岩溶区大直径盾构隧道下穿机场飞行区不停航施工建设方案*

叶宇航 罗 旭 刘健美 徐文田 梁粤华

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司, 510220, 广州; 2.同济大学土木工程学院, 200092, 上海)

近年来,我国机场客货吞吐量迅猛发展,航空运输需求持续增长。各地机场纷纷通过改造与扩建,引入铁路、城市轨道交通、机场专线等构建现代化综合交通运输体系。在机场飞行区内进行工程建设活动必然影响机场安全运营。由于机场停航施工会造成较大的经济损失,故大部分飞行区工程建设活动采用不停航施工方式。机场飞行区工程建设不停航施工作业必须满足机场运行管理等相关严格规定,且需各部门通力合作,采取大量安全保障措施,以确保工程自身安全及飞行器的安全稳定运行。

国内外已有的不停航施工穿越机场飞行区工程案例,主要采用盾构法、顶管法、管幕箱涵法等暗挖法施工[1-4]。在条件允许时,也采用明挖法+翻交施工来实现不停航施工[5]。然而,既有工程案例大多为隧道穿越滑行道、绕滑道既停机坪等机场外部区域,不仅隧道埋深相对较大,且多数修建于匀质土层或岩层。

广州白云国际机场三期扩建工程2号、3号下穿通道(以下简称“2号、3号通道”)正交穿越飞行区运行跑道。工程建设区域所处的灰岩区岩面起伏大、岩溶发育,道面区沉降控制难度大,对实现不停航施工建设是极大挑战。因此,有必要研究岩溶区机场飞行区下穿通道不停航施工建设方案,以期为工程实施提供依据,为后续同类工程提供借鉴经验。

1 工程背景

广州白云国际机场三期扩建工程以东三跑道、西二跑道和T3航站楼为主体,总平面如图1所示。跑道、滑行道、陆侧交通等设施将飞行区划分为若干区域。各区域内部通过地面交通直接联系,而区域之间的交通必须穿越跑道或滑行道,给机场的空侧运行效率和安全带来影响。为提高机场内运行效率及安全,拟在飞行区内建设6条跨区域的联系通道,其中2号、3号通道位于现有飞行区下方,长度分别约为1.8 km和1.3 km,其两端与地面道路相接,正交穿越正在运行的全部跑道和多处滑行道。并下穿飞行区管线。2号、3号通道总平面示意图如图2所示。其场地地层主要为粉质黏土、黏土、淤泥质黏土、粉砂-砾砂及下伏灰岩,是工程重难点。

图1 广州白云国际机场三期扩建工程总平面图

图2 2号、3号通道总平面示意图

机场内行驶的特种车辆种类繁多,且对时效性有较高的要求。为兼顾快慢车混行的超车及机场特种车辆通行需求,2号、3号通道按单向两车道(车道宽度为3.5 m+4.5 m)、双向四车道配置,净高取4.5 m。双向车道各自独立、分开设置。最大纵坡主要受限于行李牵引车,最大纵坡一般取4%,困难条件下不大于5%。

2 不停航施工的方案研究

2.1 不停航施工的沉降要求

根据CCAR-140—2007《运输机场运行安全管理规定》,机场飞行区不停航施工是指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。实现不停航施工主要需满足空防安全及跑道运行安全要求,即满足飞行区障碍物限制及跑道沉降要求。

根据MH 5001—2013《民用机场飞行区技术标准》不停航施工规定,在跑道两侧升降带内进行施工的,施工机械设备高度或作业高度不得穿透内过渡面和复飞面,即不得超过2 m,在升降带范围之外,可以按1∶7的坡度开放地面上的空间。针对本项目,将跑道两侧距跑道中心线75 m、E滑行道两侧距滑行道中线43.5 m、F滑行道两侧距滑行道中线51 m以内划定为不停航施工区域的严格限制区域。为了强化安全管理、确保飞行安全,结合近几年国内民用机场不停航施工经验,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。综上,本项目不停航施工区域示意如图3所示。

图3 不停航施工区域示意图

跑道和滑行道是飞机起降和滑行的通道。若施工扰动引起跑道和滑行道沉降,则会影响机场的正常运营。《国际标准和建议措施机场国际民用航空公约》的附件十四对跑道表面的平坦度有如下规定:用3 m长的直尺置于跑道表面的任何地方、任何方向上测试时,沿着直尺边的任何地方直尺底面与道面表面之间的空隙不大于3 mm。可见,允许道面基础有一定的不均匀沉降,一般来说,在距跑道中心45 m范围内,偏差为2.5～3.0 cm的孤立不平整是容许的。跑道表面不平整度指标限值如表1所示。其中,可接受的表面不平整高度为δ1,可容许的表面不平整高度为δ2,过大的表面不平整高度为δ3。若跑道的不平整高度δ>δ1,则应采取相应的维护措施,以保证跑道可继续使用;若δ>δ2,则应在合理的期限内对其进行修补;若δ>δ3,则应立即关闭存在不平整情况的跑道区域,待对其修补满足要求后方可使用。

表1 跑道表面不平整度指标限值表

《运输机场运行安全管理规定》对跑道平整度的规定为:水泥混凝土道面必须完整、平坦,3 m范围内的高差不得大于10 mm;板块接缝错台不得大于5 mm,且总沉降量不大于30 mm;跑道差异沉降率须不大于1‰,滑行道差异沉降率须不大于1.5‰。由MH/T 5027—2013《民用机场岩土工程设计规范》,跑道及滑行道设计使用年限内的工后沉降和工后差异沉降要求如表2所示。

表2 跑道及滑行道的设计使用年限内工后沉降和工后差异沉降要求

考虑到《国际标准和建议措施机场国际民用航空公约 附件十四》及《民用机场岩土工程设计规范》限制值为设计使用年限范围,沉降以均匀沉降为主。穿越机场飞行区隧道设计主要考虑隧道施工期间道面区沉降对飞机安全运营的影响,因此本工程设计道面沉降控制依据《运输机场运行安全管理规定》实施,在监测预警时采用高精度、自动化监测并实施分区域、分阶段、分级的控制标准。

2.2 施工方案及设计

目前,已有下穿机场飞行区隧道成功案例采用的施工方法主要有盾构法、管幕法、明挖法、顶管法等。2号、3号下穿通道较长,其中2号通道穿越飞行区长度约为1 130 m,3号通道穿越飞行区长度约615 m。对本项目而言,明挖法、顶管法及管幕法等施工方法均具有较大局限性,难以在满足飞行区不停航要求的同时,兼顾经济性和工期要求。而盾构法具有施工安全性高、对周围环境影响小、地层适应性强、施工效率高等优势,在飞行区下穿隧道工程中已得到广泛应用。英国伦敦希斯罗机场在飞行区下采用盾构法修建了2条长1 280 m外径8.8 m的铁路隧道,隧道穿越机位滑行道,穿越地层主要为黏性土,通道埋深16 m,施工过程沉降控制在10 mm以内。在上海、南京、昆明、成都等地,均有城市轨道交通线路采用盾构法施工穿越机场飞行区,且隧道外径为6.2～8.5 m,穿越地层包括淤泥质黏土和粉质黏土地层、上软下硬的复合地层、砂质泥岩地层等,隧道埋深为11～22 m,道面沉降控制均满足机场飞行运营要求。上海仙霞西路隧道长工程盾构段长约1 040 m,最大埋深约为26 m,采用直径11.58 m的泥水平衡盾构下穿上海虹桥国际机场绕滑道,绕滑道沉降和隆起控制在10 mm以内[6]。

大量工程实践表明:采用盾构法穿越机场飞行区沉降控制效果良好,适用性强,可实现不停航施工。针对2号、3号通道特点,基于已有工程经验,结合地层特性,选择盾构法作为项目实施工法具有可行性,为满足机场服务车辆车道设置需求,采用外径11.3 m大断面盾构隧道作为下穿飞行区通道断面。2号、3号通道盾构隧道横断面图如图4所示。

图4 2号、3号通道的盾构隧道横断面图

为满足不停航施工要求,本工程主要需解决航空限高及道面区沉降控制问题。考虑到地质特点,若盾构隧道洞身位于上软下硬的半岩半土地层,则盾构施工难以控制地层沉降,无法满足飞行区沉降控制要求。

结合飞行区不停航限制要求及岩溶区地质特性,主要设计原则为:① 尽可能增大盾构段隧道的长度,从而增加盾构工作井与机场跑道距离,最大限度地减小施工对机场运营的影响;② 应避免隧道洞身范围出现上软下硬地层情况,进而控制道面区沉降满足飞行区限制要求;③ 隧道埋深应满足抗浮要求;④应采取措施增大盾构隧道整体刚度,避免运营期隧道出现较大沉降差。

以2号通道为例,盾构段隧道长1 130 m,盾构工作井距离主跑道最小距离340 m,航空限高 31.95 m。2号通道纵断面设计图如图5所示。受通道两端接线位置限制,隧道无法深埋实现全断面进入岩层,因此采用浅埋方案,以保证隧道拱底不进入微风化岩层。隧道覆土厚度大于6 m,满足隧道抗浮要求。盾构隧道穿越机场主跑道范围埋深为8.3～9.4 m。施工过程采用信息化手段来调整掘进参数,进而控制沉降。

图5 2号通道纵断面设计图

盾构隧道管片接头削弱了管片的整体刚度,且盾构隧道区间的管片接缝张开量易超出设计允许要求[7],管片接缝是盾构隧道衬砌结构的薄弱环节[8],可见,接缝的受力性能直接决定了隧道结构的承载能力。因此,本工程盾构隧道衬砌结构管片设计采用错缝拼装形式,并在衬砌结构环与环之间接缝增加凹凸榫和剪力销设计,以增加盾构隧道管片的整体刚度,进而减小沉降。

3 盾构穿越施工对机场跑道的影响

基于施工设计方案,结合机场跑道先期勘察资料,采用Midas GTS NX有限元软件建立三维数值分析模型,对盾构隧道下穿飞行区施工对既有机场跑道的影响进行分析。

3.1 数值分析模型

为减小模型边界效应影响, 按2～3倍开挖洞径计取计算范围。盾构下穿影响数值分析模型如图6所示。模型尺寸为74 m(X向)×100 m(Y向)×41 m(Z向)。

图6 盾构下穿影响数值分析模型

在三维数值分析模型中:土体本构模型采用修正摩尔-库仑模型,岩土体力学参数取值如表3所示;盾构隧道衬砌管片采用C50混凝土,弹性模量为34.5 MPa,泊松比为0.2;机场跑道由混凝土层及碎石层等组成,为简化计算,将跑道等效为线弹性材料,其弹性模量为10 000 MPa,泊松比为0.2。盾构掘进过程中的施工控制参数主要包括盾构掘进压力及注浆压力等,其中掌子面掘进压力取0.12 MPa,注浆压力取0.24 MPa。

表3 岩土体力学参数

三维有限元计算模型的边界条件为:模型边界条件为侧面约束法向位移,模型底部约束3个方向(X、Y、Z) 的位移。模拟施工的主要流程为:初始应力场计算;按照设计路线进行右线盾构隧道掘进,并依次进行同步注浆及管片拼装;右线隧道贯通后进行左线隧道掘进,并依次进行同步注浆及管片拼装。全过程共计51个施工步序。

3.2 数值分析模型的计算结果

经数值分析模型的计算可得,双线盾构隧道贯通后,地层整体沉降云图如图7所示,机场既有跑道沉降云图如图8所示,跑道中心处横截面沉降云图如图9所示。

图7 双线盾构隧道贯通后的地层整体沉降云图

图8 双线盾构隧道贯通后的跑道沉降云图

图9 双线盾构隧道贯通后的跑道中心处横截面沉降云图

由计算结果可知:2号、3号盾构隧道下穿机场既有跑道施工过程引起地层沉降具有较明显的三维特征;盾构隧道开挖后,隧道上方土体发生沉降,下方岩土体发生隆起;右线盾构隧道穿越施工贯通后,地层沉降最大值为15.16 mm,位于右线盾构拱顶正上方地表处,跑道沉降最大值为12.75 mm,位于跑道结构与土面区相接处;左线盾构隧道穿越施工贯通后,地层沉降最大值为16.45 mm,位于两条盾构隧道中间正上方地表处,跑道沉降最大值为15.48 mm,位于跑道结构与土面区相接处。

为进一步分析机场跑道结构沉降随盾构隧道开挖施工变化规律,对盾构开挖施工过程中机场跑道中心线沉降进行分析,得到机场跑道中心线处各阶段沉降槽变化如图10所示,监测点P1(左线隧道拱顶)、P2(右线隧道拱顶)及P3(双线隧道中间)沉降的开挖过程变化曲线如图11所示。

图10 机场跑道中心线处各阶段沉降槽变化图

图11 机场跑道中心主要监测点沉降的开挖过程变化曲线

由图11可知:随着盾构不断推进直至双线盾构隧道贯通,机场跑道中心线处沉降槽曲线沉降最大值逐渐增大;施工右线盾构隧道时,沉降最大值为11.22 mm,发生于右线盾构中心对应位置;与左侧跑道结构差异沉降最大值为8.5 mm,差异沉降率为0.18‰(8.5 mm/47.95 m),小于差异沉降率限值(1‰);左线盾构隧道贯通后,沉降最大值为13.96 mm,发生于双线隧道中间部位对应位置,对应沉降曲线呈现出经典的PECK沉降槽形式;与两侧跑道结构的差异沉降最大值为7.2 mm,差异沉降率为0.20‰(7.2 mm/36.8 m),小于差异沉降率限值(1‰)。

由图11可知:P2处沉降在右线盾构隧道开挖中迅速增大,左线盾构隧道施工时仅小幅增大;P1处沉降在右线盾构隧道开挖至跑道中心处前沉降值较小,在右线盾构隧道通过跑道中心时有小幅增大,并随右线盾构远离跑道中心而逐渐稳定,在左线盾构刚掘至跑道处时再次增大,在左线盾构通过跑道中心处时增速达到最大,在左线盾构远离跑道时逐渐稳定;与P1沉降相比,P3沉降变化规律较为相似,且在右线盾构隧道施工时沉降发展速率相对较大,在左线盾构施工时沉降发展速率相对较小。

综上所述,2号、3号通道的大直径盾构穿越机场飞行区施工过程中,机场跑道结构总沉降及差异沉降率均满足机场跑道沉降限制值要求,采用大盾构浅埋方案作为机场飞行区下穿通道设计方案具有可行性。

4 结语

基于广州白云机场2号、3号下穿通道工程,研究岩溶区大直径盾构隧道下穿机场飞行区不停航施工方案,并采用三维数值分析模型对盾构隧道下穿机场飞行区影响进行分析,验证了岩溶区机场飞行区下穿通道不停航施工的可行性,为工程实施提供依据。研究得到以下结论:

1) 实现不停航施工需满足飞行区障碍物限制及跑道沉降要求,考虑到穿越机场飞行区隧道设计主要考虑隧道施工期间道面区沉降对飞机安全运营的影响,道面沉降控制依据《运输机场运行安全管理规定》实施,水泥混凝土道面必须完整、平坦,3 m范围内的高差不得大于10 mm;板块接缝错台不得大于5 mm,且总沉降量不大于30 mm。同时,跑道差异沉降率需不大于1‰,滑行道差异沉降率需不大于1.5‰。

2) 结合飞行区不停航限制要求及岩溶区地质特性,尽可能增加盾构段隧道的长度,采用浅埋方案,保证隧道拱底不进入基岩,且满足隧道抗浮要求,并采取措施增大盾构隧道整体刚度,最大限度地减小对机场运营的影响。

3) 根据数值分析结果,盾构穿越机场飞行区施工过程中,机场跑道沉降最大值为15.48 mm,最大差异沉降率为0.20‰,均满足机场跑道沉降限制值要求,下穿通道设计方案具有可行性。