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)
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(guó)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(guó)僅6座城市開通市域鐵路運(yùn)營(yíng)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(dòng)合理分布的基礎(chǔ)架構(gòu),也是構(gòu)建國(guó)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(guó)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(guó)各地積極規(guī)劃發(fā)展市域鐵路,我國(guó)市域鐵路建設(shè)蓄勢(shì)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(yíng)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(chǎng)聯(lián)絡(luò)線建設(shè),嘉閔線也蓄勢(shì)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(duì)比如表1 所示。市域鐵路線路長(zhǎng),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(xiǎn)。并且市域鐵路站間距長(zhǎng),對(duì)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(shí)市域列車運(yùn)行速度快,高速振動(dòng)對(duì)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(duì)比
軌道交通建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期風(fēng)險(xiǎn)大多和地下水土有關(guān),水土風(fēng)險(xiǎn)已成為軌道交通主要風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(chǎng)測(cè)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(cè)難度大,水土風(fēng)險(xiǎn)難以精準(zhǔn)控制。
在建設(shè)期,水土風(fēng)險(xiǎn)最大的當(dāng)屬車站基坑,市域鐵路地下車站往往呈長(zhǎng)條形,規(guī)模普遍較大,且埋深更深。以上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線為例,車站長(zhǎng)度達(dá)600 m,最大挖深37 m,坑底為承壓含水層,基坑施工時(shí),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(chǎng)聯(lián)絡(luò)線為例,地下線路長(zhǎng)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(xiǎn)較高,極易造成被穿越的運(yùn)營(yíng)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(chǎng)聯(lián)絡(luò)線穿越8 處運(yùn)營(yíng)地鐵線路,穿越凈距最近處約7 m;下穿機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳樁基,距離樁端僅3.9 m;影響范圍中管線錯(cuò)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(duì)地下線路貫通進(jìn)度、地下障礙物探測(cè)準(zhǔn)確性和水土風(fēng)險(xiǎn)控制要求極高。
目前我國(guó)未有運(yùn)營(yíng)的市域鐵路地下線路,參照上海地鐵運(yùn)營(yíng)20 多年經(jīng)驗(yàn),市域鐵路地下段在運(yùn)營(yíng)期必然會(huì)發(fā)生諸多水土風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)將會(huì)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(huì)在運(yùn)營(yíng)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(xiǎn)問題,一旦風(fēng)險(xiǎn)成為事故,造成的損失將不可估量。因此,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),市域鐵路保護(hù)區(qū)范圍重點(diǎn)監(jiān)護(hù)要求也會(huì)比地鐵更高,周邊環(huán)境巡視范圍也將更大。
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(xiǎn),建議從以下3 個(gè)方面進(jìn)行處置。
通過專業(yè)單位對(duì)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(chǎng)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(xiǎn)咨詢成果。可設(shè)置諸如勘察總體、監(jiān)測(cè)總體、降水總體等多個(gè)細(xì)分專業(yè)總體,對(duì)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(xiǎn),確保工程安全。以勘察總體為例,進(jìn)行簡(jiǎn)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(xiǎn)評(píng)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(duì)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(píng)價(jià)。保障全線物理力學(xué)指標(biāo)合理性與協(xié)調(diào)性,對(duì)全線巖土工程參數(shù)合理性進(jìn)行審查。
(3)開展風(fēng)險(xiǎn)分析與咨詢。對(duì)全線地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)管控措施建議。對(duì)巖土設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析,對(duì)設(shè)計(jì)與施工方案可行性進(jìn)行分析,從而形成風(fēng)險(xiǎn)咨詢報(bào)告。
上海市“一網(wǎng)通辦”平臺(tái)中的“上海市建設(shè)工程勘察質(zhì)量信息化管理平臺(tái)”,依托物聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸?shù)燃夹g(shù),對(duì)勘察質(zhì)量監(jiān)管實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)監(jiān)管到主動(dòng)監(jiān)管、事后管理到全過程監(jiān)管的轉(zhuǎn)變,確??辈鞌?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(chǎng)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(duì)施工過程中異常情況進(jìn)行分析解決。
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(cuò)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(cè)手段探摸清楚,從而提出相應(yīng)避讓手段或其他處理措施。通常可以采用地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)地下室、高密度電法探測(cè)人防區(qū)域、瑞雷面波法探測(cè)建筑物基礎(chǔ)范圍、井中磁梯度法探測(cè)樁長(zhǎng),基于聲頻振動(dòng)、電法等探測(cè)地下管線埋置情況。
3.2.2 預(yù)先檢測(cè)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(xiǎn)巨大,如在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后、基坑開挖前,對(duì)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(cè),則能有針對(duì)性對(duì)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(cè)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(shí),隱患處的電阻率相對(duì)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(chǎng)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(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)微電流場(chǎng)空間分布和變化情況進(jìn)行測(cè)試分析計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏隱患區(qū)域圈定。
3.2.3 應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)
市域鐵路地下段基坑規(guī)模大、挖深深,對(duì)基坑本體及周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)要求高?;颖O(jiān)測(cè)作為基坑安全的“眼睛”,僅靠人工監(jiān)測(cè)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(dòng)化監(jiān)測(cè)元件,以及高精度圍護(hù)測(cè)斜、土水壓力及支撐軸力等多類型自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(dòng)化高精度測(cè)斜技術(shù)與裝備,氣動(dòng)式高精度深層土壓力測(cè)試裝置等,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理全流程可視化監(jiān)控,為控制地下段風(fēng)險(xiǎn)及完善設(shè)計(jì)理論提供重要科學(xué)支撐。
針對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中“假異常”數(shù)據(jù),采用自動(dòng)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(shí)別與剔除。構(gòu)建基于多因素、動(dòng)態(tài)權(quán)重的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分級(jí)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(shì)等因素,使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去偽存真,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)指標(biāo)準(zhǔn)確報(bào)警,為基坑安全風(fēng)險(xiǎn)管控提供數(shù)據(jù)支持。
圖1 基于陣列式微電流場(chǎng)的無損檢測(cè)原理圖
圖2 地下空間遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)
3.2.4 建立風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)
針對(duì)市域鐵路復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)情況、大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)。目前,上海市“一網(wǎng)統(tǒng)管”平臺(tái)中的深基坑風(fēng)險(xiǎn)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(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)警系統(tǒng)集成為一體,形成全天候自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),并可通過手機(jī)移動(dòng)端實(shí)時(shí)查詢,如圖2、圖3 所示。項(xiàng)目周報(bào)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等,能夠根據(jù)險(xiǎn)情信息主動(dòng)推送,加強(qiáng)深基坑風(fēng)險(xiǎn)管控能級(jí)。
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(chǎng)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(dòng)模型實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)預(yù)警信息,可以較為直觀展示隨時(shí)間、隨深度變化的監(jiān)測(cè)曲線,監(jiān)測(cè)預(yù)警信息及動(dòng)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(dòng)端顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
參照上海地鐵經(jīng)驗(yàn),市域鐵路地下段運(yùn)營(yíng)期水土風(fēng)險(xiǎn)主要是盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形風(fēng)險(xiǎn)及周邊工程活動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)營(yíng)隧道水土風(fēng)險(xiǎn)。其中周邊工程活動(dòng)將是市域鐵路地下段運(yùn)營(yíng)期最主要風(fēng)險(xiǎn)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(chǎng)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(duì)市域鐵路地下段運(yùn)營(yíng)期水土風(fēng)險(xiǎn),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(shí)掌握市域鐵路保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的工程活動(dòng)情況,結(jié)合立體感知組合技術(shù)對(duì)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(cè),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(tái)對(duì)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(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估及預(yù)測(cè),為軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供保障。
圖4 跨終端數(shù)字型沙盤
市域鐵路地下段運(yùn)營(yíng)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(duì)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(duì)確保市域鐵路地下段的安全運(yùn)營(yíng)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(chǎng)對(duì)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(dòng)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡查,必要時(shí)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(duì)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(cè)、分析提供數(shù)據(jù)支撐。
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(cè)量、自動(dòng)化傳感器、移動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的理解和認(rèn)知,如圖5 所示。
針對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)行業(yè),需要從不同時(shí)間跨度、空間維度、量測(cè)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(tái)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(zhǎng)期變形規(guī)律和開展保護(hù)區(qū)內(nèi)工程影響監(jiān)測(cè)等具體業(yè)務(wù)。通過長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、定期移動(dòng)掃描測(cè)量、定點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)無損檢測(cè),全方位、多角度、多方法控制水土風(fēng)險(xiǎn),保障市域鐵路運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全。感知對(duì)象、手段、應(yīng)用需求和目的,如表2 所示。
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(tái)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(tái),對(duì)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(duì)比,及時(shí)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(duì)象、手段、應(yīng)用需求和目的
市域鐵路地下段風(fēng)險(xiǎn)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(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)全方位管控。文章通過對(duì)市域鐵路地下段建設(shè)期及運(yùn)營(yíng)期水土風(fēng)險(xiǎn)及控制對(duì)策的介紹,得出以下結(jié)論。
(1)市域鐵路地下段線路長(zhǎng)、埋深深、規(guī)模大,建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期水土風(fēng)險(xiǎn)比地鐵線路更大,應(yīng)正確深刻地認(rèn)識(shí)水土風(fēng)險(xiǎn)。
(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(xiǎn)認(rèn)知水平。
(3)發(fā)揮自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)和智能平臺(tái)作用,實(shí)時(shí)掌控市域鐵路地下段建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。