泥漿密度可變的盾構(gòu)在吉隆坡地鐵施工中的應(yīng)用

1　復(fù)雜的地質(zhì)條件提出的挑戰(zhàn)

馬來西亞吉隆坡城建在肯尼丘陵地段和巖溶石灰?guī)r地層之上。肯尼丘陵地質(zhì)主要是由砂巖/石英巖、頁巖/泥巖的互層組成的沉積巖，它也曾受地區(qū)性的變質(zhì)作用。從工程觀點(diǎn)來看，肯尼丘陵的地質(zhì)是可預(yù)測的，在工程設(shè)計(jì)、施工方面是可控的。

然而，吉隆坡石灰?guī)r層，其分類屬“極端巖溶”（即1～5級中的第5級），地層十分復(fù)雜，在厚度不規(guī)則的石灰?guī)r層之上有軟土覆蓋層，地下水位高，石灰?guī)r中有許多裂隙、裂縫，有相互連通的通路，還有巖溶洞穴。這給吉隆坡的地鐵施工提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

海瑞克土壓平衡盾構(gòu)本是為肯尼丘陵地段隧道施工使用的，但在巖溶石灰?guī)r地層中采用土壓平衡盾構(gòu)并不合適。最大的風(fēng)險(xiǎn)是調(diào)查中未被發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)和地下水，最可能發(fā)生的事故是壓力泄漏（噴涌）和塌陷。優(yōu)化隧道線路設(shè)計(jì)本身就是一件復(fù)雜的事情，線路要在錯(cuò)綜復(fù)雜的高層建筑物下面通過，同時(shí)又要求隧道線路盡可能淺埋，還要考慮盾構(gòu)通過混合開挖面（下部為巖石、上部為軟土）。

2　SMART巖溶地層盾構(gòu)隧道工作模式的革新

為了使地表沉降不超過規(guī)定的容許值，在修建吉隆坡地鐵工程中，選用了閉胸式盾構(gòu)，用10臺盾構(gòu)開挖7.8 km區(qū)間（雙孔、單線）隧道。區(qū)間5組雙孔隧道的開挖，與車站施工的接口相對應(yīng)，使區(qū)間隧道與7座車站隧道的施工同時(shí)完成（圖1）。

在石灰?guī)r地層中，最大的難題是防止開挖面高壓泥漿的突然泄漏，它與覆蓋土層有關(guān)，與泥漿流入滲水洞有關(guān)。

圖1　隧道施工通過肯尼丘陵地段和巖溶石灰?guī)r地層

在SMART巖溶地層隧道施工中，原本采用的是普通泥漿盾構(gòu)，工程中出現(xiàn)了滲水洞和地面沉降的情況，以致延誤了工期。工程師們認(rèn)識到必須改進(jìn)施工方法，通過實(shí)踐力求在下一個(gè)隧道施工中少出或不出問題。他們利用海瑞克盾構(gòu)開發(fā)了一種改進(jìn)型泥漿盾構(gòu)，它能防止在巖溶石灰?guī)r地層中開挖面的壓力泄漏。

3　泥漿密度可變的具有2種工作模式的盾構(gòu)

一般的泥漿盾構(gòu)通常用于滲水率高、多變的不可預(yù)測的地層中，但遇到地質(zhì)調(diào)查中未探明的洞穴或巖石大裂縫，可能構(gòu)成對施工的重大風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)驗(yàn)證明，在巖溶石灰?guī)r地層中由盾構(gòu)刀盤切削下來的棄渣不能進(jìn)入土壓平衡盾構(gòu)的螺旋輸送機(jī)，也不能維持開挖面壓力，防止地下水位下降。因此，土壓平衡盾構(gòu)在這種情況下不是正確的選擇（圖2）。

如果巖溶洞穴中填滿了可以防止泥漿流失的足夠多的土壤，普通的泥漿盾構(gòu)能夠?qū)Ω哆@種未預(yù)測的洞穴，穿越小裂隙的巖溶石灰?guī)r，但是遇到出人意外的未填滿的洞穴或因軟土覆蓋層松散、極有可能發(fā)生壓力泄漏的危險(xiǎn)時(shí)，就需要有更善于對付這種問題的盾構(gòu)。使用低密度（11 kN/m3）、低粘度的泥漿，會產(chǎn)生一種令人擔(dān)憂的問題：開挖室的泥漿流進(jìn)巖溶通路，或經(jīng)過連通的裂縫流向地面，導(dǎo)致開挖面的壓力泄漏。由此萌生了一個(gè)改變膨潤土泥漿密度的想法，這個(gè)想法是增加密度（從11 kN/m3增加到16 kN/m3及以上），當(dāng)通過可疑地層時(shí)，調(diào)整膨潤土泥漿（含石灰?guī)r粉末）混合料的稠度，即增加粘度。

泥漿密度可變的盾構(gòu)的工作原理是，泵入開挖室的新鮮膨潤土泥漿的密度是可變的——根據(jù)地層條件變化泥漿密度。普通泥漿盾構(gòu)沒有這種能力，正是這個(gè)功能使普通盾構(gòu)變成特殊盾構(gòu)。

普通泥漿盾構(gòu)依靠膨潤土泥漿壓力支撐隧道開挖面，它以不滲水的膨潤土泥漿膜緊貼在開挖面上，在開挖過程中，泥漿膜被旋轉(zhuǎn)的刀盤刮破，隨后又立即形成新的泥漿膜，在開挖面上膨潤土泥漿壓力與地下水壓力及土壓力達(dá)到平衡。膨潤土泥漿的壓力由空氣泡沫來調(diào)節(jié)。在標(biāo)準(zhǔn)的泥漿盾構(gòu)情況下，壓力傳到前方的開挖面上，也通過底部隔板上的開口傳到工作室。

泥漿密度可變的盾構(gòu)工作模式，與普通的泥漿盾構(gòu)比較，有若干重大區(qū)別：高密度的泥漿不易通過普通方式泵出，需要有不同的輸送渣土的系統(tǒng)；在泥漿密度可變的盾構(gòu)中，需要在工作室與開挖室之間用管道連接，用以輸送膨潤土泥漿及其壓力進(jìn)入工作室，以便經(jīng)常保持開挖面所需的壓力水平。也有用管道從地面將高密度泥漿直接送入開挖室的。

泥漿密度可變的盾構(gòu)，與產(chǎn)生空氣泡沫的系統(tǒng)組合，可以在傳統(tǒng)的泥漿盾構(gòu)模式下進(jìn)行操作。由產(chǎn)生空氣泡沫的系統(tǒng)對開挖面進(jìn)行壓力控制，采用低密度泥漿模式在開挖面形成膨潤土“泥餅”，或者在泥漿密度可變的模式下，不形成膨潤土“泥餅”。支撐壓力是由滲入土壤孔隙中的高密度泥漿的摩擦力提供的。

圖2　盾構(gòu)隧道開挖順序

4　盾構(gòu)工作模式的轉(zhuǎn)換

盾構(gòu)成為這樣的系統(tǒng)，它能在隧道中從土壓支撐開挖面轉(zhuǎn)變?yōu)槟酀{壓力支撐開挖面，而無需在開挖室內(nèi)進(jìn)行機(jī)械改造，少量的工作在隧道后部便能完成。在這種情況下，泥漿密度可變的盾構(gòu)有效地把土壓平衡盾構(gòu)同泥漿盾構(gòu)相結(jié)合。為了把泥漿密度可變的盾構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆耐翂浩胶舛軜?gòu)，只需移走泥漿箱，在尾部增加螺旋輸送機(jī)，把固體渣土運(yùn)出。對KVMART選定的盾構(gòu)，這種轉(zhuǎn)換相對容易，大部分運(yùn)渣系統(tǒng)的構(gòu)件已經(jīng)掛在尾部，這種轉(zhuǎn)換無需進(jìn)入工作室內(nèi)便能完成。

低密度和高密度泥漿操作模式的轉(zhuǎn)換很容易，只要把細(xì)料通過管道從地面泵入就變成高密度泥漿。當(dāng)泵送高密度泥漿出渣有困難時(shí)，則必須把泥漿輸入泥漿箱，用新鮮的膨潤土將其稀釋變成可泵的渣料，然后用通常的方式泵送到離析池。

參考文獻(xiàn)

[1] Gusztav Klados，Satpal S Bhogal. SLURRY VARIATION[J]. Tunnels & Tunnelling，2014（5）：24-28.

邵根大 編譯

責(zé)任編輯 冒一平

收稿日期2014-10-27