下穿通道建設(shè)對滑行道變形影響的數(shù)值模擬①

魏川堯,黃忠凱2，,*,陳 頌,杜一鳴

(1. 同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；3 上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海200092)

0 引 言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國民航機場吞吐量迅速增加，對機場內(nèi)部運輸能力有了更高要求，因此實施隧道穿越運營的機場數(shù)量日益增長。保障滑行道的穩(wěn)定性和平順性是必要條件，因此對滑行道下穿通道的設(shè)計提出了安全、可靠和舒適的要求[1]。國內(nèi)外針對隧道下穿機場滑行道差異沉降的相關(guān)研究較少，多針對路橋過渡段，由于兩者產(chǎn)生原因相近，具有借鑒意義。國內(nèi)外建設(shè)者針對路橋過渡段的差異沉降提出了不同控制指標，主要有容許工后沉降和容許縱坡坡差。近年來，我國修建的部分機場對地基的差異沉降、殘余沉降的控制給出了較高的要求，相關(guān)研究主要集中在以下幾方面：滑行道結(jié)構(gòu)剛度一般大于下部土體，變形較小，是否會導(dǎo)致二者脫離；滑行道最終的沉降是否滿足要求，是否會造成開裂、沉陷等破壞；隧道施工對周圍土體產(chǎn)生擾動，能否滿足機場區(qū)域?qū)Νh(huán)境和安全的控制要求等。對于跑道區(qū)的地基變形控制，在最終沉降量較小時，以控制差異沉降為主，允許出現(xiàn)一定的殘余沉降[2]。針對上海浦東國際機場飛行區(qū)下穿通道工程對滑行道沉降影響進行數(shù)值研究，確保其設(shè)計能保障滑行道上飛機起降的安全性和舒適性，并對下滑通道過渡段攪拌樁布置進行優(yōu)化，尋求更安全經(jīng)濟的布置方式。

1 工程背景

1.1 項目概況

上海浦東國際機場飛行區(qū)下穿通道工程為旅客捷運系統(tǒng)、行李車及服務(wù)車下穿通道工程，由東線和西線兩部分組成。機場原有滑行道為東西走向，其下有南北向的下穿通道，位于T1、T2航站樓南側(cè)。下穿通道采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，屬于剛性結(jié)構(gòu)。場地自地表以下45.38m深度范圍內(nèi)為屬第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，主要由飽和粘性土、粉性土以及砂土組成，具有成層分布特點。按其沉積年代、成因類型及其物理力學(xué)性質(zhì)的差異。其周圍不良地質(zhì)條件主要包括暗浜(塘)和地下管線和構(gòu)筑物。由于下穿通道的建設(shè)提高滑行道對應(yīng)位置的地基強度，為了減少地基剛度變化，增加滑道沉降的平穩(wěn)性設(shè)置過渡段，采用攪拌樁對下滑通道進行加固。

1.2 研究內(nèi)容

建設(shè)下穿通道導(dǎo)致滑行道產(chǎn)生差異沉降主要由以下原因造成[3-5]：下穿通道是剛性結(jié)構(gòu)，形式上屬于箱型基礎(chǔ)，故下穿通道在飛機荷載作用下沉降小于未經(jīng)地基處理的滑行道地基土的沉降；作用于滑行道道面的有循環(huán)荷載和振動沖擊荷載，滑行道與下穿通道之間的沉降差不斷累積，產(chǎn)生差異沉降。根據(jù)現(xiàn)有工程經(jīng)驗和分析，將在地下通道邊緣位置開始利用攪拌樁設(shè)置過渡段，以降低飛機在滑行過程中的震動。

圖1 下穿通道平面位置示意圖

針對上海浦東國際機場飛行區(qū)下穿通道工程，基于有限元軟件ABAQUS，針對滑行道地基土體中無下穿通道、滑行道地基土體中有下穿通道但無過渡段加固和滑行道地基土體中有下穿通道且有過渡段地基加固三種情況，分別建立三維精細化模型，其中加固按工程采用三軸攪拌樁，并給出三種布樁形式；利用子程序接口開發(fā)飛機動荷載施加腳本，分析以上三種工況條件下，飛機滑行一次滑行道及下臥結(jié)構(gòu)地表沉降情況，分析滑行道地基土體的變形機理；研究不同攪拌樁布置方案對滑行道不均勻沉降的影響。

圖2 土體有限元計算模型

2 數(shù)值建模

2.1 土體

為了減小數(shù)值計算中的邊界效應(yīng)，根據(jù)文獻[5]建議取計算模型的水平邊界距隧道軸線距離大于6.5D，模型底部距離隧道中心距離大于3D(D為隧道的直徑)，故在ABAQUS中采用實體單元，建立90m×60m×30m的土體模型。為了減少不同土層大量力學(xué)參數(shù)的選取所帶來誤差，本研究中滑行道下方土體采用雙層地層(第②3層砂質(zhì)粉土和第④層淤泥質(zhì)粘土)，層厚分別為11.2m和18.8m，具體布置方案如圖3所示。土體本構(gòu)模型均采用Mohr-Coulomb模型，具體參數(shù)取值如表1所示。

2.2 滑行道

根據(jù)設(shè)計方案，滑行道下方地層經(jīng)堆載預(yù)壓后，先進行厚40cm(分2次施工，每層厚20cm)水泥穩(wěn)定碎石施工，經(jīng)養(yǎng)護后再采用厚36～42cm現(xiàn)澆水泥混凝土施工，最終形成道面結(jié)構(gòu)，如圖3所示。故可將滑行道結(jié)構(gòu)視為一個整體，在ABAQUS中土體模型的上方采用實體單元建立尺寸為80m×60m×0.8m的模型，材料選用彈性模型，材料參數(shù)取值如表1所示。

圖3 滑行道結(jié)構(gòu)橫斷面圖

表1 模型本構(gòu)關(guān)系及物理力學(xué)參數(shù)指標

2.3 下穿通道

根據(jù)設(shè)計方案，下穿通道埋深為2m，厚度為1m，箱底距離土體表面8.8m，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。在ABAQUS中采用殼單元建立如圖尺寸的矩形結(jié)構(gòu)，材料選用彈性模型，材料參數(shù)取值如表1所示。

圖4 下穿通道橫斷面圖

2.4 過渡段

根據(jù)工程建設(shè)方案采用?650@450三軸攪拌樁對過渡段進行加固。并通過分區(qū)段采取不同的樁長形成呈梯度逐漸變化的沉降等值區(qū)，提高滑道沉降的平穩(wěn)性。通過建立設(shè)有地基加固區(qū)域的三維有限元計算模型，同樣采用實體單元如圖5所示，分析進行地基加固之后飛機滑行引起滑行道地基土體變形的影響。地基加固區(qū)域土體的變形模量相比于未加固前顯著提高，具體參數(shù)取值如表1所示。準備建立三個方案模型進行分析：

圖5 有限元計算模型

樁型Ⅰ：梅花樁形布置

該方案為原設(shè)計方案，其樁底標高為-20.8m，過渡段長度為30m，其平面布置及縱面布置如圖6a所示。沿滑行道寬度方向共設(shè)十排攪拌樁，間距為2.5m；樁體縱斷面布置呈階梯型，沿飛機滑行方向每隔10m樁長減少5m。

樁形II：格柵形布置

該方案樁底標高為-20.8m，過渡段長度為30m，其平面布置及計算模型如圖6b所示。沿滑行道寬度方向共設(shè)五排攪拌樁，間距為5m；樁體縱斷面布置呈階梯型，沿飛機滑行方向每隔10m樁長減少5m。

樁形III：矩形布置

其平面布置及計算模型如圖6c所示。沿滑行道寬度方向共設(shè)三排攪拌樁，間距為10m；沿滑行道長度方向共設(shè)四排攪拌樁，間距為5m；樁體縱斷面布置呈階梯型，沿飛機滑行方向每隔10m樁長減少5m。

2.5 邊界條件

滑行道-土體以及土體-通道之間均采用綁定約束；土體邊界條件為靜態(tài)邊界，即模型x向兩個邊界約束x向位移，模型y向底部邊界約束y向位移，模型z向兩個邊界約束z向位移。

(a)樁形1

2.6 飛機荷載模擬

選取A380-800F飛機為例，其主起落架的布置如圖7所示。在ABAQUS中，將飛機荷載視為作用在飛機輪印區(qū)域內(nèi)的面荷載，輪印尺寸為0.5m×0.35m的矩形，前輪荷載值為0.5MPa，后輪荷載值為1.5MPa；參考已有的考慮了升力作用的動荷載系數(shù)與道面平整度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，為考慮滑行道面不平整引起的振動效應(yīng)，將飛機振動荷載放大10%[7,8]。根據(jù)不同的飛機滑行速度以及輪胎的尺寸，可求得機輪轉(zhuǎn)動頻率。

圖7 A380-800F飛機起落架布置圖

飛機滑行速度取為6m/s，機輪轉(zhuǎn)動頻率為4.2Hz，則

前輪動載為公式(1)：

P1=0.5+0.05sin13.2t(MPa)

(1)

后輪動載為公式(2)：

P2=1.5+0.15sin13.2t(MPa)

(2)

公式(1)，(2)中，P1,P2分別為前輪動載和后輪動載(單位：MPa)，t為時間(單位：s)。

理論上，當(dāng)飛機沿著完全光滑、平直和水平的道面，以恒定速度行駛時，其施加在道面的荷載等于靜態(tài)輪載。但實際上，由于道路表面的粗糙，引起車輛懸架系統(tǒng)振動，從而在道路表面產(chǎn)生一個波動荷載，這個荷載與靜態(tài)輪載疊加，即得動態(tài)輪載。速度恒定時，道面越粗糙，動載越大；粗糙度不變的情況下，行駛速度越大，動載越大。根據(jù)粗糙度計算飛機動態(tài)軸載的過程非常復(fù)雜，而且在低速滑行時，路面粗糙引起的動載非常小。為了便于計算忽略何在幅值變化，選用移動恒定荷載的模擬輪載方法，將恒定的飛機荷載沿著行駛的方向移動在ABAQUS中實現(xiàn)飛機移動荷載的模擬。

3 數(shù)值分析結(jié)果與過渡段加固方案對比

針對三種不同的工況選取3個特征時刻點進行對比，分別為第100個分析步、第114個分析步和第125個分析步，依次對應(yīng)于中間輪軸位于飛機來向距離下穿通道8m處、下穿通道飛機來向一側(cè)邊緣處和下穿通道中心處。

(a)無下穿隧道

在沒有過渡段加固的有、無下穿通道的兩個工況下，如圖8 a,8b所示，為滑行道面不同位置處在飛機一次滑行開始后不同時刻的豎向位移。根據(jù)三個位置的豎向位移時程曲線，在沒有下穿通道時，飛機經(jīng)過距離下穿通道8m處時出現(xiàn)最大沉降量27.3mm，經(jīng)過通道邊緣位置時出現(xiàn)最大沉降量25.9mm，經(jīng)過通道中心位置時出現(xiàn)最大沉降量24.3mm；在有下穿通道無過渡段加固時，飛機經(jīng)過距離下穿通道8m處時出現(xiàn)最大沉降量24.7mm，經(jīng)過通道邊緣位置時出現(xiàn)最大沉降量18.0mm，經(jīng)過通道中心位置時出現(xiàn)最大沉降量15.0mm?？梢钥闯鲈跊]有下穿通道時，飛機在滑行過程中滑行道沉降變形總體比較平穩(wěn)，而有下穿通道時，滑行道下穿通道位置沉降量減少，滑行過程中變形差異顯著增加。

根據(jù)《民用機場巖土工程設(shè)計規(guī)范》(MHT 5027-2013)，滑行道允許差異沉降為1.5‰，如公式(3)：

δ=(Δ1-Δ2)/B0≤1.5‰

(3)

式中，δ為滑行道與下穿通道差異沉降；Δ1為滑行道沉降量(m)；Δ2為下穿通道沉降量(m)；B0為過渡段長度(m)[9]。

工程采用的?650@450三軸攪拌樁進行過渡段加固處理，文中選用三種布樁方案。由表2可知，飛機單向駛過滑行道一次后，在進行地基處理的前后，滑行道差異沉降雖然均能夠滿足其允許差異沉降指標的要求，但在進行地基處理前，差異沉降的安全余量較小，在飛機長期循環(huán)荷載作用下，隨著地基塑性變形的不斷積累，差異沉降很可能會超過1.50‰。與未進行地基處理時的差異沉降對比可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置過渡段后的差異沉降減小了43.5%，說明采用過渡段的設(shè)置對于減少滑行道與下穿通道的差異沉降起到了很好的效果。

為方便對過渡段加固方案進行對比，引入兩個評價指標以方便優(yōu)化分析，分別是飛機行駛的平穩(wěn)性和地基處理的成本。其中飛機行駛的平穩(wěn)性指標用加固后飛機滑行一次滑行道變形沉降進行評價，地基處理成本由于均采用同種攪拌樁進行加固，故方便起見用置換率表示其處理成本。

(a)布置形式Ⅰ

飛機滑行過程中滑行道距離飛機滑行初始不同位置處的沉降變形情況如圖9所示，三種不同的布樁形式下沉降變形總體規(guī)律表現(xiàn)一致，略有差異。梅花形布置和格柵形布置的過渡段在攪拌樁長度變化的區(qū)域沉降會有較大的波動，而矩形布置的過渡段在整個加固區(qū)域內(nèi)的沉降分布較為均為，能夠保證飛機行駛中具有較好的平穩(wěn)性。值得一提的是，梅花形布置和矩形布置的過渡段在相同的置換率下有著相近的差異沉降，而矩形布置的過渡段能夠顯著提高飛機行駛的平穩(wěn)性，因此相對原設(shè)計方案所采用的梅花形布置方案來說，矩形布置的過渡段是一種更優(yōu)的布置方案。另一方面，雖然格柵形布置的過渡段所產(chǎn)生的差異沉降大于矩形布置的過渡段所產(chǎn)生的差異沉降，但是其格柵形布置的過渡段土體置換率較小，即地基加固的施作成本較低。因此，在對飛機行駛的平穩(wěn)性要求不高的情況下，格柵形布置的過渡段是一種既能夠滿足滑行道允許差異沉降指標，又有著較低成本的布置方案。

4 結(jié) 論

針對飛機滑行過程中通過下穿通道上方的過程總結(jié)出來的三個工況，建立的有限元模型，得到的計算結(jié)果。通過數(shù)值模擬結(jié)果分析、整理得到以下結(jié)論：

(1)滑行道地表沉降可認為是由土體自身固結(jié)、下穿通道結(jié)構(gòu)變形以及飛機荷載作用這三種因素引起。其中，地表沉降受飛機荷載作用位置影響較大，而由土體固結(jié)和結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的沉降很小，在短期內(nèi)可以忽略。不同結(jié)構(gòu)形式下滑行道基土體變形規(guī)律不盡相同：在未建設(shè)下穿通道時，滑行道板不同位置處對于飛機荷載的響應(yīng)是大致相同的，飛機荷載在短期行駛過程中所產(chǎn)生的峰值豎向位移為27.3mm，出現(xiàn)在輪載作用區(qū)域下方。而在建設(shè)下穿通道后，飛機荷載在短期行駛過程中所產(chǎn)生的峰值豎向位移為24.7mm。下穿通道的存在能夠減小滑行道的峰值豎向位移。

(2)下穿通道不同位置處的豎向位移在飛機行駛?cè)^程中呈先增大后減小的趨勢，豎向位移峰值在10mm左右；在飛機滑行過程中，滑行道下穿通道不同位置處的豎向位移變化并不明顯。

(3)在滑行道與下穿通道之間設(shè)置過渡段并進行地基加固后，滑行道與下穿通道之間的差異沉降顯著減小，且飛機荷載影響范圍內(nèi)的土體沉降總體上也有一定的減小。在設(shè)置長度為30m的過渡區(qū)段并進行地基加固后，滑行道與下穿通道之間的差異沉降比未設(shè)置過渡區(qū)段時減小了43.5%，說明?650@450三軸攪拌樁過渡段的設(shè)置對于減少滑行道與下穿通道之間的差異沉降起到了很好的效果。