飞机动荷载作用下暗挖隧道围岩压力特性现场试验研究

晁 凯,谭忠盛

(1.中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

飞机动荷载作用下暗挖隧道围岩压力特性现场试验研究

晁 凯1,谭忠盛2

(1.中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

目前虽然国内外地下工程已有许多隧道工程穿越公路、铁路、既有建(构)筑物等相关施工经验和教训，但穿越机场在路网规划中尚不多见，因此依托下穿机场跑道暗挖隧道工程，针对飞机动荷载作用下的围岩压力展开研究。首先根据地质条件和工程支护特点，给出监测方案；然后根据理论知识计算土压力；最后，对动、静荷载作用下暗挖隧道围岩压力的现场试验进行对比分析。研究结果表明：动、静荷载作用下试验断面的围岩压力均在允许值范围内，动载作用下断面围岩压力整体增大45%～88%。从分布形态看，动、静荷载作用下围岩压力分布都不均匀，相对而言动荷载作用下围岩压力分布更为不均，但二者均表现出：隧道拱顶、底部处围岩压力较大，拱腰处相对较小。

飞机动荷载；暗挖隧道；围岩压力；现场试验

0 引言

伴随着城市建设的发展，下穿既有隧道、城市桥梁及重要建(构)筑物的地下工程越来越多。如美国波士顿洲际北向隧道采用地层冻结、箱涵顶进法成功下穿Redline地铁车站和MBTA电车隧道[1]；意大利Bologna市郊公路隧道下穿既有地面铁路线工程[2]；伦敦地铁Jubilee延长线下穿5条地铁线的隧道工程[3]；北京地铁6号线下穿既有4号线区间隧道工程等[4]。近年来，随着全国各地机场扩建带来了新老航站楼之间的捷运工程、城市地铁车站修建以及城市人防工程建设，一些地铁、公路等交通隧道不得不下穿机场跑道，这是一个新的课题，与其他下穿建设工程相比，其要求精度更高，但可供借鉴经验却较少，施工过程中一旦出现事故，经济损失和政治影响将不可低估。

目前，对于下穿机场跑道暗挖隧道的研究主要采用数值模拟分析，如周思震[5]运用Midas模拟分析了不同工况下隧道的变形规律，认为飞机在隧道范围外着陆并滑行通过隧道时隧道结构动力响应最大；高峰等[6]运用ANSYS计算分析了飞机移动荷载作用下隧道结构变形及受力特征，得出飞机动荷载作用下隧道拱顶位移达0.7 mm，拱脚应力增加10%的结论。然而采用现场试验对其进行研究的却较少，对于围岩-初期支护接触压力特性的研究更是少之又少。本文依

托北京首都机场下穿机场中央主跑道暗挖隧道工程，研究了飞机动荷载作用下暗挖隧道围岩-初期支护接触压力特性，以掌控支护受力特征，便于及时调整施工参数，以期为二次衬砌施作时间提供较为准确的信息依据，同时为类似工程提供借鉴，以便进一步拓宽特殊环境下地下空间的开发和利用。

1 工程概况与岩土条件

1.1 工程概况

本工程位于北京首都国际机场T3E—T2航站楼之间，由2条呈单层双跨连拱形式的捷运通道和汽车隧道共构组成，建成后的捷运隧道用于运输中转旅客，汽车隧道用于通行车辆，2条隧道并行下穿使用中的机场中央主跑道，目前世界上最大的飞机A380在此起降。管幕保护下的暗挖隧道如图1所示。

图1 管幕保护下暗挖隧道(单位：m)Fig.1 Mined tunnel under pipe curtain protection(m)

本工程采用外径970 mm、壁厚16 mm、长232 m的口字型管幕超前保护，管幕施工顺序如图2所示。

图2 管幕施工顺序Fig.2 Sequence of pipe curtain construction

暗挖隧道埋深约6 m，隧道截面总宽23.2 m，高8.55 m，中间设置临时中隔墙。将暗挖隧道沿宽度方向分成5部分，沿高度方向分成2部分，总共分为10个导洞，先开挖两侧4个导洞，中洞根据开挖过程中沉降控制情况进行土方开挖和初期支护施工，剩余导洞待侧洞、中洞二次衬砌施工时进行开挖。结构顶板厚1.1 m，底板厚1.2 m，边墙厚1.0 m，中墙厚0.8 m。

初期支护由喷射混凝土、连接筋、钢筋网及型钢格栅组成。初期支护采用350 mm或300 mm厚C20喷射混凝土，钢筋网为φ6.5 mm@150 mm×150 mm，搭接长度为150 mm。二次衬砌结构采用抗渗等级P10的C40防水混凝土，结构受力主筋外侧保护层为45 mm，内侧保护层为40 mm,内部结构采用C40混凝土。

1.2 工程地质及水文概况

由于受到机场管制及工程所在地的特殊性，主跑道及滑行道所处范围210 m地质情况不明，仅在东、西工作井位置进行勘察，勘察结果如下：

1)粉质黏土素填土①层。黄褐色，稍湿、稍密，以粉质黏土为主，含植物根，少量砖屑及有机质等。该层厚0.8～2.0 m。

2)粉质黏土②层。黄褐色-褐黄色，稍湿-饱和、密实，含氧化锰、钙质结核，夹粉土②1，黏土②2透镜体。该层厚3.8～5.8 m。

3)粉质黏土③层。褐灰色，稍湿-饱和、密实，含氧化铁，有机质等，局部含有少量黏砂，夹黏土③1，粉土③2透镜体。该层厚11.7～16.8 m。

4)中砂④层。褐灰色，饱和，中密-密实，主要矿物成分为石英、云母、长石等，局部夹粉砂薄层。该层厚1.7～5.0 m。

5)粉质黏土⑤层。褐灰-褐黄色，密实，稍湿，含氧化锰、钙质结核，夹粉土⑤1、黏土⑤2透镜体。该层厚0.4～7.8 m。

6)粉土⑥层。褐灰色-褐黄色，稍湿-湿，密实，含氧化铁、钙质结核、少量有机质，含少量黏砂，夹黏土⑥1透镜体，含有少量黏砂。该层最大揭露厚4.5 m。

拟建场地属河海流域之北运河水系，北运河水系的温榆河从拟建场地西南约3.2 km处通过，其支流小中河在场地东侧约3.0 km。钻探期间共揭露2层地下水，依次为上层滞水、潜水-微承压水。工程水文情况见表1。

表1水文情况
Table 1 Hydrological conditions

地下水性质水位-水头埋深/m水位-水头标高/m主要含水层上层滞水5．3～9．022．73～25．37填土①层、粉土②层、粉土③层潜水-层间水12．3～18．011．50～19．97细砂④层、粉土⑤层

2 隧道围岩压力计算

根据勘察资料，选取土层参数，计算时有以下假设：

1)平面应变假设。

2)采用“结构-荷载”模型，根据暗挖隧道的结构埋设及所处土层地质条件，将结构上覆土换算为均质土，土层参数取为加权平均值。

3)飞机动荷载按统计所知的最大飞机空客A380计算[7]，换算飞机荷载引起的侧向土压力。

2.1 土层参数的计算

2.1.1 上覆土层

式中：γ0为重度；C0为黏聚力；φ0为内摩擦角；hi为不同土层厚度；H为各土层厚度之和。

2.1.2 结构所在土层

Ka=tan2(45°-φ/2)=0.58。

式中：γ1为重度；C1为黏聚力；φ1为内摩擦角;Ka为主动土压力系数。

2.2 围岩压力计算

围岩压力计算示意如图3所示。

图3 围岩压力计算示意图Fig.3 Calculation sketch of surrounding rock pressure

竖向土压力

q=γ0h=114.6 kN/m2。

式中h为顶板覆土厚度。

侧向土压力

飞机超载为30 kN/m2，则飞机荷载引起的侧向压力e3=30×0.58=17.4 kN/m2。

施工荷载为5 kN/m2，考虑飞机超载、飞机超载所引起的侧向压力和施工荷载，则：

竖向土压力

q′=149.6 kN/m2。

侧向土压力

3 现场试验研究

针对下穿机场中央跑道暗挖隧道工程特性，制定了围岩接触压力监测方案，通过现场监测，分析在施工过程中及飞机荷载作用下围岩接触压力的变化。本次试验可及时了解隧道结构内力的动态变化过程，并及时进行反馈，为判断隧道开挖是否安全提供了重要参照。

为对比分析有无飞机荷载作用对于围岩-初期支护接触压力的影响，本次试验共选取了5个断面，具体对比试验明细如表2所示。

表2 围岩压力对比试验明细Table 2 Details of surrounding rock pressure comparison tests m

注：表中间距为两相邻试验断面间的距离。

3.1 静荷载作用下围岩-初期支护接触压力试验

根据本工程暗挖隧道结构特点，围岩接触压力的测点沿结构开挖轮廓线布设在初期支护结构与围岩之间的接触面上，设置于拱顶、拱腰、底部等关键部位，并对各测点逐一进行编号，静荷载作用试验断面测点用JY1—JY11表示，动荷载作用下暗挖隧道试验断面测点用DY1—DY11表示。试验断面测点布置如图4所示。

图4 围岩压力测点布置示意图Fig.4 Layout of surrounding rock pressure measuring points

静荷载作用下测点的围岩-初期支护接触压力采用DSJ型电阻应变式土压力传感器、CM-2B-64静态应变采集仪对其进行监测。该采集仪可对测量数据进行实时显示，每个独立系统最多可连接64个测点。本次时程曲线的数据记录为当天数据的均值，绘制各测点的围岩-初期支护接触压力时程曲线如图5和图6所示。

3.2 动荷载作用下围岩-初期支护接触压力试验

飞机滑过暗挖隧道时(见图7)，为确定飞机动荷载对围岩-初期支护接触压力的特性，故对动荷载作用下试验断面采用DSJ型电阻应变式土压力传感器和DH3817动态应变采集仪(见图8)对测点围岩-初期支护接触压力进行监测。

由于DH3817动态应变采集仪单位时间内采集数据量大，加之现场试验具有较大的离散性，故本次时程曲线的数据记录为当天数据的均值[8]。DM3—DM5断面围岩压力时程曲线如图9—11所示。

图5 DM1断面围岩-初期支护压力时程曲线Fig.5 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM1 cross-section

图6 DM2断面围岩-初期支护压力时程曲线Fig.6 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM2 cross-section

图7 飞机滑过暗挖隧道(单位：mm)

3.3 动静荷载作用下围岩-初期支护接触压力试验对比分析

为了分析飞机动荷载作用下对地表沉降的影响，将5个试验断面的监测资料列于表3，表中数值为测试结束后累计最大值。

图8 DH3817动态应变仪现场监测

图9 DM3断面围岩压力时程曲线Fig.9 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM3 cross-section

图10 DM4断面围岩压力时程曲线Fig.10 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM4 cross-section

图11 DM5断面围岩压力时程曲线Fig.11 Time-dependent curves of surrounding rock pressure at DM5 cross-section

表3 围岩压力汇总表Table 3 Summary of surrounding rock pressure kPa

由于监测断面的围岩-初期支护接触压力的离散性较大，故本次对动、静荷载试验段的各测点接触压力利用最大值包络图[9-12]进行比较。图12—14中的蓝色线为飞机动荷载作用下试验段的围岩-初期支护接触压力，红色线为静荷载作用下试验段的接触压力，图中以测点径向长度来表示围岩-初期支护接触压力的大小。

图12 DM1和DM3断面围岩压力对比图(单位：kPa)Fig.12 Comparison and contrast between surrounding rock pressure at DM1 cross-section and that at DM3 cross-section (kPa)

图13 DM1和DM4断面围岩压力对比图(单位：kPa)Fig.13 Comparison and contrast between surrounding rock pressure at DM1 cross-section and that at DM4 cross-section (kPa)

图14 DM1和DM5断面围岩压力对比图(单位：kPa)Fig.14 Comparison and contrast between surrounding rock pressure at DM1 cross-section and that at DM5 cross-section (kPa)

综上所述，可知：

1)从围岩-初期支护接触压力对比图形态看，拱顶和拱腰处测点接触压力有所差异。静荷载作用下试验断面的围岩-初期支护接触压力分布不均匀，但大体趋势相同，均为拱顶接触压力值较大，其余部位接触压力值相对较小，而且左右两侧围岩-初期支护接触压力值不同。

2)从监测结果看，静荷载作用下试验断面围岩-初期支护接触压力的最大值为97.83 kPa，为DM2断面JY4测点；动荷载作用下试验断面围岩-初期支护接触压力的最大值为136.42 kPa，为DM4断面DY1测点。

3)从围岩-初期支护接触压力时程曲线看，各断面测点均有以下特点：即拱顶处的测点在导洞封闭前围岩-初期支护接触压力随时间变化发展较快，拱腰处测点及拱脚处测点量测初期压力值变化不大，而在断面封闭后却有较大的增长。

4 结论与讨论

通过现场对比试验及理论计算，可得出以下结论：

1)隧道断面不同部位的围岩-初期支护接触压力分布不同，拱顶、底部处围岩压力值较大，拱腰部位围岩压力值相对较小。动、静荷载作用下围岩-初期支护接触压力分布不均匀，而动荷载作用下试验断面的围岩-初期支护接触压力分布则更为不均匀。

2)断面封闭后静荷载作用下断面测点围岩压力值增长缓慢，趋于稳定，而动荷载作用下断面试验测点围岩压力仍在继续增长。

3)飞机动荷载对邻近隧道围岩压力影响较为明显，其值多数大于静荷载作用段的围岩-初期支护接触压力，二者最大比值为1.39(即136.42 kPa/97.83 kPa)。对比静荷载作用下的隧道结构内力，围岩-初期支护接触压力整体增大约45%～88%。

4)将现场试验监测结果与理论计算值进行对比分析，拱顶处试验测点Y1最大值为136.42 kPa，对应理论计算值为149.60 kPa；侧墙处Y6/Y7试验测点最大值为68.56 kPa，对应理论计算值为72.68 kPa；侧墙处Y8/Y9试验测点最大值为73.55 kPa，对应理论计算值为121.38 kPa。由此可知，无论静荷载还是动荷载作用，试验断面围岩-初期支护接触压力值均小于理论计算值，都在可控范围之内。这说明超前大管幕预支护及周边土体注浆加固用有较好的效果。

本文主要研究在飞机动荷载作用下隧道围岩压力特性，然而由于本工程为在φ970 mm品字形管幕保护下的十导洞“跳跃式”开挖，因此在同一时间内未能对全断面下测点进行监测，各导洞测点的起始监测时间也略有差异，建议后续研究对此种情况予以关注。

[1]Burland J B,Standing J R,Jardine F M.Building response to tunnelling：Case studies from construction of the Jubilee line extension (Volume 1:Projects and methods)[M].London：Thomas Telford Ltd，2001.

[2]CHANGS B，MOON S J．A case study on instrumentations of a large tunnel crossing under the exiting subway structure[C]//Proceeding of the KGS 2000 Spring Conference.[S.1.]:[s.n.],2000：56-59.

[3]Burland J B,Standing J R,Jardine F M.Jardine.Building response to tunnelling：Case studies from construction of the Jubilee line extension(Volume 2:Case studies)[M]．London：Thomas Telford Ltd，2001.

[4]袁金秀，王道远，李栋.北京地铁6号线下穿既有4号线区间盾构隧道施工技术[J].城市轨道交通研究，2012，15(3):82-85.(YUAN Jinxiu,WANG Daoyuan,LI Dong.Construction technology of Beijing subway line 6 under the existing shield tunnel of line 4[J].Urban Mass Transit,2012，15(3):82-85.(in Chinese))

[5]周思震.飞机荷载作用下暗挖隧道结构及机场跑道动力响应分析[D].北京：北京交通大学土木建筑工程学院，2013.(ZHOU Sizhen.Dynamic analysis of mining tunnel and airport runway under aircraft moving loads[D].Beijing：School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University，2013.(in Chinese))

[6]高峰，付钢，胡文亮.移动飞机荷载对机场下部隧道的影响[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2012,31(2)：218-221.(GAO Feng,FU Gang,HU Wenliang.Influence of moving aircraft loads on airport tunnel[J].Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2012,31(2)：218-221.(in Chinese))

[7]李鹏飞，赵勇，张顶立，等.基于现场实测数据统计的隧道围岩压力分布规律研究[J].岩石力学与工程学报，2013,32(7):1392-1399.(LI Pengfei,ZHAO Yong,ZHANG Dingli,et al.Study of distribution laws of tunnel surrounding rock pressure based on field measured data statistics[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(7):1392-1399.(in Chinese))

[8]谭忠盛，喻渝，王明年，等.大断面黄土隧道中型钢与格栅适应性的对比试验[J].岩土工程学报，2009,31(4):628-633.(TAN Zhongsheng，YU Yu，WANG Mingnian，et al.Comparative tests on section steel and steel grid for loess tunnels with large section[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(4)：628-633.(in Chinese))

[9]杨建民，喻渝，谭忠盛，等.大断面深浅埋黄土隧道围岩压力试验研究[J].铁道工程学报，2009(2):76-79.(YANG Jianmin，YU Yu，TAN Zhongsheng，et al.Experimental research on the surrounding rock pressure of large section loess tunnel under deep and shallow submersion[J].Journal of Railway Engineering Society,2009(2)：76-79.(in Chinese))

[10]韩桂武，刘斌，范鹤.浅埋黄土隧道衬砌结构受力分析[J].岩石力学与工程学报，2007，26(S1)：3250-3256.(HAN Guiwu，LIU Bin，FAN He.Mechanical characteristics of tunnel lining structure in shallow-buried loess area[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(S1)：3250-3256.(in Chinese))

[11]贾剑青，王宏图，李晓红，等.浅埋轻轨隧道支护体应力监测及失稳控制[J].重庆建筑大学学报,2006,28(1)：67-70.(JIA Jianqing，WANG Hongtu，LI Xiaohong，et al.Stress measurement anddeformation control of support system in shallow light railway tunnel[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2006,28(1)：67-70.(in Chinese))

[12]张国华，陈礼彪，钱师雄，等.大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析[J].岩土力学，2010，31(2)：489-496.(ZHANG Guohua，CHEN Libiao，QIAN Shi-xiong，et al.On-site supervision measure and analysis of Damaoshan tunnels with large section and small clear-distance[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(2)：489-496.(in Chinese))

南昌地铁首次用冷冻加固+钢套筒接收工法

日前，南昌地铁1号线八一广场站至八一馆站区间下行线实现贯通，该区间下穿繁华的商业街区中山路，为南昌中心城区盾构施工难度最大的隧道区间。

安全穿越中山路多座建筑物

南昌地铁1号线八八盾构区间下行线隧道全长961.82 m，盾构于今年3月20日从八一广场站始发，途中旁穿或下穿康王庙61号南北住宅楼、中山商住楼、省科技大楼、南昌市青少年宫、省立图书馆和南昌市电子器材公司等众多建筑物，同时还下穿了东湖。

中山路车辆及人流密集，且盾构区间下穿、旁穿的建筑物大都年代久远，桩基基本都位于砾砂卵石层中，地层自稳性极差，尤其是康王庙61号住宅楼，施工风险极大。盾构施工前，为确保房屋及人员安全，在盾构下穿前先对房屋周边地基及部分房屋进行了注浆预加固，并在盾构下穿过程中分批次将房屋内人员进行了有序的临时撤离，确保了人员、财产及盾构掘进的安全可控。

采用全线唯一的钢套筒接收技术

由于地处中心区，盾构接收处周边建筑林立、管线密集，加之交通压力大，因此大型机械无法进场作业，不能采取常用的加固措施。在此情况下，多次改进施工方案，最终决定采用全线唯一的“冷冻加固+钢套筒接收”的先进施工工法，此工法在南昌地铁属首次使用，成功地克服了中山路人流量大、施工场地狭小无法进行常规加固等困难。

据了解，采用此种接收方式对测量精度要求极高，盾构进入钢套筒时的姿态允许误差仅为125 px，施工过程中如何提高测量精度，确保盾构顺利进入钢套筒是盾构接收工作的难点，洞门破除、钢套筒的吊装及组装过程、钢套筒气密性检查、拆除钢套筒时洞门密封性检查是接收施工时的重点工作。

为此，施工过程须严格控制冷冻加固施工参数，确保冷冻效果达到设计要求，为盾构安全接收提供保障。同时，在盾构接收阶段，测量人员通过加强对盾构姿态及隧道管片的测量频率，最终保障了盾构顺利进入钢套筒。

组建科研组指导中山路地铁施工

针对项目部盾构施工的重难点，科研项目组已完成渣土改良等4项科研项目，并取得了相关的科研成果。

八八下行线盾构的顺利贯通，为今后的老城区盾构施工积累了丰富的施工技术及管理经验。上行线计划于11月份实现贯通，届时，八八盾构区间将完成双向贯通。

1号线41个盾构区间实现贯通

日前，地铁1号线谢家村站至彭家桥站区间下行线也已实现贯通。至此，1号线48个盾构区间中已有41个实现贯通，盾构掘进46 409 m，完成总量的95.9%。

(摘自 隧道网 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=39d8ab14-5291-42b2-91cf-ecfa27ac9245&CtgId=1b91c547-ef8d-4081-bf70-bfcfa0cd45d8 2014-08-29 )

FieldExperimentalStudyonCharacteristicsofSurroundingRockPressureofMinedTunnelunderAircraftDynamicLoad

CHAO Kai1,TAN Zhongsheng2

(1.AVICGeotechnicalEngineeringInstituteCo.,Ltd.,Beijing100098,China; 2.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

There is much experience and lessons related to tunnels crossing underneath existing highways,railway,buildings and structures at home and abroad,however,there are rare tunnels crossing underneath existing airports.In the paper,the characteristics of the surrounding rock pressure of a mined tunnel crossing underneath the runway of Beijing Airport are studied.First of all,a monitoring plan is proposed on basis of the geological conditions and the support features of the tunnel; then,the earth pressure is calculated on basis of the theoretical knowledge; at last,field tests are made on the surrounding rock pressure of the mined tunnel under dynamic load and static load respectively and the tests results are compared and analyzed.The study results show that the surrounding rock pressure at the test cross-sections under both dynamic load and static load are within the allowed range,the surrounding rock pressure under the dynamic load increases by 45% to 88%; from the viewpoint of distribution pattern,neither the distribution of the surrounding rock pressure under dynamic load nor the distribution of the surrounding rock pressure under static load is uniform,and relatively speaking,the former is more uneven,however,they both exhibit the following characteristics:the surrounding rock pressures at the tunnel crown and at the tunnel invert are larger,while the surrounding rock pressure at the arch waist is smaller.

aircraft dynamic loading; mined tunnel; surrounding rock pressure; field test

2014-04-09;

2014-06-11

晁凯(1987—)，男，河北秦皇岛人，2013年毕业于北京交通大学，岩土工程专业，硕士，助理工程师，主要从事隧道及地下工程研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.009

U 451+.2

A

1672-741X(2014)09-0873-07