大跨度市政公路隧道下穿既有機場跑道方案研究

岳 仁 輝

(合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230041)

0 引言

隨著我國經濟高速發展，城市化進程的不斷推進，城市規模越來越大，人口越來越多，城市交通量日益膨脹[1]。對于城市建設的一些特殊功能區域，如城市文化公園、城市生態濕地等，為保護城市面貌的完整性、體現其文化傳承性，不宜在地面上修建城市道路、鐵路等交通要道。要實現城市交通的可持續發展，既要解決城市交通需求不斷增長的壓力，又要盡可能使交通建設較少占用城市寶貴土地資源，發展地下道路系統是緩解城市交通擁堵、保護城市面貌和體現文化特征的必由之路。

為保留既有的城市特殊功能區原貌，城市新建道路多采用下穿隧道進行工程建設。陳正杰[2]基于北虹路地道工程，闡述了加固土體和暗埋段兩種結構設計方案的比選，從工程角度驗證了管幕+箱涵頂進施工的合理性。岑岡[3]以首都機場捷運系統及汽車通道下穿機場主跑道工程為依據，從結構形式和施工方法等實際出發，提出了管幕保護+箱涵頂進的方案并著力解決了施工技術中的難點問題。余晶等[4]針對港珠澳大橋珠海連線工程，結合實際工程調研經驗，重點研究了管幕施工工法的要點和難點，并為管幕保護+淺埋暗挖方案提供依據。

合肥市擬建花園大道為雙向六車道的城市主干道，采用下穿隧道的方式穿越駱崗機場跑道從而保留該文化遺址原貌。為保證花園大道主體隧道的順利實施及駱崗機場跑道的穩定性，本文綜合運用工程經驗類比、成本預測，數據分析等方法對下穿駱崗機場隧道施工方案進行了分析和比選。

1 工程概況

1977年11月合肥駱崗國際機場啟用，為合肥的空港門戶，2013年5月29日停用，后改建為合肥駱崗通用機場。機場采用800 m雙向、1 900 m單向跑道，為A類通用機場。花園大道位于合肥濱湖科學城，是合肥駱崗城市公園區域三橫兩縱骨架路網中重要的一條橫向道路，規劃采用雙向六車道，隧道下部規劃擬建S1,11號線地鐵，如圖1所示。花園大道下穿隧道與機場跑道縱向夾角約為45°，長約135 m。隧道施工過程中，確保不破壞主跑道。

工程地質方面，建設區域屬江淮丘陵地貌單元，上層約2 m厚的雜填土，中間約為20 m厚的黏土層，下臥層為強風化泥質砂巖，如圖2所示。地下水情況，主要為上層滯水和深部承壓水，分布不連續，具有微腐蝕性。

2 方案比選

根據現場條件和總體方案設計，下穿機場跑道采用暗挖施工，擬選方案有：盾構法、矩形頂管法、平頂直墻法，管幕+暗挖法和管幕+頂進法。

2.1 盾構工法

由于該雙向六車道下穿隧道跨度較大，若采用盾構法需采取雙線分離式斷面。三車道外徑D15 m，近距不小于1D，且埋深需達0.8D～1.0D，埋深較大。受下部規劃地鐵線路影響，兩側接線困難，雙線分離線形要求高，且圓形斷面空間利用率較低。除此之外，采用盾構法施工需要一次性采購設備，設備成本較高，故不推薦使用盾構法進行該城市下穿隧道的施工。盾構工法示意圖如圖3所示。

2.2 矩形頂管法

為適應斷面需求，近期國內城市隧道多采用矩形頂管法進行施工。矩形頂管法采用土壓平衡頂管機，如圖4所示，具有對周圍土體擾動小、頂管機掘進速度快，自動化程度高、施工時無噪聲、無環境污染等優點。花園大道下穿隧道主要位于黏土層，根據該隧道功能性要求(見圖5)，隧道斷面寬為15.55 m，設計高度H為9 m。結合國內外成功工程案例及《矩形頂管工程技術規程》[5]規定，埋深需達1.1H，即9.9 m。與盾構法相似，采取矩形頂管法施工同樣需要采用雙線分離式斷面，兩側接線較為困難，雙線分離線形較差。且考慮兩側施工空間，對矩形頂管機械寬度要求達15.65 m，一次性采購成本太高，故不推薦使用矩形頂管法。

2.3 平頂直墻暗挖法

平頂直墻暗挖是在隧道因外部條件限制,無法按傳統拱形斷面實施時而采取的一種特殊施工方法，其施工示意圖如圖6所示。平頂直墻暗挖隧道不利于形成土拱，土體結構自穩定能力差，容易出現坍塌。在初襯和二襯澆筑過程中結構受力轉化復雜，其施工特點決定了其沉降控制較弱。且平頂直墻暗挖法中結構斷面受力型式較差，初支及二襯均存在局部節點多類型應力集中的問題，易形成局部受力潰屈，帶來安全問題。《北京市軌道交通土建工程—平頂直墻暗挖隧道設計導則》[6]條文中也給予平頂直墻暗挖法“于風險控制、沉降控制、進度控制等方面有一定劣勢”的評價，因此，除非條件所限，正常環境下不建議使用矩形頂管法。

2.4 管幕法

管幕法是在地下水平封閉管幕保護作用下，實現大斷面地下空間結構非開挖施工的方法，如圖7所示。其中管幕施工利用小口徑頂管設備施工管幕群，形成水平鋼管幕圍護，而結構施工通常采用礦山法暗挖、箱涵頂進等方法。管幕法可以實現超淺覆土穿越、超微擾動與超大斷面開挖，具有優良的靈活性和較高的安全保障，與此同時成本低，在國內外工程中運用極為廣泛。

2.4.1 管幕+暗挖法

即于施作管幕后在閉合管幕保護下進行礦山法暗挖的隧道施工方法，如圖8所示。其適用于黏土、粉土、砂土、卵石土等多種地層，穿越長度可達200 m，覆土厚度淺至2.0 m。但該法采用剛性支撐，模板工程量較大，鋼筋綁扎和混凝土振搗密實條件較差。除此之外，其施工工序導改頻繁，施工工期較長，故不宜采用。

2.4.2 管幕+頂進法

即為在閉合管幕群的保護下頂進預制箱涵的施工方法，如圖9所示。與管幕+暗挖法相似，管幕+頂進法同樣適用于多種地層，穿越長度于200 m內，覆土厚度淺至3.0 m。但其相較于暗挖施工具有如下優點：預制箱涵的施工質量可以得到有效控制和保證；箱涵跟隨頂進效率高，工期較暗挖短；工作井內完成施工，施工環境相對較好。

基于大型通用有限元計算軟件Midas GTS/NX ，分析研究管幕+頂進法施工對機場跑道安全性的影響。圖10與圖11分別為施工引起的地表最大位移云圖和管幕受力分布圖。可以看到，管幕+頂進施工對地層擾動較小，機場跑道最大沉降10 mm左右。管幕的受力狀態較為合理，均在可控制的范圍內。管幕+頂進的施工方案較安全，且對機場跑道影響較小。

3 結語

本文依托城市隧道下穿駱崗機場跑道工程，綜合考慮工程地質條件、項目成本、施工質量、工程周期及施工工序等因素，結合三維數值仿真分析，論證了對于城市下穿隧道，管幕+箱涵頂進法可以有效解決地表既有建(構)筑物安全控制、淺覆土施工等技術難題，是一種技術優良、安全可靠的施工方案，可為類似工程提供相應借鑒。