地鐵隧道下穿不停航機場方案研究

阮 松

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

引言

近年來，隨著我國軌道交通工程的迅猛發展，與既有城市建構筑物交叉不可避免，下穿機場等工程案例逐年增多。機場飛行區范圍具有地面載重大、變形控制要求高等特點，地鐵隧道穿越機場停機坪及滑行道技術難度大、控制標準嚴、復雜程度較常規穿越工程高。另外，由于機場的特殊性，當外部工程下穿已運營的機場時，難以實現停航施工，這對工程施工提出了挑戰。

目前，國內外下穿機場的隧道工程，多數在均勻的土質或巖質地層中修建，隧道長距離穿越富水砂卵石及中風化泥巖的上軟下硬復雜地層的工程經驗較少。以成都地鐵10號線二期工程為例，研究不停航條件下地鐵區間隧道下穿機場飛行區的設計方案和風險對策。

1 工程概況

成都地鐵10號線工程連接中心城區、雙流機場、新津區，線路呈東北—西南走向。在雙流機場2航站樓—雙流西站區間，線路先后下穿機場T2航站樓、G指廊、停機坪(含輸油管線，埋深2.5～3 m)及滑行道。是成都地鐵建設以來首次穿越機場停機坪與滑行跑道，也是首次在富水砂卵石地層中長距離穿越機場停機坪與滑行道工程。區間下穿停機坪段埋深為 8.1～25 m，下穿滑行道段埋深約 41 m，線路平面如圖1所示。

圖1 線路平面示意

雙流機場為國內第四大航空港，飛行區等級為4F，是國內八大區域樞紐機場之一，內陸地區的航空樞紐和客貨集散地。

根據地勘鉆孔揭露，穿越機場飛行區段上覆第四系全新統人工填筑土層、第四系上更新統沖洪積層，下伏白堊系上統灌口組泥巖。地層至上而下依次為：素填土、黏土、粉質黏土、中砂、卵石土、強風化及中等風化泥巖。隧道主要穿越卵石土及泥巖層，場地內地下水位埋深為 4～6 m，主要為孔隙水和基巖裂隙水，地下水不具有承壓性。下穿機場飛行區段地質縱剖面如圖2所示。

圖2 地質縱剖面示意(單位：m)

2 下穿機場方案研究

2.1 國內穿越機場工程概述

國內隧道工程常規施工方法主要有頂進法、盾構法、礦山法及明挖法等，穿越機場方案應根據外部環境、地質條件及工程特點等綜合比較后選取[1]。

在北京首都機場，采用超前管棚加固、箱涵頂進工法，在黏土地層完成了連接西跑道與4號停機坪及2號停機坪的地下通道[2-3]。

在上海地鐵10號線工程，采用盾構法在黏土地層下穿虹橋機場不停航跑道及停機坪[4]；在南京至高淳城際鐵路，采用土壓平衡盾構機在中風化安山巖地層中穿越祿口機場停機坪及滑行道[5]；在昆明地鐵首期工程，采用盾構法在粉質黏土層中下穿巫家壩機場跑道[6]；在京沈高鐵望京隧道，采用盾構法下穿北京地鐵機場線路基段[7-8]。

在北京首都機場T2-T3汽車通道及捷運聯絡線工程，采用管幕法完成大斷面超淺埋暗挖隧道施工[9]；在重慶輕軌3號線，采用礦山法在巖質地層中下穿越江北機場跑道[10]；在珠三角城際鐵路新塘經白云機場至廣州北工程，采用礦山法在上軟下硬地層中下穿機場滑行道[11]。

2.2 下穿機場設計方案對比分析

本工程下穿雙流機場具備以下特點：①隧道在機場不停航條件下施工，地表變形控制要求嚴格；②隧道處于富水砂卵石及中風化泥巖層，地層上軟下硬，施工風險較高；③線路穿越區影響范圍較長，全長1.18 km；④下穿滑行道處局部埋深41 m，水壓較高。針對工程特點，綜合考慮機場安全性、工期、造價等方面的影響，對各工法進行對比分析，得到以下結論。

(1)安全控制性分析

礦山法施工控制沉降較難、施工風險較高，對沉降要求嚴格區域不宜采用；明挖法需對地面交通進行疏解、甚至停航方可施工，社會影響較大；頂進法對地層條件有一定要求，施工需設置工作井，穿越長度有所限制；盾構法施工技術較成熟、沉降控制能力較強，在一定埋深情況下可適用于下穿機場等復雜環境。

(2)線路適應性分析

礦山法適應各種線路條件，但埋置深度不宜過大；明挖法對線路的適應性也較強，但出于造價等考慮，通常應用于淺埋工程；盾構法對線路曲線半徑、縱坡、線間距等均有要求，其線路適應性相對較差，但其在線路埋深較大時具有一定優勢。

(3)工期和造價適應性分析

盾構法設備較復雜、初期投入高，但線路較長時工期和造價較優；礦山法需采用輔助措施控制變形，其費用高、工期長，經濟性較差。

結合本工程特點，綜合安全、線路條件、工期及造價分析比選，區間推薦采用盾構法施工。

2.3 安全措施設計

(1)線路平縱斷面優化

線路平面設計時，應優化線路與機場的平面關系，在穿越機場停機坪及滑行道段盡量采用直線或大半徑曲線，以減少曲線施工糾偏引起的土體損失，同時縮短下穿機場施工的時間。

線路縱斷面設計時，在滿足線路技術條件的基礎上，應盡量加大飛行區線路埋深，以減小盾構施工時地層損失對道面的影響。線路出T2航站樓盾構井后隨即以28‰坡度下坡，應通過快速增大埋深保證穿越停機坪第1根輸油管道時凈距大于1倍洞徑。隧道穿越滑行道時，應深入泥巖4～5 m(埋深達到 42 m)，并縱向設置5‰緩坡，以保證此處盾構掘進姿態為小坡度俯挖施工，將施工難度及風險控制到最小。

(2)盾構機優化改造

針對本工程地質、水文條件、地上建筑物、地下構筑物及周邊環境等情況，選用復合式土壓平衡盾構機，為滿足盾構機長距離、高水壓下穿越停機坪要求，對盾構機做如下優化設計。

①刀盤：刀盤、盾體采用分塊設計制造；增大刀盤開口率至33%，充分考慮破碎大卵石、漂石的要求，為可能出現的地層情況做充分考慮。

②密封系統：驅動密封、外密封采用聚氨酯；盾尾密封采用2道盾尾刷+1道鋼板束，為大埋深、泥巖地層及泥巖與砂卵石交界地層的安全掘進提供保障。

③螺旋輸送機：螺旋機筒徑為920 mm，可通過粒徑為350 mm×540 mm，為可能出現的大直徑卵石排放提供了有利條件。

④刀具：配置了超挖刀，為解決盾構機在泥巖地層推進上浮等問題提供設備保障。

⑤渣土改良：采用單路單泵的配置，并提高膨潤土的注入能力；另外，還應在盾體隔板上預留多個注入口，用于注入聚合物或其他渣土改良劑，使得渣土改良變得容易且更有針對性。

(3)下穿停機坪段安全處理措施

①施工前停機坪空洞探測

施工前，利用夜間機場停航時間，對線路影響范圍內停機坪進行陸地聲納法地質探測，及時發現空洞并填充注漿。

②注漿加固處理措施

探測發現空洞后，從停機坪表面向下打設φ42鋼花管，注入水泥砂漿對停機坪底部空洞進行填充，注漿完成后封堵注漿孔。

③沉降控制措施

在掘進過程中，利用前盾上帶閥門的預留注漿孔向地層注入克泥效漿液，填充刀盤開挖面與盾體之間的空隙，緩解同步注漿前地層損失造成的沉降。

④施工后停機坪空洞探測

施工完成后，利用夜間機場停航間隙，再次對線路通過區域進行陸地聲納法地質探測，監測頻率為1次/月，持續周期為2年，如發現空洞應及時填充。

(4)下穿滑行道段安全處理措施

結合成都地區的盾構施工經驗，當隧道埋深超過25 m或者進入中風化泥巖以后，施工引起的地面沉降很小，一般在10 mm以內，甚至達到“零沉降”。通過上述線路縱斷面調整，使線路在滑行道前深入中風化泥巖，確保埋深要求。

(5)下穿停機坪輸油管道保護措施

本工程穿越4條輸油管線，輸油管線為φ350 mm、φ400 mm的鋼管，埋深為1.6～3.0 m。輸油管線材質為無縫鋼管，設計壓力為1.6 MPa。施工過程中，地表若產生過大的沉降，會造成輸油管道破裂，航油泄露，也會對周邊的壞境造成影響。輸油管需采取以下保護措施。

①盾構管片增設注漿孔，從洞內對隧道周圈進行二次注漿，注漿厚度為3 m，如圖3所示。

圖3 輸油管道加固示意(單位：m)

②考慮雜散電流可能對航油管道造成腐蝕，通過增大道床雜散電流收集網截面、增設回流電纜、上下行軌道間增設均流電纜等措施對雜散電流進行防護。另參照廣州白云機場成功經驗，增設排流柜進行雜散電流防護補強。

③結合10號線一期工程實施的成功經驗，對輸油管道前后一定范圍內的管片采用高滲透性環氧樹脂加強防水，以防可能泄漏的油氣進入區間隧道。

(6)停機坪下聯絡通道安全措施

根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》，聯絡通道間距不應超過600 m，停機坪范圍內需設置1處。結合現場情況，將1號聯絡通道設在停機坪中部對沉降相對不敏感的飛機對頭處[12-13]。由于處于高富水砂卵石地層，且地面無降水條件，經綜合比選，采用凍結法加固止水方案。結合本區間情況，選取機場范圍外地質條件、埋深相近的6號聯絡通道作為凍結法試驗段，用于采取數據、總結經驗，指導停機坪下1號聯絡通道設計、施工。相關的聯絡通道布置見表1。

表1 機場范圍聯絡通道布置

3 變形控制標準

依據相關規范標準及文獻，參考以往國內已實施案例，經綜合分析，確定停機坪及滑行道變形控制值為10 mm[14-15]。機場飛行區相關監測控制值見表2。

表2 機場飛行區監測控制值

4 數值模擬分析

采用MIDAS_GTS巖土與隧道分析軟件，建立“地層-結構”模型，土體采用實體單元、本構選用摩爾庫倫準則；盾構管片采用板單元，本構選取彈性準則計算。在模型底部施加豎向固定約束，四周施加法向位移約束，地表為自由面。

圖4 停機坪段模型

圖5 航油管線與盾構隧道關系示意

選取停機坪內距離盾構管片最近處輸油管道以及下穿滑行道段建立模型，對隧道施工過程中引起的地表及管線沉降進行數值分析。輸油管處盾構埋深約9 m，管線與管片凈距為7 m；滑行道段盾構埋深約42 m。下穿段地層參數見表3，下穿輸油管處模型見圖4、圖5。經數值計算得到地表沉降曲線，可以看出，地表橫向沉降基本呈正態曲線分布。盾構施工過程中，最大沉降發生在兩隧道之間位置。停機坪段航油輸油管線最大沉降5.4 mm，地表最大沉降值5.71 mm；滑行道最大沉降值2.56 mm，沉降值均在控制標準范圍內，能保證機場的安全運營要求。輸油管線及地表豎向變形如圖6、圖7所示。

表3 地層物理力學指標

圖6 航油管線豎向變形云圖(單位：m)

圖7 地表沉降曲線

5 施工監測

5.1 監測方案

傳統人工監測技術在高密度運營的機場停機坪及滑行道內無法實施，且不能滿足大量數據采集、分析、及時準確反饋的要求。因此，本工程采用遠程自動監測系統對運營跑道道面、停機坪及其下部土體變形進行24 h實時監控量測，監測內容見表4。

表4 監測項目及儀器

5.2 監測結果

第三方監測單位對下穿機場段實施了全過程的監控量測，監測表明，停機坪最大沉降量為6.97 mm，滑行道最大沉降量僅1.98 mm，最終沉降量均控制在標準以內。各項指標滿足預期，盾構隧道已于2018年10月安全穿越雙流機場飛行區段。

6 結語

(1)針對穿越雙流機場停機坪及滑行道不停航、砂卵石地層地下水發育、線路埋深大、穿越距離長等特點，經對比分析，推薦采用盾構法施工。

(2)停機坪段航油輸油管線最大沉降量為5.4 mm，最大地表沉降量為5.71 mm，滑行道段最大地表沉降量為2.56 mm，均滿足變形控制標準10 mm的要求。因此，采用的施工措施能保證下穿施工的安全及環境保護要求，方案可行。

(3)采用遠程自動監測系統進行信息采集，保證觀測數據及時、準確、全面，實現信息共享、動態施工。施工監測停機坪最大沉降為6.97 mm，滑行道最大沉降為1.98 mm，與模擬結果基本吻合，符合預期。

(4)以減小工程實施對機場環境影響、降低安全風險為出發點，通過優化線路平縱斷面、改造優化盾構機、動態空洞探測及填充、盾構殼體外克泥效填充、拱部二次注漿、加強針對輸油管的雜散電流防護、凍結法加固施工聯絡通道等一系列切實可行的措施，保證隧道施工及機場運行安全，成功經驗可供其他類似下穿機場工程借鑒。