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    科學技術論文

    印尼雅萬高鐵號隧道總體方案及控制節點技術方案研究

    時間:2021年08月27日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:印尼雅萬高鐵是中國高鐵全產業鏈走出去的第一單,作為其重要組成部分的城市隧道號隧道沿線穿越多處敏感環境制約點。為滿足目標國各類施工控制條件并取得目標國相關部門對方案的支持,對不同隧道施工方案優缺點進行比較論證;對存在的盾構與輕軌橋樁沖突

      摘要:印尼雅萬高鐵是中國高鐵全產業鏈“走出去”的第一單,作為其重要組成部分的城市隧道號隧道沿線穿越多處敏感環境制約點。為滿足目標國各類施工控制條件并取得目標國相關部門對方案的支持,對不同隧道施工方案優缺點進行比較論證;對存在的盾構與輕軌橋樁沖突、盾構從互通橋臺樁底、收費站樁底下方近接穿越、盾構淺覆土近接寺廟穿越等問題,進行了穿越清障方案、繞避方案、隔離加固方案對比論證;對盾構設備進場、始發接收場地條件、管片結構設計方案進行了可行性論證。研究結論:采用盾構為主的方案占地面積最大可減少47.1%,可行性最高;采用拔樁后新建框架墩和懸臂墩解決輕軌沖突問題最為可行;采用橋臺樁底繞避側穿、收費站樁底正穿的方案風險最低;采用MJS傾斜樁主動隔離能滿足保護寺廟特殊要求;隧址盾構始發接收場地可行,盾構機設備入場可行;盾構隧道結構設計方案整體可行。

      關鍵詞:雅萬高鐵;城市隧道;大直徑盾構;近接穿越;結構設計;MJS工法樁

    隧道建設

      引言近年來,隨著“站城一體化”立體城市發展理念的推進,高速鐵路、城際鐵路引入城市市區已成為必然趨勢。為滿足各大城市交通需求,國內大直徑盾構隧道不斷涌現,設計施工技術及設備生產水平逐步成熟,宋儀[1]對蘇埃隧道線位方案及施工工法進行比選,總結出設計方案考慮問題的思路;楊明哲[2]綜合考慮道路功能發揮、周邊地塊需求、規范標準采用等因素,探討了適合城市地下隧道的最優方案。還有眾多學者通過有限元軟件對盾構隧道下穿既有線路工程及地上建筑進行研究,得出了隧道及地層變形與掘進參數的關系,總結了地層沉降變化規律[3。

      隧道工程論文范例: 施工荷載對既有高鐵隧道群的影響數值分析

      諸多學者的共同努力為我國隧道技術“走出去”打下了堅實的基礎。由于政治、經濟、人文、法律等方面的差異,在境外修建類似鐵路工程會衍生出一些新的工程限制和邊界條件,征拆和外部協議成為制約工程成本和工期的最不可控因素,甚至是工程可行性的決定性因素,由此使得國內一些通過政治體制優勢能夠實現的簡單快捷的技術方案在境外不再適用。對于一些國外發展中國家而言,城市大直徑盾構隧道工程尚無先例,其對城市隧道技術方案的成熟性和可靠性存在疑慮,這就要求所采用的技術方法必須進行充分的可靠性論證以及系統周全的考慮,才能取得目標國相關部門對方案的支持,從而穩定實施方案的外部邊界條件。

      新建印度尼西亞雅加達至萬隆高鐵(以下簡稱“雅萬高鐵”)全長142.3km,最高設計速度350km/h,是中國高鐵第一次全系統、全要素和全產業鏈走出國門、走向世界。其中號隧道是雅萬高鐵的重要組成部分,也是施工難點部分。本文就雅萬高鐵號隧道展開研究,基于印尼國政治文化等條件對該隧道工程的實施方案進行研究和比選,通過對該隧道設計方案研究論證,來選擇出最佳實施方案,以期對類似城市隧道設計提供參考。項目主要技術標準采用中國高速鐵路規范規定,項目設計由中國設計企業承擔,并接受印尼政府部門和專業技術協會的強制審查。

      1工程概況雅萬高鐵號隧道為雙線隧道,位于雅加達東部市區,毗鄰Halim機場,線位近距離并行雅加達至萬隆高速公路(以下簡稱“雅萬高速”)廊道,沿線穿越城市輕軌、高速公路、收費站、互通立交橋和大型寺廟、密集居民區等敏感建筑。隧道范圍內有處平面曲線,最小曲線半徑為1400m,隧道為“V”形坡,坡度依次為21‰,+17.6‰,+30‰。隧道設計為單洞雙線隧道,全長1885m,分為進口明挖段、盾構隧道及出口明挖段。其中盾構段全長1469m,隧道設計速度200km/h,線間距4.2~4.4m,盾構管片內徑11.7m,外徑12.8m。施工土建工期要求27個月。

      2工程建設條件

      2.1隧址地貌及主要環境控制點

      號隧道距離高鐵起點車站Halim站約2.5km,隧道位于沖洪積平原區,地形平坦。線路出始發站后向東延伸,在Halim機場附近,自雅萬高速公路北側進入地下,約15°小角度下穿后貼邊并行高速公路,逐漸過渡至高速公路南側出地面,以盡可能減少居民區的用地及拆遷。

      其中:

      1)Halim機場:位于高速公路南側,跑道距離高鐵線位最小距離僅850m,根據飛行凈空要求,高鐵在穿越高速公路互通范圍時必須采用隧道方式穿。2)在建Bekasi輕軌:尚未通車,墩臺施工完畢,線位沿高速公路北側設置,與高鐵小角度交叉,需要下穿節點方案特殊設計,會造成輕軌的拆改工程。3)雅萬高速公路:大流量交通要道,需要下穿主干道及互通立交橋,下穿收費站及天橋。

      4)寺廟及房屋:側穿兩處多層建筑清真寺,其中處超淺埋近接側穿,宗教重地,基本無拆遷可能;高速公路沿線2~4層民房密布,私人土地征地拆遷難度極大,需盡量少拆遷。5)在建高速公路服務區:高鐵與服務區進出道路交叉,橋跨方案需預留道路寬度和凈空。6)河流:高鐵與河流并行反復交叉,河道寬度16~20m、常年流水,水深最低3m,水量與旱、旺季相關,河流對高鐵施工干擾影響嚴重。7)征拆:高鐵被禁止侵占軍方用地,避免干擾高速公路,盡量減少征地拆遷。

      2.2工程地質及水文地質

      隧道地層主要為第四系全新統人工堆積層(ml),第四系更新統沖洪積層(av),洞身范圍內地層主要有黏土、粉質黏土、粉土黏土、粉土、粉砂、細砂及細圓礫土,地層差異較大,砂礫土地層局部有膠結,強度5MPa左右,地層存在軟硬不均。地表水系主要為隧道進口附近城市河流及地勢低洼積水,河流護堤擋墻高度約5m,水流較緩,河道曲折,兩岸居民區存在洪泛現象。區內地下水主要為第四系孔隙潛水和砂層承壓水,地下水埋深約0.3~7m,水位變幅2~3m;承壓水以黏性土層為相對隔水層,承壓水頭基本在略低于潛水水位處,隧道圍巖分級為Ⅵ級。

      2.3氣候特性隧址為熱帶雨林氣候,分干濕兩季,瞬時降雨強度極大。雨季為10月次年月,雨季最大降雨量達到88mm/h。年平均降雨量2000mm以上,雨季對明挖施工組織影響巨大。

      3隧道總體方案及工法比選研究

      3.1隧道走向比選研究

      根據沿線控制點、隧道工期以及各隧道施工工法的優缺點,分析提出三項隧道方案。

      方案Ⅰ:線路下鉆高速公路,明挖為主局部暗挖隧道方案充分發揮明挖隧道可以多點開花,縮短工期及工藝簡單的特性,除了互通立交處難以明挖而采用暗挖外,其余地段均采用明挖施工隧道。采用明挖法下鉆高速公路時需進行臨時交通導改,改移長度1km。

      3.1.2方案Ⅱ:線路下鉆高速公路,盾構為主局部明挖隧道方案充分發揮盾構隧道可以避免地面交通倒改干擾的特性,盡量多在高速公路下方穿行,減少在房屋下方穿行。

      3.1.方案Ⅲ:線路上跨高速公路、隧道下鉆互通方案充分利用明線造價低特性,除了互通立交處采用暗挖外,其余地段均采用路橋方案。

      3.2方案比較分析從技術可行性出發,從征地拆遷、建設工期,工程實施難易程度、工程投資等多方面進行綜合分析,重點分析了各方案外部制約條件和需進一步落實的問題。采用盾構為主的方案占地面積較方案和方案III分別減小了5.2%和7.1%,考慮到目標國私有土地及政治經濟特性,征拆及外部協調周期難以控制,經綜合比選,推薦采用方案Ⅱ,即盾構方案,重點落實盾構隧道穿越及施工實施的可行性問題。

      4隧道近接穿越主要風險控制點技術研究

      4.1下穿輕軌方案

      雅加達輕軌為服務于2018年雅加達亞運會而修建,由法國設計公司設計,印尼施工企業承建,設計時速100km/h,以橋梁形式并行高速公路北側,采用雙線槽形梁結構(普通梁型為跨度30m簡支梁),橋墩采用獨柱墩墩頂托盤形式,基礎采用¢1.2m摩擦群樁承臺結構,每墩群樁~6根,樁長30~60m,樁基主筋¢32mm,每根樁基主筋20~24根。輕軌與高鐵線位約18°小角度交叉,強烈影響輕軌個橋墩,其中根樁基與盾構刀盤沖突,根樁基距離刀盤邊線在0.2~0.5m以內,難以采取主動措施保護。

      該處盾構隧道覆土約10m,不足0.8(為隧道直徑),且距離始發井不足80m,直接通過屬于超淺埋始發試驗段切樁,工程風險巨大,需要研究提前躲避處置方案。由于高鐵設計階段輕軌交叉處橋墩尚未施工,但輕軌亞運會工程,施工進展迅速,為便于與輕軌產權單位協議,需要考慮輕軌與高鐵的建設時序和工籌的各種可能情形并提前制定解決方案。

      4.1.3方案Ⅲ:輕軌原位不拆墩樁基托換導洞破樁隧道下穿方案正穿橋墩基礎采用“門”形承臺樁基托換,側穿橋墩基礎采用懸挑型承臺樁基托換,沖突樁基采用豎井暗挖導洞人工鑿除,導洞覆土僅3m。

      4.1.4方案Ⅳ:輕軌原位拆墩拔樁新建框架墩跨越隧道方案正穿橋墩基礎采用“門”形框架墩,側穿橋墩基礎采用懸挑牛腿型歪脖子墩,沖突樁基采用地表機械拔除。

      4.1.5方案優缺點比選:綜合考慮施工安全風險和產權單位協調難度,對方案優缺點比較如表所示。由于輕軌施工進度迅速,高鐵規劃許可尚未穩定,最終交叉處輕軌墩臺全部完成,隧道需下穿既有非運營輕軌橋墩,從安全和減少廢棄工程角度,方案Ⅳ最具可行性。

      4.1.6拔樁施工可行性分析

      為拔除¢1.2m鋼筋混凝土橋樁,對微擾動拔樁設備及工程案例進行了調研和研究,目前國內該項技術已經比較成熟,上海、北京、天津、南昌、徐州、廈門等地鐵及市政工程均有應用,對于直徑1.5m以內大深度軟硬地層均不乏成功案例,且設備基本完全國產化10。根據本項目工程地質特點,采用擾動較小的全套管全回轉鉆機(¢2.1m鋼套管)+150履帶吊車沖抓斗三種設備配合作業。35m樁長天根,全套管拔樁設備可自上海港出口至工地現場,綜合考慮通關手續、場地施工準備及工后恢復,需要局部臨時占用高速公路兩車道個月。

      4.2下穿互通橋臺及收費站樁基方案

      考慮到隧道進口外部明線地段大學學府等拆遷控制點,同時為了獲得運營較優的線形平縱,盾構隧道穿越高速公路互通橋梁部位,推薦線路方案為一個平面=2300m的線形正穿互通橋臺,隧道自橋臺樁底正下方穿越,垂直凈距約2.5m。作為比選線位,采用了兩個困難半徑,分別為1500m和1400m,由于受夾直線和緩和曲線長度控制,比選方案需要限速150km/h,后者限速160km/h,基本能滿足臨近Halim車站運營需求;此時盾構自互通橋臺樁底側下方穿越,平面凈距4.5m,垂直凈距1.9m;同時,需要自收費站屋架樁底正下方穿越,垂直凈距3.0m。

      4.2.1施工可行性分析

      關于樁底下方隧道開挖對樁基的影響,學術界已經進行了較多的研究。

      眾多學者通過數值模擬計算及理論分析對樁基與地鐵盾構隧道不同空間位置關系進行研究,以樁基沉降、樁基承載力為主要評價指標并結合樁身傾斜,研究了樁基受力及變形性能與隧道開挖坍落拱塑性區的相對關系,提出了相對量化的參考數值:認為盾構刀盤距離樁軸線+6m~12m(正數為穿越前,負數為穿越后)之間樁基承載力損失及樁身沉降顯著,盾構自樁底下方穿越時,從樁身負摩阻力的角度考慮,樁端與隧道頂的最小安全距離可近似取為3m。由于地鐵盾構隧道直徑較小,一般直徑=6m左右,從郭院成等的研究結論來看,對于樁底下方下穿,危險刀盤與樁水平距離基本在;危險樁端與隧道頂距離在0.5內。

      本工程盾構直徑13.2m,按此推論,樁端與隧道頂距離應超過6.6m。推薦線路方案隧道與樁底凈距僅為2.5m,且互通橋梁交通流量大,經檢算橋臺承臺上部總集中荷載達到16000kN,受外部限制,地表主動加固場地條件一般,加固效果難以保證,盾構掘進過程中公路橋梁沉降風險極高,故建議否決推薦線路下穿方案,建議采用比選繞避橋臺線路方案。雖然比選方案在收費站處仍然于樁底正下方下穿,但是收費站屬于網架結構,共6根獨柱樁,檢算單柱上部集中荷載僅為240kN,且收費站屋架四角具備地表臨時支頂加固條件,因此不控制線位方案。

      4.2.2結構受力可行性

      考慮到比選方案雖然平面繞避了橋臺樁底,對控制橋臺沉降條件已大大優化,但仍屬于較近距離側下方斜穿樁底,且收費站處屬于正下方下穿收費站獨柱樁底,樁基礎上部荷載在隧道上部的附加應力量化數值是多少,是否會對管片結構造成較大影響,是否影響結構安全,需要對此進行量化計算分析。根據地基基礎設計規范及相關土力學原理1516,對問題進行合理簡化,采用角點法原理計算土中某空間位置的附加應力。

      對于互通橋臺樁基,認為盾構隧道上方范圍土體喪失側摩阻力,上部集中力減去承臺承載力及一部分樁側摩阻力,橋臺群樁樁底合計樁端力約826kN,樁端等效面荷載約182kPa,按照矩形面荷載土中豎向附加應力角點法計算,算得側下穿時,隧道拱頂樁基附加應力基本為,45°拱肩部位附加應力最大,約為kPa,影響較小;對于收費站樁基,由于是獨柱獨樁結構,且樁底正下方,按側摩阻力全部喪失考慮,鋼網架結構上部荷載按kN/m考慮,樁底集中力約240kN,按照集中荷載土中豎向附加應力角點法計算,算得正下穿時,隧道拱頂樁基附加應力拱頂最大,約為12kPa,同樣影響較小。故比選方案是可行的。

      4.3近接寺廟保護方案

      盾構隧道在即將到達接收井附近(距離約80m)存在一處較大型清真寺,三層框架結構,祈禱廳屬于大跨度高挑高主次梁層板多柱結構,獨立擴大及條形基礎,宗教敏感建筑拆遷難度極大,施工變形控制及噪聲環境控制要求極高。隧道覆土約8.5m,平面投影上,隧道結構右側輪廓侵入清真寺圍墻約0.7m,管片外緣距離墻體約2.8m,距離條形基礎約1.8m,隧道左側輪廓基本位于高速公路路緣,場地十分局促。隧道屬于超淺埋近接盾構下穿敏感建筑,初步主動加固方案為臨時拆除圍墻后采用¢0.8m隔離樁排樁的保護方案,但對于拆除圍墻和樁基施工環境干擾問題,未取得產權單位認可。

      線位繼續下壓,出口高速公路天橋上跨控制點影響,勢必增加盾構隧道長度,增加巨額概算,如何在不拆圍墻情況下解決近接側穿的主動加固問題,成為方案成立的關鍵。根據國內地鐵工程近接工程主動加固的經驗,MJS工法樁可以實現空間任意方向的施做,具有樁體直徑大,強度及密實度質量高,帶壓力傳感及智能噴漿的鉆頭具有自平衡功能,對周邊環境干擾小等特點,能夠有效解決本工程的問題1719。隧道下穿施工前,在圍墻外場地施工MJ工法樁,斜向25°打入,樁徑2.5m,半圓形,樁長30m,共排,樁頂設置鋼筋混凝土冠梁聯結,樁內部插入¢108mm管棚(內部配鋼筋籠)。

      5盾構隧道施工條件可行性研究

      5.1始發接收及管片場地可行性

      隧道進口位于高速公路、輕軌與河道交叉并行夾心地帶,屬于洪澇影響區,存在夾心空地,居民房屋也相對稀疏,房屋為磚混結構,1~2層居多。隧道出口位于高速公路側部,地勢略高,無洪澇問題,居民密集,房屋2~4層居多。

      5.2盾構機運輸通關及入場可行性

      盾構機大型設備當地無法生產,需國內生產。盾構機部件根據設備生產地址,可在廣州港、上海港等地出海,由貨輪海運至雅加達Tanjungpriok港,在雅加達市區利用市區快速路及雅萬高速公路運輸至工地,全程約20km,路線下穿約12處人行天橋,極端限高5.21m,限寬6.0m;經過座大型橋梁,從以往大型機電設備(單組件最大370)進口案例來看,除個別路段需要拆除路障外,設備組件運輸載重及轉彎半徑無任何問題,交通較為方便。在設備通關上,專業報關公司預計報關時間15天,大致流程包括預備進出口單據→換單→報檢→報關→辦理設備交接單→提箱→提貨。

      6盾構隧道結構設計可行性分析

      6.1隧道結構設計條件

      場地隧道洞身以火山堆積地層的粉質黏土、砂礫土為主,占比各自一半左右。黏土標貫8~30擊;砂礫土局部有膠結,標貫20~50擊。全隧道覆土7~25m,地下水位變化幅度不大,始發和接收段施工期抗浮需要采取臨時措施。地表地震動(相應于50年超越概率為10%的地震動)峰值加速度值為0.221。場地類別為Ⅱ類,場地土類型為軟弱中硬土,場地為建筑抗震不利地段。

      6.2隧道結構設計可行性分析

      綜合上述地質水文及地震條件,隧道土層相對較硬,屬于Ⅷ度地震區,與我國北京市中東部隧道結構設計條件有類似之處。故在管片結構設計上,采用工程類比法,擬定通用楔形環管片,“8+1模式”的分塊方式,管片厚度0.55m,環寬2.0m。管片材料采用C50,環與環間以50根10.9級M36高性能的縱向螺栓相連,塊與塊間每環共計18根10.9級M36的高性能環向螺栓相連。依據GB50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》采用管片結構橫斷面反應位移法、隧道縱向反應位移法的初步檢算,通過一定的管片配筋加強,能夠滿足結構受力安全要求。

      7結論

      本文針對印尼雅萬高鐵號隧道工程進行設計方案的比選分析,考慮了目標國政治文化等差異因素,提出一套針對環境敏感區大斷面盾構隧道的總體設計方案和分析方法,具體結論如下:

      (1)隧道走向方案及工法選擇應充分考慮到目標國政治經濟特性,盡量避免大體量征拆或拆改的方案,采用盾構為主的方案對周邊環境干擾最小,工期最為可控,可行性最高。(2)盾構穿越輕軌橋樁應兼顧輕軌拆改協調難度和施工安全風險,能地上解決絕不地下解決,盡量避免多重工程風險的互相疊加,采用拔樁后新建框架墩和懸臂墩最為可行。下穿互通橋臺及收費站處,樁底下穿應根據上部荷載區別對待,從隧道與建筑物兩方面量化分析影響,避實就虛,確定安全可控的近接穿越方案。近接寺廟穿越采用MJS傾斜樁主動隔離保護能夠解決特殊建筑物保護問題。

      (3)隧址進口始發、出口接收場地可行,盾構機設備通關入場可行。盾構隧道管片結構設計無重大特殊條件,工程類比結構方案整體可行。(4)本工程盾構隧道總體技術方案可行,應根據論證分析結論,圍繞盾構隧道實施條件,著重落實外部邊界條件穩定線路穿越協議,并根據協議及時調整細節方案設計。本工程提出的針對環境敏感區大斷面盾構隧道的總體設計方案和分析方法可為類似境外隧道工程的設計提供參考。(5)本工程在實施階段需重點對高速公路及寺廟部分動態監測,白天高速公路車流量大,應布置自動監測點監測,夜晚車流量小時可采用局部人工監測校核;寺廟的監測點則應盡量布置于寺廟外以防干擾寺廟內的禱告活動。本文以整體設計方案研究為主,文中未提及的輔助施工措施、施工工藝、時機掌控以及動態控制等在實際工程的施工中也同等重要。

      參考文獻

      [1]宋儀.汕頭市蘇埃海底盾構隧道工程設計方案比選研究[J].隧道建設(中英文),2020,40(10):13911398.

      [2]楊明哲.城市地下道路隧道結構方案比選研究[J].城市道橋與防洪,2019():221224.

      [3]房倩,杜建明,李建業,等.大直徑盾構隧道緊鄰下穿既有地鐵施工誘發地層沉降特征分析(英文)[J].JournalofCentralSouthUniversity,2021,28():882897.

      [4]仇文革,雷勁.上軟下硬地層地鐵隧道與近接橋梁樁基的相互影響分區研究[J].隧道建設,2017,37():917925.

      作者:韓華軒,孟慶余,朱戰魁,趙福全

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