泥漿密度可變的盾構在吉隆坡地鐵施工中的應用

泥漿密度可變的盾構在吉隆坡地鐵施工中的應用

1　復雜的地質條件提出的挑戰

馬來西亞吉隆坡城建在肯尼丘陵地段和巖溶石灰巖地層之上。肯尼丘陵地質主要是由砂巖/石英巖、頁巖/泥巖的互層組成的沉積巖，它也曾受地區性的變質作用。從工程觀點來看，肯尼丘陵的地質是可預測的，在工程設計、施工方面是可控的。

然而，吉隆坡石灰巖層，其分類屬“極端巖溶”（即1～5級中的第5級），地層十分復雜，在厚度不規則的石灰巖層之上有軟土覆蓋層，地下水位高，石灰巖中有許多裂隙、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峻的挑戰。

海瑞克土壓平衡盾構本是為肯尼丘陵地段隧道施工使用的，但在巖溶石灰巖地層中采用土壓平衡盾構并不合適。最大的風險是調查中未被發現的地質和地下水，最可能發生的事故是壓力泄漏（噴涌）和塌陷。優化隧道線路設計本身就是一件復雜的事情，線路要在錯綜復雜的高層建筑物下面通過，同時又要求隧道線路盡可能淺埋，還要考慮盾構通過混合開挖面（下部為巖石、上部為軟土）。

2　SMART巖溶地層盾構隧道工作模式的革新

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

在石灰巖地層中，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，與泥漿流入滲水洞有關。

圖1　隧道施工通過肯尼丘陵地段和巖溶石灰巖地層

在SMART巖溶地層隧道施工中，原本采用的是普通泥漿盾構，工程中出現了滲水洞和地面沉降的情況，以致延誤了工期。工程師們認識到必須改進施工方法，通過實踐力求在下一個隧道施工中少出或不出問題。他們利用海瑞克盾構開發了一種改進型泥漿盾構，它能防止在巖溶石灰巖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

一般的泥漿盾構通常用于滲水率高、多變的不可預測的地層中，但遇到地質調查中未探明的洞穴或巖石大裂縫，可能構成對施工的重大風險。

經驗證明，在巖溶石灰巖地層中由盾構刀盤切削下來的棄渣不能進入土壓平衡盾構的螺旋輸送機，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，普通的泥漿盾構能夠對付這種未預測的洞穴，穿越小裂隙的巖溶石灰巖，但是遇到出人意外的未填滿的洞穴或因軟土覆蓋層松散、極有可能發生壓力泄漏的危險時，就需要有更善于對付這種問題的盾構。使用低密度（11 kN/m3）、低粘度的泥漿，會產生一種令人擔憂的問題：開挖室的泥漿流進巖溶通路，或經過連通的裂縫流向地面，導致開挖面的壓力泄漏。由此萌生了一個改變膨潤土泥漿密度的想法，這個想法是增加密度（從11 kN/m3增加到16 kN/m3及以上），當通過可疑地層時，調整膨潤土泥漿（含石灰巖粉末）混合料的稠度，即增加粘度。

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

普通泥漿盾構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到平衡。膨潤土泥漿的壓力由空氣泡沫來調節。在標準的泥漿盾構情況下，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工作模式，與普通的泥漿盾構比較，有若干重大區別：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；在泥漿密度可變的盾構中，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入工作室，以便經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，與產生空氣泡沫的系統組合，可以在傳統的泥漿盾構模式下進行操作。由產生空氣泡沫的系統對開挖面進行壓力控制，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　盾構隧道開挖順序

4　盾構工作模式的轉換

盾構成為這樣的系統，它能在隧道中從土壓支撐開挖面轉變為泥漿壓力支撐開挖面，而無需在開挖室內進行機械改造，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有效地把土壓平衡盾構同泥漿盾構相結合。為了把泥漿密度可變的盾構轉變為完全的土壓平衡盾構，只需移走泥漿箱，在尾部增加螺旋輸送機，把固體渣土運出。對KVMART選定的盾構，這種轉換相對容易，大部分運渣系統的構件已經掛在尾部，這種轉換無需進入工作室內便能完成。

低密度和高密度泥漿操作模式的轉換很容易，只要把細料通過管道從地面泵入就變成高密度泥漿。當泵送高密度泥漿出渣有困難時，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

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

邵根大 編譯

責任編輯 冒一平

收稿日期2014-10-27