大断面隧道下穿既有跑道施工工法比选分析

申冠鹏

（广东省机场管理集团有限公司工程建设指挥部 广州 510403）

1 工程背景

广州白云机场是中国三大国际枢纽机场之一，现建有3条跑道。白云机场扩建是提升广州国际航空枢纽竞争力的重要举措，是建设珠三角世界级机场群、构建现代化的综合交通运输体系的重要组成部分。

广州机场本期扩建的两条飞行区地下通道需下穿正在运行的三条跑道及多条滑行道，而广州机场目前运营十分繁忙，因此在不影响跑道正常运营或将影响控制在可接受范围内的前提下，根据隧道长度、埋深及所在位置选择合理的施工工法，保证机场运行安全是本工程的重点与难点。

广州白云机场三期扩建工程中的2号、3号下穿通道大部分位于现状飞行区内，长度分别约为2 100 m、1 400 m，其平面布置如图1 所示。本项目有如下特点：①属大断面隧道，规划为双向4 车道汽车隧道，最小截面净空面积约95 m2；②运营管理要求严格，施工限制条件多，跑道沉降控制标准要求高；③地面动荷载大，设计飞机荷载重约592 t，并需考虑冲击系数；④地质条件复杂，岩溶发育，地层上软下硬；⑤可参照类似工程少，无成熟经验。

图1 下穿通道平面位置图Fig.1 Plan Location of Underpass

下穿通道穿越土层主要包括人工堆积杂填土，第四系晚更新统冲洪积的粉质黏土层，中砂、粗砂层，淤泥质粉质黏土层，砾砂层，局部分布有石炭系炭质页岩、泥质粉砂岩及灰岩，可能分布有灰岩石芽，微风化灰岩岩面最浅处埋深约21 m。穿越机场内部现状跑道、滑行道段的在一期、二期施工过程中，局部曾进行过注浆加固地基处理。地层内不均匀分布有土洞、灰岩内分布有溶洞，地下水埋深约1.8～4.2 m，隧道围岩级别按Ⅵ级考虑。

2 机场飞行区环境条件

不停航施工是指在机场不关闭或者部分时段关闭并按照航班计划接收和放行航空器的情况下，在飞行区内实施工程施工。机场不停航施工必须以保障飞行安全、航班正常以及机场内人员和财产的安全为原则，机场飞行区环境条件的特殊性主要表现为施工区域限制、不停航施工的空间限制、施工风险的管控等。

2.1 不停航施工区域划分

根据近几年国内民用机场不停航施工经验，为了强化安全管理、确保飞行安全，在跑道使用期间，采用升降带平整范围即跑道中心线两侧105 m 范围、跑道端300 m 以内为严格限制区的范围。飞行活动期间，禁止严格限制区域进行任何施工作业，严格限制区域进行的任何施工作业，在航空器起飞、着陆前半小时，施工单位应当完成清理施工现场的工作，包括填平、夯实沟坑，将施工人员、机具、车辆全部撤离施工区域［1］。

2.2 不停航施工空间限制

严格限制区外区域，在不停航状态可进行24 h全天侯施工作业，但要符合飞行区技术标准内过渡面对移动物体的净空要求。本工程地处敏感的机场管控区域，在跑道两侧升降带内进行施工的，施工机具、车辆、堆放物高度以及起重机悬臂作业高度不得穿透内过渡面和复飞面，且施工机具、车辆的高度不得超过2 m，并尽可能缩小施工区域。在此范围之外，可以按1∶7的坡度开放地面上的空间［1］，如图2所示。

图2 跑道两侧不停航施工区域Fig.2 Non-stop Construction Area on Both Sides of Runway

2.3 道面沉降控制标准

跑道区域道面沉降控制是否达标是工程成败的关键。目前，道面沉降控制标准尚无统一规定，跑道区域道面沉降控制值可分为可接受的、可容许的和过度的限度值，一般认为在45 m距离内可允许存在30 mm左右的差异沉降［2］。综合民航相关设计规范及安全管理规定的要求，建议道面沉降控制指标为：道面区3 m 范围内的高差应小于10 mm，板块接缝错台应小于5 mm，且总沉降量应小于30 mm，同时，跑道差异沉降率需不大于0.1%，滑行道差异沉降率需不大于0.15%，工程实施阶段，施工沉降控制指标需结合现状的道面纵横坡度、不平整状况等设置合理的预警控制值，确保叠加本工程引起的道面变形后，跑道、滑行道等设施仍然符合适航标准。

3 施工工法及工程案例

国内外在既有跑道下修建大断面隧道工程采用的工法有明挖法、管幕法、盾构法等［3］，其中，北京首都国际机场T2-T3E地下通道下穿中跑道采用管幕保护下的浅埋暗挖法施工，台北复兴北路下穿松山机场跑道采用ESA 工法施工［4］，上海仙霞西路下穿虹桥机场跑道端部防吹坪采用盾构法施工。

贵阳机场三期扩建的两条隧道下穿既有一跑道和新建二跑道采用明挖法施工，项目2018 年3 月开工，2021年12月竣工实现双跑道运营。1号下穿通道长943 m，双向4 车道；2 号下穿通道长1 695 m，双向2车道；3号下穿通道长1 524 m，双向2车道，2、3号通道在暗埋段共构，通道均采用闭合框架结构。综合考虑机场运营、场地条件、工程造价、工期等因素，3条下穿通道均采用明挖法施工，主要施工时序为：修建二跑道及下穿通道东段➝启用二跑道、关停一跑道➝修建下穿通道西段（一跑道区域）➝下穿通道竣工、双跑道运营。

北京首都国际机场T3E-T2地下联络通道下穿中跑道部分采用的是管幕保护下的浅埋暗挖法［5］。项目 于2011 年3 月 开 工，2015 年3 月19 日 正 式 启 用。通道位于首都机场T2 航站楼与T3 航站楼之间，垂直下穿使用中的机场中跑道。采用管幕法暗挖的下穿跑道部分长232 m，双孔箱涵结构，断面宽23.2 m，高8.55 m，隧道结构最大埋深5.6 m，主要位于粉质粘土层中，大部分位于潜水位以下。顶管施工采用日产普通微型盾构机掘进引导，用后背千斤顶一次顶入长232 m、直径970 mm、壁厚16 mm 的管幕钢管，内部采用十导洞开挖法施工［6］。

仙霞西路隧道下穿上海虹桥机场东、西两处绕滑道及跑道端部防吹坪，采用盾构法施工［7］，盾构穿越长度约1 040 m。仙霞路盾构隧道内径10.36 m，外径11.36 m，管片厚500 mm，环宽1.5 m，采用2 台ϕ11.58 m 泥水平衡盾构施工。隧道穿越土层主要为淤泥质黏土及黏土层，隧道埋深10～13 m。轨道交通10号线下穿虹桥机场东跑道，盾构直径6.2 m。

4 建设方案比选

根据前述分析，影响广州机场2 号、3 号下穿通道工法选型的突出问题包括：①不停航施工的时间限制、空间限制条件多；②机场跑道、滑行道的沉降控制标准高；③跑道上飞机滑行起飞、降落的密度大，隧道要承受频繁的飞机动荷载作用；④广州机场地质条件复杂，地下水位高，土洞溶洞发育，地层下硬上软，施工难度大；⑤类似工程无成熟经验。

施工工法的选择应满足施工作业自身安全的要求、工程的可实施性要求、施工过程中的环境影响要求、工期和造价的要求、飞行区施工管理的要求等。经综合比选，认为盾构法对通航影响小，风险可控，工期、投资适中，推荐采用盾构法下穿运营跑道，如表1所示。

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

5 不停航施工风险点分析及对策

5.1 盾构始发到达

2号下穿通道盾构始发井端头可布置于距离东二跑道中心线约304 m处，距离平行滑道中心线约78 m，盾构始发井处限高约23 m，3 号下穿通道盾构始发井端头距离西一跑道中心线约250 m，盾构始发井处限高约15 m。接收井距离跑道中心线较远，但端头加固和盾构吊装等施工时仍需引起高度重视。施工对策：

⑴盾构采用分体吊装，最大吊装高度为刀盘，据初步估计，最大起吊高度约22 m，2 号通道限高可满足盾构吊装施工要求。3号通道限高不满足盾构吊装施工要求，故部分吊装作业可选择在西一跑道停航时进行。

⑵ 端头地层加固采用MJS 注浆加固［8］，施工机具高度较小，满足限高要求。同时该加固措施效果较好，能满足地层加固强度和止水要求，确保盾构安全始发及到达。

⑶进行精细化施工组织策划，满足不停航施工要求的同时提高施工效率，确保机场安全正常运营，最大程度减小施工影响。

5.2 盾构掘进

2号、3号下穿通道工程盾构所处地质区域为灰岩地区，场地第四系地层下伏石炭系灰岩、泥质粉砂岩、炭质页岩等，基岩面起伏变化较大，结构底板以下岩性复杂多样、软硬不均，分布的土洞、溶洞对地基土稳定性影响很大。盾构施工过程中可能会遇到土洞、石芽、一期和二期注浆加固地层等，由于地层软硬不均容易造成刀盘受力不均匀，进而导致地面不均匀沉降。盾构掘进参数控制不当，会对机场安全正常运营造成影响。盾构管片外径11.3 m，属于大直径盾构隧道，拱顶埋深6～8 m，小于1D，属于超浅埋隧道，具有较大施工风险。施工对策：

⑴首先探明下穿工程隧道地质情况，为下穿隧道施工提供先行条件。当隧道底部位于淤泥等软弱地层时，应提前对地层进行加固处理。对隧道影响范围发现的溶土洞及时充填［9］，同时须采取及时封闭管片，及时调整泥土仓压力平衡等措施，保证掌子面与周边围岩的稳定［10］。

⑵盾构掘进施工时，在盾构穿越机场道面区前，以土面区范围作为试验段进行掘进，在试验段内布置分层土体沉降仪及地面沉降测点等自动化监测措施，并辅以人工监测复核，根据监测数据调整优化盾构掘进参数，加强同步注浆和二次注浆，控制掘进速度，确保大盾构隧道穿越道面区时满足不停航施工沉降要求。

5.3 施工与运行监测

隧道下穿运营中的跑道，对地表沉降要求严格，必须密切监控地表变形情况［11］，确保机场安全运营。监测点的布设不得影响机场的正常运行，确保监测的覆盖面、频率和精度，宜采用全站仪无棱镜扫描，以无线通讯方式实时传送数据至后台服务器进行计算和分析；另外还应注重纵向和横向监测断面的布置，以收集分析全方位数据。

同时跑道区域宜采用自动监测为主、人工监测为辅的方式，主要采用全站仪自动监测（无棱镜）、电子水平尺相对沉降监测、人工地表沉降监测等方式。应将自动监测数据与人工监测数据进行对比分析，以确保监测数据的准确性和可靠性。

由于隧道周围地层的物理力学状态重新稳定需要较长时间，加之飞行器和地面保障车辆的运行影响，运行期的监测也至关重要。可在施工期间预埋健康监测设置，并将沉降监测纳入既有飞行区工程管理系统。同时，建议在常规健康监测的基础上，增加盾构通过沿线的地质雷达探测［12］，施工完成后两年内每月1次，发现空洞及时开孔注浆。

6 结语

大断面隧道下穿运营跑道的工程案例很少，文章结合广州机场飞行区特殊的环境条件及各施工工法技术特点，从对通航影响、风险防控、沉降控制、投资等方面进行比选分析，认为盾构法对通航影响小，风险可控，投资适中，推荐采用盾构法下穿既有跑道。并分析了不停航施工的风险，提出施工对策建议，供项目后续实施及类似工程参考。