巖溶區(qū)大直徑盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)不停航施工建設(shè)方案*

葉宇航 羅 旭 劉健美 徐文田 梁粵華

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 510220, 廣州; 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 200092, 上海)

近年來,我國機(jī)場(chǎng)客貨吞吐量迅猛發(fā)展,航空運(yùn)輸需求持續(xù)增長。各地機(jī)場(chǎng)紛紛通過改造與擴(kuò)建,引入鐵路、城市軌道交通、機(jī)場(chǎng)專線等構(gòu)建現(xiàn)代化綜合交通運(yùn)輸體系。在機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)活動(dòng)必然影響機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)營。由于機(jī)場(chǎng)停航施工會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失,故大部分飛行區(qū)工程建設(shè)活動(dòng)采用不停航施工方式。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)工程建設(shè)不停航施工作業(yè)必須滿足機(jī)場(chǎng)運(yùn)行管理等相關(guān)嚴(yán)格規(guī)定,且需各部門通力合作,采取大量安全保障措施,以確保工程自身安全及飛行器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

國內(nèi)外已有的不停航施工穿越機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)工程案例,主要采用盾構(gòu)法、頂管法、管幕箱涵法等暗挖法施工[1-4]。在條件允許時(shí),也采用明挖法+翻交施工來實(shí)現(xiàn)不停航施工[5]。然而,既有工程案例大多為隧道穿越滑行道、繞滑道既停機(jī)坪等機(jī)場(chǎng)外部區(qū)域,不僅隧道埋深相對(duì)較大,且多數(shù)修建于勻質(zhì)土層或巖層。

廣州白云國際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程2號(hào)、3號(hào)下穿通道(以下簡(jiǎn)稱“2號(hào)、3號(hào)通道”)正交穿越飛行區(qū)運(yùn)行跑道。工程建設(shè)區(qū)域所處的灰?guī)r區(qū)巖面起伏大、巖溶發(fā)育,道面區(qū)沉降控制難度大,對(duì)實(shí)現(xiàn)不停航施工建設(shè)是極大挑戰(zhàn)。因此,有必要研究巖溶區(qū)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)下穿通道不停航施工建設(shè)方案,以期為工程實(shí)施提供依據(jù),為后續(xù)同類工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

廣州白云國際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程以東三跑道、西二跑道和T3航站樓為主體,總平面如圖1所示。跑道、滑行道、陸側(cè)交通等設(shè)施將飛行區(qū)劃分為若干區(qū)域。各區(qū)域內(nèi)部通過地面交通直接聯(lián)系,而區(qū)域之間的交通必須穿越跑道或滑行道,給機(jī)場(chǎng)的空側(cè)運(yùn)行效率和安全帶來影響。為提高機(jī)場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行效率及安全,擬在飛行區(qū)內(nèi)建設(shè)6條跨區(qū)域的聯(lián)系通道,其中2號(hào)、3號(hào)通道位于現(xiàn)有飛行區(qū)下方,長度分別約為1.8 km和1.3 km,其兩端與地面道路相接,正交穿越正在運(yùn)行的全部跑道和多處滑行道。并下穿飛行區(qū)管線。2號(hào)、3號(hào)通道總平面示意圖如圖2所示。其場(chǎng)地地層主要為粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉砂-礫砂及下伏灰?guī)r,是工程重難點(diǎn)。

圖1 廣州白云國際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程總平面圖

圖2 2號(hào)、3號(hào)通道總平面示意圖

機(jī)場(chǎng)內(nèi)行駛的特種車輛種類繁多,且對(duì)時(shí)效性有較高的要求。為兼顧快慢車混行的超車及機(jī)場(chǎng)特種車輛通行需求,2號(hào)、3號(hào)通道按單向兩車道(車道寬度為3.5 m+4.5 m)、雙向四車道配置,凈高取4.5 m。雙向車道各自獨(dú)立、分開設(shè)置。最大縱坡主要受限于行李牽引車,最大縱坡一般取4%,困難條件下不大于5%。

2 不停航施工的方案研究

2.1 不停航施工的沉降要求

根據(jù)CCAR-140—2007《運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全管理規(guī)定》,機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)不停航施工是指機(jī)場(chǎng)不關(guān)閉或者部分時(shí)段關(guān)閉并按照航班計(jì)劃接收和放行航空器的情況下,在飛行區(qū)內(nèi)實(shí)施工程施工。實(shí)現(xiàn)不停航施工主要需滿足空防安全及跑道運(yùn)行安全要求,即滿足飛行區(qū)障礙物限制及跑道沉降要求。

根據(jù)MH 5001—2013《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》不停航施工規(guī)定,在跑道兩側(cè)升降帶內(nèi)進(jìn)行施工的,施工機(jī)械設(shè)備高度或作業(yè)高度不得穿透內(nèi)過渡面和復(fù)飛面,即不得超過2 m,在升降帶范圍之外,可以按1∶7的坡度開放地面上的空間。針對(duì)本項(xiàng)目,將跑道兩側(cè)距跑道中心線75 m、E滑行道兩側(cè)距滑行道中線43.5 m、F滑行道兩側(cè)距滑行道中線51 m以內(nèi)劃定為不停航施工區(qū)域的嚴(yán)格限制區(qū)域。為了強(qiáng)化安全管理、確保飛行安全,結(jié)合近幾年國內(nèi)民用機(jī)場(chǎng)不停航施工經(jīng)驗(yàn),在跑道使用期間,采用升降帶平整范圍即跑道中心線兩側(cè)105 m范圍、跑道端300 m以內(nèi)為嚴(yán)格限制區(qū)的范圍。綜上,本項(xiàng)目不停航施工區(qū)域示意如圖3所示。

圖3 不停航施工區(qū)域示意圖

跑道和滑行道是飛機(jī)起降和滑行的通道。若施工擾動(dòng)引起跑道和滑行道沉降,則會(huì)影響機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)營?！秶H標(biāo)準(zhǔn)和建議措施機(jī)場(chǎng)國際民用航空公約》的附件十四對(duì)跑道表面的平坦度有如下規(guī)定:用3 m長的直尺置于跑道表面的任何地方、任何方向上測(cè)試時(shí),沿著直尺邊的任何地方直尺底面與道面表面之間的空隙不大于3 mm。可見,允許道面基礎(chǔ)有一定的不均勻沉降,一般來說,在距跑道中心45 m范圍內(nèi),偏差為2.5～3.0 cm的孤立不平整是容許的。跑道表面不平整度指標(biāo)限值如表1所示。其中,可接受的表面不平整高度為δ1,可容許的表面不平整高度為δ2,過大的表面不平整高度為δ3。若跑道的不平整高度δ>δ1,則應(yīng)采取相應(yīng)的維護(hù)措施,以保證跑道可繼續(xù)使用;若δ>δ2,則應(yīng)在合理的期限內(nèi)對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ);若δ>δ3,則應(yīng)立即關(guān)閉存在不平整情況的跑道區(qū)域,待對(duì)其修補(bǔ)滿足要求后方可使用。

表1 跑道表面不平整度指標(biāo)限值表

《運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全管理規(guī)定》對(duì)跑道平整度的規(guī)定為:水泥混凝土道面必須完整、平坦,3 m范圍內(nèi)的高差不得大于10 mm;板塊接縫錯(cuò)臺(tái)不得大于5 mm,且總沉降量不大于30 mm;跑道差異沉降率須不大于1‰,滑行道差異沉降率須不大于1.5‰。由MH/T 5027—2013《民用機(jī)場(chǎng)巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》,跑道及滑行道設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的工后沉降和工后差異沉降要求如表2所示。

表2 跑道及滑行道的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)工后沉降和工后差異沉降要求

考慮到《國際標(biāo)準(zhǔn)和建議措施機(jī)場(chǎng)國際民用航空公約 附件十四》及《民用機(jī)場(chǎng)巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》限制值為設(shè)計(jì)使用年限范圍,沉降以均勻沉降為主。穿越機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)隧道設(shè)計(jì)主要考慮隧道施工期間道面區(qū)沉降對(duì)飛機(jī)安全運(yùn)營的影響,因此本工程設(shè)計(jì)道面沉降控制依據(jù)《運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全管理規(guī)定》實(shí)施,在監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)采用高精度、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)并實(shí)施分區(qū)域、分階段、分級(jí)的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 施工方案及設(shè)計(jì)

目前,已有下穿機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)隧道成功案例采用的施工方法主要有盾構(gòu)法、管幕法、明挖法、頂管法等。2號(hào)、3號(hào)下穿通道較長,其中2號(hào)通道穿越飛行區(qū)長度約為1 130 m,3號(hào)通道穿越飛行區(qū)長度約615 m。對(duì)本項(xiàng)目而言,明挖法、頂管法及管幕法等施工方法均具有較大局限性,難以在滿足飛行區(qū)不停航要求的同時(shí),兼顧經(jīng)濟(jì)性和工期要求。而盾構(gòu)法具有施工安全性高、對(duì)周圍環(huán)境影響小、地層適應(yīng)性強(qiáng)、施工效率高等優(yōu)勢(shì),在飛行區(qū)下穿隧道工程中已得到廣泛應(yīng)用。英國倫敦希斯羅機(jī)場(chǎng)在飛行區(qū)下采用盾構(gòu)法修建了2條長1 280 m外徑8.8 m的鐵路隧道,隧道穿越機(jī)位滑行道,穿越地層主要為黏性土,通道埋深16 m,施工過程沉降控制在10 mm以內(nèi)。在上海、南京、昆明、成都等地,均有城市軌道交通線路采用盾構(gòu)法施工穿越機(jī)場(chǎng)飛行區(qū),且隧道外徑為6.2～8.5 m,穿越地層包括淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土地層、上軟下硬的復(fù)合地層、砂質(zhì)泥巖地層等,隧道埋深為11～22 m,道面沉降控制均滿足機(jī)場(chǎng)飛行運(yùn)營要求。上海仙霞西路隧道長工程盾構(gòu)段長約1 040 m,最大埋深約為26 m,采用直徑11.58 m的泥水平衡盾構(gòu)下穿上海虹橋國際機(jī)場(chǎng)繞滑道,繞滑道沉降和隆起控制在10 mm以內(nèi)[6]。

大量工程實(shí)踐表明:采用盾構(gòu)法穿越機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)沉降控制效果良好,適用性強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)不停航施工。針對(duì)2號(hào)、3號(hào)通道特點(diǎn),基于已有工程經(jīng)驗(yàn),結(jié)合地層特性,選擇盾構(gòu)法作為項(xiàng)目實(shí)施工法具有可行性,為滿足機(jī)場(chǎng)服務(wù)車輛車道設(shè)置需求,采用外徑11.3 m大斷面盾構(gòu)隧道作為下穿飛行區(qū)通道斷面。2號(hào)、3號(hào)通道盾構(gòu)隧道橫斷面圖如圖4所示。

圖4 2號(hào)、3號(hào)通道的盾構(gòu)隧道橫斷面圖

為滿足不停航施工要求,本工程主要需解決航空限高及道面區(qū)沉降控制問題?？紤]到地質(zhì)特點(diǎn),若盾構(gòu)隧道洞身位于上軟下硬的半巖半土地層,則盾構(gòu)施工難以控制地層沉降,無法滿足飛行區(qū)沉降控制要求。

結(jié)合飛行區(qū)不停航限制要求及巖溶區(qū)地質(zhì)特性,主要設(shè)計(jì)原則為:① 盡可能增大盾構(gòu)段隧道的長度,從而增加盾構(gòu)工作井與機(jī)場(chǎng)跑道距離,最大限度地減小施工對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)營的影響;② 應(yīng)避免隧道洞身范圍出現(xiàn)上軟下硬地層情況,進(jìn)而控制道面區(qū)沉降滿足飛行區(qū)限制要求;③ 隧道埋深應(yīng)滿足抗浮要求;④應(yīng)采取措施增大盾構(gòu)隧道整體剛度,避免運(yùn)營期隧道出現(xiàn)較大沉降差。

以2號(hào)通道為例,盾構(gòu)段隧道長1 130 m,盾構(gòu)工作井距離主跑道最小距離340 m,航空限高 31.95 m。2號(hào)通道縱斷面設(shè)計(jì)圖如圖5所示。受通道兩端接線位置限制,隧道無法深埋實(shí)現(xiàn)全斷面進(jìn)入巖層,因此采用淺埋方案,以保證隧道拱底不進(jìn)入微風(fēng)化巖層。隧道覆土厚度大于6 m,滿足隧道抗浮要求。盾構(gòu)隧道穿越機(jī)場(chǎng)主跑道范圍埋深為8.3～9.4 m。施工過程采用信息化手段來調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),進(jìn)而控制沉降。

圖5 2號(hào)通道縱斷面設(shè)計(jì)圖

盾構(gòu)隧道管片接頭削弱了管片的整體剛度,且盾構(gòu)隧道區(qū)間的管片接縫張開量易超出設(shè)計(jì)允許要求[7],管片接縫是盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)[8],可見,接縫的受力性能直接決定了隧道結(jié)構(gòu)的承載能力。因此,本工程盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)管片設(shè)計(jì)采用錯(cuò)縫拼裝形式,并在襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)與環(huán)之間接縫增加凹凸榫和剪力銷設(shè)計(jì),以增加盾構(gòu)隧道管片的整體剛度,進(jìn)而減小沉降。

3 盾構(gòu)穿越施工對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的影響

基于施工設(shè)計(jì)方案,結(jié)合機(jī)場(chǎng)跑道先期勘察資料,采用Midas GTS NX有限元軟件建立三維數(shù)值分析模型,對(duì)盾構(gòu)隧道下穿飛行區(qū)施工對(duì)既有機(jī)場(chǎng)跑道的影響進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)值分析模型

為減小模型邊界效應(yīng)影響, 按2～3倍開挖洞徑計(jì)取計(jì)算范圍。盾構(gòu)下穿影響數(shù)值分析模型如圖6所示。模型尺寸為74 m(X向)×100 m(Y向)×41 m(Z向)。

圖6 盾構(gòu)下穿影響數(shù)值分析模型

在三維數(shù)值分析模型中:土體本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫侖模型,巖土體力學(xué)參數(shù)取值如表3所示;盾構(gòu)隧道襯砌管片采用C50混凝土,彈性模量為34.5 MPa,泊松比為0.2;機(jī)場(chǎng)跑道由混凝土層及碎石層等組成,為簡(jiǎn)化計(jì)算,將跑道等效為線彈性材料,其彈性模量為10 000 MPa,泊松比為0.2。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的施工控制參數(shù)主要包括盾構(gòu)掘進(jìn)壓力及注漿壓力等,其中掌子面掘進(jìn)壓力取0.12 MPa,注漿壓力取0.24 MPa。

表3 巖土體力學(xué)參數(shù)

三維有限元計(jì)算模型的邊界條件為:模型邊界條件為側(cè)面約束法向位移,模型底部約束3個(gè)方向(X、Y、Z) 的位移。模擬施工的主要流程為:初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算;按照設(shè)計(jì)路線進(jìn)行右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn),并依次進(jìn)行同步注漿及管片拼裝;右線隧道貫通后進(jìn)行左線隧道掘進(jìn),并依次進(jìn)行同步注漿及管片拼裝。全過程共計(jì)51個(gè)施工步序。

3.2 數(shù)值分析模型的計(jì)算結(jié)果

經(jīng)數(shù)值分析模型的計(jì)算可得,雙線盾構(gòu)隧道貫通后,地層整體沉降云圖如圖7所示,機(jī)場(chǎng)既有跑道沉降云圖如圖8所示,跑道中心處橫截面沉降云圖如圖9所示。

圖7 雙線盾構(gòu)隧道貫通后的地層整體沉降云圖

圖8 雙線盾構(gòu)隧道貫通后的跑道沉降云圖

圖9 雙線盾構(gòu)隧道貫通后的跑道中心處橫截面沉降云圖

由計(jì)算結(jié)果可知:2號(hào)、3號(hào)盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場(chǎng)既有跑道施工過程引起地層沉降具有較明顯的三維特征;盾構(gòu)隧道開挖后,隧道上方土體發(fā)生沉降,下方巖土體發(fā)生隆起;右線盾構(gòu)隧道穿越施工貫通后,地層沉降最大值為15.16 mm,位于右線盾構(gòu)拱頂正上方地表處,跑道沉降最大值為12.75 mm,位于跑道結(jié)構(gòu)與土面區(qū)相接處;左線盾構(gòu)隧道穿越施工貫通后,地層沉降最大值為16.45 mm,位于兩條盾構(gòu)隧道中間正上方地表處,跑道沉降最大值為15.48 mm,位于跑道結(jié)構(gòu)與土面區(qū)相接處。

為進(jìn)一步分析機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)沉降隨盾構(gòu)隧道開挖施工變化規(guī)律,對(duì)盾構(gòu)開挖施工過程中機(jī)場(chǎng)跑道中心線沉降進(jìn)行分析,得到機(jī)場(chǎng)跑道中心線處各階段沉降槽變化如圖10所示,監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1(左線隧道拱頂)、P2(右線隧道拱頂)及P3(雙線隧道中間)沉降的開挖過程變化曲線如圖11所示。

圖10 機(jī)場(chǎng)跑道中心線處各階段沉降槽變化圖

圖11 機(jī)場(chǎng)跑道中心主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降的開挖過程變化曲線

由圖11可知:隨著盾構(gòu)不斷推進(jìn)直至雙線盾構(gòu)隧道貫通,機(jī)場(chǎng)跑道中心線處沉降槽曲線沉降最大值逐漸增大;施工右線盾構(gòu)隧道時(shí),沉降最大值為11.22 mm,發(fā)生于右線盾構(gòu)中心對(duì)應(yīng)位置;與左側(cè)跑道結(jié)構(gòu)差異沉降最大值為8.5 mm,差異沉降率為0.18‰(8.5 mm/47.95 m),小于差異沉降率限值(1‰);左線盾構(gòu)隧道貫通后,沉降最大值為13.96 mm,發(fā)生于雙線隧道中間部位對(duì)應(yīng)位置,對(duì)應(yīng)沉降曲線呈現(xiàn)出經(jīng)典的PECK沉降槽形式;與兩側(cè)跑道結(jié)構(gòu)的差異沉降最大值為7.2 mm,差異沉降率為0.20‰(7.2 mm/36.8 m),小于差異沉降率限值(1‰)。

由圖11可知:P2處沉降在右線盾構(gòu)隧道開挖中迅速增大,左線盾構(gòu)隧道施工時(shí)僅小幅增大;P1處沉降在右線盾構(gòu)隧道開挖至跑道中心處前沉降值較小,在右線盾構(gòu)隧道通過跑道中心時(shí)有小幅增大,并隨右線盾構(gòu)遠(yuǎn)離跑道中心而逐漸穩(wěn)定,在左線盾構(gòu)剛掘至跑道處時(shí)再次增大,在左線盾構(gòu)通過跑道中心處時(shí)增速達(dá)到最大,在左線盾構(gòu)遠(yuǎn)離跑道時(shí)逐漸穩(wěn)定;與P1沉降相比,P3沉降變化規(guī)律較為相似,且在右線盾構(gòu)隧道施工時(shí)沉降發(fā)展速率相對(duì)較大,在左線盾構(gòu)施工時(shí)沉降發(fā)展速率相對(duì)較小。

綜上所述,2號(hào)、3號(hào)通道的大直徑盾構(gòu)穿越機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)施工過程中,機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)總沉降及差異沉降率均滿足機(jī)場(chǎng)跑道沉降限制值要求,采用大盾構(gòu)淺埋方案作為機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)下穿通道設(shè)計(jì)方案具有可行性。

4 結(jié)語

基于廣州白云機(jī)場(chǎng)2號(hào)、3號(hào)下穿通道工程,研究巖溶區(qū)大直徑盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)不停航施工方案,并采用三維數(shù)值分析模型對(duì)盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)影響進(jìn)行分析,驗(yàn)證了巖溶區(qū)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)下穿通道不停航施工的可行性,為工程實(shí)施提供依據(jù)。研究得到以下結(jié)論:

1) 實(shí)現(xiàn)不停航施工需滿足飛行區(qū)障礙物限制及跑道沉降要求,考慮到穿越機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)隧道設(shè)計(jì)主要考慮隧道施工期間道面區(qū)沉降對(duì)飛機(jī)安全運(yùn)營的影響,道面沉降控制依據(jù)《運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全管理規(guī)定》實(shí)施,水泥混凝土道面必須完整、平坦,3 m范圍內(nèi)的高差不得大于10 mm;板塊接縫錯(cuò)臺(tái)不得大于5 mm,且總沉降量不大于30 mm。同時(shí),跑道差異沉降率需不大于1‰,滑行道差異沉降率需不大于1.5‰。

2) 結(jié)合飛行區(qū)不停航限制要求及巖溶區(qū)地質(zhì)特性,盡可能增加盾構(gòu)段隧道的長度,采用淺埋方案,保證隧道拱底不進(jìn)入基巖,且滿足隧道抗浮要求,并采取措施增大盾構(gòu)隧道整體剛度,最大限度地減小對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)營的影響。

3) 根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果,盾構(gòu)穿越機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)施工過程中,機(jī)場(chǎng)跑道沉降最大值為15.48 mm,最大差異沉降率為0.20‰,均滿足機(jī)場(chǎng)跑道沉降限制值要求,下穿通道設(shè)計(jì)方案具有可行性。