城際鐵路施工降水對機場跑道沉降影響研究

張勞恩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

鄭州至新鄭機場城際鐵路起于鄭州樞紐鄭州站，止于鄭州市航空港區，全長43 km，設計時速200 km，其中于經濟技術開發區設經開站，在航空港區北部設機場北站，下鉆入地沿迎賓路在T1航站樓北側設新鄭機場站(地下站)。

鄭機城際鐵路DK39+500～DK41+800段區間，設計為明挖隧道，基坑開挖深度達25 m，距離正在運營的新鄭國際機場第一跑道最近約350 m。根據相關要求，應對鄭機城際鐵路臨近機場跑道段深基坑降水可能對機場安全運營造成的影響進行評估。

線路主要經過平原區，場地地形平坦、開闊，局部略有起伏，東高西低，最大高程約156.34 m，最低約141.63 m，相對高差約為14.71 m。

沿線無地表水，地下水類型屬于第四系松散巖類孔隙水，主要含水層為粉砂、細砂和粉土層中，被相對隔水的粉質黏土層分隔為幾個含水層，局部承壓或微承壓，水文地質條件較為復雜。

2 主要技術標準

2.1 城際鐵路技術標準

(1)等級:城際鐵路;

(2)正線數目:雙線;

(3)設計行車速度:200 km/h;

(4)最小曲線半徑:一般2800 m。

2.2 機場跑道沉降要求

(1)工后沉降≤20 cm;

(2)差異沉降≤0.15%。

3 沉降影響研究

3.1 地面沉降形成機制分析

土體一般由土體顆粒，孔隙水和氣體三相組成。一般認為土體變形是孔隙水排出，氣體體積減小和土體骨架發生錯動而造成的。飽和土中的孔隙水壓縮量很小，孔隙體積變化主要是孔隙水排出引起;對于非飽和土，除孔隙水滲出外，還與飽和度有關。土體受載瞬時，孔隙水承擔了總壓力，隨后因孔隙水體積逐漸減小，孔隙壓力消散，有效應力增加。在有效應力作用下，土體骨架產生瞬時和蠕動變形［1-3］。

3.2 沉降量理論計算

根據降水沉降機理的分析，要計算出不同剖面上不同點的沉降量，首先要計算出基坑降水時，對應點的水位降深量，然后根據不同的水位降深計算出相應點的地面沉降量［4-8］。

(1)不同部位水位下降Δh的計算

隨著抽水過程的進行，基坑降水形成的漏斗狀曲面逐漸穩定(圖1)

設計算點處的水位下降為Δh，則有

圖1 基坑降水示意

Δh=H-Hr

式中，H為潛水含水層的厚度或承壓含水層水頭值;Hr為計算點水頭值(從含水層底板算起)。

通過潛水完整井水位下降曲面可以確定潛水含水層計算點的水位下降值

由上面3個公式推導得

式中 Hr——距基坑邊r處的水頭值(從含水層底板算起);

hw——井點降水穩定水頭值(從含水層底板算起);

H——潛水含水層厚度;

S——基坑水位降深值(S=H-hw);

R——基坑降水影響半徑;

r0——基坑仿大井半徑;

r——計算點至基坑邊的距離;

K——含水層滲透系數。

(2)采用分層總和法進行計算

式中 S——地面最終沉降量;

ai(1-2)——各土層壓縮系數;

e0i——各土層起始孔隙比;

Δpi——各土層因降水產生的附加應力;

Δhi——各土層的厚度。

以DK40+450右側斷面為例，計算沉降量如表1所示。

3.3 地表沉降實地觀測

研究區段用鉆孔灌注樁及旋噴樁形成隔水帷幕，進而進行坑內降水，根據設計降水方式，以DK40+450斷面為例，進行現場觀測。

表1 DK40+450右側斷面沉降量計算

(1)基準點

基準點應位于遠離施工沉降區影響范圍外的穩定面上，且保證相鄰點位的通視，采用的是設計單位布設的CPⅡ點，距離基坑約1.5 km。

(2)沉降觀測點布設

地表沉降監測點埋設時先用工程水鉆打穿硬化面，鉆孔直徑為150 mm、深800 mm左右或穿透表層到達原狀土，然后打入φ28 mm長約1 m螺紋鋼筋，或根據情況增加長度，必須保證深入原狀土。所有測點進行統一編號。

同樣以DK40+450右側斷面為例，觀測沉降量如表2所示。

表2 DK40+450右側斷面觀測沉降量

4 觀測值與理論值對比分析

通過理論計算的結果和選測的2個斷面數據對比見圖2，從圖2中可以看出實測沉降量比理論計算值小，分析其主要原因是沉降量是在短期內觀測的，降水后沉降尚未完全完成［9-11］。

5 結語

(1)通過理論計算及現場觀測對比分析可知，在嚴格按設計要求施工的情況下，城際鐵路基坑降水引起的沉降量，滿足機場方給出的對于沉降量的控制標準，因此可以認為，城際鐵路基坑降水對正在運營的機場第一跑道基本無影響［12］。

圖2 DK40+450斷面沉降量理論計算與觀測值對比

(2)考慮到基坑降水開挖引起地表沉降的因素較多，還應采取長期的地面變形監測等綜合措施，進一步確保機場運營的安全［13］。

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