飛機動荷載作用下暗挖隧道圍巖壓力特性現場試驗研究

晁 凱,譚忠盛

(1.中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

飛機動荷載作用下暗挖隧道圍巖壓力特性現場試驗研究

晁 凱1,譚忠盛2

(1.中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

目前雖然國內外地下工程已有許多隧道工程穿越公路、鐵路、既有建(構)筑物等相關施工經驗和教訓，但穿越機場在路網規劃中尚不多見，因此依托下穿機場跑道暗挖隧道工程，針對飛機動荷載作用下的圍巖壓力展開研究。首先根據地質條件和工程支護特點，給出監測方案；然后根據理論知識計算土壓力；最后，對動、靜荷載作用下暗挖隧道圍巖壓力的現場試驗進行對比分析。研究結果表明：動、靜荷載作用下試驗斷面的圍巖壓力均在允許值范圍內，動載作用下斷面圍巖壓力整體增大45%～88%。從分布形態看，動、靜荷載作用下圍巖壓力分布都不均勻，相對而言動荷載作用下圍巖壓力分布更為不均，但二者均表現出：隧道拱頂、底部處圍巖壓力較大，拱腰處相對較小。

飛機動荷載；暗挖隧道；圍巖壓力；現場試驗

0 引言

伴隨著城市建設的發展，下穿既有隧道、城市橋梁及重要建(構)筑物的地下工程越來越多。如美國波士頓洲際北向隧道采用地層凍結、箱涵頂進法成功下穿Redline地鐵車站和MBTA電車隧道[1]；意大利Bologna市郊公路隧道下穿既有地面鐵路線工程[2]；倫敦地鐵Jubilee延長線下穿5條地鐵線的隧道工程[3]；北京地鐵6號線下穿既有4號線區間隧道工程等[4]。近年來，隨著全國各地機場擴建帶來了新老航站樓之間的捷運工程、城市地鐵車站修建以及城市人防工程建設，一些地鐵、公路等交通隧道不得不下穿機場跑道，這是一個新的課題，與其他下穿建設工程相比，其要求精度更高，但可供借鑒經驗卻較少，施工過程中一旦出現事故，經濟損失和政治影響將不可低估。

目前，對于下穿機場跑道暗挖隧道的研究主要采用數值模擬分析，如周思震[5]運用Midas模擬分析了不同工況下隧道的變形規律，認為飛機在隧道范圍外著陸并滑行通過隧道時隧道結構動力響應最大；高峰等[6]運用ANSYS計算分析了飛機移動荷載作用下隧道結構變形及受力特征，得出飛機動荷載作用下隧道拱頂位移達0.7 mm，拱腳應力增加10%的結論。然而采用現場試驗對其進行研究的卻較少，對于圍巖-初期支護接觸壓力特性的研究更是少之又少。本文依

托北京首都機場下穿機場中央主跑道暗挖隧道工程，研究了飛機動荷載作用下暗挖隧道圍巖-初期支護接觸壓力特性，以掌控支護受力特征，便于及時調整施工參數，以期為二次襯砌施作時間提供較為準確的信息依據，同時為類似工程提供借鑒，以便進一步拓寬特殊環境下地下空間的開發和利用。

1 工程概況與巖土條件

1.1 工程概況

本工程位于北京首都國際機場T3E—T2航站樓之間，由2條呈單層雙跨連拱形式的捷運通道和汽車隧道共構組成，建成后的捷運隧道用于運輸中轉旅客，汽車隧道用于通行車輛，2條隧道并行下穿使用中的機場中央主跑道，目前世界上最大的飛機A380在此起降。管幕保護下的暗挖隧道如圖1所示。

圖1 管幕保護下暗挖隧道(單位：m)Fig.1 Mined tunnel under pipe curtain protection(m)

本工程采用外徑970 mm、壁厚16 mm、長232 m的口字型管幕超前保護，管幕施工順序如圖2所示。

圖2 管幕施工順序Fig.2 Sequence of pipe curtain construction

暗挖隧道埋深約6 m，隧道截面總寬23.2 m，高8.55 m，中間設置臨時中隔墻。將暗挖隧道沿寬度方向分成5部分，沿高度方向分成2部分，總共分為10個導洞，先開挖兩側4個導洞，中洞根據開挖過程中沉降控制情況進行土方開挖和初期支護施工，剩余導洞待側洞、中洞二次襯砌施工時進行開挖。結構頂板厚1.1 m，底板厚1.2 m，邊墻厚1.0 m，中墻厚0.8 m。

初期支護由噴射混凝土、連接筋、鋼筋網及型鋼格柵組成。初期支護采用350 mm或300 mm厚C20噴射混凝土，鋼筋網為φ6.5 mm@150 mm×150 mm，搭接長度為150 mm。二次襯砌結構采用抗滲等級P10的C40防水混凝土，結構受力主筋外側保護層為45 mm，內側保護層為40 mm,內部結構采用C40混凝土。

1.2 工程地質及水文概況

由于受到機場管制及工程所在地的特殊性，主跑道及滑行道所處范圍210 m地質情況不明，僅在東、西工作井位置進行勘察，勘察結果如下：

1)粉質黏土素填土①層。黃褐色，稍濕、稍密，以粉質黏土為主，含植物根，少量磚屑及有機質等。該層厚0.8～2.0 m。

2)粉質黏土②層。黃褐色-褐黃色，稍濕-飽和、密實，含氧化錳、鈣質結核，夾粉土②1，黏土②2透鏡體。該層厚3.8～5.8 m。

3)粉質黏土③層。褐灰色，稍濕-飽和、密實，含氧化鐵，有機質等，局部含有少量黏砂，夾黏土③1，粉土③2透鏡體。該層厚11.7～16.8 m。

4)中砂④層。褐灰色，飽和，中密-密實，主要礦物成分為石英、云母、長石等，局部夾粉砂薄層。該層厚1.7～5.0 m。

5)粉質黏土⑤層。褐灰-褐黃色，密實，稍濕，含氧化錳、鈣質結核，夾粉土⑤1、黏土⑤2透鏡體。該層厚0.4～7.8 m。

6)粉土⑥層。褐灰色-褐黃色，稍濕-濕，密實，含氧化鐵、鈣質結核、少量有機質，含少量黏砂，夾黏土⑥1透鏡體，含有少量黏砂。該層最大揭露厚4.5 m。

擬建場地屬河海流域之北運河水系，北運河水系的溫榆河從擬建場地西南約3.2 km處通過，其支流小中河在場地東側約3.0 km。鉆探期間共揭露2層地下水，依次為上層滯水、潛水-微承壓水。工程水文情況見表1。

表1水文情況
Table 1 Hydrological conditions

地下水性質水位-水頭埋深/m水位-水頭標高/m主要含水層上層滯水5．3～9．022．73～25．37填土①層、粉土②層、粉土③層潛水-層間水12．3～18．011．50～19．97細砂④層、粉土⑤層

2 隧道圍巖壓力計算

根據勘察資料，選取土層參數，計算時有以下假設：

1)平面應變假設。

2)采用“結構-荷載”模型，根據暗挖隧道的結構埋設及所處土層地質條件，將結構上覆土換算為均質土，土層參數取為加權平均值。

3)飛機動荷載按統計所知的最大飛機空客A380計算[7]，換算飛機荷載引起的側向土壓力。

2.1 土層參數的計算

2.1.1 上覆土層

式中：γ0為重度；C0為黏聚力；φ0為內摩擦角；hi為不同土層厚度；H為各土層厚度之和。

2.1.2 結構所在土層

Ka=tan2(45°-φ/2)=0.58。

式中：γ1為重度；C1為黏聚力；φ1為內摩擦角;Ka為主動土壓力系數。

2.2 圍巖壓力計算

圍巖壓力計算示意如圖3所示。

圖3 圍巖壓力計算示意圖Fig.3 Calculation sketch of surrounding rock pressure

豎向土壓力

q=γ0h=114.6 kN/m2。

式中h為頂板覆土厚度。

側向土壓力

飛機超載為30 kN/m2，則飛機荷載引起的側向壓力e3=30×0.58=17.4 kN/m2。

施工荷載為5 kN/m2，考慮飛機超載、飛機超載所引起的側向壓力和施工荷載，則：

豎向土壓力

q′=149.6 kN/m2。

側向土壓力

3 現場試驗研究

針對下穿機場中央跑道暗挖隧道工程特性，制定了圍巖接觸壓力監測方案，通過現場監測，分析在施工過程中及飛機荷載作用下圍巖接觸壓力的變化。本次試驗可及時了解隧道結構內力的動態變化過程，并及時進行反饋，為判斷隧道開挖是否安全提供了重要參照。

為對比分析有無飛機荷載作用對于圍巖-初期支護接觸壓力的影響，本次試驗共選取了5個斷面，具體對比試驗明細如表2所示。

表2 圍巖壓力對比試驗明細Table 2 Details of surrounding rock pressure comparison tests m

注：表中間距為兩相鄰試驗斷面間的距離。

3.1 靜荷載作用下圍巖-初期支護接觸壓力試驗

根據本工程暗挖隧道結構特點，圍巖接觸壓力的測點沿結構開挖輪廓線布設在初期支護結構與圍巖之間的接觸面上，設置于拱頂、拱腰、底部等關鍵部位，并對各測點逐一進行編號，靜荷載作用試驗斷面測點用JY1—JY11表示，動荷載作用下暗挖隧道試驗斷面測點用DY1—DY11表示。試驗斷面測點布置如圖4所示。

圖4 圍巖壓力測點布置示意圖Fig.4 Layout of surrounding rock pressure measuring points

靜荷載作用下測點的圍巖-初期支護接觸壓力采用DSJ型電阻應變式土壓力傳感器、CM-2B-64靜態應變采集儀對其進行監測。該采集儀可對測量數據進行實時顯示，每個獨立系統最多可連接64個測點。本次時程曲線的數據記錄為當天數據的均值，繪制各測點的圍巖-初期支護接觸壓力時程曲線如圖5和圖6所示。

3.2 動荷載作用下圍巖-初期支護接觸壓力試驗

飛機滑過暗挖隧道時(見圖7)，為確定飛機動荷載對圍巖-初期支護接觸壓力的特性，故對動荷載作用下試驗斷面采用DSJ型電阻應變式土壓力傳感器和DH3817動態應變采集儀(見圖8)對測點圍巖-初期支護接觸壓力進行監測。

由于DH3817動態應變采集儀單位時間內采集數據量大，加之現場試驗具有較大的離散性，故本次時程曲線的數據記錄為當天數據的均值[8]。DM3—DM5斷面圍巖壓力時程曲線如圖9—11所示。

圖5 DM1斷面圍巖-初期支護壓力時程曲線Fig.5 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM1 cross-section

圖6 DM2斷面圍巖-初期支護壓力時程曲線Fig.6 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM2 cross-section

圖7 飛機滑過暗挖隧道(單位：mm)

3.3 動靜荷載作用下圍巖-初期支護接觸壓力試驗對比分析

為了分析飛機動荷載作用下對地表沉降的影響，將5個試驗斷面的監測資料列于表3，表中數值為測試結束后累計最大值。

圖8 DH3817動態應變儀現場監測

圖9 DM3斷面圍巖壓力時程曲線Fig.9 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM3 cross-section

圖10 DM4斷面圍巖壓力時程曲線Fig.10 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM4 cross-section

圖11 DM5斷面圍巖壓力時程曲線Fig.11 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM5 cross-section

表3 圍巖壓力匯總表Table 3 Summary of surrounding rock pressure kPa

由于監測斷面的圍巖-初期支護接觸壓力的離散性較大，故本次對動、靜荷載試驗段的各測點接觸壓力利用最大值包絡圖[9-12]進行比較。圖12—14中的藍色線為飛機動荷載作用下試驗段的圍巖-初期支護接觸壓力，紅色線為靜荷載作用下試驗段的接觸壓力，圖中以測點徑向長度來表示圍巖-初期支護接觸壓力的大小。

圖12 DM1和DM3斷面圍巖壓力對比圖(單位：kPa)Fig.12 Comparison and contrast between surrounding rock pressure at DM1 cross-section and that at DM3 cross-section (kPa)

圖13 DM1和DM4斷面圍巖壓力對比圖(單位：kPa)Fig.13 Comparison and contrast between surrounding rock pressure at DM1 cross-section and that at DM4 cross-section (kPa)

圖14 DM1和DM5斷面圍巖壓力對比圖(單位：kPa)Fig.14 Comparison and contrast between surrounding rock pressure at DM1 cross-section and that at DM5 cross-section (kPa)

綜上所述，可知：

1)從圍巖-初期支護接觸壓力對比圖形態看，拱頂和拱腰處測點接觸壓力有所差異。靜荷載作用下試驗斷面的圍巖-初期支護接觸壓力分布不均勻，但大體趨勢相同，均為拱頂接觸壓力值較大，其余部位接觸壓力值相對較小，而且左右兩側圍巖-初期支護接觸壓力值不同。

2)從監測結果看，靜荷載作用下試驗斷面圍巖-初期支護接觸壓力的最大值為97.83 kPa，為DM2斷面JY4測點；動荷載作用下試驗斷面圍巖-初期支護接觸壓力的最大值為136.42 kPa，為DM4斷面DY1測點。

3)從圍巖-初期支護接觸壓力時程曲線看，各斷面測點均有以下特點：即拱頂處的測點在導洞封閉前圍巖-初期支護接觸壓力隨時間變化發展較快，拱腰處測點及拱腳處測點量測初期壓力值變化不大，而在斷面封閉后卻有較大的增長。

4 結論與討論

通過現場對比試驗及理論計算，可得出以下結論：

1)隧道斷面不同部位的圍巖-初期支護接觸壓力分布不同，拱頂、底部處圍巖壓力值較大，拱腰部位圍巖壓力值相對較小。動、靜荷載作用下圍巖-初期支護接觸壓力分布不均勻，而動荷載作用下試驗斷面的圍巖-初期支護接觸壓力分布則更為不均勻。

2)斷面封閉后靜荷載作用下斷面測點圍巖壓力值增長緩慢，趨于穩定，而動荷載作用下斷面試驗測點圍巖壓力仍在繼續增長。

3)飛機動荷載對鄰近隧道圍巖壓力影響較為明顯，其值多數大于靜荷載作用段的圍巖-初期支護接觸壓力，二者最大比值為1.39(即136.42 kPa/97.83 kPa)。對比靜荷載作用下的隧道結構內力，圍巖-初期支護接觸壓力整體增大約45%～88%。

4)將現場試驗監測結果與理論計算值進行對比分析，拱頂處試驗測點Y1最大值為136.42 kPa，對應理論計算值為149.60 kPa；側墻處Y6/Y7試驗測點最大值為68.56 kPa，對應理論計算值為72.68 kPa；側墻處Y8/Y9試驗測點最大值為73.55 kPa，對應理論計算值為121.38 kPa。由此可知，無論靜荷載還是動荷載作用，試驗斷面圍巖-初期支護接觸壓力值均小于理論計算值，都在可控范圍之內。這說明超前大管幕預支護及周邊土體注漿加固用有較好的效果。

本文主要研究在飛機動荷載作用下隧道圍巖壓力特性，然而由于本工程為在φ970 mm品字形管幕保護下的十導洞“跳躍式”開挖，因此在同一時間內未能對全斷面下測點進行監測，各導洞測點的起始監測時間也略有差異，建議后續研究對此種情況予以關注。

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南昌地鐵首次用冷凍加固+鋼套筒接收工法

日前，南昌地鐵1號線八一廣場站至八一館站區間下行線實現貫通，該區間下穿繁華的商業街區中山路，為南昌中心城區盾構施工難度最大的隧道區間。

安全穿越中山路多座建筑物

南昌地鐵1號線八八盾構區間下行線隧道全長961.82 m，盾構于今年3月20日從八一廣場站始發，途中旁穿或下穿康王廟61號南北住宅樓、中山商住樓、省科技大樓、南昌市青少年宮、省立圖書館和南昌市電子器材公司等眾多建筑物，同時還下穿了東湖。

中山路車輛及人流密集，且盾構區間下穿、旁穿的建筑物大都年代久遠，樁基基本都位于礫砂卵石層中，地層自穩性極差，尤其是康王廟61號住宅樓，施工風險極大。盾構施工前，為確保房屋及人員安全，在盾構下穿前先對房屋周邊地基及部分房屋進行了注漿預加固，并在盾構下穿過程中分批次將房屋內人員進行了有序的臨時撤離，確保了人員、財產及盾構掘進的安全可控。

采用全線唯一的鋼套筒接收技術

由于地處中心區，盾構接收處周邊建筑林立、管線密集，加之交通壓力大，因此大型機械無法進場作業，不能采取常用的加固措施。在此情況下，多次改進施工方案，最終決定采用全線唯一的“冷凍加固+鋼套筒接收”的先進施工工法，此工法在南昌地鐵屬首次使用，成功地克服了中山路人流量大、施工場地狹小無法進行常規加固等困難。

據了解，采用此種接收方式對測量精度要求極高，盾構進入鋼套筒時的姿態允許誤差僅為125 px，施工過程中如何提高測量精度，確保盾構順利進入鋼套筒是盾構接收工作的難點，洞門破除、鋼套筒的吊裝及組裝過程、鋼套筒氣密性檢查、拆除鋼套筒時洞門密封性檢查是接收施工時的重點工作。

為此，施工過程須嚴格控制冷凍加固施工參數，確保冷凍效果達到設計要求，為盾構安全接收提供保障。同時，在盾構接收階段，測量人員通過加強對盾構姿態及隧道管片的測量頻率，最終保障了盾構順利進入鋼套筒。

組建科研組指導中山路地鐵施工

針對項目部盾構施工的重難點，科研項目組已完成渣土改良等4項科研項目，并取得了相關的科研成果。

八八下行線盾構的順利貫通，為今后的老城區盾構施工積累了豐富的施工技術及管理經驗。上行線計劃于11月份實現貫通，屆時，八八盾構區間將完成雙向貫通。

1號線41個盾構區間實現貫通

日前，地鐵1號線謝家村站至彭家橋站區間下行線也已實現貫通。至此，1號線48個盾構區間中已有41個實現貫通，盾構掘進46 409 m，完成總量的95.9%。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=39d8ab14-5291-42b2-91cf-ecfa27ac9245&CtgId=1b91c547-ef8d-4081-bf70-bfcfa0cd45d8 2014-08-29 )

FieldExperimentalStudyonCharacteristicsofSurroundingRockPressureofMinedTunnelunderAircraftDynamicLoad

CHAO Kai1,TAN Zhongsheng2

(1.AVICGeotechnicalEngineeringInstituteCo.,Ltd.,Beijing100098,China; 2.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

There is much experience and lessons related to tunnels crossing underneath existing highways,railway,buildings and structures at home and abroad,however,there are rare tunnels crossing underneath existing airports.In the paper,the characteristics of the surrounding rock pressure of a mined tunnel crossing underneath the runway of Beijing Airport are studied.First of all,a monitoring plan is proposed on basis of the geological conditions and the support features of the tunnel; then,the earth pressure is calculated on basis of the theoretical knowledge; at last,field tests are made on the surrounding rock pressure of the mined tunnel under dynamic load and static load respectively and the tests results are compared and analyzed.The study results show that the surrounding rock pressure at the test cross-sections under both dynamic load and static load are within the allowed range,the surrounding rock pressure under the dynamic load increases by 45% to 88%; from the viewpoint of distribution pattern,neither the distribution of the surrounding rock pressure under dynamic load nor the distribution of the surrounding rock pressure under static load is uniform,and relatively speaking,the former is more uneven,however,they both exhibit the following characteristics:the surrounding rock pressures at the tunnel crown and at the tunnel invert are larger,while the surrounding rock pressure at the arch waist is smaller.

aircraft dynamic loading; mined tunnel; surrounding rock pressure; field test

2014-04-09;

2014-06-11

晁凱(1987—)，男，河北秦皇島人，2013年畢業于北京交通大學，巖土工程專業，碩士，助理工程師，主要從事隧道及地下工程研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.009

U 451+.2

A

1672-741X(2014)09-0873-07