飛機荷載對下穿TBM隧道管片結構與地層附加應力影響研究

陳安惠，張忠剛，馬興葉，覃 亮，鄧 昆

(1.中鐵開發(fā)投資有限公司，昆明 650000；2.中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201； 3.西南交通大學土木工程學院，成都 610031; 4.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031；5.中鐵三局集團第二工程有限公司，石家莊 050000)

在我國經濟高速發(fā)展的同時，地下空間的充分利用可以解決一定的交通問題，許多城市建立起了龐大的地鐵交通網絡。一些隧道由于種種原因，不得不下穿機場的飛機跑道。現(xiàn)在國內國外已經有一些下穿飛機跑道的隧道實例，其中有成功也有失敗的案例。成功的案例有：瑞士的蘇黎士機場運營區(qū)的下方建造了兩條用于地鐵的單殼防水隧道，這些隧道下穿了停機坪、滑行道、登機口等區(qū)域，施工后地表沉降沒有超過5 mm[1]；德國圖加特在機場跑道下修建了圓形單軌隧道，雖然該工程地質條件較差，但是施工中通過嚴格的監(jiān)控量測來控制隧道變形，最終使沉降得到有效控制[2]；英國希斯羅機場在滑行道和站坪機位下方修建了2條2 259 m長外徑為8.8 m的軌道交通隧道，雖然該隧道埋深淺，但通過采用預制混凝土結構取得了成功[3]；下穿上海虹橋機場飛行區(qū)的3條隧道采用盾構法施工，通過嚴格控制盾構機推進速度以及二次注漿措施對沉降進行了良好的控制[4]；臺北松山機場盾構隧道下穿停機坪，采用管幕結合ESA箱涵頂施工，并通過水平注漿加固管幕內土體，取得了成功[5]。在下穿飛機跑道的隧道實例中也有失敗的例子，如位于廣東的珠海機場，在下穿隧道的建造后，由于地質條件不良，在地下通道處產生了不均勻沉降并且出現(xiàn)了裂縫[6]?？梢婏w機荷載對隧道開挖有一定的影響，如若處理不當可能會導致嚴重的工程問題。

目前國內對于飛機荷載對隧道結構、內力、地層影響深度的研究較少。楊裴等[7]基于層狀彈性理論的力學分析表明飛機對地基變形的影響深度可達10 m；肖明等[8]通過三維數(shù)值模擬盾構隧道下穿飛機跑道，得到了地表沉降和內力的分布規(guī)律；趙爽[9]通過分析飛機起降對隧道襯砌內力變化的研究，得出不考慮飛機起降對隧道穩(wěn)定性影響的隧道最小埋深為 30 m；晁凱[10]通過對比動、靜荷載作用隧道斷面的拱頂沉降和拱腰收斂，認為飛機動荷載作用下對拱頂沉降影響甚小。

本文依托重慶軌道交通10號線T3航站樓-T2航站樓區(qū)間，運用FLAC3D軟件[11-12]對飛機荷載對隧道施工開挖影響進行了分析，并將飛機荷載等效為附加應力，探討了地層中附加應力變化的規(guī)律，為相似工程提供設計參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

重慶軌道交通10號線T3航站樓站至T2航站樓站區(qū)間左右線穿越重慶江北機場第二跑道、第一跑道、滑行道、聯(lián)絡道、停機坪、機場交通換乘中心等既有構筑物，地面環(huán)境復雜，沉降要求嚴格。T3航站樓站站后始發(fā)井至T2航站樓站區(qū)間隧道長1 570.232 m，均為單洞單線隧道。該區(qū)段主要采用TBM法施工。區(qū)間隧道軌面埋深14.1～32.9 m。

1.2 地質概況

沿線主要位于第四系構造剝蝕丘陵地貌上，隧道穿越的主要地層為砂質泥巖，局部分布有頁巖及泥質灰?guī)r。砂巖為Ⅲ級圍巖，砂質泥巖為Ⅳ級圍巖。地下水的富水性受地形地貌、巖性及裂隙發(fā)育程度控制，主要為大氣降水、地面池塘水體滲漏及城市地下排水管線滲漏補給，沿線地下水主要為基巖裂隙水，含水微弱。

2 復合式TBM施工過程模擬

2.1 模型尺寸

整體計算模型取為高50 m、長100 m、寬60 m(機場第二跑道的寬度)的長方體模型。其中上表面取到飛機跑道的道面，隧道埋深27 m。模擬TBM隧道中的注漿層時，按照均質、厚度不變的彈性等代層進行模擬。按照沿隧道縱向的地層變化，在ANSYS軟件中建立與實際情況相似的TBM隧道及周圍圍巖的模型。管片厚度為350 mm，注漿等代層厚度為142.5 mm，混凝土道面的厚度取為42 cm，二次碎石基層的厚度取為54 cm。地層及材料屬性具體見表1。其中除混凝土道面和二次碎石基層的材料屬性[7]外，其余材料的材料屬性來自工程報告。

表1 模型物理力學參數(shù)

2.2 施工荷載

(1)飛機荷載

選用的載客飛機是現(xiàn)在世界上最大的客機A380空中客車，根據(jù)MH5004—2010《民用機場水泥混凝土道面設計規(guī)范》中給出的A380飛機在降落、滑行和起飛3種情況下對機場跑道道面作用的荷載，如表2所示。根據(jù)相關研究，對于降落，分為粗暴著陸和正常著陸[13]。正常著陸是在0.5～1.0 m的高度時飛機便開始飄落，而如果飄落的高度過高便屬于粗暴著陸。正常著陸的荷載略小于飛機的靜荷載，粗暴著陸對道面的沖擊作用相當于靜荷載的3倍，并且粗暴著陸屬于違規(guī)操作，故本文在著陸時便沒有考慮粗暴著陸的情況。

表2 飛機荷載

圖1 飛機輪胎布置示意(單位：mm)

如表2所示，A380飛機分別在滑行、起飛和著陸的過程中，對道面的沖擊作用更大的是滑行過程[14]。最大的滑行重力為Pt=5 620 kN，A380飛機前后輪布置如圖1所示?？偣灿?2個輪子，其中前輪N1=2個，后輪N2=20個。依照A380飛機的前后輪分布及主起落荷載分配系數(shù)P可以把最大滑行重力分配到各個輪子上。

滑行時每個前輪承受的荷載

滑行時每個后輪承受的荷載

由于飛機在滑行過程中的振動效應，需要將飛機振動荷載放大10%，以機輪直徑d為1.5 m，當飛機的滑行速度v為16.67 m/s時計算機輪的頻率

ω=f·2π=3.54·2π=22 rad/s

于是滑行時前輪的動載

F11=F1+F110%·sin(ωt)=

84.3+8.43×sin(22t)

滑行時后輪的動載：

F22=F2+F210%·sin(ωt)=

272.6+27.26×sin(22t)

在隧道掘進到指定深度后，施加移動飛機荷載在FLAC3D模型上，模擬A380飛機滑行穿越TBM隧道上方的第二跑道的情況下對隧道結構的影響，按照計算將飛機荷載簡化為節(jié)點荷載。

(2)復合式TBM掘進的施工荷載

下穿飛機跑道段起點里程K32+599，終點里程K32+659，共41環(huán)管片，在復合式TBM的掘進過程中，對掌子面施加推力和扭矩，通過統(tǒng)計本工程中下穿江北機場第二跑道的TBM掘進參數(shù)，取得其推力和扭矩的平均值，推力的平均值為8 554 kN，扭矩的平均值為3 834 kN·m。

3 飛機荷載對復合式TBM管片影響

圖2 模型及飛機荷載示意(單位：m)

分別在TBM隧道開挖至飛機跑道前、中、后三個位置的情況下，考慮飛機從左往右通過隧道上方時，后輪荷載作用在X=0 m到X=100 m位置時的情況，模型尺寸及飛機荷載施加示意見圖2，隧道開挖位置見圖3。分別分析這三個位置下飛機荷載對管片主應力、拱頂、仰拱、邊墻位移以及安全系數(shù)的影響。

圖3 隧道開挖位置示意

3.1 飛機荷載對管片主應力的影響

表3為3個位置下TBM管片的最大主應力最大值和最小主應力最小值，圖4為3個位置下最大主應力值隨飛機荷載作用位置的變化圖。

表3 不同位置下TBM管片主應力值(受拉為正，受壓為負)

從圖4可以看出，由于埋深較深掘進環(huán)數(shù)較小，在飛機移動荷載的作用下，縱向管片的應力變化幾乎是恒定的，最值的位置與未作用飛機荷載時最值的位置一致。飛機荷載在TBM隧道穿越飛機跑道前施加時由于開挖靠近模型邊界，邊界效應影響顯著，導致TBM穿越跑道前和穿越跑道中最大主應力最大值相差較大，最小主應力最小值也有一定的變化。隨著隧道的開挖，管片主應力不斷變化最后趨于穩(wěn)定。相對于未作用飛機荷載時，TBM穿越跑道前最大主應力的最大值增加0.006 MPa，最小主應力的最小值減小了0.01 MPa；TBM穿越跑道中最大主應力的最大值增加0.022 MPa，最小主應力的最小值減小了0.004 MPa；TBM穿越跑道后最大主應力的最大值增加0.014 MPa，最小主應力的最小值減小了0.006 MPa。

根據(jù)GB50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》隧道管片采用C50混凝土，其抗拉強度為2.64 MPa，抗壓強度為32.4 MPa，最大主應力和最小主應力均滿足要求，結構安全。

3.2 飛機荷載對管片位移影響

表4為3個位置下TBM管片的位移值，圖5為不同位置下管片位移隨縱向距離變化曲線。

TBM穿越跑道前，第一環(huán)的拱頂沉降與仰拱位移最大，第二環(huán)凈空收斂值最大，隨著靠近掌子面呈現(xiàn)出變形減小的趨勢。施加飛機荷載后最大拱頂處沉降增加了0.055 mm，最大仰拱位移處仰拱位移減小了0.002 mm，最大凈空收斂處凈空收斂減小0.041 mm。

表4 3個位置下飛機荷載施加前后TBM管片位移 mm

注：豎向向上為正，水平方向收斂為正

圖5 管片位移縱向變化曲線

TBM穿越跑道中，掌子面前三環(huán)的管片變形突然變小，在28.5 m之前的拱頂沉降和仰拱位移變化不大，都在0.9 mm左右，在接近掌子面時迅速減小。凈空收斂在逐漸增大，在第19環(huán)管片處達到最大值0.28 mm，然后在接近掌子面時迅速減小。最大拱頂沉降處拱頂沉降增加了0.021 mm，最大仰拱處位移減小了0.015 mm，最大凈空收斂處凈空收斂減小0.041 mm。

TBM穿越跑道后，在掌子面前管片的變形突然減小，在52.5 m前管片拱頂沉降與仰拱位移變化較小，在接近掌子面處的拱頂沉降與仰拱位移減小較快，凈空收斂一直處于緩慢的上升趨勢，在42～52.5 m上升趨勢增加，在52.5 m到掌子面處突然減小。最大拱頂沉降處沉降增加了0.018 mm，最大仰拱位移處仰拱位移減小了0.008 mm，最大凈空收斂處凈空收斂減小0.061 mm。

根據(jù)GB50911—2013《城市軌道交通工程檢測技術規(guī)范》規(guī)定，管片結構沉降控制標準為10 mm，凈空收斂控制標準為3 mm。隧道最大沉降和凈空收斂值均滿足規(guī)范要求，管片安全。

3.3 飛機荷載對管片安全系數(shù)影響

提取在施加飛機荷載前后管片的彎矩、軸力，并計算出安全系數(shù)如表5所示。從表5可以看出，施加飛機荷載后管片彎矩和軸力變化不大，彎矩變化范圍在0.3 kN·m之內，軸力變化在1.6 kN之內，通過計算拱頂、拱肩、仰拱三個位置的安全系數(shù)可以看出，安全系數(shù)普遍大于9。參照JTG D70—2004《公路隧道設計規(guī)范》鋼筋混凝土結構強度安全系數(shù)限值為2.4，可見在飛機荷載作用下盾構隧道管片各處均處于安全狀態(tài)。

表5 施加飛機荷載前后TBM管片內力變化

4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

表6為數(shù)值模擬與部分實際的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的對比。其中Y32+600、Y32+660為模型中跑道左右兩中點。從表6可以看出，計算的觀測點數(shù)值與實際情況是比較相符的，表明數(shù)值模擬的結果是合理的。

表6 數(shù)值模擬與監(jiān)控量測對比

5 飛機荷載對地層附加應力影響

飛機荷載對隧道的作用，可以看成飛機作用在跑道上方時為地面超載，飛機荷載對跑道下部土體施加了附加的豎向應力[15-17]，土體的附加應力對隧道結構的受力產生影響，而飛機荷載的分布比較復雜，通過FLAC3D數(shù)值模擬的方式進行計算，通過提取附加應力值來分析飛機荷載對下部土體的影響規(guī)律。圖6為TBM隧道所處砂質泥巖層附加應力云圖。圖7為縱向剖面的附加應力云圖。

圖6 砂質泥巖層附加應力云圖

從圖6可以看出，受飛機后輪荷載的作用隧道所處砂質泥巖層附加應力最大值出現(xiàn)在模型中央位置，最大的豎向附加應力值為1.65 kPa，位于整個后輪范圍內，前輪的附加應力偏小，約為1 kPa，水平附加應力較小可忽略。由圖7可以看出，普遍呈現(xiàn)的附加應力分布規(guī)律是：隨著遠離飛機后輪荷載的中心部位，附加應力值逐漸減小，模型右方由于有前輪荷載的作用，右邊土體中的附加應力值略大于左邊，在Y=30 m處有最大的附加應力，最大值約為2.1 kPa。該結論可為相似下穿機場跑道隧道設計提供設計參考。

圖7 縱向剖面附加應力云圖

6 結論

(1)通過將飛機荷載等效成集中力施加在模型上,分析了飛機荷載在不同位置對復合式TBM隧道開挖的影響，結果表明，飛機荷載在不同位置對于TBM隧道管片主應力、拱頂沉降、仰拱位移、凈空收斂、安全系數(shù)影響都不大，管片結構安全。

(2)通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)對比分析，現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)與數(shù)值計算數(shù)據(jù)相差不大，表明數(shù)值模擬的結果可靠。

(3)將飛機荷載等效為豎向附加應力，可知在同一深度情況下中心處的豎向附加應力最大，隧道埋深處砂質泥巖層附加應力約為1.65 kPa；縱向上豎向附加應力呈現(xiàn)出中間大兩邊小的趨勢，中間處最大豎向附加應力最大值約為2.1 kPa。