為(wei) 紀念他們(men) 舉(ju) 世聞名艱苦跋涉的百年紀念日，1905年路易斯和克拉克展覽會(hui) 吸引了來自世界各地的人們(men) 來到美國奧利崗州波特蘭(lan) 市。參觀者們(men) 穿過木橋來到景色宜人的基爾特湖上的小島參加展覽會(hui) 。
黑白舊照片上發現湖水包圍著一個(ge) 精致的入口建築物，在展覽結束後就被拆掉了。該湖在僅(jin) 僅(jin) 在15年內(nei) 被各種東(dong) 西填滿。
由於(yu) 波特蘭(lan) 市擁有一個(ge) 20年的合流汙水控製項目，它在建造博爾琪汙水導管加固工程時，探索了該市西北部的地質曆史。
長2.6km的管線將輸送鮑爾琪流域合流汙水和暴雨水徑流，穿過既有的西部大管道，到達哥倫(lun) 比亞(ya) 大道汙水處理廠。當隧道和項目在去年年底建成後，穿過該市注入威拉米特河的合流汙水容量減少了94%以上。
當該市於(yu) 1月提交了一個(ge) 谘詢服務提案申請書(shu) （RFP），發標給肯尼迪合營公司與(yu) 詹克斯谘詢公司，以及斯特海力非開挖工程谘詢公司和莎倫(lun) &威爾遜公司，設計工作於(yu) 2007年開始。
基爾特湖的滅亡
博爾琪走線沿線的地質情況不是太理想，部分原因是先前的基爾特湖。莎倫(lun) &威爾遜公司的高層，首席岩土工程設計工程師傑裏·傑克莎說道，“這個(ge) 大小適中的湖填滿了人造材料，然而我們(men) 這個(ge) 項目必須穿越湖裏麵所有這些不同性質的材料”。他說道，在波特蘭(lan) 市施工的所有合流汙水項目中，“可以公平地說，比起其它項目，我們(men) 的地下條件範圍可能更廣泛。”
地質情況有從(cong) 波特蘭(lan) 市整個(ge) 西部罕見的極軟湖泊沉積物；人工回填的紅砂；來自橫跨該湖鐵路軌道梁的木支架和近旁西山衝(chong) 刷的礫石不等。
傑克莎解釋道，“為(wei) 了從(cong) 西山取得回填材料填埋這塊湖區的經濟方法，他們(men) 采用了高壓水，將這種本土材料變成一種流動衝(chong) 刷的材料，使其流至較低的區域。”
在1905年博覽會(hui) 結束不久之後，即該區開始有新發展時，這種衝(chong) 刷材料將流入湖內(nei) 。波特蘭(lan) 市環保局項目經理斯科特·克雷孟特解釋道：“波特蘭(lan) 區域碼頭管理局也在威拉米特河進行導航工作，在那裏他們(men) 將挖出的泥土填入基爾特湖。波特蘭(lan) 市在工地上有個(ge) 焚化爐，用來焚燒市內(nei) 垃圾，再將之堆放在填埋區，同樣用來填埋基爾特湖。”
由於(yu) 不同的組織將基爾特湖看待為(wei) 一個(ge) 全能堆放地，在1920年代～1940年代之間，該湖被持續填埋並加以開發。但那不是博爾琪汙水導管加固工程的唯一挑戰。傑克莎表示，“主要是本土材料，即慢水流沉積物，這些都是從(cong) 約40次洪災中沉積下來的。他們(men) 被稱為(wei) 密蘇拉洪水——大部分來自於(yu) 西部蒙大拿州的城市，當最大的冰壩分裂，大量水流經哥倫(lun) 比亞(ya) 河峽穀進入波特蘭(lan) ，然後他們(men) 將流至海洋。”
走線沿線會(hui) 遇到礫石、鵝卵石、漂石。有種稱為(wei) 特勞特代爾Troutdale衝(chong) 積層的膠結礫石，對於(yu) 波特蘭(lan) 而言是獨特材料。傑克莎解釋道，“我們(men) 使用小直徑TBM時，真的必須要考慮的問題——擊中這些膠結礫石時，它會(hui) 有何反應。它可能是岩石材料，在別的地方，它是部分膠結的。當然所有這個(ge) 區域都是位於(yu) 地下水以下，我們(men) 的工作井將處理好地下水和其他與(yu) 之相關(guan) 問題。”
麵對風險
該市慎重考慮了走線沿線的地質情況，連同建築紅線和公共影響。肯尼迪與(yu) 詹克斯谘詢公司設計組技術主任布萊德·摩爾表示，“我們(men) 考慮那些因素都是基於(yu) 成本費用，總的來說是嚐試讓我們(men) 小型TBM保持掘進457m左右。”
那使得設計組更傾(qing) 向於(yu) 這條意向之中的走線，擁有6條工作井，深度介於(yu) 12m～23m。在隧道需要向西部尼古拉工作井和M工作井傳(chuan) 送之前，有2個(ge) 既有導流點用來集流。
圖1 隧道走線和六條豎井位置圖
起初，隧道交付為(wei) 標準的設計—招標—建造模式。當波特蘭(lan) 市開始考慮工期和工程相關(guan) 風險問題，並決(jue) 定合同交付的替代方案時，設計計劃已完成30%。
摩爾表示，“我們(men) 選擇波特蘭(lan) 方法，因其類似於(yu) 俄勒岡(gang) 州的施工經理/總承包商（CM/GC），但並不限製主要承包商執行一定工程量。它也沒有保證的最高價(jia) 格。調整是基於(yu) 補償(chang) 成本，外加一個(ge) 固定費用。那就是完成設計工作的媒介。”
該市向項目承包商發出一份征求建議書(shu) ，並選定詹姆士·福勒公司，其中詹姆士·福勒是在2008年11月即設計工作完成60%的時候參與(yu) 該項目的。摩爾表示，“我們(men) 有了承包商、設計師以及和該市一起完成項目的設計工作。”
“過程中，我們(men) 發現許多改善本項目的創新方法，用於(yu) 節約成本、保護環境和解決(jue) 社會(hui) 問題。在施工前服務合同（PSA）階段的末尾——當承包商參與(yu) 設計工作完工——我們(men) 進入與(yu) 承包商關(guan) 於(yu) 施工的第二個(ge) 合同，該合同於(yu) 2009年6月開始。”該合同價(jia) 值5730萬(wan) 美金，項目總預算為(wei) 7440萬(wan) 美金。
直徑2.1m、長2.1km的隧道，采用海瑞克AVN2000D泥水平衡盾構施工。TBM於(yu) 2009年11月到達工地，始發於(yu) 2010年春。摩爾表示，“在施工前（從(cong) 設計工作完成60%時到最終設計完成期間）這段時期讓承包商進行小型TBM設備的早期采購。”
泥漿拌和隔水工作井
需要建造5個(ge) 工作井，即GLI、B、D、C 和 L工作井，第六個(ge) 工作井是既有的，但是必須的主要工作。承包商建議，項目計劃要求咬合樁和鋼板樁建造工作井，但在最後采用泥漿拌和隔水法施工。
克雷孟特表示，“他們(men) 向我們(men) 提議的是初期成本節約方法，預計會(hui) 為(wei) 我們(men) 節省60萬(wan) ～120萬(wan) 美金”，“同時也節約了工期，因為(wei) 我們(men) 不受製於(yu) 鑽探分包商所提供的服務。”
波特蘭(lan) 市不願采用泥漿拌和隔水施工法，因為(wei) 它未在該項目獨特的地層中測試過。克雷孟特表示，“我們(men) 轉發了波特蘭(lan) 市的回應給承包商，他們(men) 最後帶著一個(ge) 來自該設備生產(chan) 商的提案回到該市，這家生產(chan) 商還說道，”若我們(men) 失敗，波特蘭(lan) 市不需承擔所有代價(jia) 。“這是一種增值購買(mai) ——他們(men) 將在一個(ge) 工地證明其成功，我們(men) 就會(hui) 願意支付那麽(me) 多；在另一個(ge) 工地成功，我們(men) 則會(hui) 支付得更多。”
承包商JWF和Jacobs公司共同進行泥漿拌和隔水施工，而該市也從(cong) 施工風險的擔憂中釋放開來，德國Bauer公司生產(chan) 的價(jia) 值450萬(wan) 美金的泥漿拌和隔水牆機器是從(cong) 德克薩斯州的BauerPileco分部采購來的。機器通過了在波特蘭(lan) 各不同工地的測試程序，以此見證泥漿拌和隔水牆的性能，尤其是在含礫石區域。
克雷孟特解釋道，“礫石衝(chong) 積層是敞開的卵石層，我把它歸類為(wei) 漂石。它基本就像一袋大理石。那裏沒有地方可以保存它。一旦你鬆開一個(ge) 或者鬆開這個(ge) 袋子，石頭會(hui) 跑的到處都是。”
這就是發生在L工作井的情況。當泥漿拌和隔水牆幅鑽孔就位時，承包商需要下至10.7～16.8m深度範圍的工作井周圍進行預注漿。
傑克莎表示，“我們(men) 對全世界的泥漿拌和隔水項目做了研究，他們(men) 采用的這類材料運用在世界各個(ge) 不同地區。據我們(men) 了解，這是這種機器施工遇到的唯一擁有如此大量礫石或鵝卵石的地方，這類沒有母體(ti) 材料或很少母體(ti) 材料的沉積層是極其罕見的。”
最終波特蘭(lan) 市對結果很滿意。克雷孟特表示，“它非常成功，還帶來了一些我們(men) 始料未及的收益。其一就是這個(ge) 方法論證明是防水的。所以在B工作井施工中，我們(men) 不需要處理受汙染的水。他還證明了極大地減少需要搬運走的汙染物。所以額外節省了開挖支護施工開支。”
作為(wei) 前一合同的一部分，M工作井或稱尼古拉工作井，原來由不同的承包商進行施工，該承包商有數次在挖掘工作井失敗之後放棄的經曆。克雷孟特回憶道，“由於(yu) 隨時會(hui) 發生沙湧，他們(men) 必須轉移工作井底部足夠多的覆土。“
承包商、設計師和該市共同討論M工作井的3個(ge) 方案，選擇了JWF公司的提案，是掘進至既有旋噴失敗處，嚐試再次補償(chang) 注漿來封住泄露（見圖2）。在幾次嚐試之後，承包商成功挖掘至標高且底部沒有發生漏泄。
圖2 尼古拉工作井的複雜地質情況
多樣推進
該台MTBM外徑達2.6m，不到15.24m長，前方裝有10個(ge) 滾刀和12個(ge) 硬質合金鑽頭。同時采用一台較小直徑1.37m的盾構機從(cong) B工作井至尼古拉工作井路段掘進，穿越了衝(chong) 刷的西山地層。總的推進順序是：B→GLI；C→B；C→D；B→Nicolai井（54in）；L→M，最後L→D。
首次推進，B→GLI，是位於(yu) 工程最軟地層，沿線需要泥漿拌和隔水牆幅來支撐盾構重量。這些牆幅按照中心間距約4.57m設置在121.92m以上距離內(nei) 。克雷孟特表示，“那向我們(men) 保證，我們(men) 絕不會(hui) 丟(diu) 失標高也不會(hui) 讓盾構下沉，我們(men) 按照標高技術要求完成推進。”
該項目采購了一台MTBM，具有可選的第二鉸接接頭，用於(yu) 在較軟地層中進行額外操縱。既在第一次推進中，也用於(yu) 從(cong) C到B的第二次推進。由Cascade混凝土公司澆注的一個(ge) 9英寸厚鋼筋混凝土頂管正在鋪設，純水泥漿通過管道上的孔注入。JWF公司實行常見的兩(liang) 個(ge) 每班10小時工作製，在其第二個(ge) 班停機維修。通過換班，生產(chan) 率達到2.5～3.5根管子（7.62～10.67m）。
在輸泥管線將膨潤土送至盾構機開挖麵用於(yu) 潤滑之後，廢料線運出渣土和膨潤土至分離廠房。克雷孟特解釋道，“我們(men) 有個(ge) 相當精細的分離流程來再利用膨潤土。”
分離廠房包括振蕩器，可將較細材料從(cong) 液體(ti) 中分離出來，再通過離心分離機和澄清器生產(chan) 出幹淨的泥水用於(yu) 暗挖再利用。較細材料，沙和礫石通過振蕩器分離之後進入三個(ge) 貯藏箱之一：泥箱內(nei) 的材料依然非常細或呈液體(ti) 狀，還有沙箱或礫石箱。該項目再利用了7000t以上的沙和礫石用於(yu) 工作井回填。
在第三次從(cong) C工作井→D工作井推進中，約推進140m時MTBM當位於(yu) Troutdale構造的頂部時，擊中大塊漂石，那麽(me) 整個(ge) MTBM偏轉了13度。操作員得以讓機器越過了障礙物，可也已經偏向上方。
克雷孟特表示，“當盾構持續偏向，盾構繼續越過此障礙物，頂管持續走高。起初當我們(men) 越過該障礙物，頂管沒有偏移，標高也不錯。一旦我們(men) 擊中障礙物——盾構機越過它——偏高127mm。當機器得以克服偏向和克服偏高之際，頂管偏高0.7m多。”
由於(yu) 這是個(ge) 重力輸送係統，0.7m的圓形隆起降低了輸送能力。他表示，“從(cong) 一個(ge) 業(ye) 主的角度而言，我們(men) 認為(wei) 該項目未達原始設計要求。那是我們(men) 的一個(ge) 重要問題。”
具有成本補償(chang) 作用的波特蘭(lan) 方法合同，將使承包商得以消除工作得不到回報那樣的風險，克雷孟特解釋道。“為(wei) 了不出現，‘承包商聲稱情況已變，擁有人也試圖反駁’這樣的情景模式，代之以讓我們(men) ——設計師、擁有人、承包商——坐下來討論出一個(ge) 解決(jue) 方案。”
為(wei) 了能共同討論出方案，項目應盡快進行，從(cong) 而避免建造救援工作井。特別重要的是該段走線是位於(yu) 填埋區下方。
傑克莎解釋道，“當推進時，頂管壓力達到超高，著實將盾構推至極限。但是所有事情比預期還要好。”克雷孟特補充道，這是一個(ge) 低標合同，承包商很可能會(hui) 聲稱情況已變，正等待回應。那樣的情景之下，這個(ge) 過程會(hui) 讓頂管力量增加到剩下隻能建造救援工作井為(wei) 唯一方案的程度。
他表示，“我們(men) 評估了模型和水力學，發現雖然並不是最優(you) 化狀態”，“但是包含0.7m高的圓形隆起的係統將滿足合流汙水項目的輸送要求。”
在工作井C→工作井D挖掘之後，盾構機的開挖麵被翻新，更換滾刀。
工作井L→工作井M推進期間，剛推進了大約7.62m便是礫石地層工作麵。一個(ge) 可選的人行閘和微型TBM一起購入，然後作為(wei) 加壓入口，入內(nei) 進行手工搬移土方。
克萊蒙特表示，“來自密蘇拉洪水沉積的礫石衝(chong) 積層、玄武岩和石英岩構成的最困難和頑強土層——我們(men) 在從(cong) L工作井→M工作井，L工作井→D工作井推進時遇到了”。“你將會(hui) 發現石英岩是最堅硬的天然材料，加上玄武岩和其敞開狀態，使其變成了一種獨特的隧道掘進。”
一旦清理幹淨，刀頭仍不能運轉，於(yu) 是當盾構開始推進時，又會(hui) 遇到礫石地層。項目組急需尋求，不必鎖定盾構卻能夠穩定前方開挖麵的方法。克萊蒙特解釋道，“若需要采用膠結性注漿或者混凝土進行地層加固，要鎖定盾構機。最後我們(men) 采用了化學注漿試圖凝結那些敞開狀態的礫石。”
該注漿方案應用在開挖麵前方6.1～9.14m處，並在承包商清空土艙並再次開挖之前，成功完成推進。在轉向L工作井→D工作井推進前，JWF公司再次替換了盾構上的齒刀和滾刀，終於(yu) 在6月初完工。
傑克莎表示，“該項目最獨特之一就是學到如何在這些礫石和鵝卵石中進行小直徑隧道掘進。整個(ge) 項目過程中，海瑞克提供盾構操作員。他們(men) 以前從(cong) 未遇到如此的礫石和鵝卵石。”
圖3 海瑞克駕駛員說他們(men) 從(cong) 未遇到過這樣的礫石和鵝卵石