飞机荷载对下穿TBM隧道管片结构与地层附加应力影响研究

2019-07-27陈安惠张忠刚马兴叶

铁道标准设计 2019年8期

陈安惠，张忠刚，马兴叶，覃亮，邓昆

(1.中铁开发投资有限公司，昆明 650000；2.中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201； 3.西南交通大学土木工程学院，成都 610031; 4.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031；5.中铁三局集团第二工程有限公司，石家庄 050000)

在我国经济高速发展的同时，地下空间的充分利用可以解决一定的交通问题，许多城市建立起了庞大的地铁交通网络。一些隧道由于种种原因，不得不下穿机场的飞机跑道。现在国内国外已经有一些下穿飞机跑道的隧道实例，其中有成功也有失败的案例。成功的案例有：瑞士的苏黎士机场运营区的下方建造了两条用于地铁的单壳防水隧道，这些隧道下穿了停机坪、滑行道、登机口等区域，施工后地表沉降没有超过5 mm[1]；德国图加特在机场跑道下修建了圆形单轨隧道，虽然该工程地质条件较差，但是施工中通过严格的监控量测来控制隧道变形，最终使沉降得到有效控制[2]；英国希斯罗机场在滑行道和站坪机位下方修建了2条2 259 m长外径为8.8 m的轨道交通隧道，虽然该隧道埋深浅，但通过采用预制混凝土结构取得了成功[3]；下穿上海虹桥机场飞行区的3条隧道采用盾构法施工，通过严格控制盾构机推进速度以及二次注浆措施对沉降进行了良好的控制[4]；台北松山机场盾构隧道下穿停机坪，采用管幕结合ESA箱涵顶施工，并通过水平注浆加固管幕内土体，取得了成功[5]。在下穿飞机跑道的隧道实例中也有失败的例子，如位于广东的珠海机场，在下穿隧道的建造后，由于地质条件不良，在地下通道处产生了不均匀沉降并且出现了裂缝[6]。可见飞机荷载对隧道开挖有一定的影响，如若处理不当可能会导致严重的工程问题。

目前国内对于飞机荷载对隧道结构、内力、地层影响深度的研究较少。杨裴等[7]基于层状弹性理论的力学分析表明飞机对地基变形的影响深度可达10 m；肖明等[8]通过三维数值模拟盾构隧道下穿飞机跑道，得到了地表沉降和内力的分布规律；赵爽[9]通过分析飞机起降对隧道衬砌内力变化的研究，得出不考虑飞机起降对隧道稳定性影响的隧道最小埋深为 30 m；晁凯[10]通过对比动、静荷载作用隧道断面的拱顶沉降和拱腰收敛，认为飞机动荷载作用下对拱顶沉降影响甚小。

本文依托重庆轨道交通10号线T3航站楼-T2航站楼区间，运用FLAC3D软件[11-12]对飞机荷载对隧道施工开挖影响进行了分析，并将飞机荷载等效为附加应力，探讨了地层中附加应力变化的规律，为相似工程提供设计参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

重庆轨道交通10号线T3航站楼站至T2航站楼站区间左右线穿越重庆江北机场第二跑道、第一跑道、滑行道、联络道、停机坪、机场交通换乘中心等既有构筑物，地面环境复杂，沉降要求严格。T3航站楼站站后始发井至T2航站楼站区间隧道长1 570.232 m，均为单洞单线隧道。该区段主要采用TBM法施工。区间隧道轨面埋深14.1～32.9 m。

1.2 地质概况

沿线主要位于第四系构造剥蚀丘陵地貌上，隧道穿越的主要地层为砂质泥岩，局部分布有页岩及泥质灰岩。砂岩为Ⅲ级围岩，砂质泥岩为Ⅳ级围岩。地下水的富水性受地形地貌、岩性及裂隙发育程度控制，主要为大气降水、地面池塘水体渗漏及城市地下排水管线渗漏补给，沿线地下水主要为基岩裂隙水，含水微弱。

2 复合式TBM施工过程模拟

2.1 模型尺寸

整体计算模型取为高50 m、长100 m、宽60 m(机场第二跑道的宽度)的长方体模型。其中上表面取到飞机跑道的道面，隧道埋深27 m。模拟TBM隧道中的注浆层时，按照均质、厚度不变的弹性等代层进行模拟。按照沿隧道纵向的地层变化，在ANSYS软件中建立与实际情况相似的TBM隧道及周围围岩的模型。管片厚度为350 mm，注浆等代层厚度为142.5 mm，混凝土道面的厚度取为42 cm，二次碎石基层的厚度取为54 cm。地层及材料属性具体见表1。其中除混凝土道面和二次碎石基层的材料属性[7]外，其余材料的材料属性来自工程报告。

表1 模型物理力学参数

2.2 施工荷载

(1)飞机荷载

选用的载客飞机是现在世界上最大的客机A380空中客车，根据MH5004—2010《民用机场水泥混凝土道面设计规范》中给出的A380飞机在降落、滑行和起飞3种情况下对机场跑道道面作用的荷载，如表2所示。根据相关研究，对于降落，分为粗暴着陆和正常着陆[13]。正常着陆是在0.5～1.0 m的高度时飞机便开始飘落，而如果飘落的高度过高便属于粗暴着陆。正常着陆的荷载略小于飞机的静荷载，粗暴着陆对道面的冲击作用相当于静荷载的3倍，并且粗暴着陆属于违规操作，故本文在着陆时便没有考虑粗暴着陆的情况。

表2 飞机荷载

图1 飞机轮胎布置示意(单位：mm)

如表2所示，A380飞机分别在滑行、起飞和着陆的过程中，对道面的冲击作用更大的是滑行过程[14]。最大的滑行重力为Pt=5 620 kN，A380飞机前后轮布置如图1所示。总共有22个轮子，其中前轮N1=2个，后轮N2=20个。依照A380飞机的前后轮分布及主起落荷载分配系数P可以把最大滑行重力分配到各个轮子上。

滑行时每个前轮承受的荷载

滑行时每个后轮承受的荷载

由于飞机在滑行过程中的振动效应，需要将飞机振动荷载放大10%，以机轮直径d为1.5 m，当飞机的滑行速度v为16.67 m/s时计算机轮的频率

ω=f·2π=3.54·2π=22 rad/s

于是滑行时前轮的动载

F11=F1+F110%·sin(ωt)=

84.3+8.43×sin(22t)

滑行时后轮的动载：

F22=F2+F210%·sin(ωt)=

272.6+27.26×sin(22t)

在隧道掘进到指定深度后，施加移动飞机荷载在FLAC3D模型上，模拟A380飞机滑行穿越TBM隧道上方的第二跑道的情况下对隧道结构的影响，按照计算将飞机荷载简化为节点荷载。

(2)复合式TBM掘进的施工荷载

下穿飞机跑道段起点里程K32+599，终点里程K32+659，共41环管片，在复合式TBM的掘进过程中，对掌子面施加推力和扭矩，通过统计本工程中下穿江北机场第二跑道的TBM掘进参数，取得其推力和扭矩的平均值，推力的平均值为8 554 kN，扭矩的平均值为3 834 kN·m。

3 飞机荷载对复合式TBM管片影响

图2 模型及飞机荷载示意(单位：m)

分别在TBM隧道开挖至飞机跑道前、中、后三个位置的情况下，考虑飞机从左往右通过隧道上方时，后轮荷载作用在X=0 m到X=100 m位置时的情况，模型尺寸及飞机荷载施加示意见图2，隧道开挖位置见图3。分别分析这三个位置下飞机荷载对管片主应力、拱顶、仰拱、边墙位移以及安全系数的影响。

图3 隧道开挖位置示意

3.1 飞机荷载对管片主应力的影响

表3为3个位置下TBM管片的最大主应力最大值和最小主应力最小值，图4为3个位置下最大主应力值随飞机荷载作用位置的变化图。

表3 不同位置下TBM管片主应力值(受拉为正，受压为负)

从图4可以看出，由于埋深较深掘进环数较小，在飞机移动荷载的作用下，纵向管片的应力变化几乎是恒定的，最值的位置与未作用飞机荷载时最值的位置一致。飞机荷载在TBM隧道穿越飞机跑道前施加时由于开挖靠近模型边界，边界效应影响显著，导致TBM穿越跑道前和穿越跑道中最大主应力最大值相差较大，最小主应力最小值也有一定的变化。随着隧道的开挖，管片主应力不断变化最后趋于稳定。相对于未作用飞机荷载时，TBM穿越跑道前最大主应力的最大值增加0.006 MPa，最小主应力的最小值减小了0.01 MPa；TBM穿越跑道中最大主应力的最大值增加0.022 MPa，最小主应力的最小值减小了0.004 MPa；TBM穿越跑道后最大主应力的最大值增加0.014 MPa，最小主应力的最小值减小了0.006 MPa。

根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》隧道管片采用C50混凝土，其抗拉强度为2.64 MPa，抗压强度为32.4 MPa，最大主应力和最小主应力均满足要求，结构安全。

3.2 飞机荷载对管片位移影响

表4为3个位置下TBM管片的位移值，图5为不同位置下管片位移随纵向距离变化曲线。

TBM穿越跑道前，第一环的拱顶沉降与仰拱位移最大，第二环净空收敛值最大，随着靠近掌子面呈现出变形减小的趋势。施加飞机荷载后最大拱顶处沉降增加了0.055 mm，最大仰拱位移处仰拱位移减小了0.002 mm，最大净空收敛处净空收敛减小0.041 mm。

表4 3个位置下飞机荷载施加前后TBM管片位移 mm

注：竖向向上为正，水平方向收敛为正

图5 管片位移纵向变化曲线

TBM穿越跑道中，掌子面前三环的管片变形突然变小，在28.5 m之前的拱顶沉降和仰拱位移变化不大，都在0.9 mm左右，在接近掌子面时迅速减小。净空收敛在逐渐增大，在第19环管片处达到最大值0.28 mm，然后在接近掌子面时迅速减小。最大拱顶沉降处拱顶沉降增加了0.021 mm，最大仰拱处位移减小了0.015 mm，最大净空收敛处净空收敛减小0.041 mm。

TBM穿越跑道后，在掌子面前管片的变形突然减小，在52.5 m前管片拱顶沉降与仰拱位移变化较小，在接近掌子面处的拱顶沉降与仰拱位移减小较快，净空收敛一直处于缓慢的上升趋势，在42～52.5 m上升趋势增加，在52.5 m到掌子面处突然减小。最大拱顶沉降处沉降增加了0.018 mm，最大仰拱位移处仰拱位移减小了0.008 mm，最大净空收敛处净空收敛减小0.061 mm。

根据GB50911—2013《城市轨道交通工程检测技术规范》规定，管片结构沉降控制标准为10 mm，净空收敛控制标准为3 mm。隧道最大沉降和净空收敛值均满足规范要求，管片安全。

3.3 飞机荷载对管片安全系数影响

提取在施加飞机荷载前后管片的弯矩、轴力，并计算出安全系数如表5所示。从表5可以看出，施加飞机荷载后管片弯矩和轴力变化不大，弯矩变化范围在0.3 kN·m之内，轴力变化在1.6 kN之内，通过计算拱顶、拱肩、仰拱三个位置的安全系数可以看出，安全系数普遍大于9。参照JTG D70—2004《公路隧道设计规范》钢筋混凝土结构强度安全系数限值为2.4，可见在飞机荷载作用下盾构隧道管片各处均处于安全状态。

表5 施加飞机荷载前后TBM管片内力变化

4 监控量测数据分析

表6为数值模拟与部分实际的监控量测数据的对比。其中Y32+600、Y32+660为模型中跑道左右两中点。从表6可以看出，计算的观测点数值与实际情况是比较相符的，表明数值模拟的结果是合理的。

表6 数值模拟与监控量测对比

5 飞机荷载对地层附加应力影响

飞机荷载对隧道的作用，可以看成飞机作用在跑道上方时为地面超载，飞机荷载对跑道下部土体施加了附加的竖向应力[15-17]，土体的附加应力对隧道结构的受力产生影响，而飞机荷载的分布比较复杂，通过FLAC3D数值模拟的方式进行计算，通过提取附加应力值来分析飞机荷载对下部土体的影响规律。图6为TBM隧道所处砂质泥岩层附加应力云图。图7为纵向剖面的附加应力云图。

图6 砂质泥岩层附加应力云图

从图6可以看出，受飞机后轮荷载的作用隧道所处砂质泥岩层附加应力最大值出现在模型中央位置，最大的竖向附加应力值为1.65 kPa，位于整个后轮范围内，前轮的附加应力偏小，约为1 kPa，水平附加应力较小可忽略。由图7可以看出，普遍呈现的附加应力分布规律是：随着远离飞机后轮荷载的中心部位，附加应力值逐渐减小，模型右方由于有前轮荷载的作用，右边土体中的附加应力值略大于左边，在Y=30 m处有最大的附加应力，最大值约为2.1 kPa。该结论可为相似下穿机场跑道隧道设计提供设计参考。