雙線盾構(gòu)隧道下穿機(jī)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(xué)土木工程系，上海 200444； 2.上海機(jī)場(集團(tuán))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(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速提升，民用機(jī)場的建設(shè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭，但由于受當(dāng)時特定條件的限制，先前的機(jī)場規(guī)劃建設(shè)大都沒有考慮預(yù)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(jī)場周邊的交通狀況，越來越多下穿機(jī)場飛行區(qū)的隧道工程需要建設(shè)。盾構(gòu)法因具有施工速度快、對地面擾動小、不影響地面交通等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到隧道建設(shè)中[1]。但即使盾構(gòu)施工，也不可避免地會對穿越區(qū)土體造成擾動，進(jìn)而導(dǎo)致跑道等機(jī)場設(shè)施發(fā)生沉降。由于機(jī)場跑道對沉降的要求極其嚴(yán)苛，沉降控制不力輕則造成跑道開裂、機(jī)場停運(yùn)，重則可能會釀造機(jī)毀人亡重大事故。因此，研究盾構(gòu)下穿施工引起的跑道沉降規(guī)律具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外對于盾構(gòu)法施工下穿既有建筑物、構(gòu)筑物等引起的上方沉降方面做了大量的研究，對于下穿機(jī)場跑道引起道面沉降規(guī)律的研究還很少。在理論公式方面，計(jì)算盾構(gòu)施工引起地表沉降方法主要有Peck公式[2]和Sagaseta公式[3]。后續(xù)學(xué)者研究得到盾構(gòu)施工引起的三維地表沉降計(jì)算公式[4-7]。在數(shù)值模擬方面，現(xiàn)有研究多集中于盾構(gòu)隧道覆土深度、土倉壓力、注漿壓力等施工參數(shù)對于跑道沉降的影響[8-13]。此外，還有部分學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測做了相關(guān)下穿機(jī)場跑道研究[14-19]。

綜上所述，目前研究主要集中在優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)，來減小對跑道面沉降的影響，很少涉及雙線盾構(gòu)施工對跑道沉降規(guī)律的影響分析。本文暫不考慮飛機(jī)荷載作用，通過數(shù)值模擬深入探究雙線盾構(gòu)下穿對機(jī)場道面沉降的影響規(guī)律，并與既有研究成果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，試圖找出跑道沉降的最大位置，以期能夠?yàn)榻窈箢愃贫軜?gòu)下穿機(jī)場跑道工程提供指導(dǎo)。

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(qū)間下穿虹橋機(jī)場飛行區(qū)工程，主要下穿機(jī)場草坪、滑行道和跑道(圖1)。該下穿工程采用土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)機(jī)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(huán)寬的預(yù)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(gòu)隧道穿越機(jī)場平面示意

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，下穿場區(qū)的75 m深度范圍的地基土由第四紀(jì)全新統(tǒng)至上更新統(tǒng)沉積的地層組成，主要有：①褐黃-灰黃色黏土、②灰色淤泥質(zhì)黏土、③灰色粉砂與灰色粉質(zhì)黏土、④灰色粉質(zhì)黏土等，具體地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 工程難點(diǎn)

(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(zhàn)。

(2)穿越影響范圍大：盾構(gòu)穿越機(jī)場跑道中段，隧道處在現(xiàn)有飛行區(qū)的影響范圍約540 m，要嚴(yán)格控制影響范圍內(nèi)的道面沉降。

(3)現(xiàn)場監(jiān)測受限：監(jiān)測設(shè)備不能進(jìn)入滑行道及跑道禁區(qū)，施工監(jiān)測需要滿足飛機(jī)正常起降，同時又要保證監(jiān)測準(zhǔn)確性，實(shí)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(shù)值模型，模擬盾構(gòu)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(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，隧道間距12 m。飛機(jī)跑道寬度為45 m，厚度為1 m。雙線隧道下穿機(jī)場跑道的數(shù)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(shù)值模型(單位：m)

模型單元采用實(shí)體C3D8單元，土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，土體與襯砌管片接觸面采用綁定約束。盾構(gòu)機(jī)、隧道管片和注漿采用線彈性材料模擬。機(jī)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(jì)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(shù)。本文暫不考慮土中水的滲流作用和土的固結(jié)作用，模擬雙線隧道盾構(gòu)下穿機(jī)場跑道情形。

圖3 跑道結(jié)構(gòu)

表2 模型材料參數(shù)

隧道開挖模擬采用單元生死法，如圖4所示。為計(jì)算方便，可以在不影響計(jì)算精度條件下，設(shè)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(jié)點(diǎn)。

圖4 隧道開挖模擬過程

3 結(jié)果分析

3.1 跑道縱向沉降槽分析

文獻(xiàn)[9]研究了單線隧道下穿引起的跑道沉降特征，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)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(yīng)于雙線數(shù)值模型S1、S2、S3截面)處地表沉降曲線呈現(xiàn)出典型的“V”形沉降槽，與Peck曲線相一致，最大沉降點(diǎn)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(yīng)的地表處。這是因?yàn)橛揖€隧道先開挖，左線隧道后開挖，右線隧道上方的土體發(fā)生兩次擾動，因此右線隧道上方區(qū)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(jiān)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(gòu)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(jiān)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(dá)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(jīng)接近于限值的要求，此時應(yīng)考慮調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)或者對土體進(jìn)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(jiān)測面最大沉降對比 mm

雙線隧道下穿過程中，盾構(gòu)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(huán)(接近跑道下方)時，跑道中心線整體沉降呈微隆起。到R50環(huán)(跑道中心線下方)時，跑道沉降呈現(xiàn)出V形沉降槽。開挖到R68環(huán)(開始遠(yuǎn)離跑道)時，沉降繼續(xù)增大，最大為5.8 mm左右。隨著后續(xù)左線隧道開挖的進(jìn)行，跑道中心線的最大沉降僅少量增加，L68環(huán)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(shí)測值基本吻合，且模擬值基本大于現(xiàn)場實(shí)測值，最大差值不超過2 mm。由圖7可以看出，現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬沉降曲線都呈現(xiàn)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(xiàn)[20-21]關(guān)于雙線隧道下穿引起沉降槽形狀研究成果，雙線盾構(gòu)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(guān)系，當(dāng)L/(H+R)≤0.5時，沉降槽呈現(xiàn)“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(zhuǎn)變成“W”形。本文雙線盾構(gòu)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(jié)構(gòu)和無跑道結(jié)構(gòu)(跑道區(qū)域材料賦值成土體材料)時右線隧道左邊緣處對應(yīng)地表最大沉降，具體如圖8所示?？梢钥闯?，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(xiàn)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(jié)構(gòu)的存在能夠明顯減小地表沉降，這是由于跑道結(jié)構(gòu)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(jìn)行右線下穿，后進(jìn)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(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果沉降曲線趨勢基本一致，數(shù)值模擬結(jié)果最大沉降與現(xiàn)場實(shí)測基本吻合，同時跑道最大傾斜率約為0.01%，遠(yuǎn)小于0.1%的限值，符合現(xiàn)場施工的要求。通過結(jié)果對比，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，可為施工過程沉降預(yù)測提供一定指導(dǎo)。

3.3 特征點(diǎn)沉降分析

特征監(jiān)測點(diǎn)D1沉降隨右線開挖過程變化曲線見圖10(a)，特征監(jiān)測點(diǎn)D2沉降隨左線開挖過程變化見圖10(b)，由圖10可知，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)都具有很好一致性，沉降變化都呈現(xiàn)出“先微隆起，再沉降逐步增大到穩(wěn)定值”的趨勢，且數(shù)值模擬結(jié)果基本大于現(xiàn)場實(shí)測值，最大沉降差為1 mm左右。

圖10 特征點(diǎn)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(yīng)地表處)3個點(diǎn)為特征點(diǎn)，監(jiān)測雙線隧道盾構(gòu)下穿施工過程中，特征點(diǎn)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(diǎn)的沉降曲線都表現(xiàn)為：先隆起，后沉降，再沉降量少量減小，最后沉降又增大到穩(wěn)定值。

雙線隧道下穿使特征監(jiān)測點(diǎn)受到兩次擾動，進(jìn)而導(dǎo)致特征點(diǎn)發(fā)生兩次沉降過程。由圖11可以看出，雙線盾構(gòu)隧道下穿引起的特征點(diǎn)沉降主要發(fā)生在右線隧道施工過程中。表4所示右線下穿導(dǎo)致的特征點(diǎn)最大沉降量約占總沉降量的85%。這是因?yàn)橛揖€隧道先下穿，導(dǎo)致最大沉降點(diǎn)靠近右線隧道，左線隧道施工后下穿，對特征點(diǎn)沉降擾動要遠(yuǎn)小于初次擾動的影響。所以，在雙線盾構(gòu)隧道施工過程中更應(yīng)該控制好初次擾動對跑道沉降的影響，以保證機(jī)場安全運(yùn)營。

圖11 特征點(diǎn)沉降變化

表4 不同特征點(diǎn)沉降

4 結(jié)論

以上海地鐵隧道下穿虹橋機(jī)場跑道為背景，主要分析了雙線盾構(gòu)隧道下穿引起的跑道沉降規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與既有研究成果，主要得出了以下結(jié)論。

(1)通過對比不同監(jiān)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(yīng)采取調(diào)整施工參數(shù)或?qū)ν馏w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(fā)生在右線隧道左邊緣上方地表處，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)沉降趨勢一致，地表沉降槽均呈現(xiàn)“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(gòu)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(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)最大差值不超過2 mm，跑道的最大傾斜率為0.01%，遠(yuǎn)小于0.1%的限值要求。

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