下穿機(jī)場跑道大斷面隧道施工對策及地層變形規(guī)律研究

馮建霖（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

下穿機(jī)場跑道大斷面隧道施工對策及地層變形規(guī)律研究

馮建霖
（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

摘要：北京首都國際機(jī)場T3與T2航站樓之間的單層雙跨連拱淺埋暗挖大斷面隧道垂直下穿機(jī)場跑道，采用超長管幕下十導(dǎo)洞分步暗挖法施工。通過對隧道施工地表變形進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：1）新建隧道施工地表最大沉降值平均為9.28 mm，控制變形情況良好，采用超長管幕保護(hù)淺埋暗挖施工技術(shù)切實(shí)可行；2）3個斷面變形擬合得到的確定調(diào)節(jié)系數(shù)平均為0.951，地表變形符合Peck公式；3）變形擬合得到的K值平均為1.903，為北京地區(qū)常規(guī)數(shù)值的3～6倍，管幕的存在對新建隧道施工引起的地層變形具有阻隔及擴(kuò)散作用；4）變形擬合得到的Vl值平均為0.201%，略低于北京地區(qū)常規(guī)施工方法水平。

關(guān)鍵詞：隧道工程；下穿施工；管幕法；地表變形

0　引言

近年來，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)場擴(kuò)建帶來新老航站樓之間的地下通道建設(shè)越來越多。受周圍環(huán)境限制，地下通道穿越機(jī)場跑道的情況不可避免［1］。在北京首都國際機(jī)場T3與T2航站樓之間，為了增加機(jī)場運(yùn)營效率、方便航站樓間的溝通和解決飛機(jī)跑道隔斷的影響，在機(jī)場中央主跑道下方修建大斷面（214.3 m2）并行單層雙跨連拱形式的公路隧道。新建隧道垂直下穿正在使用中的機(jī)場跑道。

目前，國內(nèi)外新建隧道穿越既有建（構(gòu)）筑物有許多成功的案例。如：美國波士頓州際北向隧道下穿Redline地鐵車站［2］、日本的筑波、三之輪地鐵隧道縱向穿越既有鐵路線工程［2］、北京地鐵機(jī)場線東直門站上跨下穿既有車站［3］以及北京地區(qū)多條新建隧道下

穿既有地下車站及區(qū)間［4－8］。與其他穿越建（構(gòu)）筑物工程相比，在不停航的情況下穿越機(jī)場跑道是一個嶄新的課題，地表沉降控制要求極為嚴(yán)格，施工技術(shù)難度大，且國內(nèi)外可供借鑒的經(jīng)驗較少。本文通過闡述施工對策，對實(shí)測地表變形進(jìn)行分析和Peck公式擬合，明確大斷面隧道施工地層變形規(guī)律，研究成果可為類似工程提供借鑒及參考。

1　工程概況

新建隧道位于北京首都國際機(jī)場T3與T2航站樓之間，由2條呈單層雙跨連拱形式的捷運(yùn)通道和汽車隧道共同組成，平面布置如圖1所示。捷運(yùn)隧道長1 621 m，汽車隧道長1 265 m，2條隧道主體部分相互平行并垂直下穿使用中的機(jī)場跑道。新建隧道洞周布置60根970 mm、壁厚16 mm的口字形鋼管管幕，南北向垂直下穿機(jī)場中央主跑道。

圖1　機(jī)場跑道與隧道平面布置圖（單位：m）Fig.1 Plane arrangement of airport runway and tunnel（m）

新建隧道標(biāo)準(zhǔn)截面總寬23.2 m，總高8.4 m，中間設(shè)置中墻；捷運(yùn)隧道凈寬10.3 m，高6.05 m；汽車隧道凈寬10.1 m，高5.07 m；隧道頂板厚1.1 m，底板厚1.2 m，邊墻厚1.0 m，中墻厚0.8 m。新建隧道采用超長管幕下十導(dǎo)洞分步暗挖施工方法。

初期支護(hù)由噴射混凝土、連接筋、鋼筋網(wǎng)及格柵鋼架組成。二次襯砌結(jié)構(gòu)采用抗?jié)B等級為P10的C40防水混凝土。淺埋暗挖隧道結(jié)構(gòu)尺寸及管幕布置如圖2所示。

圖2　隧道斷面圖（單位：mm）Fig.2 Crosssection of tunnel（mm）

擬建場地位于北京市順義區(qū)，地層表層為人工填土，其下由一般第四紀(jì)沖洪積成因的黏性土、粉土和砂類土構(gòu)成。其中，粉質(zhì)黏土、素填土①層厚度為0.8～2.0 m，粉質(zhì)黏土②層厚度為3.8～5.8 m，粉質(zhì)黏土③層為11.7～16.8 m，中砂④層厚度為1.7～5.0 m，粉質(zhì)黏土⑤層為0.4～7.8 m，粉土⑥層厚度為4.5 m。

2　地層變形控制對策

為有效控制新建隧道施工對地層的擾動，工程中采用超長管幕與十導(dǎo)洞分步暗挖方法進(jìn)行施工。

2.1超長管幕

為控制新建隧道施工造成的地層變形，采用超長管幕＋注漿的方式對地層進(jìn)行加固。為減小和阻隔地層變形，管幕施工采用全封閉式“口”字形布置。鋼管管幕總數(shù)為60根，970 mm、壁厚16 mm。超長管幕布置如圖3所示。

圖3　超長管幕布置示意圖（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of superlong piperoof（mm）

管幕施工中，進(jìn)出洞門是重要環(huán)節(jié)。施工前，在進(jìn)洞口處安裝雙層橡膠止水圈，將止水圈安裝在帶法蘭盤的固定尺寸鋼管上，外側(cè)用鋼板壓緊。管幕頂進(jìn)中，向管道外壁壓入減阻泥漿，由此在管道外圍形成泥漿套，減小摩擦因數(shù)，降低頂進(jìn)摩阻力。在新建隧道施工過程中，將超長管幕與初期支護(hù)的格柵進(jìn)行點(diǎn)焊連接，以此實(shí)現(xiàn)剛性連接。管幕采用分節(jié)頂進(jìn)的方法，各管節(jié)的長度不小于10 m。管幕外環(huán)狀注漿在頂進(jìn)施工完成后進(jìn)行。

另外，為增加土體強(qiáng)度、減少施工引起的地層變形，對新建隧道掌子面前方土體進(jìn)行注漿加固。其中，非跑道區(qū)采用WSS雙液深孔注漿，每20 m為一個循環(huán)，搭接長度為3 m；跑道區(qū)采用水平旋噴注漿，每30 m為一個循環(huán)，前后搭接長度為3 m。同時，對管幕兩側(cè)2 m范圍內(nèi)的土體采用WSS雙液注漿加固，避免土層滯水和流砂進(jìn)入暗挖面，減小外側(cè)土體沉降。

2.2十導(dǎo)洞分步暗挖法

為減小新建隧道施工對地層的擾動，根據(jù)新建隧道斷面形狀和尺寸，采用十導(dǎo)洞分步暗挖的方法進(jìn)行施工，具體施工步驟如圖4所示。

各洞室采用上下臺階法施工，上下臺階開挖間距為3～5 m，上下導(dǎo)洞間距不小于10 m。導(dǎo)洞開挖示意圖如圖5所示。

圖4　隧道施工步序圖Fig.4 Construction sequence of tunnel

圖5　導(dǎo)洞開挖方法示意圖（單位：m）Fig.5 Schematic diagram of pilot tunnel construction（m）

2.3鎖腳錨管

各導(dǎo)洞施作鎖腳錨管以控制隧道豎向和水平向變形。鎖腳錨管施作位置為格柵節(jié)點(diǎn)處或上臺階底部，材料為DN32水煤氣管。鎖腳錨管長2.5 m，外插角度為30°左右，鎖腳錨管管內(nèi)全長注漿，壓力為0.4～0.6 MPa。采用小導(dǎo)管注漿的方式填充新建隧道與管幕之間的空隙。其中，小導(dǎo)管直徑為25 mm，長度2.5 m，外插角為6°～10°。鎖腳錨管布置如圖6所示。

圖6　鎖腳錨管布置圖Fig.6 Layout of locking bolt

2.4初期支護(hù)

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用HM300×200型鋼，臨時中隔墻與仰拱采用I22a工字鋼。2榀鋼架之間（內(nèi)外側(cè)）設(shè)22 mm縱向拉筋，拉筋環(huán)向間距1.0 m，呈梅花形布置。在鋼架內(nèi)外鋪設(shè)2層鋼筋網(wǎng)片（6.5＠150 cm× 150 cm），后噴射混凝土。

3　實(shí)測變形分析

3.1地表測點(diǎn)布置

為監(jiān)測新建隧道施工對非停運(yùn)跑道的擾動，在中央跑道中心線附近位置設(shè)置3個斷面，里程為GK0＋620.626，GK0＋613.126，GK0＋605.626，斷面標(biāo)號為D1，D2和D3，斷面間距為7.5 m。

跑道底面與新建暗挖隧道頂面距離約6 m，以新建隧道中心線為中心對稱軸布置地表沉降測點(diǎn)。每個斷面布置11個測點(diǎn)，測點(diǎn)橫向總距離為59 m，測點(diǎn)依照跑道中心線對稱布置，從北向南距離跑道中心線距離分別為29.6，19.6，14.6，9.6，4.95，0，4.85，9.4，14.4，19.4，29.4 m，測點(diǎn)編號依次為DX－1，DX－2，DX－3，DX－4，DX－5，DX－6，DX－7，DX－8，DX－9，DX－10，DX－11。測點(diǎn)布置如圖7和圖8所示。

圖7　地表沉降測點(diǎn)布置立面圖（單位：mm）Fig.7 Elevation drawing showing arrangement of ground surface settlement monitoring points（mm）

3.2隧道施工地表橫向變形經(jīng)驗公式

新建隧道開挖引起的橫向地表沉降可用Peck公式［9］表示為

式中：A為開挖面積；S（x）為距離隧道中心軸線為x處的地表沉降，mm；i為從沉降曲線對稱中心到曲線拐點(diǎn)的距離，m；Vl為地層損失率。

沉降槽寬度i可表示為

式中：K為地表沉降槽寬度系數(shù)；z0為新建隧道軸線深度。

圖8　地表沉降測點(diǎn)布置平面圖Fig.8 Plane layout of ground surface settlement monitoring points

3.3地表橫向變形規(guī)律分析

3個斷面地表變形如圖9—11所示，地表變形Peck公式擬合結(jié)果如表1所示。

圖9　斷面D1地表變形Fig.9 Ground deformation of D1

圖10　斷面D2地表變形Fig.10 Ground deformation of D2

圖11　斷面D3地表變形Fig.11 Ground deformation of D3

表1　大斷面隧道施工地表變形Table 1 Ground deformation caused by construction of large crosssection tunnel

從圖9—11及表1可以看出：

1）新建大斷面隧道采用超長管幕十導(dǎo)洞分步暗挖法施工，3個斷面最大沉降為8.43～9.81 mm，平均為9.28 mm，各斷面地表最大沉降均位于新建隧道中心線附近。盡管十導(dǎo)洞分步暗挖法施工順序由兩側(cè)向中心施作，但由于隧道開挖面積大，隧道兩側(cè)支護(hù)及時、剛度大，群洞效應(yīng)明顯，因此，施工引起的地層變形傳遞到地表后仍呈現(xiàn)中心小、兩側(cè)大的變形規(guī)律。

2）3個斷面變形擬合得到的確定調(diào)節(jié)系數(shù)為0.942～0.956，平均為0.951。從擬合得到的確定調(diào)節(jié)系數(shù)可知，十導(dǎo)洞分步暗挖法施工造成的3個斷面地表變形均符合Peck公式。

3）3個斷面隧道所處地層為粉質(zhì)黏土地層，實(shí)測地表變形擬合得到的K值為1.797～2.009，平均為1.903。韓煊等［10］建議地表K值取0.3～0.6，擬合得到的K值遠(yuǎn)大于該數(shù)值，為建議數(shù)值的3～6倍。由此說明，超長管幕以及機(jī)場跑道的存在對新建隧道施工引起的地層變形具有阻隔及擴(kuò)散作用，從而造成K值的增大。

4）3個斷面變形擬合得到的Vl為0.195%～0.205%，平均為0.201%，與北京地區(qū)常規(guī)施工方法（Vl＝0.22%～6.90%［10］）相比，Vl值較低。由此說明，與常規(guī)的淺埋暗挖法相比，超長管幕下十導(dǎo)洞分步暗挖施工方法的地層損失率處于較低水平，控制地層變形

效果良好，可以滿足穿越工程對地層變形的要求。

4　結(jié)論與討論

本文通過對北京首都國際機(jī)場聯(lián)絡(luò)通道下穿跑道施工方案及引起的地表變形進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）新建隧道大斷面下穿機(jī)場跑道采用超長管幕下十導(dǎo)洞分步暗挖施工方法進(jìn)行施工，跑道地表最大沉降值平均為9.28 mm，控制變形情況良好，說明控制對策切實(shí)可行。

2）對機(jī)場跑道3個斷面變形采用Peck公式進(jìn)行擬合，得到的確定調(diào)節(jié)系數(shù)平均為0.951，說明大斷面隧道施工引起的地表變形符合Peck公式。

3）變形擬合得到的K值平均為1.903，為北京地區(qū)常規(guī)數(shù)值的3～6倍，說明超長管幕的存在對新建隧道施工引起的地層變形具有阻隔及擴(kuò)散作用，從而造成K值的增大。

4）變形擬合得到的Vl值平均為0.201%，略低于北京地區(qū)常規(guī)施工方法水平，說明超長管幕下十導(dǎo)洞分步暗挖施工方法地層損失率較低、控制地層變形效果良好，可以滿足穿越工程對地層變形的苛刻要求。

由于Peck公式未能考慮新建隧道形狀對地層變形的影響，因此，在后續(xù)工作中，應(yīng)將隧道形狀對地層損失率和沉降槽寬度系數(shù)的影響進(jìn)行研究。

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Study on Construction Countermeasures for and Ground Deformation Rule of Construction of Large Crosssection Tunnel Crossing underneath Existing Airport Runway

FENG Jianlin
（Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，Guangdong，China）

Abstract：The tunnel between Terminal 3 and Terminal 2 of Beijing Capital International Airport is a large crosssection singlestory doublearch tunnel with shallow cover.The tunnel，which crosses underneath a runway of the airport，is constructed by means of 10pilot sequential excavation method under the protection of long pipe roof.In the paper，the ground deformation caused by the tunnel construction is analyzed.Conclusions drawn are as follows：1）The average of the maximum ground surface settlement caused by the tunnel construction is 9.28 mm，and the ground deformation has been brought under effective control，which shows that the application of the long pipe roof to protect the construction of the shallow tunnel is feasible；2）The average of the adjustment coefficient obtained from the deformation fitting of three crosssections is 0.951，and the ground surface deformation is consistent with the Peck formula；3）The average of the K value obtained from the deformation fitting is 1.903，which is 3～6 times the common value in Beijing；the pipe roof can barrier and diffuse the ground deformation caused by the construction of the tunnel；4）The average of the Vlvalue obtained from the deformation fitting is 0.201%，which is slightly smaller than the common value in Beijing.

Key words：tunnel；tunneling across underneath existing airport runway；pipe roof method；ground surface deformation

作者簡介：馮建霖（1982—），男，湖北當(dāng)陽人，2009年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)，防災(zāi)減災(zāi)工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事地鐵車站、隧道等地下工程方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

收稿日期：2015－02－03；修回日期：2015－03－05

中圖分類號：U 455.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）05－0473－05

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.014