作为连接新界与港岛的关键轨交工程，香港沙田中环线中的东部下行浅埋隧道在施工中存在着超浅覆土，地质复杂，穿越城市密集区等诸多挑战，为了解决这一难题，建设中采用了香港首台可变密度盾构。
本期，小编将带大家了解，工程中应用的可变密度盾构是怎样的概念？有哪些特有的部件？施工中采用了怎样的泥浆配比？掘进时的膨润土注入率又该如何计算？与普通混合盾构相比，它的优势又在哪里？
可变密度盾构
为了应对香港沙田中环线1128工程中超浅覆土，地质复杂，穿越城市密集区等挑战，工程建设方完善了吉隆坡KV地铁线中可变密度盾构概念，并针对沙田中环线工程行了专门的开发与改制：
工程中使用的可变密度盾构
■ 主驱动电机由8个增加至12个；
■ 采用颚式破碎机，调整泥水调节箱形状；
■ 泥水调节箱与和工作舱之间的接口重新设计；
■ 刀盘设独立注浆管，调节BIR以保持开挖面浆液密度；
■ 设计自动/半自动浆液循环，简化操作。
盾构部件
可变密度盾构与普通盾构结构相似，配备了大量与混合式盾构、土压平衡盾构相同的主要部件；浆液密度转换则依靠新部件实现。
泥水调节箱
主要功能是将开挖舱输送的高密度混合物稀释后输送到地面上的处理厂中：
■ 开挖土从加压开挖舱通过螺旋机输送至泥水调节箱，通过泥水回路保持常压。
■ ø500mm颚式破碎机使盾构能在沿线开头的花岗岩底层中掘进，并将稀释后的开挖料随泥浆泵送至返回管线。
■ 6m3的泥水调节箱通过各种进料管线加入浆液，对破碎机与管路进行充分冲刷，防止堵塞。
压力调节
可变密度盾构中的气舱无法穿越隔板与开挖舱直接连通，而是通过连通管在开挖舱顶部连接，调节开挖面压力。
■ 工作舱内需注入最少量的浆料，以保持管道内的恒定流量。管道顶部设有液压装置减少回流。
■ 为了测量开挖舱内的浆液密度，盾构从开挖舱顶部取样并采用伽马密度计记录，之后将信息反馈给盾构操作人员，以调整施工参数，使用合适的密度。
■ 可选择将高密度混合物直接注入开挖舱，填补挖掘面上的孔隙，或在高压开舱后填充开挖舱，而非用于控制开挖面的浆液密度。
浆液配比计算
为防止盾构掘进过程中出现泥浆喷涌风险，施工方基于隧道轴线与地表之间的关系计算了所需浆液的密度。计算中假设盾构在掘进过程中的设计围压施加于盾构轴线上，根据盾构所处深度确定沿线不同地质的浆液密度：
（9.81表示重力对浆液/土层的影响）
为在开挖舱中使用更高密度的浆液，便需要调节注入开挖面的浆液，因此使用了“膨润土注射比”这一概念对该工序进行量化：
操作人员根据开挖舱中的测得的浆液密度调整该比率：开挖舱中的浆液密度太低时，需减少浆液的流动；若密度太高，则必须增加浆液的流动。
■ 注入盾构前端的部分浆液输送至工作舱，再通过连通管输送至开挖舱。剩余浆液则如土压盾构一般，输送至刀盘上的开挖面注浆孔。
■ 2m3的泥水箱为6个泵提供浆液，并设有聚合物添加设备，以便在必要时进行稀释。
■ 半自动模式下，系统调节通过开挖面注入管线的流量，以弥补达到设定BIR的总浆液量；
■ 手动模式下，操作人员则可对浆液泵进行单独调节。
盾构操作
可变密度盾构的运作中，由于施工参数更多，因此较普通盾构需要更多操作。 低密度模式下，操作中几乎无需关注浆液密度：
■ 输送至开挖面与泥水箱的浆液量为50：50，操作中主要关注螺旋机排土时随地质变化而调整转速；
高密度模式是使开挖土与开挖舱中的浆液混合，控制浆液流动，从而产生合适密度的支护介质。
■ 操作中需要控制螺旋机速度与BIR，同时利用浆液循环再开挖舱中保持稳定压力；
■ 若需更高密度，螺旋机速度需降低，在开挖舱内保留更多的开挖料，同时限制BIR，减少浆液流出。若需较低密度则相反。
施工情况
掘进速度
工程中的东部上下行隧道约677m的区间分别使用了混合式盾构与可变密度盾构进行了掘进：
■ 可变密度盾构在81天内贯通，日掘进量为8.3m/天，包括装配、维护和隧道结构拆除等。
■ 混合盾构隧道在86天内贯通，日掘进量为7.9m/天；
■ 混合盾构段埋深更深，穿越更多硬岩与过渡地层，进行了多次高压进舱，影响了掘进速度；
■ 可变密度盾构段则受到了海洋沉积层中浆液处理的影响，压滤机的处理时间影响了掘进速度；
刀具检测系统
可变密度盾构在掘进过程中经历了多次高压进舱与换刀，因此应用了Mobydic系统：
■ 安装于盾构机刀盘上，使用高灵敏传感器来记录盾构刀盘各项参数：如盾构机每个刀具所承受的力，刀盘旋转速度以及刀盘温度等；
■ 通过无线设备进行实时数据传输，最终连接至计算机分析系统，不仅可以记录掘进数据，分析刀盘磨损情况， 并且可通过数据计算反映出掘进中遭遇的阻碍（如木桩，孤石），并且能分析出混合地层的实际环境，绘制出前方地层情况模拟图，制定相应的施工计划，最终反馈给盾构机。
最终，可变密度盾构以最高22.5m（15环）/天与108m/周的速度贯通了隧道，成为了可变密度盾构的又一成功案例，也将为未来的同类工程提供良好的借鉴。