市域高速鐵路工程建設面臨的挑戰(zhàn)與對策

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。機場聯(lián)絡線工程作為上海市域鐵路網(wǎng)的首條新建線路，其工程設計及施工面臨眾多高風險挑戰(zhàn)，特別是超深超大基坑施工、超大直徑盾構(gòu)超長距離安全掘進過程中的周邊環(huán)境變形高精度監(jiān)測與風險控制，是保障工程順利實施的關(guān)鍵。深入分析面臨的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)全面地提出應對方案，將為今后同類工程積累寶貴的建設經(jīng)驗，具有重要的參考價值。

縱觀國內(nèi)其他地區(qū)地下高速鐵路建設項目，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]穿越有高壓涌水風險的軟弱地層環(huán)境，濟青高鐵青島紅島線[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，該項目在智慧運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科技需求，本工程亟需研究市域高速鐵路智能建造和風險防控成套技術(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救援疏散技術(shù)，機械法聯(lián)絡通道建造技術(shù)，超長特深承壓水層開挖面穩(wěn)定性支護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險控制和高精度測量感知預警關(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)及風險防控技術(shù)等。上述關(guān)鍵技術(shù)在經(jīng)濟和社會發(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)的客運軌道交通系統(tǒng)，主要服務于新城與主城區(qū)、新城之間、中心城市與近郊衛(wèi)星城等，服務范圍一般在50～100 km之內(nèi)，設計速度120～160 km/h。

上海軌道交通市域線機場聯(lián)絡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)至浦東機場，出浦東機場后接入滬通2期上海東站站西側(cè)的機場線車場。

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)絡通道，是國內(nèi)最大規(guī)模市域高速鐵路建設項目。

全線設車站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)、浦東機場、T3航站樓。新設上海東動車運用所1處。

1.2 工程主要特點及挑戰(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，運行速度160 km/h（為地鐵速度的2倍）。沿線環(huán)境復雜，下穿地鐵、機場滑行道、既有鐵路等重要設施80余處，且與滬杭高鐵并行約9 km，保護要求苛刻（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)絡通道（最多一個區(qū)間9個聯(lián)絡通道），最深的聯(lián)絡通道埋深達56 m，為施工風險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營項目，土建與軌道工程同時適應國鐵和市域鐵路技術(shù)要求，既要遵守現(xiàn)有的鐵路標準規(guī)范，也要滿足地鐵技術(shù)標準要求，還需要研發(fā)同時滿足市域鐵路高密度發(fā)車公交化運營和國鐵長交路列車貫入混合運營需求的四電集成系統(tǒng)。

2 建設過程重要風險源分析

從上海市在建以及運營中相關(guān)隧道[4-8]不難發(fā)現(xiàn)，本地區(qū)隧道工程主要難點多出現(xiàn)于大直徑、深覆土、高水壓、穿越既有建（構(gòu)）筑物時。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險

機場線過七寶站后往南線路開始進入明挖和隧道段，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，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)絡線、金山支線、滬春線和滬杭客專引入上海南聯(lián)絡線。機場線盾構(gòu)及明挖并行滬杭客專涉國鐵段平面如圖1所示。

圖1 并行滬杭客專段機場線周邊既有線情況示意

2.2 側(cè)穿及正穿軌道交通風險

機場聯(lián)絡線隧道區(qū)間共計下穿軌道交通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 上海機場線與既有、在建軌道交通關(guān)系

2.3 下穿機場滑行道及衛(wèi)星廳風險

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

2.4 下穿市政箱涵、公路及橋梁風險

機場聯(lián)絡線區(qū)間共計下穿、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)穿高壓線塔風險

機場聯(lián)絡線于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、燃氣、航油管等風險

機場聯(lián)絡區(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（燃氣）管等。

綜上所述，上海機場聯(lián)絡線工程沿線將穿越眾多風險源，完整的前期摸排調(diào)研以及針對性地制定保護措施將是工程建設成敗的關(guān)鍵。

3 主要技術(shù)手段創(chuàng)新

3.1 高風險巨厚承壓含水層超長距離地下鐵路智能建造技術(shù)

1）機場聯(lián)絡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、高風險”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，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，對地下工程建設具有極大的風險。若處置不當，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。

2）超長距離高風險承壓含水層給市域高速鐵路盾構(gòu)隧道掘進及姿態(tài)控制帶來巨大挑戰(zhàn)。動態(tài)安全掘進過程中既需要關(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（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，長距離穿越掘進姿態(tài)也需要實時或掘進一定距離智能調(diào)控，真正實現(xiàn)盾構(gòu)隧道掘進的智能控制。

3）高風險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)，主動控制風險。

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)隧道的預制裝配率低于90%，本項目超長距離連續(xù)掘進需要裝配率超過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 復雜環(huán)境下超長距離市域地下鐵路風險智控技術(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目，由各個項目的管理人員對基坑的風險狀態(tài)進行初步判斷，缺少專業(yè)的分析團隊，因此基坑的風險等級的判斷往往取決于項目技術(shù)人員的業(yè)務水平及施工經(jīng)驗，導致各個基坑項目的風險管控水平不盡相同。此外，傳統(tǒng)工程風險管控中，對風險的判斷依據(jù)單一，工況與數(shù)據(jù)脫離，缺少融合分析，報警準確性有待提高。這些運行的監(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際問題。

1）超長近距離并行運行高鐵和下穿機場滑行道相互影響安全智控技術(shù)。并行運行高鐵最大長度9 km，運行高鐵變形控制標準要求小于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)；下穿機場滑行道（長300 m，差異沉降要求小于2 mm，累計沉降不超過5 mm），且飛機不停飛，其掘進開挖的動態(tài)影響規(guī)律和控制技術(shù)亟需解決。

2）超長距離連續(xù)穿越非線性風險幾何級疊加（骨牌效應）智控技術(shù)。本工程沿線范圍內(nèi)共有環(huán)境振動敏感點67處（地下線路53處、地上線路14處），包括學校或幼兒園3處，其余64處均為居民住宅。重要風險源如下：下穿衛(wèi)星廳45 m長樁基，距離樁底小于2 m，穿越8處運行地鐵（客流量約700萬/d）；穿越凈距7 m磁浮（并行3 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），上述非線性風險極易非線性疊加，發(fā)生骨牌效應等風險。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、基坑超補償伺服系統(tǒng)（支撐系統(tǒng)）、地下連續(xù)墻滲漏自檢測（預降水＋電法）等核心技術(shù)。

3.3 城市核心區(qū)超長距離防災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救援疏散技術(shù)。機場聯(lián)絡線地下線長約60.5 km，占比88%，平均站間距8.58 km（遠大于地鐵區(qū)間長度1 km），超長距離高速地下鐵路防災救援疏散技術(shù)本質(zhì)上區(qū)別于城市地鐵，在防災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營防災救援體系。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。互聯(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、復雜條件下長距離地下連續(xù)敷設的特點。針對首條不同車輛編組、超長地下敷設、國鐵與市域鐵路共線運營市域線，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 市域高速鐵路機械法聯(lián)絡通道建造技術(shù)

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

2）機械法聯(lián)絡通道全過程數(shù)值仿真模擬。針對機械法聯(lián)絡通道建造全過程，對其收斂變形與內(nèi)力進行分析與參數(shù)敏感性分析，明確市域高速鐵路聯(lián)絡通道工程的關(guān)鍵節(jié)點與危險位置，為后續(xù)試驗提供設計依據(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)絡通道關(guān)鍵節(jié)點試驗研究。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)絡通道的開洞接頭位置受力復雜，擬通過局部精細化節(jié)點試驗研究關(guān)鍵部位的傳力機制。

3.5 市域高速鐵路水土風險控制與高精度測量感知預警關(guān)鍵技術(shù)

1）市域高速鐵路深基坑開挖水土風險控制技術(shù)。

① 基于超補償?shù)某畛L基坑主動控制組合技術(shù)研究，開展基坑超補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應力混凝土支撐結(jié)構(gòu)，揭示其變形及受力機理，形成市域高速鐵路超長基坑組合式分隔開挖降水設計新方法。

② 巨厚承壓含水層新型高效智能抽灌設備及工藝研究，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；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）市域高速鐵路復雜環(huán)境高精度定向測量及變形感知預警技術(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）的機場跑道或滑行道變形數(shù)據(jù)實時監(jiān)測技術(shù)研究，包括新型掃描型全站儀監(jiān)測標志設置和點云識別及數(shù)據(jù)處理方法等關(guān)鍵技術(shù)，提升無合作目標測試精度。

③ 深化研究地下工程自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，優(yōu)化多指標關(guān)聯(lián)的綜合分級預警體系，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)，并運用全景、虛擬現(xiàn)實及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)場場景與實時變形信息。

3.6 智慧市域鐵路平臺層智慧運管系統(tǒng)

本工程搭建智慧市域鐵路的平臺層采用智慧運管系統(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，在智慧運管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增強與集成互聯(lián)系統(tǒng)的互動，以實現(xiàn)本線包括市域鐵路高密度發(fā)車公交化運營和國鐵長交路列車貫入混合運營智能化調(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管系統(tǒng)

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

4 結(jié)語

本文依托于上海機場聯(lián)絡線工程（市域高速鐵路），對建設過程中將面臨的重要風險源進行了整理分析，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)研以及嚴格的保護措施。此外，還介紹了工程主要技術(shù)創(chuàng)新手段。

市域鐵路在標準體系方面還有待完善，亟需一套完整的設計標準、施工技術(shù)、建設管理和運營維護標準的技術(shù)標準體系。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保駕護航，還將為未來同類工程提供可靠的參考依據(jù)。