新加坡地下大型捷運系統的規劃、設計和施工Kwet-Yew Yong1; Paul Fok2

1.新加坡國立大學、土木工程系教授 2.新加坡、陸地交通局、工程部、團隊主管胡春停譯著

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新加坡地下大型捷運系統的規劃、設計和施工Kwet-Yew Yong1; Paul Fok2

1.新加坡國立大學、土木工程系教授 2.新加坡、陸地交通局、工程部、團隊主管胡春停譯著

[摘要]大規模基礎設施的修建，例如大型捷運系統（MRT），使新加坡開始了極大規模的隧道和地下工程建設。近期在軟弱地層、復雜地質情況和高度發達城區與郊區的地下交通工程的修建，既為大規模基礎設施修建提供了大量參考信息，也極具施工挑戰性。再加上對大型捷運系統、地下公路和深埋排污隧道系統（DTSS）的大量現場研究和全面監測，使島國新加坡成為隧道工程師最大的“實驗室”。本文介紹了新加坡地下交通基礎設施規劃、設計和施工中的一些難點：（a）復雜地質情況下現場調查數據的可靠性；（b）隨著隧道埋深越來越大，大型捷運車站的埋深也隨之增加；（c）復合地層中、城區和郊區環境下，下穿或鄰近建筑物隧道的沉降控制；（d）加強隧道結構耐久性的需求。

1、引言

新加坡陸地面積不足，且現今公路已占據了新加坡陸地面積的12%。因此，可持續交通系統發展的關鍵是開發一種不占用陸地面積的綜合、高效公共交通系統。這也就是說，主要的公路、鐵路基礎設施需要修建在地下。為確保將來交通系統的順利發展，新加坡已經制定了地下交通發展總規劃。

從國際角度來看，新加坡的隧道和地下工程修建歷史相對較近。在過去28年間，為解決城區和復雜地質情況下隧道與地下工程修建遇到的挑戰，新加坡既對隧道掘進和地下工程修建技術進行了重大發展，也引進了新技術。對基礎設施工程進行的大量現場監測，使工程師對土層～隧道～結構間的相互關系有了更好的理解。本文著重介紹現場勘測、深埋開挖、沉降控制、工作面壓力和隧道結構耐久性相關的難點。同時也討論了采用提議方案解決這些難點得到的經驗，其中包括：將巖土分析基線報告（GIBR）用于風險評估；用地球物理測量法補充鉆孔數據來確定土～石分界面和既有樁基深度；在深埋開挖和隧道掘進中利用地層改良來控制沉降；選擇有高速反應開挖管理系統的合適盾構；在隧道管片中引入鋼纖維混凝土來增加隧道結構耐久性，并把運營中的維護工作量減至最小。

2、新加坡大型捷運系統概況

新加坡大型捷運網絡的規劃研究始于1968年。新加坡政府在1982 年5月做出了修建大型捷運系統的決定。提議的大型捷運系統包括圖1中所示的南北線（NSL）和東西線（EWL）。整個系統將分兩個階段修建，全長67km，有42座車站。暗挖段為長11km的雙洞隧道，各洞內徑為5.2m，分38個區段進行施工。此外，還有5.8km長的明挖隧道段和14個地下車站。隧道開挖始于1984年3月，并與1987年6月完工。大型捷運系統于1987～1990年間逐步開始運營。后來，還延長了大型捷運系統，并修建了新的線路。這其中包括2002年2月運營的Changi延長線和2003年運營的東北線（NEL）。整個NEL線長20km，有16座車站。陸地交通局（LTA）承建的環線（CCL）將是下一個主要地下大型捷運線路。CCL線全部位于地下，全長33.3km，設28座車站，于2009年5月逐步開始運營。從環線到Marina海灣的最新延長線于2012年1月開始運營。

現在正在施工的大型捷運系統工程包括南北延長線（NSLe）和市區線（DTL）。其中市區線長42km，設34座車站。南北延長線從Marina海灣到新國際郵輪碼頭，預計于2014年完工。市區線的1、2、3號線的合同已經簽訂，預計分別于2013、2015和2017年開始運營。此外，更多的大型捷運系統線路正在規劃和設計中。這其中包括Thomson線（TSL）和東區線（ERL），陸地交通局將于2012年下半年進行Thomson線施工合同招標，2012年2/3季度開始東區線的建筑和工程咨詢合同招標。其他籌劃中的大型捷運工程還包括環線、跨島線、Jurong區域線和北海岸線?，F在新加坡有176km地鐵和122座車站。到2020年，新加坡將有280km地鐵和183座車站。

3、現場勘察

3.1地質

新加坡隧道施工和地下開挖工作中遇到的地質可以大致分為4類：（a）花崗巖（中生代早期的Bukit Timah花崗巖），主要分布在新加坡中部；（b）沉積巖（中生代中期到末期的Jurong層），多位于新加坡西部和西南部；（c）老沖積層（更新世沉積層），分布于新加坡東部；（d）陸海沉積物（全新世Kallang沉積層），分布于低地、河谷和海岸區。

海洋軟弱粘土中的隧道掘進檢驗了軟弱地層中隧道掘進的局限性。在此類地層中，通常要在土層改良（比如旋噴注漿或深層水泥攪拌）后才開始隧道掘進。老沖積層中含中等密度到高密度粘土質砂，它通常會對盾構造成磨損。Jurong層包括嚴重褶曲的砂巖、粉砂巖和不同程度風化泥巖的夾層。在這種地層掘進時，破碎斷層區內松散脆弱材料的不確定性和復雜地層的快速變化是最大的開挖難題。花崗巖中掘進時的主要問題是，隧道開挖斷面范圍內的地層由軟弱地層和堅硬的花崗巖組成，這會引起開挖時扭矩與溫度升高，盾構操作困難。

3.2現場調查數據的充分性和可靠性

對市區內和復雜地質情況下的隧道開挖與地下工程修建而言，充分的現場調查的重要性不言而喻。在工程招標開始前，就以20～50m的間距鉆深約300m的鉆孔進行現場調查。在施工過程中，會鉆更多鉆孔來收集數據。此外，施作地下連續墻時鉆的探孔、儲水坑或橫通道施工中對地質情況的檢驗以及掌子面素描等都可為進一步掌握地質情況發揮作用。

獲取可靠的地質數據十分困難，而判釋、分析這些數據則更難。對隧道開挖具有重要影響的一個問題就是精確預測土～巖接觸面。圖2是土～巖接觸面的例子。在設計階段，市區和復雜地質情況下的勘探鉆孔間距為85m左右。根據這些鉆孔數據，判斷出隧道位于巖層中。施工中，會以小于20m的間距開展進一步現場勘探。在新的鉆孔數據的幫助下，判斷出隧道在3個位置處于土～巖混合地層，也就是說隧道工作面部分是土，部分是巖石。這很可能會引起大的沉降。

在設計階段更好地確定巖～土工作面的一種方法是鉆更多鉆孔，以獲取更多數據。但是，這也有其實際局限性，因為一些鉆孔在隧道施工開始前不能施作。補充鉆孔數據的另一種方法是地球物理勘探。地球物理勘探是測量不同波在土層或巖層內的傳播速度或電導率，不同的波屬性代表不同埋深的土層和巖層，然后對勘探結果進行分析，就能間接得出巖～土接觸面的位置。當然，這種勘探方法也受很多因素的影響，如交通噪音、地下管溝和檢修孔等，因此，獲取可靠的數據分析結果也很困難。

3.3巖土分析基線報告（GIBR）

就正在施工的市區線（DTL）工程，陸地交通局（LTA）做出了其所有地下基礎工程的巖體分析基線報告。GIBR的主要目的是弄清楚陸地交通局和承包商之間就地層風險的承擔比例。這種做法符合隧道開挖行業的最佳風險共享方法。而隧道掘進行業的風險管理實踐標準也推薦采用類似于GIBR的報告。

承包商聲稱GIBR能夠明確說明LTA承擔的地質風險和承包商將要承擔的地質風險，還能促進未知地層情況的評估。GIBR除設定巖土基線外，還設定了工程設計中LTA所需的最低要求，因此，所有承包商都可以根據這一相同基礎投標。巖土基線并不等于巖土情況預測，它只是投標人用來建立工程投標價的一個簡單數值基礎。如果實際地質情況遠比巖土基線所描述的地質情況差，承包商應得到公正補償。建立巖土基線報告后，投標人就不需在合同總價中加入有關地質情況的風險差額。

3.4樁承載力探測

在新加坡，有許多既有樁基侵入規劃隧道斷面范圍的實例。如果不通過變更隧道線路來避開既有樁基時，就需要在隧道開挖前切割樁基或在開挖過程中切割樁基。在一些案例中，樁基切割可由盾構完成，或通過開挖把樁基暴露出來，然后通過人工拆除樁基。

4、深埋MRT車站的開挖

4.1開挖深度

早期的MRT修建中，由于限制條件較少，可以將車站和隧道修建在相對較淺地層中。在這種情況下，一般車站的埋深為18m。隨著越來越多的地下基礎設施的修建，想要在較淺地層中修建車站已經不太現實。車站和隧道變得越來越深?，F在新加坡最深的MRT車站是環線的Bras Basah車站。該車站位于軟弱粘土層中，埋深為35m，由上到下進行開挖。

現在，Bras Basah車站的埋深記錄將被DTL3的Bencoolen車站打破（圖5）。Bencoolen車站將在43m多深的土層中開挖。由于車站施工現場鄰近許多建筑物，LTA、設計師和承包商要克服許多困難（沉降控制、道路封閉、噪音等）來完成該工程。

4.2利用地層改良控制沉降

在不進行地層改良情況下，在軟弱地層中（Kallang層和沖積砂層）進行深埋開挖很可能會出現劇烈的地層變形，這會對施工現場附近的建筑帶來巨大風險（圖6）。適合地層環境的地層改良設計，對軟弱地層中的深埋開挖至關重要。為實現安全開挖，并把開挖對鄰近建筑的影響降至最低，通常會采取許多地層改良措施來增加土層強度、降低土層的滲透性。Wen于2003年提供了LTA有關開挖和隧道掘進引起地層變形與建筑物損壞的風險評估報告。

在過去的MRT施工中，旋噴注漿是增加軟弱地層強度的有效方法，且被廣泛應用。旋噴樁的尺寸由注漿參數決定，且不同土層情況下旋噴樁尺寸的變化很大，比如砂層中的旋噴樁的尺寸遠小于海相粘土中旋噴樁的尺寸。注漿參數的質量控制是確保旋噴樁符合設計要求的關鍵。在近期的Marina海岸高速公路（MEC）工程中，土層深層攪拌法被作為主要地層改良方法，廣泛應用于提高海相軟弱粘土的強度和硬度。與旋噴注漿相比，深層攪拌法更能確保其成樁的尺寸和質量。

在不進行地層改良的軟弱粘土層中進行大深度開挖在進行地層改良的軟弱粘土層中進行大深度開挖

Ras Jet是一種結合旋噴注漿與土層深層攪拌的技術，它被用于C828環線Nicoll車站的施工。這種技術能夠實現更大尺寸的地層加固樁。此外，在MRT工程中還采用了多種化學注漿法來降低地層的滲透性，特別是用于沖積砂層和填海土層的改良的化學注漿（圖7）。

4.3 水平旋噴注漿

將來會修建更多與既有地下建筑有接觸的新地下建筑，而既有結構則成為了從地表進行地層改良的障礙。因此，需要了解現狀和開發更先進的土層改良技術，包括水平旋噴注漿。圖8是既有結構與計劃修建線路之間有大范圍接觸的實例。既有南北線（NSL）的明挖隧道采用鉆孔樁支護。NSL隧道頂部已修建完成兩條橫跨原有NSL隧道的新隧道。LTA現在又在設計兩條下穿NSL隧道的新隧道。由于托換梁和新隧道將采用暗挖法施工，所以需要在原有NSL隧道下方進行地層改良。這樣，就不能從地表實現注漿改良。LTA現在正在研究用水平注漿改良海相粘土的可能性。曾在日本成功應用的一種水平旋噴注漿法是全方位高壓旋噴工法（MJS）。新近改進后，該技術克服了傳統高壓旋噴攪拌法的缺點。其最大特點是它的排漿裝置，漿液可通過特別設計的三管鉆桿的內管排出。此外，鉆桿內還配有壓力傳感器來控制排漿壓力。這樣，既可以進行垂直旋噴加固，也可以進行水平旋噴加固。MJS可以在垂直豎井或SCL（噴射混凝土襯砌）的隧道內水平使用。由于其注漿壓力高，MJS適用于標貫擊數N值為70的致密砂層和砂礫層。在Cu<50kN/m2的粘土層中，MJS能夠實現直徑2～2.6m的旋噴樁。但是，由于沒有MJS在海相粘土層中應用的經驗，LTA正在考慮對MJS或其他方法進行現場試驗。圖

5、隧道施工方法

5.1盾構法隧道概況

在新加坡MRT第一階段和第二階段的隧道施工中，隧道穿越Kallang地層、Jurong地層和Bukit Timah地層。隧道采用盾構施工，且廣泛采用壓縮空氣來穩定隧道工作面。由于地層情況、施工方法和工人技術的不同，隧道開挖引起的沉降也各不相同。例如，在海相粘土層或沖積砂層中，采用壓縮空氣穩定工作面的盾構開挖引起的沉降為30～100mm；采用地層改良后盾構開挖引起的沉降為100～200mm。同時采用壓縮空氣和地層改良情況下，地層沉降可控制在30～60mm。

在東北線（NEL）20km長的隧道中，11.5km的雙洞隧道采用14臺土壓平衡盾構和2臺敞開式盾構開挖。所有盾構都配有盾尾自動注漿設備。施工中，可通過設置在盾構上的添加劑注入口注入添加劑，以改良地層。在隧道掘進過程中，采取各種措施，以控制沉降。但是，很明顯，土壓平衡盾構在巖～土復合工作面掘進時不能很好地控制沉降。

在環線工程（CCL）的隧道開挖中，新加坡首次采用泥水盾構來開挖巖～土復合地層。施工中共使用了19臺土壓平衡盾構和8臺泥水盾構。為了更好地控制開挖量，在土壓平衡盾構中使用了掃描儀和皮帶稱重來測量開挖廢渣量?，F在這些裝備已經成為LTA所用土壓平衡盾構進行隧道開挖的標準配置。在CCL工程中，可以明顯看出，在采用泥水盾構的情況下，仍可進一步減小超挖量和塌陷。雖然泥水盾構在巖～土復合地層開挖中具有更好的工作面壓力維持能力，但也存在建立開挖管理系統的問題。只有良好的開挖管理系統，才能盡早提醒工人超挖情況，以防止地表塌陷。

依據這些年的隧道開挖經驗，LTA為市區線不同地質情況選用了不同類型的盾構（圖9）。施工中共使用了13臺EPB盾構，9臺泥水盾構和19臺TBM。

5.2工作面壓力

現在新加坡已經有相當多不同地層內隧道掘進的經驗。必須依照隧道開挖引起的地層變形來評估隧道掘進效果，以確保不影響鄰近的建筑物、結構物和鄰近的隧道。這需要評估隧道施工引起的土體損失。在DTL3工程中，有許多隧道掘進對鄰近建筑物和鄰近隧道影響的重要評估，這些評估主要集中在老沖積層和Jurong地層。

5.2.1老沖積層（OA）

近期土壓平衡盾構在老沖積層中的施工一致表明，在隧道掘進控制良好的情況下，土體損失率一般小于0.5%，且一直小于1%。土體損失率通常由工作面壓力決定，但應一直維持合理的工作面壓力，以應對不穩定地層。雖然出于設計目的可以假定0.5%的安全土體損失率，但如果最終土體損失率為1%，應進行核查。當隧道完全處于老沖積層時，在特別規范中設定0.5%的目標土體損失率是合理的。

5.2.2Jurong地層（JF）

JF沉積層的潛在變化比老沖積層更大，且其工作面壓力對土體損失率影響更明顯。在良好的隧道掘進控制下，特別是工作面壓力，土體損失率在該地層一般小于1%。出于設計目可以假定1%的安全土體損失率，且當隧道完全處于Jurong地層時，在特別規范中設定1%的目標土體損失率是合理的。

5.2.3Kallang地層（KF）

DTL3工程的隧道完全或部分處于Kallang地層。施工經驗顯示，該地層的土體損失率較高，特別是在隧道拱頂部位有沖積砂層時，需要對工作面壓力進行極好的控制。當隧道在完全或部分Kallang地層中掘進時，出于設計目的土體損失率應謹慎假設為3%，且在特別規范中將3%作為目標土體損失率。

5.3障礙物

在正在施工的市區線DTL1和DTL2工程中，依照工作面支護和沉降控制評估，泥水盾構和土壓平衡盾構掘進基本上實現了預期的設計性能。

5.4利用TBM拆除和切削樁基

在新加坡，很多情況下既有樁基會侵入隧道斷面范圍內。在不能改變隧道線路避開樁基的情況下，需要在隧道開挖前移除樁基或在隧道開挖中切削樁基。切削樁基既可由盾構自行完成，也可以通過暴露工作面樁基，然后人工拆除樁基。樁基長度和位置的探測已經在3.4節探討過了。很明顯，如果要拆除或切削現在支撐既有結構的樁基，就必須用托換樁或其他方法在拆除和切削樁基前替換原有樁基。

按常規來說，為確保不中斷隧道掘進，在隧道掘進前拆除所有無鋼筋的鉆孔樁更可取。但是，由于某些樁基不易接近，或拆除成本過高或樁基拆除可能會引起其他風險，需要在隧道掘進中通過切削移除樁基。鋼樁，包括鋼管樁、工字鋼樁和鋼板樁，需要在TBM開挖前拆除，或在隧道工作面前由人工拆除。由于大直徑鋼筋很容易阻塞攪拌裝置，并可能造成皮帶輸關機阻塞，從而影響盾構掘進，因此，采用大直徑鋼筋加固的鋼筋混凝土樁和預制鋼筋混凝土樁在隧道開挖前拆除更合適。無筋鉆孔樁以及小直徑的鋼筋混凝土鉆孔樁和預制鋼筋混凝土樁則可以利用TBM切削進行拆除。但是，如果樁基周圍沒有很好的固定樁基，那么TBM刀具切削樁基時就會出現樁基振動和搖擺，從而難以開挖。在有些施工案例中，必須先對樁基周圍土層進行改良，以便隧道掘進中樁基可以固定不動。

5.5鄰近重要結構物和建筑物的隧道掘進

隧道施工不可避免地會出現復雜的土層～結構物～隧道相互作用，特別是隧道鄰近既有建筑物和基礎設施時。Yong和Pang兩人在2004年做出了NEL工程中高架橋附近隧道掘進和CCL工程中隧道下穿既有建筑物的一些案例研究報告。在NEL工程中，隧道拱背與樁基邊緣的最近距離為1.6m。現場測量顯示，通常高架橋樁基受隧道施工引起的地層沉降的下拉運動造成的軸向壓力作用。當隧道掘進接近橋樁時，橋樁會出現明顯的小彎曲。維持工作面壓力和盾尾同步注漿是控制沉降、減少地層變形和下拉軸向力的關鍵。在CCL工程中，對既有建筑物、隧道掘進和地層性能進行了監控量測，兩條隧道開挖完成后測得的最大沉降小于10mm。

5.6下沉地層中的隧道掘進

位于海濱區的Thomson線（TSL）的隧道將下穿還未完全固結的填海地層。隧道周圍地層隨后的持續沉降會造成隧道橫斷面變形，進而引起襯砌撓矩和應力。隧道橫斷面收斂有可能會引起和惡化隧道襯砌漏水，進而會加劇地下水滲漏，從而引起隧道周圍的軟弱地層發生沉降。地層沉降又會再次造成隧道襯砌破壞，從而造成襯砌漏水，形成惡性循環。

5.7隧道結構耐久性

需要重視隧道結構的耐久性，以便把運營維護的工作量降至最小。LTA設計文件中規定的隧道結構耐久性措施是從以往的工程經驗中得出的。這些措施包括管片混凝土采用氯離子滲透率較低的混凝土、管片鋼筋的詳細設計以及將來可能需要采用的鋼架的陰極防蝕保護等。

對于盾構施工的隧道，其主要耐久性問題是隧道襯砌的滲漏點和隧道襯砌表面的鹽析。鹽析是列車運動活塞效應造成的快速干濕循環引起的。對于隧道襯砌管片注漿和維護，我們已經做了大量努力，但運營維護的一大難題是維護工作時間短。即便管片生產和拼裝質量都很高，但是在數千千米的管片接縫間依舊很容易出現縱向和徑向滲漏。

5.8人與機械設備

我們從以往新加坡采用密閉式盾構開挖的隧道工程中獲得了許多經驗。隨著許多新承包商來新加坡修建地鐵擴展工程，那么將這些已有經驗傳授給其他承包商就十分重要。眾所周知，大部分既有經驗已經在合同條款中列出。雖然改進條款能協助避免在未來線路修建中出現的各種問題，但是，我們還必須強調機械設備合理操作的重要性。雖然可以對其中一些操作程序作詳細說明，但大多數操作依賴于工人的經驗和相互交流。很明顯，施工時，工程管理組需要許多熟練、有見識的員工，施工小組則需要許多受過培訓的、有經驗的工人。但是，在新加坡，勝任這樣要求的人力資源有限，從而就對未來10～15年更多隧道和地下工程修建帶來了不少困難。新加坡的鄰國也在著手修建地下公路和地下鐵路等地下設施，這就使對有經驗的人力資源的競爭更加激烈。

6、結論

陸地面積不足、土地價格昂貴和環保要求嚴格，是促使新加坡將主要基礎設施建于地下的主要原因。經濟、快速的施工方法有利于地下工程的修建，但是，處于軟弱地層等復雜地質情況下的繁華城區的隧道工程，對建設者來說是很大的挑戰。施工中既要確保安全，還要滿足公眾的需求，并需要減輕對鄰近結構物的破壞。

新加坡政府將在未來10年左右時間內投資500億美元來改進其交通系統。新地鐵線路的修建并不簡單。新地鐵線路將會穿過密集居民區，既會與大量既有車站交匯，又需要綜合考慮既有地鐵系統和將來地鐵系統的發展。地下工程開挖與隧道掘進的深度越來越大，且越來越接近既有建筑物與其他設施。這就對解決這些問題和修建更好的陸地交通系統的新方法和新技術帶來了機遇。該行業的難點是研發出更精確、更有效的方法來確定巖層和樁基的深度，以便把隧道開挖風險降至最低。此外，還需要更好的地層處理技術，特別是水平或垂直鉆孔技術，以改良不能從地表進行改良的地層。另外，在發展盾構技術的同時，需要同步提高盾構操作人員的技術水平。

到2020年，新加坡地鐵系統將修建100多千米隧道和61座地下車站，另外新加坡還要修建260km的鐵路。新加坡公路隧道工程包括正在施工的南北高速公路（NSE）線上12.3km的隧道和其他隧道以及計劃中作為城市環路的80km長的新加坡地下公路系統（SURS）。除了這些工程，直徑6m、長35km用于新加坡電力供應的電纜隧道工程將于今年采用18臺TBM開始修建，深埋污水隧道系統（DTSS）也在準備之中。這一切都指明新加坡的地下空間將變得越來越擁擠。