吉隆坡SMART隧道工程设计与施工

肖晓春

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200032)

0 引言

吉隆坡(Kuala Lumpur)地处东南亚，位于马来西亚Gombak河与Klang河的交汇处，属于热带雨林气候，雨量充沛，年平均降水量达到2 400 mm。城市的东、西、北三面被山脉环抱。特殊的地理位置与地形地貌使得雨季的排洪问题成为制约城市发展的瓶颈，同时经济的快速发展致使城市交通拥堵问题日益突出。为解决上述问题，20世纪末期马来西亚政府委托MMC－Gamuda联营体研究相关解决方案。MMCGamuda联营体又委托来自马来西亚的Sepakat Setia Perunding公司和英国的Mott MacDonald咨询公司对方案进行深入研究。2001年11月，咨询公司在对多种方案间比选与优化的基础上，提出一个兼具排洪与交通的多功能隧道工程(Stormwater Management And Road Tunnel简称SMART)解决方案［1］。该方案采用1条长9.7 km内径11.83 m的隧道将吉隆坡城区形成的洪水绕过市中心排泄到河流的下游，同时中间3.0 km隧道段在非暴雨季节还作为公路隧道，用于连接吉隆坡市中心与南出口(Southern Gate)，以缓解市内的交通拥堵状况［1］。

为解决城市的内涝与排洪问题，世界诸多大型城市采用大断面隧道构建城市下水道系统，被誉为埋在地下的城市实力。如香港荔枝角雨水排放隧道、日本东京江户川深层排水隧道、新加坡深层排水隧道、美国芝加哥合流隧道系统、墨西哥、法国巴黎和英国伦敦泰晤士等深层隧道工程。大断面隧道用作城市地下快速路系统就更为普遍，如东京的地下快速路系统和波斯顿地下快速路系统等，但将隧道设计为集交通与排洪功能于一体的工程到目前仅有SMART隧道1例，该工程将为今后解决城市排洪与交通拥堵问题提供新思路。

针对SMART隧道的具体特点从施工技术、工期以及风险防控等方面，综合对比分析钻爆法、明挖法以及盾构掘进法等，最终确定主体隧道采用盾构法施工方案。整个工程采用2台外径13.21 m的泥水平衡盾构进行掘进施工。在当时，世界范围内直径大于13 m的泥水平衡盾构工程案例并不多见，而Kuala Lumpur石灰岩地层以及Karst溶洞较发育又是工程遭遇的最大风险与挑战，整个工程的建设因此备受业界关注。隧道建设始于2003年11月25日，2007年5月14日公路隧道正式投入使用，而泄洪部分则在2007年7月底正式启用，工程总投资约 5.14 亿美元［2－3］。

1 隧道线路与运营模式

1.1 隧道线路布置

SMART工程起始于Kampung Berembang的Klang河，由北向南终止于Taman Desa的滞洪区。工程竣工后，整个防洪体系的蓄洪能力将达到300万m3，包括位于上游的Kampung Berembang蓄洪池，蓄洪能力为60万m3，整条SMART隧道的蓄洪能力为100万m3，下游滞洪区为140万m3，暴雨形成的洪峰将因此大大削弱。有无SMART工程的防洪体系对比关系见图1。

图1 有无SMART隧道的防洪体系对比［1］Fig.1 Flood control systems with/without SMART

根据对Gombak与Klang河流域的长系列历史水文资料分析，结果表明将内径为11.8 m的隧道用于满流泄洪的使用效率较低，也就是说一年内绝大部分时间隧道将处于闲置状态，这样势必导致投资利用率不高。鉴于隧道线路所经过区域的交通日趋拥堵，提出将中间的3 km隧道在不过洪水的情况下用作公路隧道，以缓解吉隆坡市中心通往吉隆坡南出口(Southern Gate)的交通拥堵情况。SMART隧道的线路布置见图2。

图2 SMART工程路线与总体布置［2］Fig.2 Plan of SMART project

1.2 隧道运营模式

根据设计，SMART 将按3 种模式运营［2－3］，如图3所示。

1)模式1。无暴风雨或低降水量情况，没有洪水分流到该系统中，泄洪隧道处于无水状态，公路隧道正常对外开放，见图3(a);

2)模式2。在中等洪水情况，即上游Klang/Ampang交汇处的L4雨洪流量站测得流量达到70～150 m3/s，通过原有的泄洪设施排泄的流量控制在50 m3/s以内，超出的部分则需通过SMART隧道泄洪，但公路隧道区段仅限于隧道的底部空间用于泄洪。公路隧道正常对外开放，见图3(b);

3)模式3。大暴雨、特大暴雨情况下，即上游Klang/Ampang交汇处的L4流量站测得流量超过150 m3/s，公路隧道关闭交通，隧道内的车辆和人员全部撤离，隧道全断面泄洪，见图3(c)。

对模式3而言，在隧道接到泄洪通知后45 min内，隧道内的所有车辆及相关人员必须完成撤离，每次过洪后重新恢复道路交通需要52 h。对于3 km的公路隧道区间，由于隧道需要在干湿2种环境中运营，因此隧道内的照明设备及CCTV系统均按IP68设计，即可以被水淹没。隧道的应急电话系统设计为可快速更换类型。设计最大洪峰泄洪时流速为4.7 m/s，所有的机电设备及指示牌尽可能按流线型设计，且设备安装应有足够的刚度与强度。

工程按百年一遇的暴雨标准设计。依此标准，一年内绝大部分时间SMART都将按模式1运行，可能会有7～10次按模式2运行，而按模式3运行的频率为每年1次甚至几年1次。

图3 SMART隧道的运营模式及蓄洪能力分配情况［3］Fig.3 Operation modes and flood storage of SMART

2 隧道地质情况与施工方法比选

2.1 隧道地质情况

地质调查结果表明，SMART隧道所经历的地层主要是Kuala Lumpur石灰岩(简称“KL石灰岩”)，这种地层将是工程面临的巨大挑战，隧道纵断面见图4(a)。

KL石灰岩90%以上的成分为方解石，具有典型的Karst地层特征:

1)石灰岩地层出露地面形成陡峭绝壁或深切峡谷，见图4(b);

2)长期的水溶作用形成溶洞，溶洞大小可以与隧道掘进机的尺寸相当;

3)溶洞往往与地下水相联系，隧道施工过程中的降水活动可能给周边建(构)筑物带来风险;

4)在历史上地层出现塌陷的地方往往被松软土层充填，这种松软而不密实的充填物对盾构的掘进施工将存在极大风险;

5)施工降水可能引发新的地层塌陷。

图4 SMART隧道地质断面Fig.4 Geological conditions of SMART

从施工的角度来看，最为关键的就是岩层的起伏变化以及遭遇大型溶洞。为了准确地确定岩层的起伏变化情况，在2001年利用Mackintosh探钻打了1 072个地质探孔。另外，为了解溶洞及上卧层疏松土的松软程度及低密度情况，对2个分岔井间的隧道段，按平行于隧道轴线布置5条线路进行微重力试验。试验结果大致给出了岩石露头的最低点以及大溶洞存在的区域范围。然后又在这些区段进行地质钻孔补测，结果表明微重力试验的结果能大致给出岩层露头的定性而非定量结果。在施工初期又采用电阻物探法进行地层测探，以便获得更多的地层信息。

2.2 施工方法比选

基于沿线的地质条件，对明挖法、新奥法以及盾构法等几种常用隧道施工方法进行综合比选，为了减少施工风险以及施工对周边环境的扰动，最终推荐采用盾构施工的方案。在盾构的类型(EPB或泥水平衡)比选方面，一方面泥水盾构较EPB能更好地适应复合地层，而且当时超大断面的泥水平衡盾构已有多个成功案例，而直径大于13 m的土压盾构工程还没有先例，因此最终选定2台泥水平衡盾构进行施工。由于水力条件要求，隧道仰拱的标高不能变动，因此隧道掘进施工将不可避免地遭遇软硬并存的复合地层。

3 SMART隧道设计

3.1 结构设计

根据隧道排洪与公路交通多功能的需要，与常规的交通隧道或泄洪隧道相比，沿线的结构布置、隧道的断面形式以及整条隧道的防灾减灾系统均需要有特殊的考虑和安排。在3 km公路隧道的南、北两端各设1座分岔井，作为车辆出入口与洪水入口的分叉点。公路隧道的出入口分别设在Kampong Pandan环形岔路口和KL/Seremban高速公路的立交处与既有线路衔接。2个分岔井还兼作公路隧道的通风井与隧道泄洪的调压井。另外，3 km段交通隧道每隔1 km布设1座中间风井。作为防灾措施之一，每250 m左右设1座联络通道连接上下层隧道。SMART隧道沿线的结构布置情况见图5。

图5 隧道沿线的结构布置示意图Fig.5 Structures along SMART

SMART主体隧道采用盾构法掘进施工，隧道结构采用管片衬砌。综合考虑隧道的泄洪能力以及公路隧道的布置需要，隧道内径设为11.83 m。管片设计除了要平衡衬砌厚度与含钢量间的关系外，还考虑管片的正常处置状态(如拼装、翻身等)的受力情况、在高强度石灰岩层中掘进时千斤顶反力集中对管片的作用以及在松软地层中管片的受扭不利工况等。管片采用C50混凝土，厚度为500 mm，含钢量为90 kg/m3。管片环宽为1.7 m，1环包括9块管片，即6块标准块、2块临块和1块封顶块，每块标准块的质量为10.3 t，1环的总质量为82 t。管片的环向和纵向均采用M25高强度螺栓连接。根据隧道线路布置，最小转弯半径仅250 m，管片最大楔形量为110 mm。管片不设直线环，直线环由左曲环和右曲环交替拼装而成。

中间3.0 km公路段，采用双层结构布置，由2道横隔板将隧道分成3部分空间，上部为向南的车道，中间空间为向北的车道。底部的空间用于运营模式2和模式3情况下泄洪。每层各提供3个车道，包括2个宽3.35 m的正常车道和1个应急车道。受空间限制，隧道内只能通过高度不超过2.55 m的小型车辆。隧道内的设计限速为60 km/h，实际显示的限速为50 km/h。隧道的内部结构布置见图6。

3.2 防水设计

对SMART隧道工程而言，由于兼具排洪和公路交通的双重功能，因此对隧道的防水设计也提出了特殊要求，内部结构的防水要求较常规交通隧道要高得多。盾构隧道管片的防水通过在管片上预留密封沟槽安装EPDM橡胶密封实现，最大压力水头按32 m考虑。

图6 SMART内部结构布置Fig.6 Inner structure of SMART

中间3 km的公路隧道段在运营模式2情况下，底部的空间水流按有压流考虑，而中部和上部均为无水环境下的公路交通，因此必须要防止水从底部渗漏到中上部空间，这是SMART隧道防水设计的关键与难点所在。为了最大限度减少水从底部渗漏到下隔板，所有施工缝的钢筋都全部连通，并在接缝处预留压浆管。隔板和竖墙的配筋要足够，以防止混凝土施工的早期裂缝。在C40混凝土配合比设计中选用低水化热的PFA水泥，混凝土浇筑的温度严格限制在60℃以内，对浇筑的隔板采取蓄水养护。为防止水通过管片环缝渗入上隔板，在环缝处设“T”形止水带。另外，在隧道管片衬砌与内衬之间预留压浆管。SMART隧道的防水体系见图7。

图7 SMART结构防水体系Fig.7 Structural waterproofing measures of SMART

3.3 防灾减灾设计

SMART隧道工程设计开始于2001年，恰逢欧洲勃朗峰隧道火灾(1999年)和阿尔卑斯山隧道火灾(2000年)不久，因此公路隧道的防灾减灾设计尤为受到关注，为此咨询公司专门开展了火灾的数值模拟分析。假定隧道的下层道路发生2～3辆小汽车相撞产生10 MW的大火燃烧60 min。采用一维数值模拟分析了中间隔板底部的导热情况，通过分析不同深度混凝土结构的温度来推测混凝土剥落的情况。分析结果表明大火情况下混凝土剥落现象仅限于30 mm深度范围，混凝土内部的钢筋不致发生软化现象。

另外，作为防灾减灾措施的通风系统也十分重要。3 km长的公路隧道按1 km间隔共设4座风井，每座风井安装8套通风扇和增压风扇为上下层交通隧道供风，增压风扇主要作用是阻止火灾情况下烟雾进入联络通道，隧道通风模型见图8。在隧道的出入口设置轴流式风机进行新风补充。通风系统的操作系统与隧道SCAVADA系统相连。用于监测隧道内CO浓度与可视度的仪器安装在联络通道附近，整个通风系统根据监测的结果自动调节风量与风速。

图8 SMART隧道公路段通风模式Fig.8 Ventilation mode of SMART

3 km公路隧道沿线每250～300 m间隔设联络通道用于连接上层与下层隧道，具体位置则根据具体地质情况与施工条件确定。一旦发生火灾，在无事故的隧道层则供增压风，以阻止烟雾进入非事故隧道。电气开关房布置在联络通道的中间，见图9。在联络通道与隧道的连接处设水密门，确保泄洪期间水不进入联络通道。根据地质条件的不同，联络通道采用马蹄形开挖断面+现浇混凝土衬砌和椭圆形开挖断面+喷射混凝土衬砌2种形式。

3.4 洪水监测与预警系统

由于SMART工程主要的功能是泄洪，并且还要实现泄洪与公路交通不同运营模式之间的转换，因此洪水的监测与预报系统(Flood Detection System简称FDS)必不可少。该系统除了为公路隧道区间不同运营模式间的转换提供水情预报外，还对SMART工程中各个子系统运营状态进行监测与预警。这些系统包括通信系统、预警系统、隧道内安设的传感器、公路隧道出入口的水密门以及蓄洪池的闸门等。更重要的是在公路隧道按模式2或模式3运行时，该系统将为SMART工程中控室和交通管理中心提供实时完整的信息。

图9 SMART隧道联络通道Fig.9 Connection passage of SMART

洪水监测系统安装在SMART工程中控室，包括7个子系统:

1)产流区域监测系统。28个遥感水文站，对河流与产流区域的流量进行实时监测，为FDS系统模型提供输入;

2)预报模型系统。带有自动模拟与数据信息处置能力的水文与水动力学模型，可以对所选的地点进行长达2 h的流量过程预报;

3)预警系统。设置在关键位置的警报站;

4)监测与控制系统。对各子系统信息进行整合与智能管理的软件系统;

5)CCTV系统。设置在重要位置的摄像头和照相机等，以便对现场进行实时监督;

6)SCADA系统。包括FDS与MCC系统的界面，用以SMART系统信息发布与传播的SCX系统;

7)无线与光纤通讯系统。包括无线网络、电话以及光纤通讯系统等。

4 主体隧道工程施工情况

4.1 盾构设备选型

针对地下水位高、复合地层以及Karst地层特点，盾构选型的准则与依据如下:1)马来西亚土地(包括地下)属于私有财产，根据土地征用的具体要求，隧道的线路尽可能落在地面公路的土地使用范围内，盾构设备必须满足最小半径250 m的急转弯情况;2)覆土厚度范围10～20 m，因此盾构设备必须满足浅覆土施工的工况条件;3)为提供开挖面正面平衡精度，防止施工过程中开挖面前方坍塌，盾构采用泥水－气平衡系统;4)盾构绝大部分都是在石灰岩中进行掘进，部分区域会遭遇溶洞或岩石露头的突变等情况，盾构必须具备在复合地层中掘进施工的能力。经综合比选，SMART隧道采用2台外径13.21 m的泥水平衡盾构进行施工，见图10。

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

所采用盾构由德国Herrenknecht公司提供，第1台在合同签订后12个月供货，第2台的到货时间滞后2个月。刀盘的配置必须满足在复合地层掘进的需要，值得一提的是盾构采用了球形主轴承，这样允许刀盘与主轴承间以小于90°的夹角进行切削以满足急曲线转弯的超挖需要，同时也减小了作用在隧道管片上千斤顶的行程差，这样可以实现最大的超挖量达到400 mm。这一特性还可以满足在岩石地层条件下，将刀盘缩回为查刀与换刀提供一定空间。为满足不间断地进行气压条件下对刀盘上的刀具进行更换，盾构配备了2个气闸室和1个小一些的材料闸室。盾构还配备了2套超前钻探设备和1套振动探测系统以供对开挖面前方的地层进行超前探测。以盾构TUAH为例，盾构的主要技术参数指标见表1。

表1 盾构TUAH的关键指标参数Table 1 Key parameters of Shield TUAH

4.2 隧道主体施工情况

隧道的掘进施工始于2003年11月25日。采用2台直径13.2 m的泥水平衡盾构从北侧风井始发朝相反的2个方向始发掘进，盾构TUAH用于北侧隧道掘进施工，盾构GEMILANG则朝南掘进。盾构TUAH于2004年6月从北侧风井始发，经过24周的掘进，于2004年11月，到达北侧分岔井，共掘进了737 m。2005年1月底，盾构TUAH从北侧分岔井重新始发开始第2段区间隧道的掘进施工，掘进的长度为4 550 m。SMART北侧盾构隧道的部分参数见表2。盾构装备安装与施工过程的图片见图11。

表2 SMART北侧盾构TUAH掘进的隧道部分参数Table 2 Parameters of tunneling by Shield TUAH

图11 盾构进入接收井Fig.11 Shield in arriving shaft

工程经过多次延误后，公路隧道段于2007年5月14日下午3:00正式通车，而泄洪隧道段最终于2007年7月底竣工。就在公路隧道通车后的几个星期内，隧道就进入运营模式3泄洪。截至2010年7月18日，SMART系统对7次灾难性的暴雨洪水成功实施分流，从而使吉隆坡市中心免遭内涝之灾。

4.3 施工的主要挑战与应对策略

盾构掘进施工中潜在的风险与挑战主要包括:地层沉降或坍塌、Karst溶洞或坑穴以及泥水逃逸导致地表坍塌隆起、开挖面坍塌和泥水溢出地面等。为了防止所述风险并尽量减少泥水损失，施工中采用了一系列的技术措施与方法:1)针对溶洞的位置、大小、地层特点等信息，基于Mohkam模型对开挖面的平衡压力进行计算分析;2)根据地层特点将掘进分为均质地层中掘进、复合地层(掘进断面中含岩石和沉积土)中掘进、交界面中掘进以及在Karst溶洞中掘进等工况，针对不同的工况条件制定相应的盾构掘进施工参数体系;3)对地表沉降进行实时监测，通过监测数据及时反馈给盾构操作人员以降低地表隆沉与冒浆的风险。

施工中采用的一些其他措施还包括:1)根据不同的地层情况及泥浆的损失情况及时调整泥浆的组成成分并补充泥浆量;2)在敏感环境区域采用补偿注浆、压密注浆和岩石裂隙注浆3种方法从地表对开挖面前方地层进行注浆加固。根据不同的具体情况选择不同的注浆方法与浆液配比。当地面不具备条件时，也可以从盾构内部进行注浆加固。

5 结论与讨论

针对吉隆坡城市发展所遇到的雨季内涝与城市交通拥堵等突出问题，提出一个同时解决城市泄洪与交通拥堵的集约化方案——SMART隧道工程方案。

1)SMART隧道工程主体采用一条长9.7 km内径11.83 m的隧道将吉隆坡城区的洪水绕过市中心排泄到河流的下游，并为整个防洪系统增加100万m3的蓄洪能力。同时，中间3.0 km隧道段在非雨季还可作为公路隧道以缓解市内的交通拥堵状况。

2)根据暴雨与洪水规模的不同，隧道将按3种模式运行。其中一年大部分时间按模式1(即无水情况下)运行，在模式1和2下公路隧道将对外开放，在模式3下公路隧道将全断面泄洪。

3)隧道主体穿越具有Karst溶洞的石灰岩地层，岩层的起伏变化以及可能遭遇大型溶洞是整个工程施工的最大风险与挑战。针对隧道多功能特性及地层复杂的特点，在工程设计与施工中采取了针对性的技术方案与措施，工程实践证明行之有效。

［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.

［2］ Arthur Darby Robert Wilson.Design of the SMART project，Kuala Lumpur，Malaysia［C］//North American Tunneling 2008 Proceedings.San Francisco，2008:710 －721.

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

［4］ Keizrul Abdullah.Stormwater management and road tunnel(SMART)a lateral approach to flood mitigation works［C］//International Conference on Bridge Engineering ＆Hydraulic structures.Selangar，Malaysia，2004:26 －28.

［5］ Ram Kumar M，Kannapiran.A study and evaluation on SMART project，Malaysia［C］//Faculty of Engineering and Surveying.University of Southern Queensland，2005.