雅万高铁大直径盾构隧道关键设计问题探讨

席博阳

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

近年来随着我国“一带一路”倡议的推进，中国高铁也逐步走出国门。雅加达至万隆高速铁路项目，起自印尼首都雅加达，终至印尼第四大城市万隆，线路总长142.3 km，设计时速350 km，是中国高铁全产业链走出国门的第一单。雅万高铁为EPC设计施工总承包项目，项目设计遵循印尼的相关法律、法规及技术标准，无印尼标准时采用中国技术标准。然而，由于中印尼两国间工程建设外部条件、地质环境、技术标准体系、土地征拆原则等方面存在差异，在确定设计方案及参数选用上进行了因地制宜的考量。

以海外高铁建设为背景，依托雅万高铁1号隧道工程，针对处于第四系冲洪积胶结软土地层、震区和海外项目等特殊边界条件下的大直径盾构隧道关键设计问题展开探讨。

1 工程概况

雅万高铁1号隧道位于雅加达市东北部城区，隧道范围内线路自东向西敷设，全长1 885 m，最大埋深约34 m。隧道设计为单洞双线，隧道内设计列车时速为180～200 km。如图1所示，全隧采用明挖法及盾构法施工，两端明挖及竖井段长418 m，中间盾构段长1 467 m。盾构管片内、外径分别为11.7 m及12.8 m。由于雅加达市区建筑密集，且土地多为私有，征拆极其困难。受制于此，隧道只能利用既有公共设施的土地廊道通行。如表1所示，1号隧道周边环境敏感点众多，盾构隧道与高速公路、在建轻轨等公共设施长距离浅埋并行，且隧址周边部分建筑老旧失修，如清真寺、收费站等不具备迁改条件，盾构施工期间又需维持使用，设计难度较大。

图1 雅万高铁1号隧道施工方法平面(单位：m)

表1 雅万高铁1号隧道与周边环境敏感点位置关系

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质

雅万高铁1号隧道位于冲洪积平原区，地形平坦，地势开阔。隧址区为热带雨林气候，年均降雨量2400 mm以上。盾构穿越地层主要为第四系更新统冲洪积黏土、粉质黏土、细砂及细圆砾土地层。如图2所示，黏土占比39%，粉质黏土占比9%，细砂占比42%，细圆砾土占比7%，且浅层黏土呈软塑状具有中等膨胀性，液限指标Il为0.26～0.47，深层黏土呈硬塑状，液限指标Il为0.05～0.17。该地区黏土具有天然密度低、高含水率、大孔隙比、高液塑限、高灵敏度的工程地质特性。细圆砾土成分以安山岩为主，性状密实饱和，圆砾一般直径10～20 mm，最大为30 mm。此外，受胶结作用影响，该地层存在结构强度，具有整体性较好、磨蚀性强[1]的特点。各地层物理力学性能指标及颗粒组成见表2、表3。

表3 1号隧道盾构穿越地层颗粒组成

图2 1号隧道盾构穿越段地层成分比例

表2 1号隧道盾构穿越地层物理力学性能指标

2.2 水文地质

隧址区地下水类型主要为第四系孔隙潜水和承压水。孔隙潜水主要靠大气降水补给，其水位埋深0.30～7.80 m，水位变幅为2～3 m。承压水以黏土及粉质黏土为相对隔水顶板，顶板埋深10.0～21.3 m，底板埋深18.1～34.7 m，承压层水头高度13～15 m，主要赋存于细砂及细圆砾土中。

3 关键设计问题

3.1 盾构机选型设计

设备选型为大直径盾构隧道设计的重中之重，直接决定盾构能否顺利完成施工作业，合适的盾构选型不仅能解决复杂地质条件下盾构掘进问题，还能减少不必要换刀、节约电能及耗材、减少超挖、降低施工扰动，从而使盾构施工事半功倍[2]。结合盾构区间穿越第四系更新统冲洪积黏土、粉质黏土、细砂及细圆砾土互层的工程特点，分别从地层适应性、地下水条件适应性、施工效率及工期、场地条件、安全性、环保性及经济性等方面，对比分析本项目盾构选型思路及方法，如表4所示。

表4 1号隧道盾构适应性对比分析

综合表4分析可知，1号隧道宜选择泥水平衡盾构。而针对泥水平衡盾构环保性差的问题，结合既有工程实践经验，考虑采用优化泥浆处理系统提高泥浆重复利用率，通过加强固体废弃物再生利用，用以制作场地周边道路承重层、覆盖层及填充料等，以实现减排减污的目的[7]。

3.2 管片设计

3.2.1 中印标准对比选用

我国现行盾构隧道规范齐全而完善，从勘察、设计到运营养护，内容翔实，标准统一。相比之下，印尼当地规范体系尚不完备，既有标准与欧美标准体系类似，以开放性规范为主。经调研，印尼标准KPRI PM60—2012《铁路技术规范》和ITB-SNI 8460—2017《岩土工程设计规范》中有部分铁路设计和盾构隧道设计相关内容，但更偏重于设计理论、方法概述及案例分析，对具体设计细节缺乏明确要求[8]。印尼当地设计院在进行桥梁、建筑结构设计时多采用美国混凝土协会ACI、美国材料实验协会ASTM等有关标准作为补充依据。虽然ACI结构混凝土设计所采用的可靠度表达式与我国规范中可靠度表达式本质相同，但其在设计荷载分项系数、设计材料强度取值等方面与我国规范又有一定差异，具体到钢筋保护层厚度、构件受压区高度等设计细节也无法与中标统一。

抗震设计方面，我国抗震设防基本目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》中定义，小震、中震及大震分别对应50年内超越概率63%、10%以及2%的地震烈度，其重现期则分别对应为50年、475年及2475年。而印尼SNI 03—1726—2002《建筑结构抗震设计规范》采用50年内超越概率为10%，重现期为500年的地震烈度作为其抗震设防标准，基本可总结为“中震不倒”[9]。

根据印尼规范，1号隧道位于V类区域，其地震动峰值加速度为0.32g[9]。考虑到中印尼标准在重现期、场地条件影响参数等方面的异同，参考相关研究成果认为，该场地条件转化为475年重现期后基本等同于中国标准的Ⅷ度区，地震动峰值加速度取0.3g[10]。同时，由国家地震局对本线开展地震安全性评价并经印尼行业专家审查后，最终确定1号隧道场地类别为Ⅱ类，场地土类型为软弱～中硬土。50年超越概率为10%条件下其地表地震动峰值加速度值为0.221g，动反应谱特征周期为0.5 s，隧道按照Ⅷ度抗震设防加强构造措施。

结合本项目合同条款及技术审查要求，1号隧道采用双标并行方式进行设计，以中标结构设计成果为基础，由印尼万隆科技大学依据当地标准及设计习惯对设计成果开展验算。经验算认为，中标结构设计成果基本可满足印尼标准的要求，仅在隧道防灾救援及健康监测等方面进行设计补强后便顺利获得印尼方外部技术审查许可。

3.2.2 结构设计

1号隧道管片静力计算采用修正惯用法，通过调研类似工程，取刚度折减系数η=0.8，以模拟管片接头的影响，并采用梁弹簧模型进行二次核算，计算内容及荷载组成如表5所示。

表5 1号隧道管片静力计算荷载

结构设计采用极限状态法，分别考虑施工期及运营期2种工况，按正常使用极限状态及承载力极限状态对整环主筋进行包络验算。同时采用时程分析法对盾构始发井及隧道连接结构施工及运营期的地震响应、盾构隧道衬砌结构纵向地震响应进行分析，取最不利工况对管片强度、螺栓强度、变形率及接头最大张开量等进行验算。根据计算，1号隧道超浅埋条件下的管片结构纵向地震响应为控制工况，其结果如表6所示。

表6 管片结构纵向抗震内力验算结果

根据管片结构计算结果，结合1号隧道线路平纵条件、建筑限界、防灾救援要求、设备安装条件等，最终确定管片设计参数如下。

(1)管片内径11.7 m，外径12.8 m，厚550 mm，采用双面楔形通用环。管片环分块形式为6A(43.2°)+2B(43.2°)+K(14.4°)，如图3所示。管片拼装采用1/3错缝拼装方法。楔形量采用以最大宽度及中心宽度为基准的计算方法，考虑半径1400 m平面圆曲线拟合、管片拼装、盾尾间隙并结合类似工程实例，最终确定为40 mm。

图3 1号隧道盾构管片结构分块

(2)管片采用C50高性能防水混凝土浇筑，抗渗等级P12。每环管片设50根环向螺栓、18根纵向螺栓，螺栓采用10.9级M36高强斜直螺栓，倾角30°。管片内预埋螺栓套管，套管底部焊接120 mm×120 mm×10 mm锚固钢板。

(3)盾构管片按照不同埋深分为超浅埋、浅埋及中深埋3种类型，具体配筋参数见表7。

表7 1号隧道管片配筋参数

(4)管片环、纵缝设计采用图4所示构造，管片环缝不设凹凸榫，纵缝设置凹凸榫。管片接缝内外侧分别设置一道三元乙丙弹性密封垫防水，并加设遇水膨胀止水条，盾构进出洞前20环管片环缝设置柔性变形接头。

图4 管片环纵缝构造示意

(5)轨下结构采用图5所示“三跨两柱”结构形式，其中中箱涵为预制结构、边箱涵为现浇结构。

图5 盾构轨下结构示意

3.3 机具设计

雅万高铁1号隧道盾构段采用泥水平衡盾构机进行掘进，其设计参数见表8。

表8 1号隧道盾构机设计参数

鉴于隧道周边环境敏感点众多、场地条件苛刻，地表无换刀检修加固条件，且场地范围内地下水位高并具有承压性，洞内换刀检修难度大、风险高。因此，盾构机具设计确定按盾构掘进过程中不换刀进行考虑。同时结合1号隧道地质条件特性，对盾构机具进行了下述针对性改造。

(1)盾构开挖范围内地层受胶结作用影响，具有整体性好、磨蚀性强的特点，部分胶结试件单轴饱和抗压强度可达7 MPa，若采用纯软土、砂土地层刀盘刀具配置方式易造成刀盘扭矩及推力过大，导致刀盘面板、周边刮刀及超挖刀磨损严重甚至脱落[11]。因此，对刀盘面板、刀具及泥浆管路进行加强设计，采用耐磨合金以延长其使用寿命。同时，对刀盘面板整体做耐磨堆焊处理，外周贴耐磨条。

(2)对刀具布置方式进行针对性优化，按双阿基米德螺旋线布置法布设，以提高刀具破碎能力，降低刀具结构负载。

(3)由于胶结土体内部骨架作用明显，受刀具切削后破碎块径较大，粘附细颗粒后易形成泥饼，阻塞排泥管路。因此，在确保掌子面支护能力的前提下，采用较大刀盘开口率，并增设泥水系统分层逆洗功能，方便出泥排渣。

(4)细圆砾土地层渗透性系数较高，针对盾尾密封措施进行加强设计。

1号隧道盾构机最终确定采用开口率为33%的面板式刀盘，辅以1把中心刀、24把周边刮刀、170把撕裂刀、340把切刀及2把超挖刀共同构成盾构机开挖模块，如图6所示，以确保盾构掘进过程中不换刀[12]。盾尾密封采用4道钢丝刷、1道钢板刷、1道止浆板以及1道紧急气囊进行密封。

图6 盾构刀盘刀具布置

结合现场实施情况，可知相关机具参数对第四系更新统冲洪积黏土、粉质黏土、细砂及细圆砾土地层具有良好适应性。盾构平均掘进速度约143 m/月，最高可达300 m/月，地表沉降控制能力良好，最大地表沉降量为9.1 mm。

3.4 风险点专项设计

穿越在建轻轨桥梁桩基、高速公路、人行天桥桩基、互通桥台及侧穿大清真寺等多处中、高风险点为1号隧道盾构施工的重难点。如何控制盾构穿越施工对上述建(构)筑物的影响，减小对建(构)筑物周围地层扰动是本工程的关键。参考印尼ITB-SNI 8460—2017《岩土工程设计要求》并结合中国GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》中的有关要求，同时调研类似工程的变形控制标准[13-15]，综合确定盾构施工穿越过程中上述风险点的监测项目及变形控制标准，见表9。

表9 风险工程变形控制标准

参考国内外类似工程隧道施工经验，对沿线各风险点保护措施开展了专项研究，通过工程类比初步确定各风险点加固措施[16-17]，同时结合第四系冲洪积软土地层、震区等特殊边界条件辅以数值模拟验证，最终确定采用“洞内、洞外加固措施相结合，工程措施为主，工艺措施为辅”的风险点加固处理方案，以确保盾构隧道及周边环境敏感点的安全。

3.4.1 洞内工程措施

1号隧道穿越风险工程洞内加固工程措施采取二次深孔加强注浆，在管片上预留的注浆孔向地层中压注水泥-水玻璃双液浆，浆液中添加补偿收缩膨胀剂，以补偿地层损失，从而减小建筑物沉降，如图7所示。

图7 二次深孔注浆横断面布置(单位：cm)

结合现场试验数据，水泥-水玻璃双液浆最终确定采用波美度40的水玻璃，与水灰比1∶1的水泥浆按1∶1进行配比为宜。同时，根据不同地层掘进试验段二次深孔注浆终压值，采用线性回归与隧道埋深进行拟合，得出式(1)作为盾构机穿越不同地层及埋深条件下的二次深孔注浆压力设计值[18]。

(1)

式中，P为二次深孔注浆压力设计值，MPa；H为注浆位置埋深，m。

注浆结束标准根据注浆压力和注浆量进行双控制，注浆压力不可超过注浆压力设计值，压力达到设定压力后停止注浆5 min再恢复注浆；多次尝试无法注入后，恒压观察，如压力达到设定压力，且半小时注浆量不超过1 m3/h即停止注浆。

3.4.2 洞外工程措施

根据隧道埋深及沿线工程地质条件，结合隧道施工方法及工程措施的可操作性，对盾构区间沿线风险点采取有针对性的洞外保护措施，主要采取单侧隔离桩、双侧门式隔离桩或地表袖阀管注浆的加固方式，于盾构下穿前对既有建(构)筑物及其周边地层进行预加固。所有洞外加固措施需于盾构机到达28 d前完成，以保证盾构施工安全。

以侧穿在建轻轨桩基处高风险点为例，盾构始发50 m后由在建轻轨门式框架墩下方穿过，盾构开挖轮廓与轻轨桩基础最小水平净距仅4.8 m，最浅覆土厚度仅7.2 m。为达到主动限制开挖破裂面发育，隔离盾构施工扰动对既有轻轨桩基的影响，被动限制既有轻轨桩基周边握裹土圈位移的目的，经研究现场采用双侧门式隔离桩进行洞外加固，即在隧道两侧分别打设1排φ800 mm@1.6 m钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩底深入盾构底以下至少7 m；桩顶通长设置1 m×1 m钢筋混凝土冠梁；冠梁间每5 m设置1根1 m×1 m横向连梁；盾构开挖轮廓线距离隔离桩外皮净距按2 m控制，横断面示意如图8所示。其中，设置桩顶横向连梁可进一步提高隔离措施整体性，加强其被动承压能力，从而达到严格控制既有轻轨桥梁位移变形的目的。

图8 双侧门式隔离桩布置(单位：cm)

3.4.3 工艺措施

在穿越上述中、高风险点时，充分利用盾构机先进的施工工艺，加强盾尾密封，控制气泡仓压力，保证同步注浆量，加强对地面沉降监测，控制沉降。同时控制盾构掘进参数、控制盾构姿态，将盾构掘进时地层损失率控制在0.5%以内。

3.4.4 风险工程变形监测控制

盾构施工期间其周边环境变形采用“四控”标准，即对周边建筑物绝对沉降、地表差异沉降和沉降速率及表观状态进行控制，任何一项不达标，立即采取技术应急预案。施工过程中隧道周边建筑物监控量测结果按预警值、报警值和极限值三级管理，同时对穿越的既有风险点实施第三方监测。

4 结论

雅万高铁1号隧道盾构段目前已顺利贯通，结合施工过程中测量数据及工程实施效果，得出以下结论。

(1)通过综合分析及现场实施验证可知，泥水平衡盾构机对于印尼雅加达地区第四系更新统冲洪积黏土、粉质黏土、细砂及细圆砾土地层具有良好适应性。

(2)印尼隧道设计规范体系尚不完备，实际应用中仍以参考美标为主。经万隆科技大学验算，依据中国标准进行的盾构隧道结构设计成果基本可满足印尼有关规范要求，且符合其常规设计习惯所参考的美标要求，但在防灾救援标准及运营期健康监测方面需进行补强。

(3)该场地超浅埋条件下的管片结构纵向地震响应为控制工况，需对管片螺栓、接缝防水进行加强，并于盾构始发、接收前20环设置柔性变形接头。

(4)采用大开口率面板式刀盘及经过耐磨处理的刀具、管路共同构成的开挖模块，于该地区地层中掘进效率高、地表沉降控制能力良好。

(5)软土地层中大直径盾构隧道以3～5 m净距近接穿越风险点时，洞内采用二次深孔注浆加固、洞外采用隔离桩及地表袖阀管注浆，可有效控制周边环境敏感点的沉降及变形，预先制定的周边风险工程变形控制标准具有可实施性。