地鐵隧道下穿不停航機(jī)場(chǎng)方案研究

阮 松

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)軌道交通工程的迅猛發(fā)展，與既有城市建構(gòu)筑物交叉不可避免，下穿機(jī)場(chǎng)等工程案例逐年增多。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)范圍具有地面載重大、變形控制要求高等特點(diǎn)，地鐵隧道穿越機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪及滑行道技術(shù)難度大、控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)、復(fù)雜程度較常規(guī)穿越工程高。另外，由于機(jī)場(chǎng)的特殊性，當(dāng)外部工程下穿已運(yùn)營(yíng)的機(jī)場(chǎng)時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)停航施工，這對(duì)工程施工提出了挑戰(zhàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外下穿機(jī)場(chǎng)的隧道工程，多數(shù)在均勻的土質(zhì)或巖質(zhì)地層中修建，隧道長(zhǎng)距離穿越富水砂卵石及中風(fēng)化泥巖的上軟下硬復(fù)雜地層的工程經(jīng)驗(yàn)較少。以成都地鐵10號(hào)線二期工程為例，研究不停航條件下地鐵區(qū)間隧道下穿機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)的設(shè)計(jì)方案和風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策。

1 工程概況

成都地鐵10號(hào)線工程連接中心城區(qū)、雙流機(jī)場(chǎng)、新津區(qū)，線路呈東北—西南走向。在雙流機(jī)場(chǎng)2航站樓—雙流西站區(qū)間，線路先后下穿機(jī)場(chǎng)T2航站樓、G指廊、停機(jī)坪(含輸油管線，埋深2.5～3 m)及滑行道。是成都地鐵建設(shè)以來(lái)首次穿越機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪與滑行跑道，也是首次在富水砂卵石地層中長(zhǎng)距離穿越機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪與滑行道工程。區(qū)間下穿停機(jī)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(jī)場(chǎng)為國(guó)內(nèi)第四大航空港，飛行區(qū)等級(jí)為4F，是國(guó)內(nèi)八大區(qū)域樞紐機(jī)場(chǎng)之一，內(nèi)陸地區(qū)的航空樞紐和客貨集散地。

根據(jù)地勘鉆孔揭露，穿越機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)段上覆第四系全新統(tǒng)人工填筑土層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層，下伏白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖。地層至上而下依次為：素填土、黏土、粉質(zhì)黏土、中砂、卵石土、強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化泥巖。隧道主要穿越卵石土及泥巖層，場(chǎng)地內(nèi)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(jī)場(chǎng)飛行區(qū)段地質(zhì)縱剖面如圖2所示。

圖2 地質(zhì)縱剖面示意(單位：m)

2 下穿機(jī)場(chǎng)方案研究

2.1 國(guó)內(nèi)穿越機(jī)場(chǎng)工程概述

國(guó)內(nèi)隧道工程常規(guī)施工方法主要有頂進(jìn)法、盾構(gòu)法、礦山法及明挖法等，穿越機(jī)場(chǎng)方案應(yīng)根據(jù)外部環(huán)境、地質(zhì)條件及工程特點(diǎn)等綜合比較后選取[1]。

在北京首都機(jī)場(chǎng)，采用超前管棚加固、箱涵頂進(jìn)工法，在黏土地層完成了連接西跑道與4號(hào)停機(jī)坪及2號(hào)停機(jī)坪的地下通道[2-3]。

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

在北京首都機(jī)場(chǎng)T2-T3汽車通道及捷運(yùn)聯(lián)絡(luò)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(hào)線，采用礦山法在巖質(zhì)地層中下穿越江北機(jī)場(chǎng)跑道[10]；在珠三角城際鐵路新塘經(jīng)白云機(jī)場(chǎng)至廣州北工程，采用礦山法在上軟下硬地層中下穿機(jī)場(chǎng)滑行道[11]。

2.2 下穿機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

本工程下穿雙流機(jī)場(chǎng)具備以下特點(diǎn)：①隧道在機(jī)場(chǎng)不停航條件下施工，地表變形控制要求嚴(yán)格；②隧道處于富水砂卵石及中風(fēng)化泥巖層，地層上軟下硬，施工風(fēng)險(xiǎn)較高；③線路穿越區(qū)影響范圍較長(zhǎng)，全長(zhǎng)1.18 km；④下穿滑行道處局部埋深41 m，水壓較高。針對(duì)工程特點(diǎn)，綜合考慮機(jī)場(chǎng)安全性、工期、造價(jià)等方面的影響，對(duì)各工法進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

(1)安全控制性分析

礦山法施工控制沉降較難、施工風(fēng)險(xiǎn)較高，對(duì)沉降要求嚴(yán)格區(qū)域不宜采用；明挖法需對(duì)地面交通進(jìn)行疏解、甚至停航方可施工，社會(huì)影響較大；頂進(jìn)法對(duì)地層條件有一定要求，施工需設(shè)置工作井，穿越長(zhǎng)度有所限制；盾構(gòu)法施工技術(shù)較成熟、沉降控制能力較強(qiáng)，在一定埋深情況下可適用于下穿機(jī)場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境。

(2)線路適應(yīng)性分析

礦山法適應(yīng)各種線路條件，但埋置深度不宜過(guò)大；明挖法對(duì)線路的適應(yīng)性也較強(qiáng)，但出于造價(jià)等考慮，通常應(yīng)用于淺埋工程；盾構(gòu)法對(duì)線路曲線半徑、縱坡、線間距等均有要求，其線路適應(yīng)性相對(duì)較差，但其在線路埋深較大時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。

(3)工期和造價(jià)適應(yīng)性分析

盾構(gòu)法設(shè)備較復(fù)雜、初期投入高，但線路較長(zhǎng)時(shí)工期和造價(jià)較優(yōu)；礦山法需采用輔助措施控制變形，其費(fèi)用高、工期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性較差。

結(jié)合本工程特點(diǎn)，綜合安全、線路條件、工期及造價(jià)分析比選，區(qū)間推薦采用盾構(gòu)法施工。

2.3 安全措施設(shè)計(jì)

(1)線路平縱斷面優(yōu)化

線路平面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)化線路與機(jī)場(chǎng)的平面關(guān)系，在穿越機(jī)場(chǎng)停機(jī)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(shí)縮短下穿機(jī)場(chǎng)施工的時(shí)間。

線路縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足線路技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量加大飛行區(qū)線路埋深，以減小盾構(gòu)施工時(shí)地層損失對(duì)道面的影響。線路出T2航站樓盾構(gòu)井后隨即以28‰坡度下坡，應(yīng)通過(guò)快速增大埋深保證穿越停機(jī)坪第1根輸油管道時(shí)凈距大于1倍洞徑。隧道穿越滑行道時(shí)，應(yīng)深入泥巖4～5 m(埋深達(dá)到 42 m)，并縱向設(shè)置5‰緩坡，以保證此處盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)為小坡度俯挖施工，將施工難度及風(fēng)險(xiǎn)控制到最小。

(2)盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化改造

針對(duì)本工程地質(zhì)、水文條件、地上建筑物、地下構(gòu)筑物及周邊環(huán)境等情況，選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，為滿足盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離、高水壓下穿越停機(jī)坪要求，對(duì)盾構(gòu)機(jī)做如下優(yōu)化設(shè)計(jì)。

①刀盤：刀盤、盾體采用分塊設(shè)計(jì)制造；增大刀盤開(kāi)口率至33%，充分考慮破碎大卵石、漂石的要求，為可能出現(xiàn)的地層情況做充分考慮。

②密封系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)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(jìn)提供保障。

③螺旋輸送機(jī)：螺旋機(jī)筒徑為920 mm，可通過(guò)粒徑為350 mm×540 mm，為可能出現(xiàn)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(gòu)機(jī)在泥巖地層推進(jìn)上浮等問(wèn)題提供設(shè)備保障。

⑤渣土改良：采用單路單泵的配置，并提高膨潤(rùn)土的注入能力；另外，還應(yīng)在盾體隔板上預(yù)留多個(gè)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(duì)性。

(3)下穿停機(jī)坪段安全處理措施

①施工前停機(jī)坪空洞探測(cè)

施工前，利用夜間機(jī)場(chǎng)停航時(shí)間，對(duì)線路影響范圍內(nèi)停機(jī)坪進(jìn)行陸地聲納法地質(zhì)探測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)空洞并填充注漿。

②注漿加固處理措施

探測(cè)發(fā)現(xiàn)空洞后，從停機(jī)坪表面向下打設(shè)φ42鋼花管，注入水泥砂漿對(duì)停機(jī)坪底部空洞進(jìn)行填充，注漿完成后封堵注漿孔。

③沉降控制措施

在掘進(jìn)過(guò)程中，利用前盾上帶閥門的預(yù)留注漿孔向地層注入克泥效漿液，填充刀盤開(kāi)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(jī)坪空洞探測(cè)

施工完成后，利用夜間機(jī)場(chǎng)停航間隙，再次對(duì)線路通過(guò)區(qū)域進(jìn)行陸地聲納法地質(zhì)探測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為1次/月，持續(xù)周期為2年，如發(fā)現(xiàn)空洞應(yīng)及時(shí)填充。

(4)下穿滑行道段安全處理措施

結(jié)合成都地區(qū)的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)隧道埋深超過(guò)25 m或者進(jìn)入中風(fēng)化泥巖以后，施工引起的地面沉降很小，一般在10 mm以內(nèi)，甚至達(dá)到“零沉降”。通過(guò)上述線路縱斷面調(diào)整，使線路在滑行道前深入中風(fēng)化泥巖，確保埋深要求。

(5)下穿停機(jī)坪輸油管道保護(hù)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(zhì)為無(wú)縫鋼管，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa。施工過(guò)程中，地表若產(chǎn)生過(guò)大的沉降，會(huì)造成輸油管道破裂，航油泄露，也會(huì)對(duì)周邊的壞境造成影響。輸油管需采取以下保護(hù)措施。

①盾構(gòu)管片增設(shè)注漿孔，從洞內(nèi)對(duì)隧道周圈進(jìn)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(duì)航油管道造成腐蝕，通過(guò)增大道床雜散電流收集網(wǎng)截面、增設(shè)回流電纜、上下行軌道間增設(shè)均流電纜等措施對(duì)雜散電流進(jìn)行防護(hù)。另參照廣州白云機(jī)場(chǎng)成功經(jīng)驗(yàn)，增設(shè)排流柜進(jìn)行雜散電流防護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。

③結(jié)合10號(hào)線一期工程實(shí)施的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)輸油管道前后一定范圍內(nèi)的管片采用高滲透性環(huán)氧樹(shù)脂加強(qiáng)防水，以防可能泄漏的油氣進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道。

(6)停機(jī)坪下聯(lián)絡(luò)通道安全措施

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，聯(lián)絡(luò)通道間距不應(yīng)超過(guò)600 m，停機(jī)坪范圍內(nèi)需設(shè)置1處。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，將1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道設(shè)在停機(jī)坪中部對(duì)沉降相對(duì)不敏感的飛機(jī)對(duì)頭處[12-13]。由于處于高富水砂卵石地層，且地面無(wú)降水條件，經(jīng)綜合比選，采用凍結(jié)法加固止水方案。結(jié)合本區(qū)間情況，選取機(jī)場(chǎng)范圍外地質(zhì)條件、埋深相近的6號(hào)聯(lián)絡(luò)通道作為凍結(jié)法試驗(yàn)段，用于采取數(shù)據(jù)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)停機(jī)坪下1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)、施工。相關(guān)的聯(lián)絡(luò)通道布置見(jiàn)表1。

表1 機(jī)場(chǎng)范圍聯(lián)絡(luò)通道布置

3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)，參考以往國(guó)內(nèi)已實(shí)施案例，經(jīng)綜合分析，確定停機(jī)坪及滑行道變形控制值為10 mm[14-15]。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)相關(guān)監(jiān)測(cè)控制值見(jiàn)表2。

表2 機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)監(jiān)測(cè)控制值

4 數(shù)值模擬分析

采用MIDAS_GTS巖土與隧道分析軟件，建立“地層-結(jié)構(gòu)”模型，土體采用實(shí)體單元、本構(gòu)選用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則；盾構(gòu)管片采用板單元，本構(gòu)選取彈性準(zhǔn)則計(jì)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(jī)坪段模型

圖5 航油管線與盾構(gòu)隧道關(guān)系示意

選取停機(jī)坪內(nèi)距離盾構(gòu)管片最近處輸油管道以及下穿滑行道段建立模型，對(duì)隧道施工過(guò)程中引起的地表及管線沉降進(jìn)行數(shù)值分析。輸油管處盾構(gòu)埋深約9 m，管線與管片凈距為7 m；滑行道段盾構(gòu)埋深約42 m。下穿段地層參數(shù)見(jiàn)表3，下穿輸油管處模型見(jiàn)圖4、圖5。經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到地表沉降曲線，可以看出，地表橫向沉降基本呈正態(tài)曲線分布。盾構(gòu)施工過(guò)程中，最大沉降發(fā)生在兩隧道之間位置。停機(jī)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(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，能保證機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)營(yíng)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(xué)指標(biāo)

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(jiān)測(cè)

5.1 監(jiān)測(cè)方案

傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)技術(shù)在高密度運(yùn)營(yíng)的機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪及滑行道內(nèi)無(wú)法實(shí)施，且不能滿足大量數(shù)據(jù)采集、分析、及時(shí)準(zhǔn)確反饋的要求。因此，本工程采用遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)營(yíng)跑道道面、停機(jī)坪及其下部土體變形進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器

5.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

第三方監(jiān)測(cè)單位對(duì)下穿機(jī)場(chǎng)段實(shí)施了全過(guò)程的監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)測(cè)表明，停機(jī)坪最大沉降量為6.97 mm，滑行道最大沉降量?jī)H1.98 mm，最終沉降量均控制在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。各項(xiàng)指標(biāo)滿足預(yù)期，盾構(gòu)隧道已于2018年10月安全穿越雙流機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)段。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)穿越雙流機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪及滑行道不停航、砂卵石地層地下水發(fā)育、線路埋深大、穿越距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，經(jīng)對(duì)比分析，推薦采用盾構(gòu)法施工。

(2)停機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(huán)境保護(hù)要求，方案可行。

(3)采用遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行信息采集，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確、全面，實(shí)現(xiàn)信息共享、動(dòng)態(tài)施工。施工監(jiān)測(cè)停機(jī)坪最大沉降為6.97 mm，滑行道最大沉降為1.98 mm，與模擬結(jié)果基本吻合，符合預(yù)期。

(4)以減小工程實(shí)施對(duì)機(jī)場(chǎng)環(huán)境影響、降低安全風(fēng)險(xiǎn)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化線路平縱斷面、改造優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)、動(dòng)態(tài)空洞探測(cè)及填充、盾構(gòu)殼體外克泥效填充、拱部二次注漿、加強(qiáng)針對(duì)輸油管的雜散電流防護(hù)、凍結(jié)法加固施工聯(lián)絡(luò)通道等一系列切實(shí)可行的措施，保證隧道施工及機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全，成功經(jīng)驗(yàn)可供其他類似下穿機(jī)場(chǎng)工程借鑒。