雙線盾構隧道下穿機場跑道沉降特征分析

張恒新，張孟喜，王曉鴻，李 磊

(1.上海大學土木工程系，上海 200444； 2.上海機場(集團)有限公司，上海 200335； 3.上海隧道工程股份有限公司，上海 200032)

隨著我國經濟實力的快速提升，民用機場的建設呈現出蓬勃發展的勢頭，但由于受當時特定條件的限制，先前的機場規劃建設大都沒有考慮預留供地鐵或者公路下穿的隧道。隨著交通的日益擁堵，為改善機場周邊的交通狀況，越來越多下穿機場飛行區的隧道工程需要建設。盾構法因具有施工速度快、對地面擾動小、不影響地面交通等優點被廣泛應用到隧道建設中[1]。但即使盾構施工，也不可避免地會對穿越區土體造成擾動，進而導致跑道等機場設施發生沉降。由于機場跑道對沉降的要求極其嚴苛，沉降控制不力輕則造成跑道開裂、機場停運，重則可能會釀造機毀人亡重大事故。因此，研究盾構下穿施工引起的跑道沉降規律具有十分重要的意義。

目前，國內外對于盾構法施工下穿既有建筑物、構筑物等引起的上方沉降方面做了大量的研究，對于下穿機場跑道引起道面沉降規律的研究還很少。在理論公式方面，計算盾構施工引起地表沉降方法主要有Peck公式[2]和Sagaseta公式[3]。后續學者研究得到盾構施工引起的三維地表沉降計算公式[4-7]。在數值模擬方面，現有研究多集中于盾構隧道覆土深度、土倉壓力、注漿壓力等施工參數對于跑道沉降的影響[8-13]。此外，還有部分學者結合現場試驗及現場監測做了相關下穿機場跑道研究[14-19]。

綜上所述，目前研究主要集中在優化盾構施工參數，來減小對跑道面沉降的影響，很少涉及雙線盾構施工對跑道沉降規律的影響分析。本文暫不考慮飛機荷載作用，通過數值模擬深入探究雙線盾構下穿對機場道面沉降的影響規律，并與既有研究成果和現場監測數據進行對比分析，試圖找出跑道沉降的最大位置，以期能夠為今后類似盾構下穿機場跑道工程提供指導。

1 工程背景

1.1 工程概況

上海地鐵10號線空港一路站—虹橋東站區間下穿虹橋機場飛行區工程，主要下穿機場草坪、滑行道和跑道(圖1)。該下穿工程采用土壓平衡盾構施工，盾構機外徑Φ=6.34 m，隧道襯砌外徑R=6.2 m，采用0.35 m厚、1.2 m環寬的預制鋼筋混凝土管片。雙線隧道間距12 m，隧道最大埋深約24 m。

圖1 盾構隧道穿越機場平面示意

1.2 工程地質條件

根據巖土工程勘察報告，下穿場區的75 m深度范圍的地基土由第四紀全新統至上更新統沉積的地層組成，主要有：①褐黃-灰黃色黏土、②灰色淤泥質黏土、③灰色粉砂與灰色粉質黏土、④灰色粉質黏土等，具體地層物理力學參數見表1。

表1 土層物理力學參數

1.3 工程難點

(1)跑道沉降變形要求高:下穿過程引起的跑道最大沉降不能超過10 mm，最大傾斜不能超過0.1%，給施工帶來極大的挑戰。

(2)穿越影響范圍大：盾構穿越機場跑道中段，隧道處在現有飛行區的影響范圍約540 m，要嚴格控制影響范圍內的道面沉降。

(3)現場監測受限：監測設備不能進入滑行道及跑道禁區，施工監測需要滿足飛機正常起降，同時又要保證監測準確性，實施難度極大。

2 穿越施工模擬

選用ABAQUS有限元分析軟件建立數值模型，模擬盾構施工過程對跑道及地層沉降的影響。模型的幾何尺寸為80 m(x)×120 m(y)×45 m(z)，隧道長120 m，內徑5.5 m，外徑6.2 m，隧道間距12 m。飛機跑道寬度為45 m，厚度為1 m。雙線隧道下穿機場跑道的數值模型見圖2，模型頂面無約束，其他面施加法向約束。

圖2 數值模型(單位：m)

模型單元采用實體C3D8單元，土體采用Mohr-Coulomb本構模型，土體與襯砌管片接觸面采用綁定約束。盾構機、隧道管片和注漿采用線彈性材料模擬。機場跑道由塊石層、混凝土層及瀝青層等組成，如圖3所示。為了計算的方便，將跑道簡化為彈性模量為10 000 MPa的線彈性材料。表2所示為除土體外其他模型材料參數。本文暫不考慮土中水的滲流作用和土的固結作用，模擬雙線隧道盾構下穿機場跑道情形。

圖3 跑道結構

表2 模型材料參數

隧道開挖模擬采用單元生死法，如圖4所示。為計算方便，可以在不影響計算精度條件下，設置每2個管片的寬度(2.4 m)為一個開挖步，模型共有14 375個單元，17 212個節點。

圖4 隧道開挖模擬過程

3 結果分析

3.1 跑道縱向沉降槽分析

文獻[9]研究了單線隧道下穿引起的跑道沉降特征，在此基礎上，重點研究雙線隧道下穿對跑道的沉降影響。單線隧道下穿完成后，沿跑道縱向S1′、S2′及S3′斷面(對應于雙線數值模型S1、S2、S3截面)處地表沉降曲線呈現出典型的“V”形沉降槽，與Peck曲線相一致，最大沉降點位置位于隧道的正上方，如圖5所示。由圖5可以看出，在雙線隧道下穿完成后，最大沉降位置偏移到了右線隧道左邊緣對應的地表處。這是因為右線隧道先開挖，左線隧道后開挖，右線隧道上方的土體發生兩次擾動，因此右線隧道上方區域跑道沉降較大。

圖5 跑道不同截面處地表沉降曲線

雙線隧道下穿完成后，分別取跑道左邊緣(S1)、跑道中心線(S2)及跑道右邊緣(S3)處截面為監測面觀測跑道面沉降，并且對比單線隧道下穿條件下的跑道S1′、S2′及S3′截面的跑道沉降值。可以看出，不同截面處雙線隧道盾構下穿引起的跑道最大沉降始終要大于單線下穿時的跑道最大沉降。

不同監測截面處的單、雙線隧道下穿引起的最大沉降值對比如表3所示，由表3可知，不同截面處最大沉降差值都約為2 mm。單線下穿引起的跑道最大地表沉降約為6.6 mm，雙線隧道下穿引起的跑道最大沉降達到了8.9 mm，都未超過10 mm的限值。但是雙線下穿時跑道最大沉降已經接近于限值的要求，此時應考慮調整盾構施工參數或者對土體進行加固處理，以減小對跑道沉降的影響。

表3 單、雙線下穿不同監測面最大沉降對比 mm

雙線隧道下穿過程中，盾構開挖到不同切口位置處時，跑道面中心線的沉降變化曲線如圖6所示。由圖6可知，右線隧道先行開挖到R32環(接近跑道下方)時，跑道中心線整體沉降呈微隆起。到R50環(跑道中心線下方)時，跑道沉降呈現出V形沉降槽。開挖到R68環(開始遠離跑道)時，沉降繼續增大，最大為5.8 mm左右。隨著后續左線隧道開挖的進行，跑道中心線的最大沉降僅少量增加，L68環時最大沉降值為7.4 mm。

圖6 不同切口位置處跑道中心線沉降曲線

雙線隧道下穿完成后，跑道中心線處的地表沉降如圖7所示，可以看出，模擬值與實測值基本吻合，且模擬值基本大于現場實測值，最大差值不超過2 mm。由圖7可以看出，現場監測與數值模擬沉降曲線都呈現出Peck曲線的形狀，為不完全對稱的“V”形沉降槽，而非“W”形沉降槽。參考文獻[20-21]關于雙線隧道下穿引起沉降槽形狀研究成果，雙線盾構隧道下穿引起的地表沉降槽的形狀與隧道間距(L)、隧道埋深(H)及隧道半徑(R)都有關系，當L/(H+R)≤0.5時，沉降槽呈現“V”形。隨著L增大，土體最大沉降逐漸減小，沉降槽寬度增大，沉降曲線形狀由“V”形轉變成“W”形。本文雙線盾構下穿時的L/(H+R)=0.44，符合“V”形沉降槽的特征。

圖7 跑道中心線沉降曲線對比

3.2 開挖方向沉降分析

沿隧道開挖方向，對比雙線隧道下穿條件下有跑道結構和無跑道結構(跑道區域材料賦值成土體材料)時右線隧道左邊緣處對應地表最大沉降，具體如圖8所示。可以看出，草坪段(0～38 m最大沉降分別為10.2 mm和15.2 mm。在跑道段(38～83 m)最大地表沉降呈現線性減小，跑道左邊緣處最大沉降分別為8.9 mm和11.8 mm，跑道右邊緣處的最大沉降分別減小到了4.8 mm和7.8 mm。跑道結構的存在能夠明顯減小地表沉降，這是由于跑道結構相較于土體，其本身剛度巨大，不僅跑道自身沉降較小，而且跑道的存在還能夠極大的限制周圍土體的變形，對于減小土體沉降起到有益作用。

圖8 開挖方向沉降曲線對比

圖9 開挖到跑道中心線下方跑道沉降曲線對比

雙線隧道先進行右線下穿，后進行左線隧道下穿。右線隧道開挖到跑道中心線下方時，隧道中心線上方跑道沉降如圖9(a)所示，左線隧道開挖到跑道中心線下方時，跑道沉降如圖9(b)所示。由圖9分別可知，數值模擬結果與現場實測結果沉降曲線趨勢基本一致，數值模擬結果最大沉降與現場實測基本吻合，同時跑道最大傾斜率約為0.01%，遠小于0.1%的限值，符合現場施工的要求。通過結果對比，證明了數值模擬結果的有效性，可為施工過程沉降預測提供一定指導。

3.3 特征點沉降分析

特征監測點D1沉降隨右線開挖過程變化曲線見圖10(a)，特征監測點D2沉降隨左線開挖過程變化見圖10(b)，由圖10可知，數值模擬結果與現場實測數據都具有很好一致性，沉降變化都呈現出“先微隆起，再沉降逐步增大到穩定值”的趨勢，且數值模擬結果基本大于現場實測值，最大沉降差為1 mm左右。

圖10 特征點沉降隨開挖步變化對比

選取跑道不同截面S1、S2及S3上的最大沉降位置(右線隧道左邊緣對應地表處)3個點為特征點，監測雙線隧道盾構下穿施工過程中，特征點隨開挖步的沉降變化，沉降曲線具體如圖11所示。由圖11可知，雙線隧道下穿施工引起的3個特征點的沉降曲線都表現為：先隆起，后沉降，再沉降量少量減小，最后沉降又增大到穩定值。

雙線隧道下穿使特征監測點受到兩次擾動，進而導致特征點發生兩次沉降過程。由圖11可以看出，雙線盾構隧道下穿引起的特征點沉降主要發生在右線隧道施工過程中。表4所示右線下穿導致的特征點最大沉降量約占總沉降量的85%。這是因為右線隧道先下穿，導致最大沉降點靠近右線隧道，左線隧道施工后下穿，對特征點沉降擾動要遠小于初次擾動的影響。所以，在雙線盾構隧道施工過程中更應該控制好初次擾動對跑道沉降的影響，以保證機場安全運營。

圖11 特征點沉降變化

表4 不同特征點沉降

4 結論

以上海地鐵隧道下穿虹橋機場跑道為背景，主要分析了雙線盾構隧道下穿引起的跑道沉降規律，并結合現場監測數據與既有研究成果，主要得出了以下結論。

(1)通過對比不同監測面的單雙線隧道下穿引起的跑道面最大沉降，雙線隧道下穿引起的跑道左邊緣截面S1處地表最大沉降為8.9 mm，已接近10 mm限值，此時應采取調整施工參數或對土體加固等措施來減小跑道沉降。

(2)雙線隧道下穿完成后，地表最大沉降發生在右線隧道左邊緣上方地表處，模擬結果與現場實測數據沉降趨勢一致，地表沉降槽均呈現“V”形而不是“W”形。本文中雙線隧道下穿時的L/(H+R)=0.44，符合“V”形沉降槽的特征。

(3)雙線盾構隧道下穿條件下，跑道的存在極大地限制了周圍土體的變形，對于控制土體沉降起到有益作用。雙線隧道上方地表沉降的模擬結果與現場實測數據最大差值不超過2 mm，跑道的最大傾斜率為0.01%，遠小于0.1%的限值要求。

(4)特征點沉降曲線呈現“先隆起，后沉降，再沉降量少量減小，最終沉降增大到穩定值”趨勢。并且特征點總沉降量中，右線隧道施工導致的最大沉降點的沉降占到總沉降量的85%左右。因此，雙線隧道盾構施工過程中更應該控制好初次擾動，以減小對機場跑道沉降的影響。