大斷面隧道下穿既有跑道施工工法比選分析

申冠鵬

（廣東省機(jī)場(chǎng)管理集團(tuán)有限公司工程建設(shè)指揮部 廣州 510403）

1 工程背景

廣州白云機(jī)場(chǎng)是中國(guó)三大國(guó)際樞紐機(jī)場(chǎng)之一，現(xiàn)建有3條跑道。白云機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建是提升廣州國(guó)際航空樞紐競(jìng)爭(zhēng)力的重要舉措，是建設(shè)珠三角世界級(jí)機(jī)場(chǎng)群、構(gòu)建現(xiàn)代化的綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分。

廣州機(jī)場(chǎng)本期擴(kuò)建的兩條飛行區(qū)地下通道需下穿正在運(yùn)行的三條跑道及多條滑行道，而廣州機(jī)場(chǎng)目前運(yùn)營(yíng)十分繁忙，因此在不影響跑道正常運(yùn)營(yíng)或?qū)⒂绊懣刂圃诳山邮芊秶鷥?nèi)的前提下，根據(jù)隧道長(zhǎng)度、埋深及所在位置選擇合理的施工工法，保證機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全是本工程的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

廣州白云機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程中的2號(hào)、3號(hào)下穿通道大部分位于現(xiàn)狀飛行區(qū)內(nèi)，長(zhǎng)度分別約為2 100 m、1 400 m，其平面布置如圖1 所示。本項(xiàng)目有如下特點(diǎn)：①屬大斷面隧道，規(guī)劃為雙向4 車道汽車隧道，最小截面凈空面積約95 m2；②運(yùn)營(yíng)管理要求嚴(yán)格，施工限制條件多，跑道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求高；③地面動(dòng)荷載大，設(shè)計(jì)飛機(jī)荷載重約592 t，并需考慮沖擊系數(shù)；④地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育，地層上軟下硬；⑤可參照類似工程少，無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)。

圖1 下穿通道平面位置圖Fig.1 Plan Location of Underpass

下穿通道穿越土層主要包括人工堆積雜填土，第四系晚更新統(tǒng)沖洪積的粉質(zhì)黏土層，中砂、粗砂層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，礫砂層，局部分布有石炭系炭質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖及灰?guī)r，可能分布有灰?guī)r石芽，微風(fēng)化灰?guī)r巖面最淺處埋深約21 m。穿越機(jī)場(chǎng)內(nèi)部現(xiàn)狀跑道、滑行道段的在一期、二期施工過(guò)程中，局部曾進(jìn)行過(guò)注漿加固地基處理。地層內(nèi)不均勻分布有土洞、灰?guī)r內(nèi)分布有溶洞，地下水埋深約1.8～4.2 m，隧道圍巖級(jí)別按Ⅵ級(jí)考慮。

2 機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)環(huán)境條件

不停航施工是指在機(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。機(jī)場(chǎng)不停航施工必須以保障飛行安全、航班正常以及機(jī)場(chǎng)內(nèi)人員和財(cái)產(chǎn)的安全為原則，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)環(huán)境條件的特殊性主要表現(xiàn)為施工區(qū)域限制、不停航施工的空間限制、施工風(fēng)險(xiǎn)的管控等。

2.1 不停航施工區(qū)域劃分

根據(jù)近幾年國(guó)內(nèi)民用機(jī)場(chǎng)不停航施工經(jīng)驗(yàn)，為了強(qiáng)化安全管理、確保飛行安全，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。飛行活動(dòng)期間，禁止嚴(yán)格限制區(qū)域進(jìn)行任何施工作業(yè)，嚴(yán)格限制區(qū)域進(jìn)行的任何施工作業(yè)，在航空器起飛、著陸前半小時(shí)，施工單位應(yīng)當(dāng)完成清理施工現(xiàn)場(chǎng)的工作，包括填平、夯實(shí)溝坑，將施工人員、機(jī)具、車輛全部撤離施工區(qū)域［1］。

2.2 不停航施工空間限制

嚴(yán)格限制區(qū)外區(qū)域，在不停航狀態(tài)可進(jìn)行24 h全天侯施工作業(yè)，但要符合飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)過(guò)渡面對(duì)移動(dòng)物體的凈空要求。本工程地處敏感的機(jī)場(chǎng)管控區(qū)域，在跑道兩側(cè)升降帶內(nèi)進(jìn)行施工的，施工機(jī)具、車輛、堆放物高度以及起重機(jī)懸臂作業(yè)高度不得穿透內(nèi)過(guò)渡面和復(fù)飛面，且施工機(jī)具、車輛的高度不得超過(guò)2 m，并盡可能縮小施工區(qū)域。在此范圍之外，可以按1∶7的坡度開(kāi)放地面上的空間［1］，如圖2所示。

圖2 跑道兩側(cè)不停航施工區(qū)域Fig.2 Non-stop Construction Area on Both Sides of Runway

2.3 道面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

跑道區(qū)域道面沉降控制是否達(dá)標(biāo)是工程成敗的關(guān)鍵。目前，道面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，跑道區(qū)域道面沉降控制值可分為可接受的、可容許的和過(guò)度的限度值，一般認(rèn)為在45 m距離內(nèi)可允許存在30 mm左右的差異沉降［2］。綜合民航相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及安全管理規(guī)定的要求，建議道面沉降控制指標(biāo)為：道面區(qū)3 m 范圍內(nèi)的高差應(yīng)小于10 mm，板塊接縫錯(cuò)臺(tái)應(yīng)小于5 mm，且總沉降量應(yīng)小于30 mm，同時(shí)，跑道差異沉降率需不大于0.1%，滑行道差異沉降率需不大于0.15%，工程實(shí)施階段，施工沉降控制指標(biāo)需結(jié)合現(xiàn)狀的道面縱橫坡度、不平整狀況等設(shè)置合理的預(yù)警控制值，確保疊加本工程引起的道面變形后，跑道、滑行道等設(shè)施仍然符合適航標(biāo)準(zhǔn)。

3 施工工法及工程案例

國(guó)內(nèi)外在既有跑道下修建大斷面隧道工程采用的工法有明挖法、管幕法、盾構(gòu)法等［3］，其中，北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2-T3E地下通道下穿中跑道采用管幕保護(hù)下的淺埋暗挖法施工，臺(tái)北復(fù)興北路下穿松山機(jī)場(chǎng)跑道采用ESA 工法施工［4］，上海仙霞西路下穿虹橋機(jī)場(chǎng)跑道端部防吹坪采用盾構(gòu)法施工。

貴陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建的兩條隧道下穿既有一跑道和新建二跑道采用明挖法施工，項(xiàng)目2018 年3 月開(kāi)工，2021年12月竣工實(shí)現(xiàn)雙跑道運(yùn)營(yíng)。1號(hào)下穿通道長(zhǎng)943 m，雙向4 車道；2 號(hào)下穿通道長(zhǎng)1 695 m，雙向2車道；3號(hào)下穿通道長(zhǎng)1 524 m，雙向2車道，2、3號(hào)通道在暗埋段共構(gòu)，通道均采用閉合框架結(jié)構(gòu)。綜合考慮機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)、場(chǎng)地條件、工程造價(jià)、工期等因素，3條下穿通道均采用明挖法施工，主要施工時(shí)序?yàn)椋盒藿ǘ艿兰跋麓┩ǖ罇|段?啟用二跑道、關(guān)停一跑道?修建下穿通道西段（一跑道區(qū)域）?下穿通道竣工、雙跑道運(yùn)營(yíng)。

北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3E-T2地下聯(lián)絡(luò)通道下穿中跑道部分采用的是管幕保護(hù)下的淺埋暗挖法［5］。項(xiàng)目 于2011 年3 月 開(kāi) 工，2015 年3 月19 日 正 式 啟 用。通道位于首都機(jī)場(chǎng)T2 航站樓與T3 航站樓之間，垂直下穿使用中的機(jī)場(chǎng)中跑道。采用管幕法暗挖的下穿跑道部分長(zhǎng)232 m，雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，斷面寬23.2 m，高8.55 m，隧道結(jié)構(gòu)最大埋深5.6 m，主要位于粉質(zhì)粘土層中，大部分位于潛水位以下。頂管施工采用日產(chǎn)普通微型盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引導(dǎo)，用后背千斤頂一次頂入長(zhǎng)232 m、直徑970 mm、壁厚16 mm 的管幕鋼管，內(nèi)部采用十導(dǎo)洞開(kāi)挖法施工［6］。

仙霞西路隧道下穿上海虹橋機(jī)場(chǎng)東、西兩處繞滑道及跑道端部防吹坪，采用盾構(gòu)法施工［7］，盾構(gòu)穿越長(zhǎng)度約1 040 m。仙霞路盾構(gòu)隧道內(nèi)徑10.36 m，外徑11.36 m，管片厚500 mm，環(huán)寬1.5 m，采用2 臺(tái)?11.58 m 泥水平衡盾構(gòu)施工。隧道穿越土層主要為淤泥質(zhì)黏土及黏土層，隧道埋深10～13 m。軌道交通10號(hào)線下穿虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道，盾構(gòu)直徑6.2 m。

4 建設(shè)方案比選

根據(jù)前述分析，影響廣州機(jī)場(chǎng)2 號(hào)、3 號(hào)下穿通道工法選型的突出問(wèn)題包括：①不停航施工的時(shí)間限制、空間限制條件多；②機(jī)場(chǎng)跑道、滑行道的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高；③跑道上飛機(jī)滑行起飛、降落的密度大，隧道要承受頻繁的飛機(jī)動(dòng)荷載作用；④廣州機(jī)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水位高，土洞溶洞發(fā)育，地層下硬上軟，施工難度大；⑤類似工程無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)。

施工工法的選擇應(yīng)滿足施工作業(yè)自身安全的要求、工程的可實(shí)施性要求、施工過(guò)程中的環(huán)境影響要求、工期和造價(jià)的要求、飛行區(qū)施工管理的要求等。經(jīng)綜合比選，認(rèn)為盾構(gòu)法對(duì)通航影響小，風(fēng)險(xiǎn)可控，工期、投資適中，推薦采用盾構(gòu)法下穿運(yùn)營(yíng)跑道，如表1所示。

表1 施工工法比選Tab.1 Comparison and Selection of Construction Methods

5 不停航施工風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析及對(duì)策

5.1 盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)

2號(hào)下穿通道盾構(gòu)始發(fā)井端頭可布置于距離東二跑道中心線約304 m處，距離平行滑道中心線約78 m，盾構(gòu)始發(fā)井處限高約23 m，3 號(hào)下穿通道盾構(gòu)始發(fā)井端頭距離西一跑道中心線約250 m，盾構(gòu)始發(fā)井處限高約15 m。接收井距離跑道中心線較遠(yuǎn)，但端頭加固和盾構(gòu)吊裝等施工時(shí)仍需引起高度重視。施工對(duì)策：

⑴盾構(gòu)采用分體吊裝，最大吊裝高度為刀盤(pán)，據(jù)初步估計(jì)，最大起吊高度約22 m，2 號(hào)通道限高可滿足盾構(gòu)吊裝施工要求。3號(hào)通道限高不滿足盾構(gòu)吊裝施工要求，故部分吊裝作業(yè)可選擇在西一跑道停航時(shí)進(jìn)行。

⑵ 端頭地層加固采用MJS 注漿加固［8］，施工機(jī)具高度較小，滿足限高要求。同時(shí)該加固措施效果較好，能滿足地層加固強(qiáng)度和止水要求，確保盾構(gòu)安全始發(fā)及到達(dá)。

⑶進(jìn)行精細(xì)化施工組織策劃，滿足不停航施工要求的同時(shí)提高施工效率，確保機(jī)場(chǎng)安全正常運(yùn)營(yíng)，最大程度減小施工影響。

5.2 盾構(gòu)掘進(jìn)

2號(hào)、3號(hào)下穿通道工程盾構(gòu)所處地質(zhì)區(qū)域?yàn)榛規(guī)r地區(qū)，場(chǎng)地第四系地層下伏石炭系灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖等，基巖面起伏變化較大，結(jié)構(gòu)底板以下巖性復(fù)雜多樣、軟硬不均，分布的土洞、溶洞對(duì)地基土穩(wěn)定性影響很大。盾構(gòu)施工過(guò)程中可能會(huì)遇到土洞、石芽、一期和二期注漿加固地層等，由于地層軟硬不均容易造成刀盤(pán)受力不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致地面不均勻沉降。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制不當(dāng)，會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)安全正常運(yùn)營(yíng)造成影響。盾構(gòu)管片外徑11.3 m，屬于大直徑盾構(gòu)隧道，拱頂埋深6～8 m，小于1D，屬于超淺埋隧道，具有較大施工風(fēng)險(xiǎn)。施工對(duì)策：

⑴首先探明下穿工程隧道地質(zhì)情況，為下穿隧道施工提供先行條件。當(dāng)隧道底部位于淤泥等軟弱地層時(shí)，應(yīng)提前對(duì)地層進(jìn)行加固處理。對(duì)隧道影響范圍發(fā)現(xiàn)的溶土洞及時(shí)充填［9］，同時(shí)須采取及時(shí)封閉管片，及時(shí)調(diào)整泥土倉(cāng)壓力平衡等措施，保證掌子面與周邊圍巖的穩(wěn)定［10］。

⑵盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，在盾構(gòu)穿越機(jī)場(chǎng)道面區(qū)前，以土面區(qū)范圍作為試驗(yàn)段進(jìn)行掘進(jìn)，在試驗(yàn)段內(nèi)布置分層土體沉降儀及地面沉降測(cè)點(diǎn)等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)措施，并輔以人工監(jiān)測(cè)復(fù)核，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)同步注漿和二次注漿，控制掘進(jìn)速度，確保大盾構(gòu)隧道穿越道面區(qū)時(shí)滿足不停航施工沉降要求。

5.3 施工與運(yùn)行監(jiān)測(cè)

隧道下穿運(yùn)營(yíng)中的跑道，對(duì)地表沉降要求嚴(yán)格，必須密切監(jiān)控地表變形情況［11］，確保機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)營(yíng)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)不得影響機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)行，確保監(jiān)測(cè)的覆蓋面、頻率和精度，宜采用全站儀無(wú)棱鏡掃描，以無(wú)線通訊方式實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算和分析；另外還應(yīng)注重縱向和橫向監(jiān)測(cè)斷面的布置，以收集分析全方位數(shù)據(jù)。

同時(shí)跑道區(qū)域宜采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主、人工監(jiān)測(cè)為輔的方式，主要采用全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)（無(wú)棱鏡）、電子水平尺相對(duì)沉降監(jiān)測(cè)、人工地表沉降監(jiān)測(cè)等方式。應(yīng)將自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

由于隧道周圍地層的物理力學(xué)狀態(tài)重新穩(wěn)定需要較長(zhǎng)時(shí)間，加之飛行器和地面保障車輛的運(yùn)行影響，運(yùn)行期的監(jiān)測(cè)也至關(guān)重要?？稍谑┕て陂g預(yù)埋健康監(jiān)測(cè)設(shè)置，并將沉降監(jiān)測(cè)納入既有飛行區(qū)工程管理系統(tǒng)。同時(shí)，建議在常規(guī)健康監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，增加盾構(gòu)通過(guò)沿線的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)［12］，施工完成后兩年內(nèi)每月1次，發(fā)現(xiàn)空洞及時(shí)開(kāi)孔注漿。

6 結(jié)語(yǔ)

大斷面隧道下穿運(yùn)營(yíng)跑道的工程案例很少，文章結(jié)合廣州機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)特殊的環(huán)境條件及各施工工法技術(shù)特點(diǎn)，從對(duì)通航影響、風(fēng)險(xiǎn)防控、沉降控制、投資等方面進(jìn)行比選分析，認(rèn)為盾構(gòu)法對(duì)通航影響小，風(fēng)險(xiǎn)可控，投資適中，推薦采用盾構(gòu)法下穿既有跑道。并分析了不停航施工的風(fēng)險(xiǎn)，提出施工對(duì)策建議，供項(xiàng)目后續(xù)實(shí)施及類似工程參考。