盾構(gòu)及明挖隧道平行下穿機(jī)場跑道沉降分析與實測*

楊逸楓,易 瓊,斯碧峰,王元東,白喬木

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092;2.上海機(jī)場(集團(tuán))有限公司,上海 201207)

0 引言

隨著大量機(jī)場的新建、擴(kuò)建以及改建,新建隧道下穿機(jī)場跑道、滑行道、站坪等沉降敏感區(qū)域的情況也越來越多。例如,臺北松山機(jī)場盾構(gòu)隧道下穿飛機(jī)起降區(qū)［1］,北京首都國際機(jī)場采用箱涵頂進(jìn)工法下穿機(jī)場滑行道［2］,上海軌道交通2號線、10號線、仙霞西路隧道穿越運(yùn)營中的虹橋機(jī)場［3］,上海浦東機(jī)場2號、3號地下通道穿越東西向垂直聯(lián)絡(luò)滑行道［4］,英國希斯羅機(jī)場鐵路盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場滑行道和站坪［5］。下穿隧道施工引起的地基沉降和差異沉降可能會導(dǎo)致機(jī)場道面變形開裂,進(jìn)而影響機(jī)場飛行區(qū)的運(yùn)營安全。因此,研究機(jī)場道面沉降變形機(jī)理,并在施工時采取有效措施嚴(yán)格控制地表沉降和不均勻沉降至關(guān)重要。

針對隧道下穿引起機(jī)場道面沉降變形的問題,國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究。肖明等［6］針對昆明地鐵盾構(gòu)隧道下穿巫家壩國際機(jī)場跑道工程,采用三維數(shù)值分析方法對盾構(gòu)施工引起的跑道沉陷、盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍土體擾動等進(jìn)行了分析研究。梅樂勝［7］以重慶城際鐵路下穿江北機(jī)場跑道段隧道項目為背景,建立有限元模型進(jìn)行隧道開挖過程的動態(tài)模擬,分析總結(jié)了開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的分布和變化規(guī)律。晁凱［8］基于北京首都國際機(jī)場捷運(yùn)聯(lián)絡(luò)線及汽車通道工程,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場對比試驗相結(jié)合的方法,對隧道下穿機(jī)場跑道的地表沉降控制進(jìn)行了研究,總結(jié)出相關(guān)的地表沉降控制技術(shù)。張宏等［9］根據(jù)機(jī)場飛行區(qū)跑道橫坡要求,推導(dǎo)了盾構(gòu)施工穿越飛行區(qū)跑道時的控制公式,提出了運(yùn)營機(jī)場道面結(jié)構(gòu)的變形控制指標(biāo)。馮建霖［10］基于北京首都國際機(jī)場大斷面隧道下穿機(jī)場跑道工程,通過對施工實測數(shù)據(jù)分析,總結(jié)了隧道施工引起機(jī)場道面沉降變形的規(guī)律。劉增龍［11］同樣針對北京首都國際機(jī)場工程,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析,歸納總結(jié)了飛機(jī)跑道在不停航條件下穿越時的沉降變形規(guī)律。

以上研究大都是分析單一隧道下穿機(jī)場道面引起的沉降變形規(guī)律,目前尚無考慮多條隧道同時下穿時機(jī)場道面沉降變形規(guī)律的相關(guān)研究。在上海浦東國際機(jī)場三期擴(kuò)建工程中,滑行道及站坪下方將建設(shè)多條明挖法地下通道、盾構(gòu)法捷運(yùn)隧道等地下設(shè)施,且相鄰兩條地下通道在空間上長距離近接平行,在時間上同時施工,施工產(chǎn)生的相互作用明顯。為了保障施工過程中機(jī)場滑行道及站坪的運(yùn)營安全,對長距離近接平行地下通道施工引起的地表沉降變形規(guī)律進(jìn)行分析是十分必要的。

本文依托上海浦東國際機(jī)場三期擴(kuò)建工程,以長距離近接平行施工的暗挖T1—S1捷運(yùn)隧道和明挖T1—S1行李地道為研究對象,采用數(shù)值分析方法,針對明暗雙通道近接平行施工對機(jī)場道面沉降變形的影響進(jìn)行研究,并結(jié)合對工程現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析,總結(jié)了長距離近接平行通道施工引起機(jī)場道面沉降變形規(guī)律,可為今后同類下穿機(jī)場道面工程的設(shè)計施工提供參考。

1 工程概況

上海浦東國際機(jī)場三期擴(kuò)建工程場地位于上海浦東國際機(jī)場T1,T2航站樓南側(cè),大部分位于現(xiàn)有飛行區(qū)內(nèi),主要包括飛行區(qū)下的旅客捷運(yùn)系統(tǒng)、行李車及服務(wù)車的下穿通道工程,工程總平面如圖1所示,各單體工程概況如表1所示。

表1 上海浦東機(jī)場三期擴(kuò)建工程捷運(yùn)系統(tǒng)、地下通道概況Table 1 General situation of MRT system and underpass of Shanghai Pudong Airport Phase III expansion project

圖1 上海浦東國際機(jī)場三期擴(kuò)建工程總平面Fig.1 General layout of Shanghai Pudong International Airport Phase III expansion project

下穿通道工程總體由東線和西線兩部分組成。東線即新建T2—S2服務(wù)車、行李車通道以及T2—S2捷運(yùn)通道。T2—S2服務(wù)車、行李車通道采用明挖法施工,下穿垂滑(即現(xiàn)有T3,T4滑行道),形成聯(lián)系南北航站區(qū)東側(cè)的地下聯(lián)系通道,由敞開段和暗埋段組成,基坑開挖深度最大約10m。結(jié)合已有捷運(yùn)預(yù)留通道情況和明挖施工方式,將T2—S2捷運(yùn)通道同步建設(shè),T2—S2捷運(yùn)通道軌面埋深約6.5～7.6m。西線即新建T1—S1服務(wù)車、行李車通道。采用明挖施工方式,下穿垂滑(即現(xiàn)有T3,T4滑行道),形成聯(lián)系南北航站區(qū)西側(cè)的地下聯(lián)系通道,由敞開段和暗埋段組成,基坑開挖深度最大約11m。該下穿通道東側(cè)為規(guī)劃捷運(yùn)通道。

本文的研究對象是T1—S1捷運(yùn)隧道和T1—S1行李地道。明挖行李地道與盾構(gòu)捷運(yùn)隧道在空間上為近接平行關(guān)系,且為同一時期施工,二者之間相互影響明顯。另一方面,工程所在場地為欠固結(jié)人工填土區(qū),長期固結(jié)變形趨于穩(wěn)定的時間長,附加變形大,且隧道埋深淺、地面超載大。這些因素給施工過程中地面沉降控制帶來了很大難度,因此有必要研究長距離近接平行地下通道施工引起的地表沉降變形規(guī)律,以提出安全可靠的技術(shù)措施,保障地下通道、機(jī)場滑行道及站坪的安全。

2 有限元分析

2.1 本構(gòu)模型

本文選用PLAXIS 2D作為數(shù)值計算軟件,所用的土體本構(gòu)模型為小應(yīng)變硬化土模型(hardening soil model with small-strain stiffness,簡稱HSS模型)。HSS模型是硬化土模型(HS模型)的一種改進(jìn),具有HS模型的特點,但相比之下HSS模型不僅考慮了土體的剪切硬化和壓縮硬化,還考慮了土體在小應(yīng)變時的土體特性［12］。

2.1.1小應(yīng)變硬化土(HSS)模型簡介

國外學(xué)者Benz［13］以HS模型為基礎(chǔ),結(jié)合修正的Hardin-Dmevich剪切模量關(guān)系式,并考慮土體應(yīng)變歷史的影響以及屈服面的多軸膨脹,建立起HSS模型。HS模型在三軸排水試驗中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗主加載下雙曲線型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Hyperbolic stress-strain relation in primary loading for a standard drained triaxial test

圖中偏應(yīng)力與主應(yīng)變的曲線表達(dá)式為：

(1)

式中：qa為剪切強(qiáng)度漸近值;qf為極限剪應(yīng)力;Rf為破壞比qf/qa;E50為主加載時50%極限荷載所對應(yīng)的割線模量;qf可由莫爾庫倫破壞準(zhǔn)則導(dǎo)出：

(2)

在HS模型中通常定義1個參考應(yīng)力狀態(tài)下的剛度參數(shù)作為基準(zhǔn)值,通常定義100kPa下的各剛度參數(shù)為參考值,則50%極限荷載所對應(yīng)的割線模量E50可由下式表示：

(3)

卸載再加載模量Eur可由式(4)表示：

(4)

切線壓縮模量Eoed表達(dá)式如式(5)所示：

(5)

在HSS模型中,除上述HS模型參數(shù)外,還需要確定小應(yīng)變土體變形特性參數(shù),包括初始剪切模量G0和閾值剪應(yīng)變γ0.7。初始剪切模量G0按下式計算：

(6)

閾值剪應(yīng)變γ0.7為剪切模量G隨應(yīng)變增大而降低至初始剪切模量0.7G0時所對應(yīng)的剪切應(yīng)變。

2.1.2參數(shù)取值方法

周恩平［12］通過總結(jié)已有的硬化土模型相關(guān)參數(shù)的選取方法,同時結(jié)合室內(nèi)固結(jié)試驗,提出了HSS模型的參數(shù)選用建議值,如表2所示。

表2 HSS模型參數(shù)選取方法Table 2 Parameters selection method of HSS model

2.2 數(shù)值模型

本文采用巖土工程專用有限元分析軟件Plaxis 2D建立數(shù)值分析模型,選取T1—S1行李地道和T1—S1捷運(yùn)隧道的近疏散口區(qū)域的典型斷面進(jìn)行計算。

2.2.1地層及結(jié)構(gòu)計算參數(shù)取值

HSS模型的土體參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場地勘報告中提供的原始地層參數(shù)通過表2中的參數(shù)選取方法計算得到,如表3所示。結(jié)構(gòu)參數(shù)均根據(jù)相關(guān)設(shè)計文件得到,如表4所示。

表3 HSS模型的土體參數(shù)Table 3 Soil parameters of HSS model

表4 結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Parameters of structure

2.2.2平面幾何模型

模型選用平面應(yīng)變模型,采用15節(jié)點三角形單元,模型在x方向上的長度取為200m,在y方向上的長度取為31.7m。網(wǎng)格全局粗糙度取為細(xì),并對結(jié)構(gòu)物與土體交界處進(jìn)行網(wǎng)格加密,以提高計算精度。模型網(wǎng)格及各結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。為了反映盾構(gòu)隧道施工過程對周圍土體的擾動,取地層損失率為0.5%。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

3 數(shù)值模型結(jié)果分析

3.1 明挖基坑開挖引起的地表沉降

明挖基坑開挖引起的地表沉降如圖4所示,可以看出,明挖基坑開挖后兩側(cè)的地表沉降分布符合已有的經(jīng)驗規(guī)律,最大地表沉降約為7～8mm,最大地表沉降發(fā)生的位置距基坑邊大約12～15m,基坑開挖的影響范圍約為50m。

圖4 明挖基坑開挖引起的地表沉降分布Fig.4 Ground settlement distribution caused by open-cut foundation excavation

3.2 盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降

盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降分布如圖5所示,可以看出,盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降分布基本符合Peck沉降槽的形式,最大地表沉降值為57mm,發(fā)生在隧道正上方?？梢娝淼朗┕ひ鸬牡乇沓两凳窍喈?dāng)顯著的,應(yīng)當(dāng)引起注意并在施工中采取適當(dāng)措施。

圖5 盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降分布Fig.5 Ground settlement distribution caused by excavated shield tunnel

3.3 明暗雙通道單獨施工疊加得到的地表沉降

將明暗雙通道單獨施工引起的地表沉降進(jìn)行疊加后得到的地表變形曲線如圖6所示,可以看出,疊加后的地表變形曲線仍然有各自變形曲線的特征,但由于盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降較大,因此靠近盾構(gòu)隧道一側(cè)的地表沉降以Peck沉降曲線為主。

圖6 明暗雙通道單獨施工疊加得到的地表沉降分布Fig.6 The superimposition of ground settlement distribution caused by single construction of open-cut and excavated underpasses

3.4 明暗雙通道同時施工引起的地表沉降

從兩者同時施工的地表沉降曲線來看(見圖7),同時施工后地表沉降有所增加但不是簡單的二者疊加。由于土體的擾動較為復(fù)雜,在明挖基坑與盾構(gòu)隧道之間的地表沉降會有些許增大。地表最大沉降為59mm,發(fā)生在盾構(gòu)隧道上方偏向基坑一側(cè);基坑另一側(cè)的最大沉降為5～6mm,有所減小。

圖7 明暗雙通道同時施工引起的地表沉降分布Fig.7 Ground settlement distribution caused by simultaneous construction of open-cut and excavated underpasses

3.5 對比分析

對比圖8中的地表沉降曲線可以看出,同時施工時的地表沉降變形與疊加得到的地表沉降變形存在明顯差異,由于基坑開挖與隧道推進(jìn)的相互影響,地表變形曲線整體向隧道一側(cè)偏移,而遠(yuǎn)離隧道的基坑另一側(cè)地表沉降有所減小。

圖8 地表沉降對比分析Fig.8 Comparative analysis of ground settlement

4 實測數(shù)據(jù)分析

為了便于施工中及時采取有效措施,保障明暗雙通道施工過程的安全,于盾構(gòu)隧道上方地面的橫縱斷面上布置了多個沉降監(jiān)測點。T1—S1區(qū)間左線和右線盾構(gòu)隧道先后始發(fā),二者凈間距為5.8m,并在之后長距離平行推進(jìn),其引起的地表沉降與一般的盾構(gòu)施工相比更為復(fù)雜。本文從盾構(gòu)隧道上方地表縱向沉降分布、橫向沉降分布和沉降時程變化3個方面進(jìn)行分析,為明確盾構(gòu)推進(jìn)的相關(guān)時間節(jié)點,T1—S1區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)時間如表5所示。

表5 T1—S1區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)時間Table 5 Shield tunnel driving in T1—S1 section

4.1 盾構(gòu)隧道上方地面縱向沉降分析

4.1.1左線

截至2017年7月16日,T1—S1右線盾構(gòu)隧道尚未始發(fā),只有左線盾構(gòu)隧道在推進(jìn),此時上方地面縱向不均勻沉降的分布情況如圖9所示。從圖中可以看出,盾構(gòu)推進(jìn)前期地表沉降一直為負(fù)值,即上方地面產(chǎn)生下沉現(xiàn)象。隨著盾構(gòu)的推進(jìn),開始表現(xiàn)出盾構(gòu)正上方地表隆起、前方和后方地表下沉的規(guī)律,符合典型的Peck沉降曲線規(guī)律。

圖9 T1—S1左線縱向沉降分布Fig.9 Longitudinal settlement distribution of T1—S1 left line

T1—S1左線盾構(gòu)隧道縱向上變形呈現(xiàn)較為明顯的不均勻沉降,最大沉降值接近10mm,最大隆起值接近13mm,已經(jīng)超限。最大沉降值出現(xiàn)在第15環(huán)和第100環(huán)附近,最大隆起值出現(xiàn)在120環(huán)附近。

截至2017年12月25日,T1—S1盾構(gòu)隧道左線已經(jīng)貫通,其沿縱向產(chǎn)生了較為明顯的不均勻沉降,有多處變形超限,累計沉降和隆起達(dá)到報警值。隧道縱向變形超限位置集中在第450環(huán)至第600環(huán)區(qū)間,最大地表沉降值近60mm,可能是因為該段區(qū)間地質(zhì)條件變化及盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)置不合理。

12月25日之后,直到2018年1月23日右線盾構(gòu)隧道貫通前,由于右線盾構(gòu)隧道頂進(jìn)的影響,左線盾構(gòu)隧道上方地表仍在發(fā)生不均勻沉降或隆起,并且沉降或隆起值部分已經(jīng)達(dá)到報警值,表明近距離平行隧道施工的相互影響及對地表的影響十分顯著。

4.1.2右線

截至2018年1月22日,T1—S1盾構(gòu)隧道右線接近貫通,其沿縱向也產(chǎn)生了較為明顯的不均勻沉降,有多處變形超限,累計沉降和隆起達(dá)到報警值。隧道縱向變形超限位置集中在第450至第700環(huán)區(qū)間,與左線隧道變形超限位置大致相同,地表沉降值波動較大,沉降最大達(dá)到50mm左右,沉降量顯著。

4.2 盾構(gòu)隧道上方地面橫剖面沉降分析

4.2.1左線

為分析左線盾構(gòu)隧道上方地面橫剖面沉降分布情況,選取738環(huán)、978環(huán)、1 096環(huán)3個典型斷面,沉降分布如圖10～12所示。

圖11 978環(huán)上方地面橫剖面沉降分布Fig.11 Latitudinal settlement distribution above the ring 978

圖12 1 096環(huán)上方地面橫剖面沉降分布Fig.12 Latitudinal settlement distribution above the ring 1 096

從圖10～12可以看出,在盾構(gòu)機(jī)頭接近指定環(huán)斷面前,該斷面地表有一定的沉降,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)頭到達(dá)指定環(huán)斷面并進(jìn)行穿越時,該環(huán)斷面產(chǎn)生一定隆起,當(dāng)盾構(gòu)推過該環(huán)一定距離后,地表變形又以沉降為主。

在地表橫剖面沉降分布方面,越接近隧道軸線沉降或隆起越大,沿兩側(cè)逐漸減小。由于鄰近明挖基坑結(jié)構(gòu)的影響,橫剖面沉降分布并不對稱,最大沉降的位置偏向一側(cè)。

4.2.2右線

為分析右線盾構(gòu)隧道上方地面橫剖面沉降分布情況,選取698環(huán)、738環(huán)、778環(huán)3個典型斷面,沉降分布如圖13～15所示。

圖13 698環(huán)上方地面橫剖面沉降分布Fig.13 Latitudinal settlement distribution above the ring 698

圖14 738環(huán)上方地面橫剖面沉降分布Fig.14 Latitudinal settlement distribution above the ring 738

圖15 778環(huán)上方地面橫剖面沉降分布Fig.15 Latitudinal settlement distribution above the ring 778

與左線隧道類似,在盾構(gòu)機(jī)頭接近指定環(huán)斷面前,該斷面地表一般有一定沉降,而當(dāng)盾構(gòu)機(jī)頭到達(dá)指定環(huán)斷面并進(jìn)行穿越時,該環(huán)斷面產(chǎn)生一定的隆起,當(dāng)盾構(gòu)推過該環(huán)一定距離后,地表變形又以沉降為主。橫剖面沉降分布方面,同樣越接近隧道軸線,沉降或隆起越大,往兩側(cè)方向逐漸減小。從圖中可以看出,最大沉降值接近20mm。

4.3 盾構(gòu)隧道左線典型斷面沉降時程變化分析

選取盾構(gòu)推進(jìn)的第18環(huán)和第698環(huán)典型斷面進(jìn)行地表沉降的時程變化分析,地表沉降時程變化曲線如圖16～17所示。

圖16 18環(huán)上方地表沉降時程變化曲線Fig.16 Ground settlement time history curve above the ring 18

左線隧道推至18環(huán)時,右線隧道尚未始發(fā)。從18環(huán)斷面的沉降時程曲線可以看出,在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前沉降波動比較大,盾構(gòu)機(jī)穿越斷面后,地表短期內(nèi)會出現(xiàn)明顯的沉降,隨后沉降值漸趨平緩。對比不同監(jiān)測點的沉降變化曲線可以發(fā)現(xiàn),位于左線隧道軸線位置處的沉降值最大,往兩側(cè)沉降值逐漸減小。

從698環(huán)斷面的沉降時程曲線可以看出,盾構(gòu)機(jī)穿越斷面時地表發(fā)生明顯的隆起,穿越后地表發(fā)生下沉,隨后沉降值漸趨平緩。圖中顯示2017年12月25日地表沉降又繼續(xù)增大,這是因為左線隧道貫通后,右線隧道頂進(jìn)引起了地表沉降的進(jìn)一步發(fā)展。對比不同監(jiān)測點的沉降變化曲線可以發(fā)現(xiàn),最大沉降值的位置并不在軸線處,而是偏向一側(cè)。

5 結(jié)語

1)明暗雙通道同時施工引起的地表沉降分布相比單獨施工疊加得到的地表沉降存在明顯差異,由于基坑開挖與隧道推進(jìn)的相互影響,地表沉降曲線整體向隧道一側(cè)偏移,而遠(yuǎn)離隧道的基坑另一側(cè)地表沉降有所減小。

2)地表縱向沉降分布上,呈現(xiàn)明顯的不均勻性,左線隧道和右線隧道上方地面均有多處變形超限,累計沉降和隆起達(dá)到報警值。左線隧道貫通后,右線隧道的頂進(jìn)又引起地表不均勻沉降或隆起,近距離平行隧道施工的相互影響及對地表的影響十分顯著。

3)地表橫向沉降分布上,越接近隧道軸線沉降或隆起越大,沿兩側(cè)逐漸減小。由于鄰近明挖基坑結(jié)構(gòu)的影響,地表橫向沉降分布并不對稱,最大沉降的位置偏向一側(cè)。

4)在盾構(gòu)機(jī)接近指定環(huán)斷面前,該斷面地表有一定的沉降,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)指定環(huán)斷面并進(jìn)行穿越時,該環(huán)斷面產(chǎn)生一定隆起,盾構(gòu)機(jī)穿越一段距離后,地表沉降漸趨平穩(wěn)。在左線隧道貫通后,右線隧道的頂進(jìn)又引起了地表沉降的進(jìn)一步發(fā)展。