超大直径可变密度盾构（14.04m）首秀——美国汉普顿路隧道扩建工程

小编语

水下超大直径盾构掘进是一项有挑战性的工作。在沿线地质环境复杂多变的情况下进行水下超大直径盾构掘进则更是困难。

美国弗吉尼亚州的汉普顿路隧道工程就是这样一项工程。施工方正在使用一台14m直径的海瑞克可变密度盾构穿越切萨皮克湾下复杂的地质环境。本期就让小编带大家一起了解一下吧！

项目背景

汉普顿路隧道扩建工程计划在切萨皮克湾下新建一条约2公里的双向八车道的大直径隧道，以加强汉普顿和诺福克两座城市之间的交通连接。

此前，该区域已有两条沉管隧道，分别建于1957年和1976年。但这两条隧道设计的每日通行量为7.7万辆车次。而目前每天经过的车辆高达10万辆车次。严重的拥堵使得该地区急切需要一条新的隧道。

本次新建的盾构法隧道和旧的沉管隧道一样，位于两座通过大桥与陆地连接的人工岛之间。

桥梁和隧道组合连接了两座城市

为什么不建桥？

通过桥梁连接两座城市看起来是更经济和便利的选择。特别是考虑到切萨皮克湾下的糟糕地质环境。

弗吉尼亚州地方政府不选择桥梁的主要原因是为了保证附近的诺福克海军基地中的军舰能够流畅通过河口。诺福克海军基地是5艘尼米兹级和1艘福特级航母的母港。很难有桥梁设计可以满足让这些庞然大物流畅通行的要求。

项目挑战与困难

早期的工程可行性研究认为使用TBM掘进风险大，困难多。这些风险和困难主要可以被总结为以下4个方面：

■ 需要使用超大直径盾构 (14.04m);

■ 隧道沿线上层地质结构较为松散 ;

■ 沿线地质条件复杂多变， 地层类型前后不同;

■ TBM作业压力高，以及其他在敏感海洋环境中作业的难点;

在所有的挑战中，切萨皮克湾下复杂的地质条件，是对TBM掘进造成最大影响的问题。

盾构始发和接收井所在的两座人工岛的中心部分主要是由松散的充填料组成的，而岛屿的外围则堆砌了大量的大型硬石和碎石。而水下的地质环境则包含多种不同类型的沉积物，主要是由非常松散到非常紧密的黏土和沙子构成，部分区域还夹杂有大量的贝壳碎片。沿线各区域的地层硬度也各不相同，从非常软到中等硬度都有。

隧道沿线地质情况复杂

隧道掘进将在12.2m到45.7m的深度区间内开挖。这个深度意味着TBM需要能够应对6bar的工作压力。除此以外，北侧人工岛上的TBM始发位置还存在着浅覆土的问题。

应对挑战

要解决和应对项目所面对的这些挑战和困难，TBM的性能是关键。盾构需要具备在浅覆土区域和多变的土壤类型中进行掘进的能力，还要能够快速适应地面条件的变化，要具备应对压力的能力。此外施工方还希望能够最大限度地减少沉降。

为此施工方并没有选择传统的土压或者泥水平衡盾构，而是选择了可变密度盾构作为解决方案。

该项目所用可变密度TBM设计图（由海瑞克设计和制造）

什么是可变密度

可变密度是指通过调节石灰岩粉与浆液混合物的稀薄程度（增加黏度）以在穿越多变地层时增大膨润土浆液的密度。盾构工作时，泵入开挖舱的膨润土的密度根据地层情况的不同，可以随时改变、增大，以应对隧道掘进中地质和水文地质的变化。如同一台可以在泥水和土压平衡模式中自由切换的盾构。

左侧为变密度盾构的泥水模式，右侧为土压模式

作为最新设计和制造的可变密度TBM，汉普顿路隧道扩建工程所用的这台可变密度TBM内有两套出土系统(泥水管路和皮带输送机)，可以按照需要进行切换，以应对泥水和土压两种模式。

机器内部同时配备两种出渣系统

在泥水模式下这台TBM可以使用气压来控制工作面压力。转换为土压模式后，工作面压力控制方式可以同步进行转化，改为通过螺旋输送机的排放量来控制。两种模式之间能够无缝切换，在模式转换期间依旧可以完全控制工作面压力。

可变密度TBM内构

可变密度TBM舱内材料的低密度和低稠度，再加上机器的大直径，有利于实施常压换刀。这对于汉普顿路隧道扩建工程中可能要面对的大量粘性土层是一个重要的优势。当然根据地层条件，有时还是需要进行高压干预的。

工程现状和施工计划

2021 年 6 月，工程所用的TBM在德国工厂完工，被拆解并运往美国。目前项目依旧在为TBM的始发做准备。

准备工作包括扩建两座人工岛

始发井和泥浆处理?均位于南侧人工岛，TBM拆解后，将通过船舶和卡?运送到南岛，然后使??容量履带起重机进行组装。

按照施工计划，TBM将此南侧的人工岛始发，这台可变密度TBM在始发时计划以泥水模式掘进。然后将根据需要对平衡模式进行调整。

隧道的内径为12.65m，使?了纤维材料增强的预制钢筋混凝?管片。该项目原本计划于2022 年6月开始掘进，2025年完工。但由于疫情等原因，盾构的始发拖延至今。

小编语

可变密度盾构在此之前已经得到过多次应用，并且表现良好。但直径高达14m的超大直径可变密度盾构的应用确实首次。而且本次汉普顿路隧道工程中还有水下掘进，浅覆土等挑战。

超大直径可变密度盾构能否不负众望，顺利完成这一极具挑战性的工程？让我们一起拭目以待吧！