，水土风险最大的当属车站基坑，市域铁路地下车站往往呈长条形，规模普遍较大，且埋深更深。以上海机场联络线为例，车站长度达600 m，最大挖深37 m，坑底为承压含水层，基坑施工时，若未做好降水工作，极易引发基坑坑底突涌，若基坑围护桩质量欠佳，出现渗漏水现象，极易引发流砂与管涌，造成围护桩侧向位移增大、地表坍塌等事故发生。仍以上海机场联络线为例，地下线路长约56.7 km，占比83%，隧道最大埋深约50 m，处于巨厚承压含水层，穿越过程水土风险较高，极易造成被穿越的运营轨道交通隧道结构变形过大，引起环片损坏、渗漏等问题。

像上海这样地铁发达的城市建设市域铁路地下段，周边环境复杂。上海机场联络线穿越8 处运营地铁线路，穿越净距最近处约7 m；下穿机场卫星厅桩基，距离桩端仅3.9 m；影响范围中管线错综复杂，如紧邻航油管、原水管、污水总管等。因此，环境控制标准极其严苛，对地下线路贯通进度、地下障碍物探测准确性和水土风险控制要求极高。

2.2 运营期水土风险

目前我国未有运营的市域铁路地下线路，参照上海地铁运营20 多年经验，市域铁路地下段在运营期必然会发生诸多水土风险问题，且由于市域铁路地下段埋深更深，大多位于承压含水层，水土风险将会更大。除管片开裂、道床与隧道脱开等隧道结构问题，同样会在运营之后出现邻近工程建设，或者隧道上方堆卸负载导致隧道管片结构变形过大的风险问题，一旦风险成为事故，造成的损失将不可估量。因此，对隧道结构变形需要长期监测，市域铁路保护区范围重点监护要求也会比地铁更高，周边环境巡视范围也将更大。

3 建设期水土风险控制对策

为有效控制市域铁路地下段在建设期面临的各类水土风险，建议从以下3 个方面进行处置。

3.1 创新细分专业的风险管控模式

通过专业单位对全线各标段进行总体质量管控，包括统一标准、现场督导、技术支撑、成果审核等，确保全线成果一致性与连续性，最终形成细分专业的风险咨询成果。可设置诸如勘察总体、监测总体、降水总体等多个细分专业总体，对总体方案、实施效果、保障措施及应急预案等环节进行把控，确保技术合理、质量可靠、保障有效，以控制各类水土风险，确保工程安全。以勘察总体为例，进行简要介绍。

勘察总体主要承担三大职责，在确保全线勘察成果统一性和准确性前提下，进行总体地质风险评估。

（1）建立统一技术标准。统一全线土层定名与划分标准，统一不同地质单元勘察手段，制定勘察报告编撰技术标准，对勘察方法与工程难点契合性进行审核。

（2）统一水土参数与评价。保障全线物理力学指标合理性与协调性，对全线岩土工程参数合理性进行审查。

（3）开展风险分析与咨询。对全线地质风险进行分析，并提出相应管控措施建议。对岩土设计经济性进行分析，对设计与施工方案可行性进行分析，从而形成风险咨询报告。

上海市“一网通办”平台中的“上海市建设工程勘察质量信息化管理平台”，依托物联网、无线传输等技术，对勘察质量监管实现了被动监管到主动监管、事后管理到全过程监管的转变，确保勘察数据真实性与可靠性，进而保障工程建设安全。在现场施工开始后，总体单位可协助复核开挖地层与勘察地层差异，提出关键节点施工质量控制措施建议，对施工过程中异常情况进行分析解决。

3.2 应用先进有效的风险监测技术及风险管控平台

3.2.1 准确探明地下状况

市域铁路周边环境复杂，尤其是高速发展的一二线城市，地下障碍物、管线等错综复杂，且与原设计图纸可能存在偏差。因此在施工前，必须通过探测手段探摸清楚，从而提出相应避让手段或其他处理措施。通常可以采用地质雷达法探测地下室、高密度电法探测人防区域、瑞雷面波法探测建筑物基础范围、井中磁梯度法探测桩长，基于声频振动、电法等探测地下管线埋置情况。

3.2.2 预先检测围护渗漏

市域铁路地下车站基坑规模大、埋深深，地下连续墙渗漏风险巨大，如在围护结构施工完成后、基坑开挖前，对基坑地墙质量进行围护结构渗漏隐患无损检测，则能有针对性对缺陷处进行加固，避免渗漏乃至承压水突涌事故发生。

目前较为先进的阵列式渗漏检测原理如图1 所示，当基坑围护结构存在渗漏隐患时，隐患处的电阻率相对于正常围护结构明显降低，电流集中在隐患处通过，导致地层中微电流场发生细微变化。通过采用高精度仪器及高灵敏度传感器对围护结构两侧微电流场空间分布和变化情况进行测试分析计算，从而实现对围护结构渗漏隐患区域圈定。

3.2.3 应用自动化监测技术

市域铁路地下段基坑规模大、挖深深，对基坑本体及周边环境监测要求高。基坑监测作为基坑安全的“眼睛”，仅靠人工监测已无法满足市域铁路地下段基坑安全管控要求。通过物联网技术，采用自动化监测元件，以及高精度围护测斜、土水压力及支撑轴力等多类型自动化监测传感器，例如，基于微机电系统传感器（MEMS）的超深围护结构物自动化高精度测斜技术与装备，气动式高精度深层土压力测试装置等，实现实时采集、传输、处理全流程可视化监控，为控制地下段风险及完善设计理论提供重要科学支撑。

针对自动化监测数据中“假异常”数据，采用自动化判别和处理算法，基于“偶然数据”模型和“突变数据”模型，进行“偶然数据”识别与剔除。构建基于多因素、动态权重的监测数据综合分级预警指标体系，综合考虑数据因子、工况因子、变化趋势等因素，使监测数据去伪存真，实现关键监测指标准确报警，为基坑安全风险管控提供数据支持。

图1 基于阵列式微电流场的无损检测原理图

图2 地下空间远程自动化监测监控平台

3.2.4 建立风险管控平台

针对市域铁路复杂现场情况、大量监测数据，建立风险管控平台。目前，上海市“一网统管”平台中的深基坑风险管控系统通过地理信息系统（GIS）+建筑信息模型（BIM）技术手段，将基坑本体信息、周边环境条件、工况信息、监测数据、预报警系统集成为一体，形成全天候自动化远程监控系统，并可通过手机移动端实时查询，如图2、图3 所示。项目周报、监测数据、报警信息等，能够根据险情信息主动推送，加强深基坑风险管控能级。

应用岩土工程信息模型技术，开发实现跨终端应用的数字型沙盘，如图4 所示，集成各类BIM 数据，实现场地地质、周边环境、设计、施工信息集成表达。驱动模型实时反馈监测预警信息，可以较为直观展示随时间、随深度变化的监测曲线，监测预警信息及动态数据标签，为协同分析决策提供支撑。

图3 手机移动端显示监测数据

4 运营期水土风险控制对策

参照上海地铁经验，市域铁路地下段运营期水土风险主要是盾构隧道结构长期变形风险及周边工程活动导致的运营隧道水土风险。其中周边工程活动将是市域铁路地下段运营期最主要风险源。上海市交通委发布的《轨道交通保护区作业方案的技术审查服务指南（机场联络线、嘉闵线、两港快线等）》明确指出“地下车站与隧道外边线外侧五十米内、地面车站和高架车站以及线路轨道外边线外侧三十米内、出入口、通风亭、变电站等建筑物、构筑物外边线外侧十米内为安全保护区”，在安全保护区范围内进行工程作业应经过上海市交通行政管理部门同意。

因此，针对市域铁路地下段运营期水土风险，建议运用轨道交通智慧感知成套技术进行控制，通过建立保护区巡查管理系统实时掌握市域铁路保护区范围内的工程活动情况，结合立体感知组合技术对结构变形、结构内力、结构病害进行综合检测，实现全方位、多角度、多方法的信息采集，建立数据服务平台对上述多源数据进行管理，再辅以人工智能及大数据的方法对轨道交通结构安全状态进行评估及预测，为轨道交通运营维护提供保障。

图4 跨终端数字型沙盘

4.1 市域铁路安全保护区巡查管理系统

市域铁路地下段运营过程中，沿线保护区内外界工程施工建设在一定程度上对市域铁路地下段结构及设施安全构成威胁。做好保护区内安全巡查监管工作，对确保市域铁路地下段的安全运营十分重要。需要由特定人员沿着指定线路进行定期或不定期巡视、查看，以确保被巡查线路安全或沿线保护区施工现场对市域铁路的影响在安全范围之内。

通过附有全球定位系统（GPS）+北斗定位及摄像头的手持移动设备进行现场巡查，必要时辅以高分辨率卫星影像、全景影像和无人机等新型高效数据采集手段，提升保护区巡查效果。通过巡查管理系统对巡查影像及数据进行管理与维护，使巡查做到保护区内无死角，巡查管理无漏洞，为后续市域铁路结构变形预测、分析提供数据支撑。

4.2 立体感知技术

立体感知理念旨在通过集成空中（卫星、无人机等）、地面（全景影像、人工巡检等）、地下（精密工程测量、自动化传感器、移动三维激光扫描等）信息源，形成1 套具有标准化数据接口，信息集成、处理分析功能和可视化界面的感知系统，拓展专业技术人员对结构安全监测数据的理解和认知，如图5 所示。

针对轨道交通结构安全监测行业，需要从不同时间跨度、空间维度、量测精度和信息类型中，高效综合获取和监控结构安全状态，从而提前感知病害前兆，监控变化过程，发现变形规律和指导工程实践。根据数据采集平台的位置和用途，轨道交通保护区和结构安全数据采集手段可分为空中、地面和地下3 种情况，如图6 所示，主要用于发现保护区范围内违规作业、监控长期变形规律和开展保护区内工程影响监测等具体业务。通过长期自动化监测、定期移动扫描测量、定点进行结构无损检测，全方位、多角度、多方法控制水土风险，保障市域铁路运营期结构安全。感知对象、手段、应用需求和目的，如表2 所示。

4.3 数据服务平台

将空中、地面和地下多源数据进行标准化管理，录入数据服务平台中，其目的是为减少数据录入的差异性和防止信息缺失，借助数据维护工具实现1 次录入之后标准化调用，从而获得最佳秩序和管理效益。通过数据服务平台，对上述多源数据进行在线分析，为市域铁路地下段构建多维度、全覆盖数字档案，通过不同周期数据及影像对比，及时发现和解决问题，防患于未然。

图5 轨道交通结构安全立体感知概念图

图6 空中、地面、地下数据获取手段示意图

表2 感知对象、手段、应用需求和目的

5 结论

市域铁路地下段风险管控需要有经验的技术人员和严谨的管理人员，采用先进监控手段，应用智能管控平台进行实时全方位管控。文章通过对市域铁路地下段建设期及运营期水土风险及控制对策的介绍，得出以下结论。

（1）市域铁路地下段线路长、埋深深、规模大，建设期与运营期水土风险比地铁线路更大，应正确深刻地认识水土风险。

（2）查明水土分布规律，依靠真实可靠管控手段和技术，切实提高水土风险认知水平。

（3）发挥自动化监测技术和智能平台作用，实时掌控市域铁路地下段建设期与运营期结构安全状态。