新加坡地下大型捷运系统的规划、设计和施工Kwet-Yew Yong1; Paul Fok2

1.新加坡国立大学、土木工程系教授 2.新加坡、陆地交通局、工程部、团队主管胡春停译著



新加坡地下大型捷运系统的规划、设计和施工Kwet-Yew Yong1; Paul Fok2

1.新加坡国立大学、土木工程系教授 2.新加坡、陆地交通局、工程部、团队主管胡春停译著

[摘要]大规模基础设施的修建，例如大型捷运系统（MRT），使新加坡开始了极大规模的隧道和地下工程建设。近期在软弱地层、复杂地质情况和高度发达城区与郊区的地下交通工程的修建，既为大规模基础设施修建提供了大量参考信息，也极具施工挑战性。再加上对大型捷运系统、地下公路和深埋排污隧道系统（DTSS）的大量现场研究和全面监测，使岛国新加坡成为隧道工程师最大的“实验室”。本文介绍了新加坡地下交通基础设施规划、设计和施工中的一些难点：（a）复杂地质情况下现场调查数据的可靠性；（b）随着隧道埋深越来越大，大型捷运车站的埋深也随之增加；（c）复合地层中、城区和郊区环境下，下穿或邻近建筑物隧道的沉降控制；（d）加强隧道结构耐久性的需求。

1、引言

新加坡陆地面积不足，且现今公路已占据了新加坡陆地面积的12%。因此，可持续交通系统发展的关键是开发一种不占用陆地面积的综合、高效公共交通系统。这也就是说，主要的公路、铁路基础设施需要修建在地下。为确保将来交通系统的顺利发展，新加坡已经制定了地下交通发展总规划。

从国际角度来看，新加坡的隧道和地下工程修建历史相对较近。在过去28年间，为解决城区和复杂地质情况下隧道与地下工程修建遇到的挑战，新加坡既对隧道掘进和地下工程修建技术进行了重大发展，也引进了新技术。对基础设施工程进行的大量现场监测，使工程师对土层～隧道～结构间的相互关系有了更好的理解。本文着重介绍现场勘测、深埋开挖、沉降控制、工作面压力和隧道结构耐久性相关的难点。同时也讨论了采用提议方案解决这些难点得到的经验，其中包括：将岩土分析基线报告（GIBR）用于风险评估；用地球物理测量法补充钻孔数据来确定土～石分界面和既有桩基深度；在深埋开挖和隧道掘进中利用地层改良来控制沉降；选择有高速反应开挖管理系统的合适盾构；在隧道管片中引入钢纤维混凝土来增加隧道结构耐久性，并把运营中的维护工作量减至最小。

2、新加坡大型捷运系统概况

新加坡大型捷运网络的规划研究始于1968年。新加坡政府在1982 年5月做出了修建大型捷运系统的决定。提议的大型捷运系统包括图1中所示的南北线（NSL）和东西线（EWL）。整个系统将分两个阶段修建，全长67km，有42座车站。暗挖段为长11km的双洞隧道，各洞内径为5.2m，分38个区段进行施工。此外，还有5.8km长的明挖隧道段和14个地下车站。隧道开挖始于1984年3月，并与1987年6月完工。大型捷运系统于1987～1990年间逐步开始运营。后来，还延长了大型捷运系统，并修建了新的线路。这其中包括2002年2月运营的Changi延长线和2003年运营的东北线（NEL）。整个NEL线长20km，有16座车站。陆地交通局（LTA）承建的环线（CCL）将是下一个主要地下大型捷运线路。CCL线全部位于地下，全长33.3km，设28座车站，于2009年5月逐步开始运营。从环线到Marina海湾的最新延长线于2012年1月开始运营。

现在正在施工的大型捷运系统工程包括南北延长线（NSLe）和市区线（DTL）。其中市区线长42km，设34座车站。南北延长线从Marina海湾到新国际邮轮码头，预计于2014年完工。市区线的1、2、3号线的合同已经签订，预计分别于2013、2015和2017年开始运营。此外，更多的大型捷运系统线路正在规划和设计中。这其中包括Thomson线（TSL）和东区线（ERL），陆地交通局将于2012年下半年进行Thomson线施工合同招标，2012年2/3季度开始东区线的建筑和工程咨询合同招标。其他筹划中的大型捷运工程还包括环线、跨岛线、Jurong区域线和北海岸线。现在新加坡有176km地铁和122座车站。到2020年，新加坡将有280km地铁和183座车站。

3、现场勘察

3.1地质

新加坡隧道施工和地下开挖工作中遇到的地质可以大致分为4类：（a）花岗岩（中生代早期的Bukit Timah花岗岩），主要分布在新加坡中部；（b）沉积岩（中生代中期到末期的Jurong层），多位于新加坡西部和西南部；（c）老冲积层（更新世沉积层），分布于新加坡东部；（d）陆海沉积物（全新世Kallang沉积层），分布于低地、河谷和海岸区。

海洋软弱粘土中的隧道掘进检验了软弱地层中隧道掘进的局限性。在此类地层中，通常要在土层改良（比如旋喷注浆或深层水泥搅拌）后才开始隧道掘进。老冲积层中含中等密度到高密度粘土质砂，它通常会对盾构造成磨损。Jurong层包括严重褶曲的砂岩、粉砂岩和不同程度风化泥岩的夹层。在这种地层掘进时，破碎断层区内松散脆弱材料的不确定性和复杂地层的快速变化是最大的开挖难题。花岗岩中掘进时的主要问题是，隧道开挖断面范围内的地层由软弱地层和坚硬的花岗岩组成，这会引起开挖时扭矩与温度升高，盾构操作困难。

3.2现场调查数据的充分性和可靠性

对市区内和复杂地质情况下的隧道开挖与地下工程修建而言，充分的现场调查的重要性不言而喻。在工程招标开始前，就以20～50m的间距钻深约300m的钻孔进行现场调查。在施工过程中，会钻更多钻孔来收集数据。此外，施作地下连续墙时钻的探孔、储水坑或横通道施工中对地质情况的检验以及掌子面素描等都可为进一步掌握地质情况发挥作用。

获取可靠的地质数据十分困难，而判释、分析这些数据则更难。对隧道开挖具有重要影响的一个问题就是精确预测土～岩接触面。图2是土～岩接触面的例子。在设计阶段，市区和复杂地质情况下的勘探钻孔间距为85m左右。根据这些钻孔数据，判断出隧道位于岩层中。施工中，会以小于20m的间距开展进一步现场勘探。在新的钻孔数据的帮助下，判断出隧道在3个位置处于土～岩混合地层，也就是说隧道工作面部分是土，部分是岩石。这很可能会引起大的沉降。

在设计阶段更好地确定岩～土工作面的一种方法是钻更多钻孔，以获取更多数据。但是，这也有其实际局限性，因为一些钻孔在隧道施工开始前不能施作。补充钻孔数据的另一种方法是地球物理勘探。地球物理勘探是测量不同波在土层或岩层内的传播速度或电导率，不同的波属性代表不同埋深的土层和岩层，然后对勘探结果进行分析，就能间接得出岩～土接触面的位置。当然，这种勘探方法也受很多因素的影响，如交通噪音、地下管沟和检修孔等，因此，获取可靠的数据分析结果也很困难。

3.3岩土分析基线报告（GIBR）

就正在施工的市区线（DTL）工程，陆地交通局（LTA）做出了其所有地下基础工程的岩体分析基线报告。GIBR的主要目的是弄清楚陆地交通局和承包商之间就地层风险的承担比例。这种做法符合隧道开挖行业的最佳风险共享方法。而隧道掘进行业的风险管理实践标准也推荐采用类似于GIBR的报告。

承包商声称GIBR能够明确说明LTA承担的地质风险和承包商将要承担的地质风险，还能促进未知地层情况的评估。GIBR除设定岩土基线外，还设定了工程设计中LTA所需的最低要求，因此，所有承包商都可以根据这一相同基础投标。岩土基线并不等于岩土情况预测，它只是投标人用来建立工程投标价的一个简单数值基础。如果实际地质情况远比岩土基线所描述的地质情况差，承包商应得到公正补偿。建立岩土基线报告后，投标人就不需在合同总价中加入有关地质情况的风险差额。

3.4桩承载力探测

在新加坡，有许多既有桩基侵入规划隧道断面范围的实例。如果不通过变更隧道线路来避开既有桩基时，就需要在隧道开挖前切割桩基或在开挖过程中切割桩基。在一些案例中，桩基切割可由盾构完成，或通过开挖把桩基暴露出来，然后通过人工拆除桩基。

4、深埋MRT车站的开挖

4.1开挖深度

早期的MRT修建中，由于限制条件较少，可以将车站和隧道修建在相对较浅地层中。在这种情况下，一般车站的埋深为18m。随着越来越多的地下基础设施的修建，想要在较浅地层中修建车站已经不太现实。车站和隧道变得越来越深。现在新加坡最深的MRT车站是环线的Bras Basah车站。该车站位于软弱粘土层中，埋深为35m，由上到下进行开挖。

现在，Bras Basah车站的埋深记录将被DTL3的Bencoolen车站打破（图5）。Bencoolen车站将在43m多深的土层中开挖。由于车站施工现场邻近许多建筑物，LTA、设计师和承包商要克服许多困难（沉降控制、道路封闭、噪音等）来完成该工程。

4.2利用地层改良控制沉降

在不进行地层改良情况下，在软弱地层中（Kallang层和冲积砂层）进行深埋开挖很可能会出现剧烈的地层变形，这会对施工现场附近的建筑带来巨大风险（图6）。适合地层环境的地层改良设计，对软弱地层中的深埋开挖至关重要。为实现安全开挖，并把开挖对邻近建筑的影响降至最低，通常会采取许多地层改良措施来增加土层强度、降低土层的渗透性。Wen于2003年提供了LTA有关开挖和隧道掘进引起地层变形与建筑物损坏的风险评估报告。

在过去的MRT施工中，旋喷注浆是增加软弱地层强度的有效方法，且被广泛应用。旋喷桩的尺寸由注浆参数决定，且不同土层情况下旋喷桩尺寸的变化很大，比如砂层中的旋喷桩的尺寸远小于海相粘土中旋喷桩的尺寸。注浆参数的质量控制是确保旋喷桩符合设计要求的关键。在近期的Marina海岸高速公路（MEC）工程中，土层深层搅拌法被作为主要地层改良方法，广泛应用于提高海相软弱粘土的强度和硬度。与旋喷注浆相比，深层搅拌法更能确保其成桩的尺寸和质量。

在不进行地层改良的软弱粘土层中进行大深度开挖在进行地层改良的软弱粘土层中进行大深度开挖

Ras Jet是一种结合旋喷注浆与土层深层搅拌的技术，它被用于C828环线Nicoll车站的施工。这种技术能够实现更大尺寸的地层加固桩。此外，在MRT工程中还采用了多种化学注浆法来降低地层的渗透性，特别是用于冲积砂层和填海土层的改良的化学注浆（图7）。

4.3 水平旋喷注浆

将来会修建更多与既有地下建筑有接触的新地下建筑，而既有结构则成为了从地表进行地层改良的障碍。因此，需要了解现状和开发更先进的土层改良技术，包括水平旋喷注浆。图8是既有结构与计划修建线路之间有大范围接触的实例。既有南北线（NSL）的明挖隧道采用钻孔桩支护。NSL隧道顶部已修建完成两条横跨原有NSL隧道的新隧道。LTA现在又在设计两条下穿NSL隧道的新隧道。由于托换梁和新隧道将采用暗挖法施工，所以需要在原有NSL隧道下方进行地层改良。这样，就不能从地表实现注浆改良。LTA现在正在研究用水平注浆改良海相粘土的可能性。曾在日本成功应用的一种水平旋喷注浆法是全方位高压旋喷工法（MJS）。新近改进后，该技术克服了传统高压旋喷搅拌法的缺点。其最大特点是它的排浆装置，浆液可通过特别设计的三管钻杆的内管排出。此外，钻杆内还配有压力传感器来控制排浆压力。这样，既可以进行垂直旋喷加固，也可以进行水平旋喷加固。MJS可以在垂直竖井或SCL（喷射混凝土衬砌）的隧道内水平使用。由于其注浆压力高，MJS适用于标贯击数N值为70的致密砂层和砂砾层。在Cu<50kN/m2的粘土层中，MJS能够实现直径2～2.6m的旋喷桩。但是，由于没有MJS在海相粘土层中应用的经验，LTA正在考虑对MJS或其他方法进行现场试验。图

5、隧道施工方法

5.1盾构法隧道概况

在新加坡MRT第一阶段和第二阶段的隧道施工中，隧道穿越Kallang地层、Jurong地层和Bukit Timah地层。隧道采用盾构施工，且广泛采用压缩空气来稳定隧道工作面。由于地层情况、施工方法和工人技术的不同，隧道开挖引起的沉降也各不相同。例如，在海相粘土层或冲积砂层中，采用压缩空气稳定工作面的盾构开挖引起的沉降为30～100mm；采用地层改良后盾构开挖引起的沉降为100～200mm。同时采用压缩空气和地层改良情况下，地层沉降可控制在30～60mm。

在东北线（NEL）20km长的隧道中，11.5km的双洞隧道采用14台土压平衡盾构和2台敞开式盾构开挖。所有盾构都配有盾尾自动注浆设备。施工中，可通过设置在盾构上的添加剂注入口注入添加剂，以改良地层。在隧道掘进过程中，采取各种措施，以控制沉降。但是，很明显，土压平衡盾构在岩～土复合工作面掘进时不能很好地控制沉降。

在环线工程（CCL）的隧道开挖中，新加坡首次采用泥水盾构来开挖岩～土复合地层。施工中共使用了19台土压平衡盾构和8台泥水盾构。为了更好地控制开挖量，在土压平衡盾构中使用了扫描仪和皮带称重来测量开挖废渣量。现在这些装备已经成为LTA所用土压平衡盾构进行隧道开挖的标准配置。在CCL工程中，可以明显看出，在采用泥水盾构的情况下，仍可进一步减小超挖量和塌陷。虽然泥水盾构在岩～土复合地层开挖中具有更好的工作面压力维持能力，但也存在建立开挖管理系统的问题。只有良好的开挖管理系统，才能尽早提醒工人超挖情况，以防止地表塌陷。

依据这些年的隧道开挖经验，LTA为市区线不同地质情况选用了不同类型的盾构（图9）。施工中共使用了13台EPB盾构，9台泥水盾构和19台TBM。

5.2工作面压力

现在新加坡已经有相当多不同地层内隧道掘进的经验。必须依照隧道开挖引起的地层变形来评估隧道掘进效果，以确保不影响邻近的建筑物、结构物和邻近的隧道。这需要评估隧道施工引起的土体损失。在DTL3工程中，有许多隧道掘进对邻近建筑物和邻近隧道影响的重要评估，这些评估主要集中在老冲积层和Jurong地层。

5.2.1老冲积层（OA）

近期土压平衡盾构在老冲积层中的施工一致表明，在隧道掘进控制良好的情况下，土体损失率一般小于0.5%，且一直小于1%。土体损失率通常由工作面压力决定，但应一直维持合理的工作面压力，以应对不稳定地层。虽然出于设计目的可以假定0.5%的安全土体损失率，但如果最终土体损失率为1%，应进行核查。当隧道完全处于老冲积层时，在特别规范中设定0.5%的目标土体损失率是合理的。

5.2.2Jurong地层（JF）

JF沉积层的潜在变化比老冲积层更大，且其工作面压力对土体损失率影响更明显。在良好的隧道掘进控制下，特别是工作面压力，土体损失率在该地层一般小于1%。出于设计目可以假定1%的安全土体损失率，且当隧道完全处于Jurong地层时，在特别规范中设定1%的目标土体损失率是合理的。

5.2.3Kallang地层（KF）

DTL3工程的隧道完全或部分处于Kallang地层。施工经验显示，该地层的土体损失率较高，特别是在隧道拱顶部位有冲积砂层时，需要对工作面压力进行极好的控制。当隧道在完全或部分Kallang地层中掘进时，出于设计目的土体损失率应谨慎假设为3%，且在特别规范中将3%作为目标土体损失率。

5.3障碍物

在正在施工的市区线DTL1和DTL2工程中，依照工作面支护和沉降控制评估，泥水盾构和土压平衡盾构掘进基本上实现了预期的设计性能。

5.4利用TBM拆除和切削桩基

在新加坡，很多情况下既有桩基会侵入隧道断面范围内。在不能改变隧道线路避开桩基的情况下，需要在隧道开挖前移除桩基或在隧道开挖中切削桩基。切削桩基既可由盾构自行完成，也可以通过暴露工作面桩基，然后人工拆除桩基。桩基长度和位置的探测已经在3.4节探讨过了。很明显，如果要拆除或切削现在支撑既有结构的桩基，就必须用托换桩或其他方法在拆除和切削桩基前替换原有桩基。

按常规来说，为确保不中断隧道掘进，在隧道掘进前拆除所有无钢筋的钻孔桩更可取。但是，由于某些桩基不易接近，或拆除成本过高或桩基拆除可能会引起其他风险，需要在隧道掘进中通过切削移除桩基。钢桩，包括钢管桩、工字钢桩和钢板桩，需要在TBM开挖前拆除，或在隧道工作面前由人工拆除。由于大直径钢筋很容易阻塞搅拌装置，并可能造成皮带输关机阻塞，从而影响盾构掘进，因此，采用大直径钢筋加固的钢筋混凝土桩和预制钢筋混凝土桩在隧道开挖前拆除更合适。无筋钻孔桩以及小直径的钢筋混凝土钻孔桩和预制钢筋混凝土桩则可以利用TBM切削进行拆除。但是，如果桩基周围没有很好的固定桩基，那么TBM刀具切削桩基时就会出现桩基振动和摇摆，从而难以开挖。在有些施工案例中，必须先对桩基周围土层进行改良，以便隧道掘进中桩基可以固定不动。

5.5邻近重要结构物和建筑物的隧道掘进

隧道施工不可避免地会出现复杂的土层～结构物～隧道相互作用，特别是隧道邻近既有建筑物和基础设施时。Yong和Pang两人在2004年做出了NEL工程中高架桥附近隧道掘进和CCL工程中隧道下穿既有建筑物的一些案例研究报告。在NEL工程中，隧道拱背与桩基边缘的最近距离为1.6m。现场测量显示，通常高架桥桩基受隧道施工引起的地层沉降的下拉运动造成的轴向压力作用。当隧道掘进接近桥桩时，桥桩会出现明显的小弯曲。维持工作面压力和盾尾同步注浆是控制沉降、减少地层变形和下拉轴向力的关键。在CCL工程中，对既有建筑物、隧道掘进和地层性能进行了监控量测，两条隧道开挖完成后测得的最大沉降小于10mm。

5.6下沉地层中的隧道掘进

位于海滨区的Thomson线（TSL）的隧道将下穿还未完全固结的填海地层。隧道周围地层随后的持续沉降会造成隧道横断面变形，进而引起衬砌挠矩和应力。隧道横断面收敛有可能会引起和恶化隧道衬砌漏水，进而会加剧地下水渗漏，从而引起隧道周围的软弱地层发生沉降。地层沉降又会再次造成隧道衬砌破坏，从而造成衬砌漏水，形成恶性循环。

5.7隧道结构耐久性

需要重视隧道结构的耐久性，以便把运营维护的工作量降至最小。LTA设计文件中规定的隧道结构耐久性措施是从以往的工程经验中得出的。这些措施包括管片混凝土采用氯离子渗透率较低的混凝土、管片钢筋的详细设计以及将来可能需要采用的钢架的阴极防蚀保护等。

对于盾构施工的隧道，其主要耐久性问题是隧道衬砌的渗漏点和隧道衬砌表面的盐析。盐析是列车运动活塞效应造成的快速干湿循环引起的。对于隧道衬砌管片注浆和维护，我们已经做了大量努力，但运营维护的一大难题是维护工作时间短。即便管片生产和拼装质量都很高，但是在数千千米的管片接缝间依旧很容易出现纵向和径向渗漏。

5.8人与机械设备

我们从以往新加坡采用密闭式盾构开挖的隧道工程中获得了许多经验。随着许多新承包商来新加坡修建地铁扩展工程，那么将这些已有经验传授给其他承包商就十分重要。众所周知，大部分既有经验已经在合同条款中列出。虽然改进条款能协助避免在未来线路修建中出现的各种问题，但是，我们还必须强调机械设备合理操作的重要性。虽然可以对其中一些操作程序作详细说明，但大多数操作依赖于工人的经验和相互交流。很明显，施工时，工程管理组需要许多熟练、有见识的员工，施工小组则需要许多受过培训的、有经验的工人。但是，在新加坡，胜任这样要求的人力资源有限，从而就对未来10～15年更多隧道和地下工程修建带来了不少困难。新加坡的邻国也在着手修建地下公路和地下铁路等地下设施，这就使对有经验的人力资源的竞争更加激烈。

6、结论

陆地面积不足、土地价格昂贵和环保要求严格，是促使新加坡将主要基础设施建于地下的主要原因。经济、快速的施工方法有利于地下工程的修建，但是，处于软弱地层等复杂地质情况下的繁华城区的隧道工程，对建设者来说是很大的挑战。施工中既要确保安全，还要满足公众的需求，并需要减轻对邻近结构物的破坏。

新加坡政府将在未来10年左右时间内投资500亿美元来改进其交通系统。新地铁线路的修建并不简单。新地铁线路将会穿过密集居民区，既会与大量既有车站交汇，又需要综合考虑既有地铁系统和将来地铁系统的发展。地下工程开挖与隧道掘进的深度越来越大，且越来越接近既有建筑物与其他设施。这就对解决这些问题和修建更好的陆地交通系统的新方法和新技术带来了机遇。该行业的难点是研发出更精确、更有效的方法来确定岩层和桩基的深度，以便把隧道开挖风险降至最低。此外，还需要更好的地层处理技术，特别是水平或垂直钻孔技术，以改良不能从地表进行改良的地层。另外，在发展盾构技术的同时，需要同步提高盾构操作人员的技术水平。

到2020年，新加坡地铁系统将修建100多千米隧道和61座地下车站，另外新加坡还要修建260km的铁路。新加坡公路隧道工程包括正在施工的南北高速公路（NSE）线上12.3km的隧道和其他隧道以及计划中作为城市环路的80km长的新加坡地下公路系统（SURS）。除了这些工程，直径6m、长35km用于新加坡电力供应的电缆隧道工程将于今年采用18台TBM开始修建，深埋污水隧道系统（DTSS）也在准备之中。这一切都指明新加坡的地下空间将变得越来越拥挤。