吉隆坡SMART隧道工程設計與施工

肖曉春

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200032)

0 引言

吉隆坡(Kuala Lumpur)地處東南亞，位于馬來西亞Gombak河與Klang河的交匯處，屬于熱帶雨林氣候，雨量充沛，年平均降水量達到2 400 mm。城市的東、西、北三面被山脈環抱。特殊的地理位置與地形地貌使得雨季的排洪問題成為制約城市發展的瓶頸，同時經濟的快速發展致使城市交通擁堵問題日益突出。為解決上述問題，20世紀末期馬來西亞政府委托MMC－Gamuda聯營體研究相關解決方案。MMCGamuda聯營體又委托來自馬來西亞的Sepakat Setia Perunding公司和英國的Mott MacDonald咨詢公司對方案進行深入研究。2001年11月，咨詢公司在對多種方案間比選與優化的基礎上，提出一個兼具排洪與交通的多功能隧道工程(Stormwater Management And Road Tunnel簡稱SMART)解決方案［1］。該方案采用1條長9.7 km內徑11.83 m的隧道將吉隆坡城區形成的洪水繞過市中心排泄到河流的下游，同時中間3.0 km隧道段在非暴雨季節還作為公路隧道，用于連接吉隆坡市中心與南出口(Southern Gate)，以緩解市內的交通擁堵狀況［1］。

為解決城市的內澇與排洪問題，世界諸多大型城市采用大斷面隧道構建城市下水道系統，被譽為埋在地下的城市實力。如香港荔枝角雨水排放隧道、日本東京江戶川深層排水隧道、新加坡深層排水隧道、美國芝加哥合流隧道系統、墨西哥、法國巴黎和英國倫敦泰晤士等深層隧道工程。大斷面隧道用作城市地下快速路系統就更為普遍，如東京的地下快速路系統和波斯頓地下快速路系統等，但將隧道設計為集交通與排洪功能于一體的工程到目前僅有SMART隧道1例，該工程將為今后解決城市排洪與交通擁堵問題提供新思路。

針對SMART隧道的具體特點從施工技術、工期以及風險防控等方面，綜合對比分析鉆爆法、明挖法以及盾構掘進法等，最終確定主體隧道采用盾構法施工方案。整個工程采用2臺外徑13.21 m的泥水平衡盾構進行掘進施工。在當時，世界范圍內直徑大于13 m的泥水平衡盾構工程案例并不多見，而Kuala Lumpur石灰巖地層以及Karst溶洞較發育又是工程遭遇的最大風險與挑戰，整個工程的建設因此備受業界關注。隧道建設始于2003年11月25日，2007年5月14日公路隧道正式投入使用，而泄洪部分則在2007年7月底正式啟用，工程總投資約 5.14 億美元［2－3］。

1 隧道線路與運營模式

1.1 隧道線路布置

SMART工程起始于Kampung Berembang的Klang河，由北向南終止于Taman Desa的滯洪區。工程竣工后，整個防洪體系的蓄洪能力將達到300萬m3，包括位于上游的Kampung Berembang蓄洪池，蓄洪能力為60萬m3，整條SMART隧道的蓄洪能力為100萬m3，下游滯洪區為140萬m3，暴雨形成的洪峰將因此大大削弱。有無SMART工程的防洪體系對比關系見圖1。

圖1 有無SMART隧道的防洪體系對比［1］Fig.1 Flood control systems with/without SMART

根據對Gombak與Klang河流域的長系列歷史水文資料分析，結果表明將內徑為11.8 m的隧道用于滿流泄洪的使用效率較低，也就是說一年內絕大部分時間隧道將處于閑置狀態，這樣勢必導致投資利用率不高。鑒于隧道線路所經過區域的交通日趨擁堵，提出將中間的3 km隧道在不過洪水的情況下用作公路隧道，以緩解吉隆坡市中心通往吉隆坡南出口(Southern Gate)的交通擁堵情況。SMART隧道的線路布置見圖2。

圖2 SMART工程路線與總體布置［2］Fig.2 Plan of SMART project

1.2 隧道運營模式

根據設計，SMART 將按3 種模式運營［2－3］，如圖3所示。

1)模式1。無暴風雨或低降水量情況，沒有洪水分流到該系統中，泄洪隧道處于無水狀態，公路隧道正常對外開放，見圖3(a);

2)模式2。在中等洪水情況，即上游Klang/Ampang交匯處的L4雨洪流量站測得流量達到70～150 m3/s，通過原有的泄洪設施排泄的流量控制在50 m3/s以內，超出的部分則需通過SMART隧道泄洪，但公路隧道區段僅限于隧道的底部空間用于泄洪。公路隧道正常對外開放，見圖3(b);

3)模式3。大暴雨、特大暴雨情況下，即上游Klang/Ampang交匯處的L4流量站測得流量超過150 m3/s，公路隧道關閉交通，隧道內的車輛和人員全部撤離，隧道全斷面泄洪，見圖3(c)。

對模式3而言，在隧道接到泄洪通知后45 min內，隧道內的所有車輛及相關人員必須完成撤離，每次過洪后重新恢復道路交通需要52 h。對于3 km的公路隧道區間，由于隧道需要在干濕2種環境中運營，因此隧道內的照明設備及CCTV系統均按IP68設計，即可以被水淹沒。隧道的應急電話系統設計為可快速更換類型。設計最大洪峰泄洪時流速為4.7 m/s，所有的機電設備及指示牌盡可能按流線型設計，且設備安裝應有足夠的剛度與強度。

工程按百年一遇的暴雨標準設計。依此標準，一年內絕大部分時間SMART都將按模式1運行，可能會有7～10次按模式2運行，而按模式3運行的頻率為每年1次甚至幾年1次。

圖3 SMART隧道的運營模式及蓄洪能力分配情況［3］Fig.3 Operation modes and flood storage of SMART

2 隧道地質情況與施工方法比選

2.1 隧道地質情況

地質調查結果表明，SMART隧道所經歷的地層主要是Kuala Lumpur石灰巖(簡稱“KL石灰巖”)，這種地層將是工程面臨的巨大挑戰，隧道縱斷面見圖4(a)。

KL石灰巖90%以上的成分為方解石，具有典型的Karst地層特征:

1)石灰巖地層出露地面形成陡峭絕壁或深切峽谷，見圖4(b);

2)長期的水溶作用形成溶洞，溶洞大小可以與隧道掘進機的尺寸相當;

3)溶洞往往與地下水相聯系，隧道施工過程中的降水活動可能給周邊建(構)筑物帶來風險;

4)在歷史上地層出現塌陷的地方往往被松軟土層充填，這種松軟而不密實的充填物對盾構的掘進施工將存在極大風險;

5)施工降水可能引發新的地層塌陷。

圖4 SMART隧道地質斷面Fig.4 Geological conditions of SMART

從施工的角度來看，最為關鍵的就是巖層的起伏變化以及遭遇大型溶洞。為了準確地確定巖層的起伏變化情況，在2001年利用Mackintosh探鉆打了1 072個地質探孔。另外，為了解溶洞及上臥層疏松土的松軟程度及低密度情況，對2個分岔井間的隧道段，按平行于隧道軸線布置5條線路進行微重力試驗。試驗結果大致給出了巖石露頭的最低點以及大溶洞存在的區域范圍。然后又在這些區段進行地質鉆孔補測，結果表明微重力試驗的結果能大致給出巖層露頭的定性而非定量結果。在施工初期又采用電阻物探法進行地層測探，以便獲得更多的地層信息。

2.2 施工方法比選

基于沿線的地質條件，對明挖法、新奧法以及盾構法等幾種常用隧道施工方法進行綜合比選，為了減少施工風險以及施工對周邊環境的擾動，最終推薦采用盾構施工的方案。在盾構的類型(EPB或泥水平衡)比選方面，一方面泥水盾構較EPB能更好地適應復合地層，而且當時超大斷面的泥水平衡盾構已有多個成功案例，而直徑大于13 m的土壓盾構工程還沒有先例，因此最終選定2臺泥水平衡盾構進行施工。由于水力條件要求，隧道仰拱的標高不能變動，因此隧道掘進施工將不可避免地遭遇軟硬并存的復合地層。

3 SMART隧道設計

3.1 結構設計

根據隧道排洪與公路交通多功能的需要，與常規的交通隧道或泄洪隧道相比，沿線的結構布置、隧道的斷面形式以及整條隧道的防災減災系統均需要有特殊的考慮和安排。在3 km公路隧道的南、北兩端各設1座分岔井，作為車輛出入口與洪水入口的分叉點。公路隧道的出入口分別設在Kampong Pandan環形岔路口和KL/Seremban高速公路的立交處與既有線路銜接。2個分岔井還兼作公路隧道的通風井與隧道泄洪的調壓井。另外，3 km段交通隧道每隔1 km布設1座中間風井。作為防災措施之一，每250 m左右設1座聯絡通道連接上下層隧道。SMART隧道沿線的結構布置情況見圖5。

圖5 隧道沿線的結構布置示意圖Fig.5 Structures along SMART

SMART主體隧道采用盾構法掘進施工，隧道結構采用管片襯砌。綜合考慮隧道的泄洪能力以及公路隧道的布置需要，隧道內徑設為11.83 m。管片設計除了要平衡襯砌厚度與含鋼量間的關系外，還考慮管片的正常處置狀態(如拼裝、翻身等)的受力情況、在高強度石灰巖層中掘進時千斤頂反力集中對管片的作用以及在松軟地層中管片的受扭不利工況等。管片采用C50混凝土，厚度為500 mm，含鋼量為90 kg/m3。管片環寬為1.7 m，1環包括9塊管片，即6塊標準塊、2塊臨塊和1塊封頂塊，每塊標準塊的質量為10.3 t，1環的總質量為82 t。管片的環向和縱向均采用M25高強度螺栓連接。根據隧道線路布置，最小轉彎半徑僅250 m，管片最大楔形量為110 mm。管片不設直線環，直線環由左曲環和右曲環交替拼裝而成。

中間3.0 km公路段，采用雙層結構布置，由2道橫隔板將隧道分成3部分空間，上部為向南的車道，中間空間為向北的車道。底部的空間用于運營模式2和模式3情況下泄洪。每層各提供3個車道，包括2個寬3.35 m的正常車道和1個應急車道。受空間限制，隧道內只能通過高度不超過2.55 m的小型車輛。隧道內的設計限速為60 km/h，實際顯示的限速為50 km/h。隧道的內部結構布置見圖6。

3.2 防水設計

對SMART隧道工程而言，由于兼具排洪和公路交通的雙重功能，因此對隧道的防水設計也提出了特殊要求，內部結構的防水要求較常規交通隧道要高得多。盾構隧道管片的防水通過在管片上預留密封溝槽安裝EPDM橡膠密封實現，最大壓力水頭按32 m考慮。

圖6 SMART內部結構布置Fig.6 Inner structure of SMART

中間3 km的公路隧道段在運營模式2情況下，底部的空間水流按有壓流考慮，而中部和上部均為無水環境下的公路交通，因此必須要防止水從底部滲漏到中上部空間，這是SMART隧道防水設計的關鍵與難點所在。為了最大限度減少水從底部滲漏到下隔板，所有施工縫的鋼筋都全部連通，并在接縫處預留壓漿管。隔板和豎墻的配筋要足夠，以防止混凝土施工的早期裂縫。在C40混凝土配合比設計中選用低水化熱的PFA水泥，混凝土澆筑的溫度嚴格限制在60℃以內，對澆筑的隔板采取蓄水養護。為防止水通過管片環縫滲入上隔板，在環縫處設“T”形止水帶。另外，在隧道管片襯砌與內襯之間預留壓漿管。SMART隧道的防水體系見圖7。

圖7 SMART結構防水體系Fig.7 Structural waterproofing measures of SMART

3.3 防災減災設計

SMART隧道工程設計開始于2001年，恰逢歐洲勃朗峰隧道火災(1999年)和阿爾卑斯山隧道火災(2000年)不久，因此公路隧道的防災減災設計尤為受到關注，為此咨詢公司專門開展了火災的數值模擬分析。假定隧道的下層道路發生2～3輛小汽車相撞產生10 MW的大火燃燒60 min。采用一維數值模擬分析了中間隔板底部的導熱情況，通過分析不同深度混凝土結構的溫度來推測混凝土剝落的情況。分析結果表明大火情況下混凝土剝落現象僅限于30 mm深度范圍，混凝土內部的鋼筋不致發生軟化現象。

另外，作為防災減災措施的通風系統也十分重要。3 km長的公路隧道按1 km間隔共設4座風井，每座風井安裝8套通風扇和增壓風扇為上下層交通隧道供風，增壓風扇主要作用是阻止火災情況下煙霧進入聯絡通道，隧道通風模型見圖8。在隧道的出入口設置軸流式風機進行新風補充。通風系統的操作系統與隧道SCAVADA系統相連。用于監測隧道內CO濃度與可視度的儀器安裝在聯絡通道附近，整個通風系統根據監測的結果自動調節風量與風速。

圖8 SMART隧道公路段通風模式Fig.8 Ventilation mode of SMART

3 km公路隧道沿線每250～300 m間隔設聯絡通道用于連接上層與下層隧道，具體位置則根據具體地質情況與施工條件確定。一旦發生火災，在無事故的隧道層則供增壓風，以阻止煙霧進入非事故隧道。電氣開關房布置在聯絡通道的中間，見圖9。在聯絡通道與隧道的連接處設水密門，確保泄洪期間水不進入聯絡通道。根據地質條件的不同，聯絡通道采用馬蹄形開挖斷面+現澆混凝土襯砌和橢圓形開挖斷面+噴射混凝土襯砌2種形式。

3.4 洪水監測與預警系統

由于SMART工程主要的功能是泄洪，并且還要實現泄洪與公路交通不同運營模式之間的轉換，因此洪水的監測與預報系統(Flood Detection System簡稱FDS)必不可少。該系統除了為公路隧道區間不同運營模式間的轉換提供水情預報外，還對SMART工程中各個子系統運營狀態進行監測與預警。這些系統包括通信系統、預警系統、隧道內安設的傳感器、公路隧道出入口的水密門以及蓄洪池的閘門等。更重要的是在公路隧道按模式2或模式3運行時，該系統將為SMART工程中控室和交通管理中心提供實時完整的信息。

圖9 SMART隧道聯絡通道Fig.9 Connection passage of SMART

洪水監測系統安裝在SMART工程中控室，包括7個子系統:

1)產流區域監測系統。28個遙感水文站，對河流與產流區域的流量進行實時監測，為FDS系統模型提供輸入;

2)預報模型系統。帶有自動模擬與數據信息處置能力的水文與水動力學模型，可以對所選的地點進行長達2 h的流量過程預報;

3)預警系統。設置在關鍵位置的警報站;

4)監測與控制系統。對各子系統信息進行整合與智能管理的軟件系統;

5)CCTV系統。設置在重要位置的攝像頭和照相機等，以便對現場進行實時監督;

6)SCADA系統。包括FDS與MCC系統的界面，用以SMART系統信息發布與傳播的SCX系統;

7)無線與光纖通訊系統。包括無線網絡、電話以及光纖通訊系統等。

4 主體隧道工程施工情況

4.1 盾構設備選型

針對地下水位高、復合地層以及Karst地層特點，盾構選型的準則與依據如下:1)馬來西亞土地(包括地下)屬于私有財產，根據土地征用的具體要求，隧道的線路盡可能落在地面公路的土地使用范圍內，盾構設備必須滿足最小半徑250 m的急轉彎情況;2)覆土厚度范圍10～20 m，因此盾構設備必須滿足淺覆土施工的工況條件;3)為提供開挖面正面平衡精度，防止施工過程中開挖面前方坍塌，盾構采用泥水－氣平衡系統;4)盾構絕大部分都是在石灰巖中進行掘進，部分區域會遭遇溶洞或巖石露頭的突變等情況，盾構必須具備在復合地層中掘進施工的能力。經綜合比選，SMART隧道采用2臺外徑13.21 m的泥水平衡盾構進行施工，見圖10。

圖10 SMART隧道采用的泥水平衡盾構Fig.10 Slurry shields used for SMART

所采用盾構由德國Herrenknecht公司提供，第1臺在合同簽訂后12個月供貨，第2臺的到貨時間滯后2個月。刀盤的配置必須滿足在復合地層掘進的需要，值得一提的是盾構采用了球形主軸承，這樣允許刀盤與主軸承間以小于90°的夾角進行切削以滿足急曲線轉彎的超挖需要，同時也減小了作用在隧道管片上千斤頂的行程差，這樣可以實現最大的超挖量達到400 mm。這一特性還可以滿足在巖石地層條件下，將刀盤縮回為查刀與換刀提供一定空間。為滿足不間斷地進行氣壓條件下對刀盤上的刀具進行更換，盾構配備了2個氣閘室和1個小一些的材料閘室。盾構還配備了2套超前鉆探設備和1套振動探測系統以供對開挖面前方的地層進行超前探測。以盾構TUAH為例，盾構的主要技術參數指標見表1。

表1 盾構TUAH的關鍵指標參數Table 1 Key parameters of Shield TUAH

4.2 隧道主體施工情況

隧道的掘進施工始于2003年11月25日。采用2臺直徑13.2 m的泥水平衡盾構從北側風井始發朝相反的2個方向始發掘進，盾構TUAH用于北側隧道掘進施工，盾構GEMILANG則朝南掘進。盾構TUAH于2004年6月從北側風井始發，經過24周的掘進，于2004年11月，到達北側分岔井，共掘進了737 m。2005年1月底，盾構TUAH從北側分岔井重新始發開始第2段區間隧道的掘進施工，掘進的長度為4 550 m。SMART北側盾構隧道的部分參數見表2。盾構裝備安裝與施工過程的圖片見圖11。

表2 SMART北側盾構TUAH掘進的隧道部分參數Table 2 Parameters of tunneling by Shield TUAH

圖11 盾構進入接收井Fig.11 Shield in arriving shaft

工程經過多次延誤后，公路隧道段于2007年5月14日下午3:00正式通車，而泄洪隧道段最終于2007年7月底竣工。就在公路隧道通車后的幾個星期內，隧道就進入運營模式3泄洪。截至2010年7月18日，SMART系統對7次災難性的暴雨洪水成功實施分流，從而使吉隆坡市中心免遭內澇之災。

4.3 施工的主要挑戰與應對策略

盾構掘進施工中潛在的風險與挑戰主要包括:地層沉降或坍塌、Karst溶洞或坑穴以及泥水逃逸導致地表坍塌隆起、開挖面坍塌和泥水溢出地面等。為了防止所述風險并盡量減少泥水損失，施工中采用了一系列的技術措施與方法:1)針對溶洞的位置、大小、地層特點等信息，基于Mohkam模型對開挖面的平衡壓力進行計算分析;2)根據地層特點將掘進分為均質地層中掘進、復合地層(掘進斷面中含巖石和沉積土)中掘進、交界面中掘進以及在Karst溶洞中掘進等工況，針對不同的工況條件制定相應的盾構掘進施工參數體系;3)對地表沉降進行實時監測，通過監測數據及時反饋給盾構操作人員以降低地表隆沉與冒漿的風險。

施工中采用的一些其他措施還包括:1)根據不同的地層情況及泥漿的損失情況及時調整泥漿的組成成分并補充泥漿量;2)在敏感環境區域采用補償注漿、壓密注漿和巖石裂隙注漿3種方法從地表對開挖面前方地層進行注漿加固。根據不同的具體情況選擇不同的注漿方法與漿液配比。當地面不具備條件時，也可以從盾構內部進行注漿加固。

5 結論與討論

針對吉隆坡城市發展所遇到的雨季內澇與城市交通擁堵等突出問題，提出一個同時解決城市泄洪與交通擁堵的集約化方案——SMART隧道工程方案。

1)SMART隧道工程主體采用一條長9.7 km內徑11.83 m的隧道將吉隆坡城區的洪水繞過市中心排泄到河流的下游，并為整個防洪系統增加100萬m3的蓄洪能力。同時，中間3.0 km隧道段在非雨季還可作為公路隧道以緩解市內的交通擁堵狀況。

2)根據暴雨與洪水規模的不同，隧道將按3種模式運行。其中一年大部分時間按模式1(即無水情況下)運行，在模式1和2下公路隧道將對外開放，在模式3下公路隧道將全斷面泄洪。

3)隧道主體穿越具有Karst溶洞的石灰巖地層，巖層的起伏變化以及可能遭遇大型溶洞是整個工程施工的最大風險與挑戰。針對隧道多功能特性及地層復雜的特點，在工程設計與施工中采取了針對性的技術方案與措施，工程實踐證明行之有效。

［1］ Y Bhg，Datukr Ir，Haji Keizrui bin Abdulah.Kuala Lumpur:Re-engineering a flooded confluence［C］//The 14th Professor Chin Fung Kee Memorial Lecture.Kuala Lumpur:2004.

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［3］ Dato’Ir，K J Abraham.Overview of the SMART tunnel［C］//The 13th Pacific Association of Quantity Survey Congress.PAQS:2009.

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