泥浆密度可变的盾构在吉隆坡地铁施工中的应用

泥浆密度可变的盾构在吉隆坡地铁施工中的应用

1　复杂的地质条件提出的挑战

马来西亚吉隆坡城建在肯尼丘陵地段和岩溶石灰岩地层之上。肯尼丘陵地质主要是由砂岩/石英岩、页岩/泥岩的互层组成的沉积岩，它也曾受地区性的变质作用。从工程观点来看，肯尼丘陵的地质是可预测的，在工程设计、施工方面是可控的。

然而，吉隆坡石灰岩层，其分类属“极端岩溶”（即1～5级中的第5级），地层十分复杂，在厚度不规则的石灰岩层之上有软土覆盖层，地下水位高，石灰岩中有许多裂隙、裂缝，有相互连通的通路，还有岩溶洞穴。这给吉隆坡的地铁施工提出了严峻的挑战。

海瑞克土压平衡盾构本是为肯尼丘陵地段隧道施工使用的，但在岩溶石灰岩地层中采用土压平衡盾构并不合适。最大的风险是调查中未被发现的地质和地下水，最可能发生的事故是压力泄漏（喷涌）和塌陷。优化隧道线路设计本身就是一件复杂的事情，线路要在错综复杂的高层建筑物下面通过，同时又要求隧道线路尽可能浅埋，还要考虑盾构通过混合开挖面（下部为岩石、上部为软土）。

2　SMART岩溶地层盾构隧道工作模式的革新

为了使地表沉降不超过规定的容许值，在修建吉隆坡地铁工程中，选用了闭胸式盾构，用10台盾构开挖7.8 km区间（双孔、单线）隧道。区间5组双孔隧道的开挖，与车站施工的接口相对应，使区间隧道与7座车站隧道的施工同时完成（图1）。

在石灰岩地层中，最大的难题是防止开挖面高压泥浆的突然泄漏，它与覆盖土层有关，与泥浆流入渗水洞有关。

图1　隧道施工通过肯尼丘陵地段和岩溶石灰岩地层

在SMART岩溶地层隧道施工中，原本采用的是普通泥浆盾构，工程中出现了渗水洞和地面沉降的情况，以致延误了工期。工程师们认识到必须改进施工方法，通过实践力求在下一个隧道施工中少出或不出问题。他们利用海瑞克盾构开发了一种改进型泥浆盾构，它能防止在岩溶石灰岩地层中开挖面的压力泄漏。

3　泥浆密度可变的具有2种工作模式的盾构

一般的泥浆盾构通常用于渗水率高、多变的不可预测的地层中，但遇到地质调查中未探明的洞穴或岩石大裂缝，可能构成对施工的重大风险。

经验证明，在岩溶石灰岩地层中由盾构刀盘切削下来的弃渣不能进入土压平衡盾构的螺旋输送机，也不能维持开挖面压力，防止地下水位下降。因此，土压平衡盾构在这种情况下不是正确的选择（图2）。

如果岩溶洞穴中填满了可以防止泥浆流失的足够多的土壤，普通的泥浆盾构能够对付这种未预测的洞穴，穿越小裂隙的岩溶石灰岩，但是遇到出人意外的未填满的洞穴或因软土覆盖层松散、极有可能发生压力泄漏的危险时，就需要有更善于对付这种问题的盾构。使用低密度（11 kN/m3）、低粘度的泥浆，会产生一种令人担忧的问题：开挖室的泥浆流进岩溶通路，或经过连通的裂缝流向地面，导致开挖面的压力泄漏。由此萌生了一个改变膨润土泥浆密度的想法，这个想法是增加密度（从11 kN/m3增加到16 kN/m3及以上），当通过可疑地层时，调整膨润土泥浆（含石灰岩粉末）混合料的稠度，即增加粘度。

泥浆密度可变的盾构的工作原理是，泵入开挖室的新鲜膨润土泥浆的密度是可变的——根据地层条件变化泥浆密度。普通泥浆盾构没有这种能力，正是这个功能使普通盾构变成特殊盾构。

普通泥浆盾构依靠膨润土泥浆压力支撑隧道开挖面，它以不渗水的膨润土泥浆膜紧贴在开挖面上，在开挖过程中，泥浆膜被旋转的刀盘刮破，随后又立即形成新的泥浆膜，在开挖面上膨润土泥浆压力与地下水压力及土压力达到平衡。膨润土泥浆的压力由空气泡沫来调节。在标准的泥浆盾构情况下，压力传到前方的开挖面上，也通过底部隔板上的开口传到工作室。

泥浆密度可变的盾构工作模式，与普通的泥浆盾构比较，有若干重大区别：高密度的泥浆不易通过普通方式泵出，需要有不同的输送渣土的系统；在泥浆密度可变的盾构中，需要在工作室与开挖室之间用管道连接，用以输送膨润土泥浆及其压力进入工作室，以便经常保持开挖面所需的压力水平。也有用管道从地面将高密度泥浆直接送入开挖室的。

泥浆密度可变的盾构，与产生空气泡沫的系统组合，可以在传统的泥浆盾构模式下进行操作。由产生空气泡沫的系统对开挖面进行压力控制，采用低密度泥浆模式在开挖面形成膨润土“泥饼”，或者在泥浆密度可变的模式下，不形成膨润土“泥饼”。支撑压力是由渗入土壤孔隙中的高密度泥浆的摩擦力提供的。

图2　盾构隧道开挖顺序

4　盾构工作模式的转换

盾构成为这样的系统，它能在隧道中从土压支撑开挖面转变为泥浆压力支撑开挖面，而无需在开挖室内进行机械改造，少量的工作在隧道后部便能完成。在这种情况下，泥浆密度可变的盾构有效地把土压平衡盾构同泥浆盾构相结合。为了把泥浆密度可变的盾构转变为完全的土压平衡盾构，只需移走泥浆箱，在尾部增加螺旋输送机，把固体渣土运出。对KVMART选定的盾构，这种转换相对容易，大部分运渣系统的构件已经挂在尾部，这种转换无需进入工作室内便能完成。

低密度和高密度泥浆操作模式的转换很容易，只要把细料通过管道从地面泵入就变成高密度泥浆。当泵送高密度泥浆出渣有困难时，则必须把泥浆输入泥浆箱，用新鲜的膨润土将其稀释变成可泵的渣料，然后用通常的方式泵送到离析池。

参考文献

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

邵根大 编译

责任编辑 冒一平

收稿日期2014-10-27