印尼雅万高铁1号隧道总体方案及控制节点技术方案研究

韩华轩，孟庆余，朱战魁，赵福全

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

近年来，随着“站城一体化”立体城市发展理念的推进，高速铁路、城际铁路引入城市市区已成为必然趋势。为满足各大城市交通需求，国内大直径盾构隧道不断涌现，设计施工技术及设备生产水平逐步成熟，宋仪[1]对苏埃隧道线位方案及施工工法进行比选，总结出设计方案考虑问题的思路；杨明哲[2]综合考虑道路功能发挥、周边地块需求、规范标准采用等因素，探讨了适合城市地下隧道的最优方案。还有众多学者通过有限元软件对盾构隧道下穿既有线路工程及地上建筑进行研究，得出了隧道及地层变形与掘进参数的关系，总结了地层沉降变化规律[3-5]。诸多学者的共同努力为我国隧道技术“走出去”打下了坚实的基础。由于政治、经济、人文、法律等方面的差异，在境外修建类似铁路工程会衍生出一些新的工程限制和边界条件，征拆和外部协议成为制约工程成本和工期的最不可控因素，甚至是工程可行性的决定性因素，由此使得国内一些通过政治体制优势能够实现的简单快捷的技术方案在境外不再适用。对于一些国外发展中国家而言，城市大直径盾构隧道工程尚无先例，其对城市隧道技术方案的成熟性和可靠性存在疑虑，这就要求所采用的技术方法必须进行充分的可靠性论证以及系统周全的考虑，才能取得目标国相关部门对方案的支持，从而稳定实施方案的外部边界条件。

新建印度尼西亚雅加达至万隆高铁(以下简称“雅万高铁”)全长142.3 km，最高设计速度350 km/h，是中国高铁第一次全系统、全要素和全产业链走出国门、走向世界。其中1号隧道是雅万高铁的重要组成部分，也是施工难点部分。本文就雅万高铁1号隧道展开研究，基于印尼国政治文化等条件对该隧道工程的实施方案进行研究和比选，通过对该隧道设计方案研究论证，来选择出最佳实施方案，以期对类似城市隧道设计提供参考。项目主要技术标准采用中国高速铁路规范规定[6]，项目设计由中国设计企业承担，并接受印尼政府部门和专业技术协会的强制审查[7]。

1 工程概况

雅万高铁1号隧道为双线隧道，位于雅加达东部市区，毗邻Hali m机场，线位近距离并行雅加达至万隆高速公路(以下简称“雅万高速”)廊道，沿线穿越城市轻轨、高速公路、收费站、互通立交桥和大型寺庙、密集居民区等敏感建筑。隧道范围内有3处平面曲线，最小曲线半径为1 400 m，隧道为“V”形坡，坡度依次为-21‰，+17.6‰，+30‰。隧道设计为单洞双线隧道，全长1 885 m，分为进口明挖段、盾构隧道及出口明挖段。其中盾构段全长1 469 m，隧道设计速度200 km/h，线间距4.2～4.4 m，盾构管片内径11.7 m，外径12.8 m。施工土建工期要求27个月。

2 工程建设条件

2.1 隧址地貌及主要环境控制点

1号隧道距离高铁起点车站Halim站约2.5 km，隧道位于冲洪积平原区，地形平坦。线路出始发站后向东延伸，在Halim机场附近，自雅万高速公路北侧进入地下，约15°小角度下穿后贴边并行高速公路，逐渐过渡至高速公路南侧出地面，以尽可能减少居民区的用地及拆迁。沿线的主要控制因素如图1所示。

图1 高铁城市隧道周边控制环境点示意

其中：(1)Halim机场：位于高速公路南侧，跑道距离高铁线位最小距离仅850 m，根据飞行净空要求，高铁在穿越高速公路互通范围时必须采用隧道方式。(2)在建Bekasi轻轨：尚未通车，墩台施工完毕，线位沿高速公路北侧设置，与高铁小角度交叉，需要下穿节点方案特殊设计，会造成轻轨的拆改工程。(3)雅万高速公路：大流量交通要道，需要下穿主干道及互通立交桥，下穿收费站及天桥。(4)寺庙及房屋：侧穿2处多层建筑清真寺，其中1处超浅埋近接侧穿，宗教重地，基本无拆迁可能；高速公路沿线2～4层民房密布，私人土地征地拆迁难度极大，需尽量少拆迁。(5)在建高速公路服务区：高铁与服务区进出道路交叉，桥跨方案需预留道路宽度和净空。(6)河流：高铁与河流并行反复交叉，河道宽度16～20 m、常年流水，水深最低3 m，水量与旱、旺季相关，河流对高铁施工干扰影响严重。(7)征拆：禁止侵占军方用地，避免干扰高速公路，尽量减少征地拆迁。

2.2 工程地质及水文地质

隧道地层主要为第四系全新统人工堆积层(Qml)，第四系更新统冲洪积层(Qav)，洞身范围内地层主要有黏土、粉质黏土、粉土黏土、粉土、粉砂、细砂及细圆砾土，地层差异较大，砂砾土地层局部有胶结，强度5 MPa左右，地层存在软硬不均。地表水系主要为隧道进口附近城市河流及地势低洼积水，河流护堤挡墙高度约5 m，水流较缓，河道曲折，两岸居民区存在洪泛现象。区内地下水主要为第四系孔隙潜水和砂层承压水，地下水埋深0.3～7 m，水位变幅2～3 m；承压水以黏性土层为相对隔水层，承压水头基本在略低于潜水水位处，隧道围岩分级为Ⅵ级。隧道地质纵断面示意如图2所示。

图2 城市隧道地质纵断面示意(单位：m)

2.3 气候特性

隧址为热带雨林气候，分干湿两季，瞬时降雨强度极大。雨季为10月～次年4月，雨季最大降雨量达到88 mm/h。年平均降雨量2 000 mm以上，雨季对明挖施工组织影响巨大。

3 隧道总体方案及工法比选研究

3.1 隧道走向比选研究

根据沿线控制点、隧道工期以及各隧道施工工法的优缺点，分析提出3个隧道方案，各方案具体布置形式如图3所示。

图3 城市隧道段总体线路方案比选示意

3.1.1 方案Ⅰ：线路下钻高速公路，明挖为主+局部暗挖隧道方案

充分发挥明挖隧道可以多点开花，缩短工期及工艺简单的特性，除了互通立交处难以明挖而采用暗挖外，其余地段均采用明挖施工隧道。采用明挖法下钻高速公路时需进行临时交通导改，改移长度1 km。

3.1.2 方案Ⅱ：线路下钻高速公路，盾构为主+局部明挖隧道方案

充分发挥盾构隧道可以避免地面交通倒改干扰的特性，尽量多在高速公路下方穿行，减少在房屋下方穿行。

3.1.3 方案Ⅲ：线路上跨高速公路、隧道下钻互通方案

充分利用明线造价低特性，除了互通立交处采用暗挖外，其余地段均采用路桥方案。

3.2 方案比较分析

从技术可行性出发，从征地拆迁、建设工期，工程实施难易程度、工程投资等多方面进行综合分析，重点分析了各方案外部制约条件和需进一步落实的问题，详细比较过程如表1所示。采用盾构为主的方案占地面积较方案I和方案Ⅲ分别减小了25.2%和47.1%，考虑到目标国私有土地及政治经济特性，征拆及外部协调周期难以控制，经综合比选，推荐采用方案Ⅱ，即盾构方案，重点落实盾构隧道穿越及施工实施的可行性问题。

表1 隧道总体方案比较

4 隧道近接穿越主要风险控制点技术研究

4.1 下穿轻轨方案

雅加达轻轨为服务于2018年雅加达亚运会而修建，由法国设计公司设计，印尼施工企业承建，设计时速100 km/h，以桥梁形式并行高速公路北侧，采用双线槽形梁结构(普通梁型为跨度30 m简支梁)，桥墩采用独柱墩+墩顶托盘形式，基础采用φ1.2 m摩擦群桩+承台结构，每墩群桩4～6根，桩长30～60 m，桩基主筋φ32 mm，每根桩基主筋20～24根。轻轨与高铁线位约18°小角度交叉，强烈影响轻轨3个桥墩，其中5根桩基与盾构刀盘冲突，2根桩基距离刀盘边线在0.2～0.5 m以内，难以采取主动措施保护，近接工程关系见图4、图5所示。该处盾构隧道覆土厚度约10 m，不足0.8D(D为隧道直径)，且距离始发井不足80 m，直接通过属于超浅埋始发试验段切桩，工程风险巨大，需要研究提前躲避处置方案。

图4 轻轨与盾构隧道平面关系

图5 轻轨与盾构隧道平立剖关系(单位：m)

由于高铁设计阶段轻轨交叉处桥墩尚未施工，但轻轨亚运会工程施工进展迅速，为便于与轻轨产权单位协议，需要考虑轻轨与高铁的建设时序和工筹的各种可能情形并提前制定解决方案。

4.1.1 方案Ⅰ：轻轨改为大跨连续梁跨越隧道方案

采用75 m+132 m+75 m钢筋混凝土连续梁主跨跨越隧道，如图6所示。

图6 方案Ⅰ位置关系

4.1.2 方案Ⅱ：轻轨改为大跨钢桁梁跨越隧道方案

采用30 m(简支梁)+132 m(简支钢桁架)+30 m(简支梁)主跨跨越隧道，如图7所示。

图7 方案Ⅱ位置关系

4.1.3 方案Ⅲ：轻轨原位不拆墩桩基托换导洞破桩隧道下穿方案

正穿桥墩基础采用“门”形承台桩基托换，侧穿桥墩基础采用悬挑型承台桩基托换，冲突桩基采用竖井+暗挖导洞人工凿除，导洞覆土厚度仅3 m，如图8所示。

图8 方案Ⅲ位置关系(单位：m)

4.1.4 方案Ⅳ：轻轨原位拆墩拔桩新建框架墩跨越隧道方案

正穿桥墩基础采用“门”形框架墩，侧穿桥墩基础采用悬挑牛腿型歪脖子墩，冲突桩基采用地表机械拔除，方案平面如图9所示。

图9 方案Ⅳ平面位置关系

4.1.5 方案优缺点比选

综合考虑施工安全风险和产权单位协调难度，对方案优缺点比较如表2所示。

表2 下穿轻轨方案比较

由于轻轨施工进度迅速，高铁规划许可尚未稳定，最终交叉处轻轨墩台全部完成，隧道需下穿既有非运营轻轨桥墩，从安全和减少废弃工程角度，方案Ⅳ最具可行性。

4.1.6 拔桩施工可行性分析

为拔除φ1.2 m钢筋混凝土桥桩，对微扰动拔桩设备及工程案例进行了调研和研究，目前国内该项技术已经比较成熟，上海、北京、天津、南昌、徐州、厦门等城市地铁及市政工程均有应用，对于直径1.5 m以内大深度软硬地层均不乏成功案例，且设备基本完全国产化[8-10]。根据本项目工程地质特点，采用扰动较小的全套管全回转钻机(φ2.1 m钢套管)+150 t履带吊车+冲抓斗3种设备配合作业。35 m桩长7天/根，全套管拔桩设备可自上海港出口至工地现场，综合考虑通关手续、场地施工准备及工后恢复，需要局部临时占用高速公路两车道4个月。

4.2 下穿互通桥台及收费站桩基方案

考虑到隧道进口外部明线地段大学学府等拆迁控制点，同时为了获得运营较优的线形平纵断面，盾构隧道穿越高速公路互通桥梁部位，推荐线路方案为一个平面R=2 300 m的线形正穿互通桥台，隧道自桥台桩底正下方穿越，垂直净距约2.5 m。作为比选线位，采用了两个困难半径，分别为1 500 m和1 400 m，由于受夹直线和缓和曲线长度控制，比选方案需要限速150 km/h，后者限速160 km/h，基本能满足临近Halim车站运营需求；此时盾构自互通桥台桩底侧下方穿越，平面净距4.5 m，垂直净距1.9 m；同时，需要自收费站屋架桩底正下方穿越，垂直净距3.0 m。隧道与桩底关系如图10、图11所示。

图10 隧道下穿桥台位置关系(单位：m)

图11 隧道下穿收费站位置关系(单位：m)

由于两个方案各有优劣，取舍的关键是盾构下穿桥台桩底的施工及运营风险，故进行如下论证。

4.2.1 施工可行性分析

关于桩底下方隧道开挖对桩基的影响，学术界已经进行了较多的研究。众多学者通过数值模拟计算及理论分析，对桩基与地铁盾构隧道不同空间位置关系进行研究[11-14]，以桩基沉降、桩基承载力为主要评价指标并结合桩身倾斜，研究了桩基受力及变形性能与隧道开挖坍落拱塑性区的相对关系，提出了相对量化的参考数值：认为盾构刀盘距离桩轴线+6 m～-12 m(正数为穿越前，负数为穿越后)之间桩基承载力损失及桩身沉降显著，盾构自桩底下方穿越时，从桩身负摩阻力的角度考虑，桩端与隧道顶的最小安全距离可近似取为3 m。

由于地铁盾构隧道直径较小，一般直径D=6 m左右，从郭院成等[12]的研究结论来看，对于桩底下方下穿，危险刀盘与桩水平距离基本在1D～2D；危险桩端与隧道顶距离在0.5D内。本工程盾构直径13.2 m，按此推论，桩端与隧道顶距离应超过6.6 m。推荐线路方案隧道与桩底净距仅为2.5 m，且互通桥梁交通流量大，经检算桥台承台上部总集中荷载达到16 000 kN，受外部限制，地表主动加固场地条件一般，加固效果难以保证，盾构掘进过程中公路桥梁沉降风险极高，故建议否决线路下穿方案，建议采用比选绕避桥台线路方案。虽然比选方案在收费站处仍然于桩底正下方下穿，但是收费站属于网架结构，共6根独柱桩，检算单柱上部集中荷载仅为240 kN，且收费站屋架四角具备地表临时支顶加固条件，因此不控制线位方案。

4.2.2 结构受力可行性

考虑到比选方案虽然平面绕避了桥台桩底，对控制桥台沉降条件已大大优化，但仍属于较近距离侧下方斜穿桩底，且收费站处属于正下方下穿收费站独柱桩底，桩基础上部荷载在隧道上部的附加应力量化数值是多少，是否会对管片结构造成较大影响，是否影响结构安全，需要对此进行量化计算分析。

根据地基基础设计规范及相关土力学原理[15-16]，对问题进行合理简化，采用角点法原理计算土中某空间位置的附加应力。对于互通桥台桩基，认为盾构隧道上方1D范围土体丧失侧摩阻力，上部集中力减去承台承载力及一部分桩侧摩阻力，桥台群桩桩底合计桩端力约5 826 kN，桩端等效面荷载约182 kPa，按照矩形面荷载土中竖向附加应力角点法计算，算得侧下穿时，隧道拱顶桩基附加应力基本为0，45°拱肩部位附加应力最大，约为8 kPa，影响较小；对于收费站桩基，由于是独柱独桩结构，且桩底正下方，按侧摩阻力全部丧失考虑，钢网架结构上部荷载按5 kN/m2考虑，桩底集中力约240 kN，按照集中荷载土中竖向附加应力角点法计算，算得正下穿时，隧道拱顶桩基附加应力最大，约为12 kPa，同样影响较小。故比选方案是可行的。

4.3 近接寺庙保护方案

盾构隧道在即将到达接收井附近(距离约80 m)存在一处较大型清真寺，其为三层框架结构，祈祷厅属于大跨度高挑高主次梁层板+多柱结构，独立扩大及条形基础，宗教敏感建筑拆迁难度极大，施工变形控制及噪声环境控制要求极高。隧道覆土厚度约8.5 m，平面投影上，隧道结构右侧轮廓侵入清真寺围墙约0.7 m，管片外缘距离墙体约2.8 m，距离条形基础约1.8 m，隧道左侧轮廓基本位于高速公路路缘，场地十分局促。

隧道属于超浅埋近接盾构下穿敏感建筑，初步主动加固方案为临时拆除围墙后采用φ0.8 m隔离桩排桩的保护方案，但对于拆除围墙和桩基施工环境干扰问题，未取得产权单位认可。线位继续下压，出口高速公路天桥上跨控制点影响，势必增加盾构隧道长度，增加巨额概算，如何在不拆围墙情况下解决近接侧穿的主动加固问题，成为方案成立的关键。

根据国内地铁工程近接工程主动加固的经验，MJS工法桩可以实现空间任意方向的施做，具有桩体直径大，强度及密实度质量高，带压力传感及智能喷浆的钻头具有自平衡功能，对周边环境干扰小等特点，能够有效解决本工程的问题[17-19]。隧道下穿施工前，在围墙外场地施工MJS工法桩，斜向25°打入，桩径2.5 m，半圆形，桩长30 m，共3排，桩顶设置钢筋混凝土冠梁联结，桩内部插入φ108 mm管棚(内部配钢筋笼)，如图12所示。

图12 隧道侧穿寺庙保护方案示意(单位：m)

5 盾构隧道施工条件可行性研究

5.1 始发接收及管片场地可行性

隧道进口位于高速公路、轻轨与河道交叉并行夹心地带，属于洪涝影响区，存在夹心空地，居民房屋也相对稀疏，房屋为砖混结构，1～2层居多。隧道出口位于高速公路侧部，地势略高，无洪涝问题，居民密集，房屋2～4层居多。

从减少拆迁出发，进口更适合作为始发场地，以充分利用夹心空地，结合少部分拆迁，可以保证整体始发明挖段结构两侧约10 m的运输通道，靠居民区侧狭长型集中拆迁土地约1.2万m2，开拓出泥水处理系统、盾构机吊装区、管片堆放区、钢筋原材料堆放、加工区及工人营地等区域，后继此区域可永久用于市区铁路运营员工宿舍用地，做到永临结合。隧道出口北侧并行高速公路，盾构接收及出口处明挖需要占用南侧居民区道路及房屋，拆迁约3 500 m2。

雅加达市远郊距离隧道30 km外的雅加达地铁管片场经改造后可用于隧道管片的生产。

5.2 盾构机运输通关及入场可行性

盾构机大型设备当地无法生产，需国内生产。盾构机部件根据设备生产地址，可在广州港、上海港等地出海，由货轮海运至雅加达Tanjungpriok港，在雅加达市区利用市区快速路及雅万高速公路运输至工地，全程约20 km，路线下穿约12处人行天桥，极端限高5.21 m，限宽6.0 m；经过2座大型桥梁，从以往大型机电设备(单组件最大370 t)进口案例来看，除个别路段需要拆除路障外，设备组件运输载重及转弯半径无任何问题，交通较为方便。

在设备通关上，专业报关公司预计报关时间15 d，大致流程包括预备进出口单据→换单→报检→报关→办理设备交接单→提箱→提货。

6 盾构隧道结构设计可行性分析

6.1 隧道结构设计条件

场地隧道洞身以火山堆积地层的粉质黏土、砂砾土为主，占比各自一半左右。黏土标贯8～30击；砂砾土局部有胶结，标贯20～50击。全隧道覆土厚7～25 m，地下水位变化幅度不大，始发和接收段施工期抗浮需要采取临时措施。地表地震动(相应于50年超越概率为10%的地震动)峰值加速度值为0.221g。场地类别为Ⅱ类，场地土类型为软弱～中硬土，场地为建筑抗震不利地段。

6.2 隧道结构设计可行性分析

综合上述地质水文及地震条件，隧道土层相对较硬，属于Ⅷ度地震区，与我国北京市中东部隧道结构设计条件有类似之处。故在管片结构设计上，采用工程类比法，拟定通用楔形环管片，“8+1模式”的分块方式，管片厚度0.55 m，环宽2.0 m。管片材料采用C50级混凝土，环与环间以50根10.9级M36高性能的纵向螺栓相连，块与块间每环共计18根10.9级M36的高性能环向螺栓相连。依据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》[20]采用管片结构横断面反应位移法、隧道纵向反应位移法的初步检算，通过一定的管片配筋加强，能够满足结构受力安全要求。

7 结论

本文针对印尼雅万高铁1号隧道工程进行设计方案的比选分析，考虑了目标国政治文化等差异因素，提出一套针对环境敏感区大断面盾构隧道的总体设计方案和分析方法，具体结论如下。

(1)隧道走向方案及工法选择应充分考虑到目标国政治经济特性，尽量避免大体量征拆或拆改的方案，采用盾构为主的方案对周边环境干扰最小，工期最为可控，可行性最高。

(2)盾构穿越轻轨桥桩应兼顾轻轨拆改协调难度和施工安全风险，能地上解决绝不地下解决，尽量避免多重工程风险的互相叠加，采用拔桩后新建框架墩和悬臂墩最为可行。下穿互通桥台及收费站处，桩底下穿应根据上部荷载区别对待，从隧道与建筑物两方面量化分析影响，避实就虚，确定安全可控的近接穿越方案。近接寺庙穿越采用MJS倾斜桩主动隔离保护能够解决特殊建筑物保护问题。

(3)隧址进口始发、出口接收场地可行，盾构机设备通关入场可行。盾构隧道管片结构设计无重大特殊条件，工程类比结构方案整体可行。

(4)本工程盾构隧道总体技术方案可行，应根据论证分析结论，围绕盾构隧道实施条件，着重落实外部边界条件稳定线路穿越协议，并根据协议及时调整细节方案设计。本工程提出的针对环境敏感区大断面盾构隧道的总体设计方案和分析方法，可为类似境外隧道工程的设计提供参考。

(5)本工程在实施阶段需重点对高速公路及寺庙部分动态监测，白天高速公路车流量大，应布置自动监测点监测，夜晚车流量小时可采用局部人工监测校核；寺庙的监测点则应尽量布置于寺庙外以防干扰寺庙内的祷告活动。本文以整体设计方案研究为主，文中未提及的辅助施工措施、施工工艺、时机掌控以及动态控制等在实际工程的施工中也同等重要。