城际铁路施工降水对机场跑道沉降影响研究

张劳恩

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

郑州至新郑机场城际铁路起于郑州枢纽郑州站，止于郑州市航空港区，全长43 km，设计时速200 km，其中于经济技术开发区设经开站，在航空港区北部设机场北站，下钻入地沿迎宾路在T1航站楼北侧设新郑机场站(地下站)。

郑机城际铁路DK39+500～DK41+800段区间，设计为明挖隧道，基坑开挖深度达25 m，距离正在运营的新郑国际机场第一跑道最近约350 m。根据相关要求，应对郑机城际铁路临近机场跑道段深基坑降水可能对机场安全运营造成的影响进行评估。

线路主要经过平原区，场地地形平坦、开阔，局部略有起伏，东高西低，最大高程约156.34 m，最低约141.63 m，相对高差约为14.71 m。

沿线无地表水，地下水类型属于第四系松散岩类孔隙水，主要含水层为粉砂、细砂和粉土层中，被相对隔水的粉质黏土层分隔为几个含水层，局部承压或微承压，水文地质条件较为复杂。

2 主要技术标准

2.1 城际铁路技术标准

(1)等级:城际铁路;

(2)正线数目:双线;

(3)设计行车速度:200 km/h;

(4)最小曲线半径:一般2800 m。

2.2 机场跑道沉降要求

(1)工后沉降≤20 cm;

(2)差异沉降≤0.15%。

3 沉降影响研究

3.1 地面沉降形成机制分析

土体一般由土体颗粒，孔隙水和气体三相组成。一般认为土体变形是孔隙水排出，气体体积减小和土体骨架发生错动而造成的。饱和土中的孔隙水压缩量很小，孔隙体积变化主要是孔隙水排出引起;对于非饱和土，除孔隙水渗出外，还与饱和度有关。土体受载瞬时，孔隙水承担了总压力，随后因孔隙水体积逐渐减小，孔隙压力消散，有效应力增加。在有效应力作用下，土体骨架产生瞬时和蠕动变形［1-3］。

3.2 沉降量理论计算

根据降水沉降机理的分析，要计算出不同剖面上不同点的沉降量，首先要计算出基坑降水时，对应点的水位降深量，然后根据不同的水位降深计算出相应点的地面沉降量［4-8］。

(1)不同部位水位下降Δh的计算

随着抽水过程的进行，基坑降水形成的漏斗状曲面逐渐稳定(图1)

设计算点处的水位下降为Δh，则有

图1 基坑降水示意

Δh=H-Hr

式中，H为潜水含水层的厚度或承压含水层水头值;Hr为计算点水头值(从含水层底板算起)。

通过潜水完整井水位下降曲面可以确定潜水含水层计算点的水位下降值

由上面3个公式推导得

式中 Hr——距基坑边r处的水头值(从含水层底板算起);

hw——井点降水稳定水头值(从含水层底板算起);

H——潜水含水层厚度;

S——基坑水位降深值(S=H-hw);

R——基坑降水影响半径;

r0——基坑仿大井半径;

r——计算点至基坑边的距离;

K——含水层渗透系数。

(2)采用分层总和法进行计算

式中 S——地面最终沉降量;

ai(1-2)——各土层压缩系数;

e0i——各土层起始孔隙比;

Δpi——各土层因降水产生的附加应力;

Δhi——各土层的厚度。

以DK40+450右侧断面为例，计算沉降量如表1所示。

3.3 地表沉降实地观测

研究区段用钻孔灌注桩及旋喷桩形成隔水帷幕，进而进行坑内降水，根据设计降水方式，以DK40+450断面为例，进行现场观测。

表1 DK40+450右侧断面沉降量计算

(1)基准点

基准点应位于远离施工沉降区影响范围外的稳定面上，且保证相邻点位的通视，采用的是设计单位布设的CPⅡ点，距离基坑约1.5 km。

(2)沉降观测点布设

地表沉降监测点埋设时先用工程水钻打穿硬化面，钻孔直径为150 mm、深800 mm左右或穿透表层到达原状土，然后打入φ28 mm长约1 m螺纹钢筋，或根据情况增加长度，必须保证深入原状土。所有测点进行统一编号。

同样以DK40+450右侧断面为例，观测沉降量如表2所示。

表2 DK40+450右侧断面观测沉降量

4 观测值与理论值对比分析

通过理论计算的结果和选测的2个断面数据对比见图2，从图2中可以看出实测沉降量比理论计算值小，分析其主要原因是沉降量是在短期内观测的，降水后沉降尚未完全完成［9-11］。

5 结语

(1)通过理论计算及现场观测对比分析可知，在严格按设计要求施工的情况下，城际铁路基坑降水引起的沉降量，满足机场方给出的对于沉降量的控制标准，因此可以认为，城际铁路基坑降水对正在运营的机场第一跑道基本无影响［12］。

图2 DK40+450断面沉降量理论计算与观测值对比

(2)考虑到基坑降水开挖引起地表沉降的因素较多，还应采取长期的地面变形监测等综合措施，进一步确保机场运营的安全［13］。

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