姜文星

上海申鐵投資有限公司 上海 200439

上海在2035城市總規(guī)中規(guī)劃了里程1 157 km的市域鐵路。機(jī)場聯(lián)絡(luò)線工程作為上海市域鐵路網(wǎng)的首條新建線路，其工程設(shè)計(jì)及施工面臨眾多高風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，特別是超深超大基坑施工、超大直徑盾構(gòu)超長距離安全掘進(jìn)過程中的周邊環(huán)境變形高精度監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)控制，是保障工程順利實(shí)施的關(guān)鍵。深入分析面臨的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)全面地提出應(yīng)對方案，將為今后同類工程積累寶貴的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，具有重要的參考價(jià)值。

縱觀國內(nèi)其他地區(qū)地下高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目，京廣高鐵石家莊地下線[1]周邊建筑稠密、下穿城市主干道，廣深港高鐵地下線[2]穿越有高壓涌水風(fēng)險(xiǎn)的軟弱地層環(huán)境，濟(jì)青高鐵青島紅島線[3]穿越主要城區(qū)。與之相比，上海市域鐵路項(xiàng)目則集直徑大、覆土深、水壓高、下穿重要建（構(gòu)）筑物等難題于一身。此外，立足于區(qū)域發(fā)展目標(biāo)，該項(xiàng)目在智慧運(yùn)營管理方面同樣面臨更大的挑戰(zhàn)。

因此，面向市級重大工程建設(shè)科技需求，本工程亟需研究市域高速鐵路智能建造和風(fēng)險(xiǎn)防控成套技術(shù)，市域高速鐵路與國鐵互聯(lián)互通條件下超長地下空間防災(zāi)救援疏散技術(shù)，機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道建造技術(shù)，超長特深承壓水層開挖面穩(wěn)定性支護(hù)壓力智能控制與并行高鐵變形控制技術(shù)，市域高速鐵路水土風(fēng)險(xiǎn)控制和高精度測量感知預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)，市域高速鐵路盾構(gòu)隧道智能建造關(guān)鍵技術(shù)及風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)等。上述關(guān)鍵技術(shù)在經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中意義重大。

1 市域高鐵概況及主要挑戰(zhàn)

1.1 工程概況

市域高速鐵路一般是指大都市市域范圍內(nèi)的客運(yùn)軌道交通系統(tǒng)，主要服務(wù)于新城與主城區(qū)、新城之間、中心城市與近郊衛(wèi)星城等，服務(wù)范圍一般在50～100 km之內(nèi)，設(shè)計(jì)速度120～160 km/h。

上海軌道交通市域線機(jī)場聯(lián)絡(luò)線工程自虹橋站磁浮場引出沿滬杭高鐵東側(cè)向南，穿過滬杭鐵路通道后折向東沿春申塘走行，而后穿越黃浦江，沿外環(huán)線、迎賓高速南側(cè)走行，經(jīng)三林、張江、迪士尼度假區(qū)至浦東機(jī)場，出浦東機(jī)場后接入滬通2期上海東站站西側(cè)的機(jī)場線車場。

線路全長68.6 km，其中，高架段長約4.4 km，地面段長約3.7 km，剩余近88%為地下段，長約60.5 km。單洞雙線隧道外徑13.6 m，長度約46 km，單洞單線隧道外徑9 m，長度約14 km，有31處聯(lián)絡(luò)通道，是國內(nèi)最大規(guī)模市域高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目。

全線設(shè)車站9座：虹橋站、七寶站、華涇站、三林南站、張江站、度假區(qū)站、浦東機(jī)場站、T3航站樓站、上海東站，平均站間距離為8.58 km。其中，地面站3座：虹橋、七寶、上海東；地下站6座：華涇、三林南、張江、度假區(qū)、浦東機(jī)場、T3航站樓。新設(shè)上海東動車運(yùn)用所1處。

1.2 工程主要特點(diǎn)及挑戰(zhàn)

全線深埋隧道多處于巨厚承壓含水層，涉及大量超深、超長基坑與隧道，運(yùn)行速度160 km/h（為地鐵速度的2倍）。沿線環(huán)境復(fù)雜，下穿地鐵、機(jī)場滑行道、既有鐵路等重要設(shè)施80余處，且與滬杭高鐵并行約9 km，保護(hù)要求苛刻（差異沉降控制值2 mm）。區(qū)別于地鐵的市域鐵路長區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道（最多一個區(qū)間9個聯(lián)絡(luò)通道），最深的聯(lián)絡(luò)通道埋深達(dá)56 m，為施工風(fēng)險(xiǎn)和工程籌劃帶來巨大挑戰(zhàn)。

本線是國內(nèi)第一條國鐵與市域鐵路共線運(yùn)營項(xiàng)目，土建與軌道工程同時(shí)適應(yīng)國鐵和市域鐵路技術(shù)要求，既要遵守現(xiàn)有的鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也要滿足地鐵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，還需要研發(fā)同時(shí)滿足市域鐵路高密度發(fā)車公交化運(yùn)營和國鐵長交路列車貫入混合運(yùn)營需求的四電集成系統(tǒng)。

2 建設(shè)過程重要風(fēng)險(xiǎn)源分析

從上海市在建以及運(yùn)營中相關(guān)隧道[4-8]不難發(fā)現(xiàn)，本地區(qū)隧道工程主要難點(diǎn)多出現(xiàn)于大直徑、深覆土、高水壓、穿越既有建（構(gòu)）筑物時(shí)。本線工程總長68.6 km，沿線鄰近或下穿眾多既有重要建（構(gòu)）筑物，對施工過程的周邊環(huán)境擾動控制提出了苛刻的要求。

2.1 盾構(gòu)及明挖段并行滬杭高鐵風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)場線過七寶站后往南線路開始進(jìn)入明挖和隧道段，由于受到通道東側(cè)大量廠房和居民樓限制，線路距離滬杭高鐵距離較近，本段5.8 km凈距離與滬杭高鐵并行，最近處不到10 m。同時(shí)，線路穿越“鐵三角”地區(qū)，線路除并行既有滬杭高鐵外，還下穿李莘聯(lián)絡(luò)線、金山支線、滬春線和滬杭客專引入上海南聯(lián)絡(luò)線。機(jī)場線盾構(gòu)及明挖并行滬杭客專涉國鐵段平面如圖1所示。

圖1 并行滬杭客專段機(jī)場線周邊既有線情況示意

2.2 側(cè)穿及正穿軌道交通風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)場聯(lián)絡(luò)線隧道區(qū)間共計(jì)下穿軌道交通12處，其中規(guī)劃線路5條，既有和在建線路7條（圖2）。在七寶站—華涇站區(qū)間下穿既有軌道交通12號線、5號線和15號線；三林南站—張江站區(qū)間下穿既有軌道交通8號線、16號線、11號線和在建18號線等。

圖2 上海機(jī)場線與既有、在建軌道交通關(guān)系

2.3 下穿機(jī)場滑行道及衛(wèi)星廳風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)場聯(lián)絡(luò)線在浦東機(jī)場T1航站樓至規(guī)劃T3航站樓區(qū)間長3 km，下穿機(jī)場滑行道及衛(wèi)星廳中指廊樁基，最深處軌面標(biāo)高－55.30 m，區(qū)間隧道最大覆土53.4 m，盾構(gòu)直徑9 m，設(shè)置7處聯(lián)絡(luò)通道，其中4處位于承壓水地層。

2.4 下穿市政箱涵、公路及橋梁風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)場聯(lián)絡(luò)線區(qū)間共計(jì)下穿、側(cè)穿既有高架橋、立交橋、天橋、公路及市政箱涵通道、U形槽結(jié)構(gòu)26處。隧道下穿地下通道主要受到其圍護(hù)結(jié)構(gòu)和道路底部加固、抗浮樁的影響，以及橋梁樁基的影響。

2.5 側(cè)穿高壓線塔風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)場聯(lián)絡(luò)線于DK12＋800—DK18＋000段下穿春申塘高壓線走廊，隧道與1處220 kV（高42.1 m）高壓線塔平面凈距為2.25 m，受到線路曲線半徑的影響，無法從線路上避開。區(qū)間在DK34＋400—DK43＋900下穿楊康—申康—惠申高壓線走廊，高壓線大部分為220 kV，最高為500 kV，區(qū)間隧道均在平面避讓高壓線塔，結(jié)構(gòu)水平凈距最小為7.9 m。

2.6 下穿雨水、污水、燃?xì)?、航油管等風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)場聯(lián)絡(luò)區(qū)間隧道部分沿城市主干道和規(guī)劃道路走行，不可避免地存在隧道下穿或側(cè)穿地下管線的情況，尤其是大直徑雨污水管、給水管、煤氣（燃?xì)猓┕艿取?/p>

綜上所述，上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線工程沿線將穿越眾多風(fēng)險(xiǎn)源，完整的前期摸排調(diào)研以及針對性地制定保護(hù)措施將是工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵。

3 主要技術(shù)手段創(chuàng)新

3.1 高風(fēng)險(xiǎn)巨厚承壓含水層超長距離地下鐵路智能建造技術(shù)

1）機(jī)場聯(lián)絡(luò)線將以超長距離穿越上海巨厚承壓含水層。主要特征：最大埋深62 m，50%以上隧道埋深40～50 m，需長距離穿越上海巨厚承壓含水層。整個工程三維空間上呈現(xiàn)“全地層、高承壓水、高風(fēng)險(xiǎn)”特征。上海城市核心區(qū)承壓水主要是第一承壓含水層（第⑦層）和第二承壓含水層（第⑨層）。承壓水一般水量豐富、滲透性能好〔粉土滲透系數(shù)K值一般在（2～5）×10－4cm/s；粉砂滲透性更強(qiáng)，K值一般在（0.5～3.0）×10－3cm/s〕，與通常黏性地層盾構(gòu)隧道（如上海長江隧道、上中路隧道等）相比，由于其承壓性，滲透系數(shù)超過上海黏土層中隧道1～2個量級，對地下工程建設(shè)具有極大的風(fēng)險(xiǎn)。若處置不當(dāng)，極易造成隧道坍塌、基坑突涌、流砂、管涌等事故，一旦發(fā)生意外，將造成巨大損失，且很難救援和恢復(fù)。

2）超長距離高風(fēng)險(xiǎn)承壓含水層給市域高速鐵路盾構(gòu)隧道掘進(jìn)及姿態(tài)控制帶來巨大挑戰(zhàn)。動態(tài)安全掘進(jìn)過程中既需要關(guān)注承壓水地層開挖面前方不同于以往上海其他隧道的穩(wěn)定性問題，還需要關(guān)注長距離穿越掘進(jìn)（古河道、7條軌道交通網(wǎng)等）的姿態(tài)控制，盡可能減小對環(huán)境及構(gòu)筑物的影響。超長距離高承壓水地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)（如泥水壓力等）必須基于承壓水壓力大小智能控制，長距離穿越掘進(jìn)姿態(tài)也需要實(shí)時(shí)或掘進(jìn)一定距離智能調(diào)控，真正實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的智能控制。

3）高風(fēng)險(xiǎn)承壓水地層市域地下鐵路車站基坑開挖為了保證安全和控制沉降，需要研發(fā)自平衡降水和水下自動開挖技術(shù)，主動控制風(fēng)險(xiǎn)。

4）市域高速地下鐵路裝配式智能建造提升技術(shù)。傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道的預(yù)制裝配率低于90%，本項(xiàng)目超長距離連續(xù)掘進(jìn)需要裝配率超過95%（除道床外）的智能提升技術(shù)，既提高施工的安全性，又可提高襯砌效率，節(jié)約成本。

3.2 復(fù)雜環(huán)境下超長距離市域地下鐵路風(fēng)險(xiǎn)智控技術(shù)

工程施工過程中的數(shù)據(jù)采集及分析往往分散于各個工程項(xiàng)目，由各個項(xiàng)目的管理人員對基坑的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行初步判斷，缺少專業(yè)的分析團(tuán)隊(duì)，因此基坑的風(fēng)險(xiǎn)等級的判斷往往取決于項(xiàng)目技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平及施工經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致各個基坑項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管控水平不盡相同。此外，傳統(tǒng)工程風(fēng)險(xiǎn)管控中，對風(fēng)險(xiǎn)的判斷依據(jù)單一，工況與數(shù)據(jù)脫離，缺少融合分析，報(bào)警準(zhǔn)確性有待提高。這些運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)獲取和簡單圖表分析為主，缺乏數(shù)據(jù)深度分析和決策的能力，因此，無法解決施工中諸多實(shí)際問題。

1）超長近距離并行運(yùn)行高鐵和下穿機(jī)場滑行道相互影響安全智控技術(shù)。并行運(yùn)行高鐵最大長度9 km，運(yùn)行高鐵變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求小于2 mm，提出了巨大挑戰(zhàn)，亟需研發(fā)全生命周期監(jiān)控智能技術(shù)；下穿機(jī)場滑行道（長300 m，差異沉降要求小于2 mm，累計(jì)沉降不超過5 mm），且飛機(jī)不停飛，其掘進(jìn)開挖的動態(tài)影響規(guī)律和控制技術(shù)亟需解決。

2）超長距離連續(xù)穿越非線性風(fēng)險(xiǎn)幾何級疊加（骨牌效應(yīng)）智控技術(shù)。本工程沿線范圍內(nèi)共有環(huán)境振動敏感點(diǎn)67處（地下線路53處、地上線路14處），包括學(xué)?；蛴變簣@3處，其余64處均為居民住宅。重要風(fēng)險(xiǎn)源如下：下穿衛(wèi)星廳45 m長樁基，距離樁底小于2 m，穿越8處運(yùn)行地鐵（客流量約700萬/d）；穿越凈距7 m磁?。ú⑿? km長距離，差異變形要求小于2 mm）；三林南基坑（與國鐵共站開挖面積大，約30 000 m2，坑底埋深42 m，位于承壓含水層，且緊鄰航油管敏感建筑物40 m范圍），上述非線性風(fēng)險(xiǎn)極易非線性疊加，發(fā)生骨牌效應(yīng)等風(fēng)險(xiǎn)。亟需研發(fā)各類建（構(gòu)）筑物的智能監(jiān)控手段、承壓水抽灌一體化再平衡、基坑超補(bǔ)償伺服系統(tǒng)（支撐系統(tǒng)）、地下連續(xù)墻滲漏自檢測（預(yù)降水＋電法）等核心技術(shù)。

3.3 城市核心區(qū)超長距離防災(zāi)救援疏散及國鐵互聯(lián)互通技術(shù)

1）市域高速地下鐵路超長距離防災(zāi)救援疏散技術(shù)。機(jī)場聯(lián)絡(luò)線地下線長約60.5 km，占比88%，平均站間距8.58 km（遠(yuǎn)大于地鐵區(qū)間長度1 km），超長距離高速地下鐵路防災(zāi)救援疏散技術(shù)本質(zhì)上區(qū)別于城市地鐵，在防災(zāi)模式和疏散方式上需要創(chuàng)新和提升。

2）國鐵與市域線共線運(yùn)營防災(zāi)救援體系。根據(jù)要求，城際與市域線接駁的便捷性要求更高，在以往的分層換乘的基礎(chǔ)上，共線互聯(lián)互通將成為一種新的普遍趨勢，但目前尚屬空白?；ヂ?lián)互通的市域線路一般穿越中心城區(qū)，具有站間距大、速度快、復(fù)雜條件下長距離地下連續(xù)敷設(shè)的特點(diǎn)。針對首條不同車輛編組、超長地下敷設(shè)、國鐵與市域鐵路共線運(yùn)營市域線，消防、疏散、救援等系列問題均有別于傳統(tǒng)城際模式和傳統(tǒng)地鐵模式，亟需填補(bǔ)此問題的研究空白，為后續(xù)國內(nèi)類似工程提供借鑒。

3.4 市域高速鐵路機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道建造技術(shù)

1）機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)與施工方案研究。針對機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道隧道施工影響范圍內(nèi)的主隧道方案，研究機(jī)械化聯(lián)絡(luò)通道隧道方案、洞口方案及與之配套的施工技術(shù)。

2）機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道全過程數(shù)值仿真模擬。針對機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道建造全過程，對其收斂變形與內(nèi)力進(jìn)行分析與參數(shù)敏感性分析，明確市域高速鐵路聯(lián)絡(luò)通道工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與危險(xiǎn)位置，為后續(xù)試驗(yàn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。模擬分為2個層次，即整體的模擬和局部構(gòu)件的模擬。

3）深埋盾構(gòu)隧道及聯(lián)絡(luò)通道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究。市域高速鐵路依托工程屬于城市核心區(qū)超深隧道，其隧道接縫及聯(lián)絡(luò)通道的開洞接頭位置受力復(fù)雜，擬通過局部精細(xì)化節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究關(guān)鍵部位的傳力機(jī)制。

3.5 市域高速鐵路水土風(fēng)險(xiǎn)控制與高精度測量感知預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)

1）市域高速鐵路深基坑開挖水土風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)。

① 基于超補(bǔ)償?shù)某畛L基坑主動控制組合技術(shù)研究，開展基坑超補(bǔ)償變形定量分析方法研究和主動控制組合技術(shù)研究，提出變形預(yù)測方法與參數(shù)，研發(fā)主動控制水平位移的型鋼混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土支撐結(jié)構(gòu)，揭示其變形及受力機(jī)理，形成市域高速鐵路超長基坑組合式分隔開挖降水設(shè)計(jì)新方法。

② 巨厚承壓含水層新型高效智能抽灌設(shè)備及工藝研究，基于依托的市域高速鐵路工程，提出巨厚承壓含水層抽灌的環(huán)境變形預(yù)測技術(shù)，研究基于承壓水抽灌的新型小口徑承壓水降水井及回灌井結(jié)構(gòu)，開展抽灌一體化相關(guān)性能試驗(yàn)；研究新型小口徑承壓水降水回灌井結(jié)構(gòu)施工工藝及抽灌設(shè)備，提升承壓水降水回灌效率；開展基于陣列式微電流場基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏快速檢測技術(shù)深化研究。

2）市域高速鐵路復(fù)雜環(huán)境高精度定向測量及變形感知預(yù)警技術(shù)研究。

① 開展基于磁浮陀螺技術(shù)的超長盾構(gòu)隧道精密定向測量技術(shù)研究，包括陀螺方位與導(dǎo)線測量方位聯(lián)合平差方法、陀螺邊數(shù)量和位置對精度的影響等。

② 開展基于掃描型全站儀（免棱鏡）的機(jī)場跑道或滑行道變形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)研究，包括新型掃描型全站儀監(jiān)測標(biāo)志設(shè)置和點(diǎn)云識別及數(shù)據(jù)處理方法等關(guān)鍵技術(shù)，提升無合作目標(biāo)測試精度。

③ 深化研究地下工程自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，優(yōu)化多指標(biāo)關(guān)聯(lián)的綜合分級預(yù)警體系，研究地質(zhì)、水文、結(jié)構(gòu)、環(huán)境及動態(tài)監(jiān)控多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)，并運(yùn)用全景、虛擬現(xiàn)實(shí)及BIM輕量化技術(shù)，提出超深基坑變形四維可視化技術(shù)，動態(tài)反饋現(xiàn)場場景與實(shí)時(shí)變形信息。

3.6 智慧市域鐵路平臺層智慧運(yùn)管系統(tǒng)

本工程搭建智慧市域鐵路的平臺層采用智慧運(yùn)管系統(tǒng)，通過中心系統(tǒng)集成平臺（圖3），更好地收集和交換相關(guān)系統(tǒng)信息，在智慧運(yùn)管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)與集成互聯(lián)系統(tǒng)的互動，以實(shí)現(xiàn)本線包括市域鐵路高密度發(fā)車公交化運(yùn)營和國鐵長交路列車貫入混合運(yùn)營智能化調(diào)度、市域與國鐵混合客流車站智慧流線管理、車輛及機(jī)電系統(tǒng)智能維保等在內(nèi)的智慧市域鐵路功能。

圖3 智慧市域鐵路的平臺層采用智慧運(yùn)管系統(tǒng)

智慧市域鐵路的功能主要涵蓋智慧運(yùn)營管理、智慧乘客服務(wù)、智慧維修管理和其他功能4部分。

4 結(jié)語

本文依托于上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線工程（市域高速鐵路），對建設(shè)過程中將面臨的重要風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了整理分析，指出沿線并行、側(cè)穿、下穿眾多既有建（構(gòu)）筑物、道路管線等，需要針對性地做好完善的前期調(diào)研以及嚴(yán)格的保護(hù)措施。此外，還介紹了工程主要技術(shù)創(chuàng)新手段。

市域鐵路在標(biāo)準(zhǔn)體系方面還有待完善，亟需一套完整的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工技術(shù)、建設(shè)管理和運(yùn)營維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。本工程及一系列創(chuàng)新技術(shù)手段，不僅為本工程的安全建設(shè)保駕護(hù)航，還將為未來同類工程提供可靠的參考依據(jù)。