大盾构下穿机场飞行区岩溶处理范围探讨

唐好文

(广州铁路投资建设集团有限公司,广东 广州 510330)

0 引言

近年来随着城市建设用地越发紧张,地下空间开发成为了本世纪重点,大型综合枢纽将是未来一段时间内的建设趋势,“零换乘,一体化”空铁联运交通枢纽就是其中之一。德国法兰克福机场于1999年试行空铁联运[1],是世界上最早实践空铁联运的机场,实现了机场与高铁车站的“无缝衔接”,取得了巨大的经济和社会效益。后续法国戴高乐机场、英国希斯罗机场,国内的上海虹桥、武汉天河、郑州新郑、海口美兰、成都双流等均已开展建设空铁联运交通枢纽。高铁建设尽量靠近航站楼设立机场站作为枢纽或地区的辅助客运站,以减少换乘旅客的走行距离,这在一定程度上,为旅客出行提供了便利,提高了城市综合交通运输效率,但同时也带来了技术和挑战。

本文以白云机场T3交通枢纽轨道交通预留工程项目为研究背景,对岩溶强发育条件下大盾构下穿复合枢纽机场飞行区的施工情况进行分析,研究结果对后期类似工程的施工安全和施工质量有重要的意义。

1 工程概述

1.1 项目概况

白云机场T3交通枢纽轨道交通预留工程地属广州市白云区人和镇,位于白云区机场第二高速以西、机场大道南以东、白云机场T3航站楼以南的机场红线范围内。项目引入广州至珠海(澳门)高铁、广河高铁、芳村至白云机场城际等线路,包括车站主体和机场红线范围内车站两端区间的预留土建工程。其中广河高铁盾构隧道线路长度为1.629 km,内径为12.6 m,外径为13.8 m,广珠(澳)高铁盾构隧道线路长度为1.476 km,内径为12.6 m,外径为13.8 m。

广河高铁、广珠(澳)高铁盾构区间从T3站始发进入机场飞行区,下穿东二跑道南端防吹坪、东一跑道南端灯光带出运营中的机场飞行区后,侧穿机场油库及FBO基地服务楼,至迎宾大道与机场围界之间的接收井。广河高铁下穿飞行区起讫里程为DK13+173～DK14+185.866,区间穿越长度为1 013 m。广珠(澳)高铁下穿飞行区起讫里程为GADK13+249.592～GADK14+185.866,区间穿越长度为936.3 m。

1.2 盾构概况

该工程所用设备为中铁1188号盾构机,刀盘开挖直径为14.31 m,主机总长约为15.5 m,整机总长约115 m(不包括尾部拖动平台);主机重约2 500 t,后配套拖车重约1 400 t,单件最重为刀盘约550 t(含刀具、吊具);后配套拖车由1号～4号拖车、1节连接桥及辅助平台组成。盾构机具有螺机出渣和直排管出渣2种出渣通道。

隧道管片设计外径为ø13.8 m、内径为ø12.6 m、结构厚度为0.6 m、宽度为2 m,每环由10块组成,通用双面楔形量52 mm,采用错缝拼装形式。衬砌管片每环由1个封顶块(F),2块邻接块(L1、L2)及7块标准块(B1～B7)组成。管片接缝连接包括30颗M36环向螺栓和40颗M36纵螺栓。管片混凝土强度等级为C60,抗渗等级为P12。

广河高铁隧道起点里程CK8+615.000,终点里程CK14+167.674,区间总长度约5 552.67 m,隧道管片内径12.6 m,管片外径13.8 m,刀盘外径约14.3 m。广珠(澳)高铁隧道起点里程GACK8+615.000,终点里程GACK14+261.774,区间总长度约5 646.774 m,隧道管片内径12.6 m,管片外径13.8 m,刀盘外径约14.3 m。

2 施工区域划分

机场飞行区先导孔及岩溶处理施工根据MH 5001—2006《民用机场飞行区技术标准》及民航局保障机场安全运行的相关规定,对广河高铁盾构区间、广珠(澳)高铁盾构区间穿越白云机场飞行区进行不停航施工区域(见图1)划分,配合后续开展管线探测与开挖、岩溶处理工作。

图1 施工区域示意图

3 岩溶处理情况

本次勘察发现飞行区存在岩溶地质,其中根据充填性状分为全充填、半充填和无充填,充填物质为流塑～软塑状黏性土、砂石和碎屑。在岩溶中～强发育区的盾构区间设计,应主要针对盾构在穿越溶(土)洞期间出现栽头、盾构在穿越溶(土)洞期间破坏原有平衡体系导致地面沉降过大或塌陷的风险,采取预处理措施,规避岩溶风险。广珠(澳)高铁与广河高铁盾构区间溶洞分布情况如图2、图3所示。

图2 广珠(澳)高铁盾构区间隧道地质纵断面图

图3 广河高铁盾构区间隧道地质纵断面图

3.1 盾构隧道岩溶处理范围理论计算研究

3.1.1荷载传递线交汇法

荷载传递线交汇法适用于完整的水平顶板,假设由顶板中心按与竖直线成30°～35°扩展角向下传递,此传递线位于顶板与洞壁的交点以外,即认为溶洞壁直接支撑顶板上的外荷载与自重,顶板是安全的。该方法相关岩溶处理范围示意如图4所示。

图4 荷载传递线交汇法岩溶处理范围示意图

将溶洞等效为矩形,取2～5 m尺寸溶洞进行计算,得到水平处理宽度为2.5～6.2 m,底部处理高度为2.3～5.7 m。荷载传递线交汇法岩溶处理范围如表1所示。

表1 荷载传递线交汇法岩溶处理范围

3.1.2溶洞稳定系数法

根据溶洞稳定系数法计算公式:

K=F1/F2

式中:F1为抗塌力;F2为致塌力。

当稳定系数K≥1.5时,岩溶地基稳定;当K≤1时,岩溶地基不稳定。将溶洞等效为矩形,取2～5 m尺寸溶洞进行计算,得到底部处理深度为1.5～4.5 m。溶洞稳定系数法岩溶处理范围如表2所示。

表2 溶洞稳定系数法岩溶处理范围

3.1.3抗弯估算法

当厚跨比较小,弯矩为主要控制条件时,可用抗弯估算法估算底部处理高度。将溶洞等效为矩形,取2～5 m尺寸溶洞进行计算,得到底部处理高度为1.24～1.96 m。抗弯估算法岩溶处理范围如表3所示。

表3 抗弯估算法岩溶处理范围

3.1.4各计算方法结果汇总

根据岩土力学理论简化计算结果可见,溶洞需处理范围与溶洞跨度正相关,且各方法计算结果差异较大。对比同尺寸溶土洞,按荷载传递线交汇法处理范围最大,抗弯估算法处理范围最小。由于抗弯估算法主要针对较完整溶洞顶板,故其计算结果仅作为参考。

根据详勘报告,在隧道影响范围内(0.5D)所揭示溶洞的洞高超90%均小于4 m。根据上述理论计算方法,等效跨度4 m的溶洞底部最大处理高度的范围为3.5～4.62 m,水平最大处理宽度为4.98 m。各计算方法汇总情况如表4所示。

表4 各计算方法下的结果汇总 m

3.2 盾构隧道溶(土)洞处理范围数值模拟研究

本项目属于大直径盾构隧道(管片外径13.8 m,开挖断面14.3 m),隧道重要性要求较高,同时隧道的变形及受力要求也较高。为更好掌握岩溶对隧道的影响,考虑溶(土)洞分别位于隧道上方、侧方、下方3种位置关系,对溶洞直径5 m(土洞3 m),距离隧道外3 m、5 m、6.9 m、10 m和13.8 m不同范围,在施工阶段分别进行有限元模拟计算。建立的模型尺寸为93.2 m×60 m,盾构顶部埋深12 m,管片厚度60 cm,内径12.6 m。计算模型总共划分为5 657个单元。

本项目的三维数值计算中的地层和相关结构的具体几何参数为实际设计值,力学参数参考地勘文件选取。计算中,各土层采用摩尔-库伦弹塑性本构模型,管片构造采用弹性模型。各材料的具体参数见表5。

表5 物理力学参数取值表

3.2.1施工过程模拟

本次数值计算中的施工过程为:

1)地应力平衡。激活土层,模型两侧和底部的边界条件为法向约束,地表为自由边界条件,在自重条件下求解至平衡。

2)飞机坪地面超载。在地面施加地面超载,求解至平衡。

3)盾构隧道开挖。开挖土体,激活盾构管片,施加注浆压力。

3.2.2隧道洞周收敛结果分析

由于高铁盾构技术使用较少,并且主要使用矿山法,因此本文参考GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》。按照隧道洞径0.2%(27.6 mm)的洞周收敛临界值是否满足作为判别岩溶是否需要处理的标准。

从计算结果可知,当溶洞处于隧道上方时,隧道洞身竖向方向收敛值为26.5 mm,接近规范要求0.2%D(27.6 mm),考虑盾构推进过程中,洞顶存在溶土洞易坍塌,从而导致地表塌陷,当溶土洞处于隧道上方时均应进行处理。详见表6。

表6 溶洞位于隧道顶板上方计算结果统计表

从计算结果可知,当隧道拱腰以下为岩层,溶洞处于隧道下方时,溶洞对隧道的竖向位移影响显著,随着溶洞与隧道距离的增加,溶洞对隧道的影响增大,隧道洞周收敛值逐渐减小,当距离在5 m(包含)以下时,隧道洞身竖向收敛值偏大,不满足规范要求,需要进行溶洞处理。详见表7。

表7 溶洞位于隧道底板下方时各工况计算结果(隧道基底范围为岩层)

从计算结果可知,当隧道基底为岩层,溶洞处于隧道侧边时,溶洞对隧道的水平位移影响显著,随着溶洞与隧道距离的增大,溶洞对隧道的影响降低,隧道水平收敛值逐渐减小,当距离在4 m(包含)以下时,隧道洞身的水平收敛值偏大,不满足规范要求,需要进行溶洞处理。详见表8。

表8 溶洞位于隧道水平方向时各工况计算结果(隧道拱腰以下为岩层)

从计算结果可知,相比于岩层,当隧道基底处于土层中时,隧道产生的竖向位移更大,溶洞对隧道竖向收敛的影响规律与土层基本一致,随着溶洞与隧道距离的减小,隧道竖向收敛值增大,当距离在6.9 m(包含)以下时,隧道洞身竖向收敛值偏大,不满足规范要求,需要进行溶洞处理。详见表9。

表9 溶洞位于隧道底板下方时各工况计算结果(隧道基底范围为土层)

从计算结果可知,与隧道竖向收敛值相似,隧道基底处于土层中时,隧道水平收敛值更大,随着溶洞与隧道距离的减小,隧道水平收敛值逐渐增大,当距离在5 m(包含)以下时,洞身水平方向收敛偏大,不满足规范要求,需要进行溶洞处理。详见表10。

表10 溶洞位于隧道水平方向时各工况计算结果(隧道基底范围为土层)

3.2.3计算结论

计算参考GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》,盾构隧道岩溶处理应遵循以地面预处理为主,盾构机内处理为辅的原则,优先考虑地面预处理。

根据《广州市轨道交通第三期建设规划(2017—2023)线路岩溶处理总体技术要求》对盾构隧道以上至地面溶(土)洞全部处理的要求,结合数值计算结果,参考已有工程实例岩溶处理范围,得到如下结论:

1)所有发现的溶洞必须处理,盾构管片上方如遇溶(土)洞需要全部处理;

2)隧道拱腰以下位于岩层,水平方向隧道外扩4 m(包含)、竖向隧道底以下5 m(包含)发现的溶洞应处理,加固范围如图5(a)所示。

图5 溶洞处理范围示意图

3)隧道拱腰以下位于土层,水平方向隧道外扩5 m(包含)、竖向隧道底以下6.9 m(包含)发现的溶洞应处理,加固范围如图5(b)所示。

综合计算结果,本工程盾构隧道岩溶处理范围略小于武汉两湖隧道工程[2](管片外径15.5 m)岩溶处理范围,大于大连地铁5号线[3]火梭区间海底隧道(管片外径11.8 m)岩溶处理范围(详见表11),与实际工程岩溶处理范围随管片外径增大而增大的规律相吻合,岩溶处理原则合理。

表11 溶洞处理范围对比表

4 研究结论

所有发现的溶(土)洞必须处理,盾构管片上方如遇溶(土)洞须全部处理;隧道拱腰以下位于岩层,水平方向隧道外扩4 m(包含)、竖向隧道底以下5 m(包含)发现的溶洞应处理;隧道拱腰以下位于土层,水平方向隧道外扩5 m(包含)、竖向隧道底以下6.9 m(包含)发现的溶洞应处理。