随着国家经济的发展, 各地机场改扩建和地下交通的需求都在不断增加, 越来越多的机场将面临在机场工作区的内实施地下穿越的需求。由于机场工作区的特殊性及其严格的安全控制要求, 隧道施工期间不允许影响工作区正常运营。为了减少隧道施工期间对机场的影响, 盾构隧道已经越来越多地应用于下穿机场的地下交通工程中, 而如何控制盾构隧道穿越过程中引起的地表变形是其中的关键问题。

李兴高等^[1]对穿越机场隧道的施工方法进行了研究, 周松等^[2]对上海仙霞西路隧道下穿虹桥机场的施工控制技术进行了分析, 并提出了技术措施;公孙铭等^[3]用数值模拟的方法对盾构隧道下穿机场跑道的影响进行了分析;邵伟等^[4]对大直径盾构穿越机场的风险进行了分析, 并提出了控制风险的措施;程子聪^[5]对盾构下穿机场时的地层损失率进行了研究。上述研究为此类穿越机场的项目提供了宝贵的技术经验, 但在国内直径达到14m以上的盾构机下穿机场工作区尚无先例。

以迎宾三路隧道穿越上海虹桥机场工作区为工程背景, 从盾构机选型、设计、施工等多方面进行分析, 为今后此类项目建设提供有益经验。

迎宾三路隧道位于上海虹桥机场南侧, 是虹桥枢纽和中心城区之间的客运专用通道。隧道西起申昆路, 东至A20公路, 全长3.17km。其中盾构段长1.86km, 单管双层布置, 隧道外径13.95m, 采用直径为14.27m的国内最大直径土压平衡盾构。隧道下穿长约650m的机场工作区, 首次实现了国内最大直径土压平衡盾构从正在运行的机场下方安全穿越。迎宾三路隧道平纵断面如图1所示。

盾构穿越机场滑行道区域主要土层为:④_T灰色砂质粉土、⑤₁灰色粉质黏土、⑤_3T层灰色砂质粉土夹粉质黏土、⑤₃₁灰色粉质黏土夹粉砂、⑦₁层黄色砂质粉土、⑦_1T层灰黄色粉质黏土夹粉砂。其中④_T, ⑤_3T属于微承压含水层, ⑦₁, ⑦_1T属于承压水含水层。隧道穿越机场区域地质纵剖面如图2所示。

根据国际民航公约附件十四^[6]和机场主管部门的要求, 盾构所穿越的机场区域变形控制要求如下。

①差异沉降相邻2个坡度的差异沉降≤1.5‰;②曲率半径变坡曲线的最小曲率半径≥30 000m。

①差异沉降相邻2个坡度的差异沉降≤1.5‰;②最大沉降施工阶段10mm, 运营阶段50mm。

选择盾构类型时, 需要考虑施工区段的土层条件、环境条件、隧道埋深、工期等各种因素, 并应结合渣土处理和设备费用等施工问题。盾构比较如表1所示。

综合整个工程盾构段的地质条件、环境要求、隧道埋深等因素, 最终选择直径为14.27m的土压平衡盾构进行掘进施工。为满足盾构下穿机场时严格的地表变形要求, 所采用的盾构具备如下优势。

在盾构刀盘前设置泡沫注入孔, 掘进时注入泡沫添加剂, 增加土舱内土体流塑性;均匀布置土压力计, 实时监控正面土体稳定性。

盾构配备6点同步注浆系统, 可及时充填掘进时产生的间隙, 有效控制地表沉降。

盾构配备高精度的自动导向系统, 可保证线路方向的准确性。盾构的姿态可以随时反映在操作室内, 从而可以对盾构姿态进行灵活调整。

盾构刀盘切削下来的土体经中央搅拌机输送至车架上的运输皮带机, 再经过同步延伸皮带机直接运送至地面集土坑, 减少了运输环节, 能够保证出土的连续性。

隧道内部结构同步施工紧跟盾构掘进, 能够及时进行隧道内上层现浇车道板的施工, 可有效增强隧道的整体刚度和稳定性。

在设计上主要是通过各项措施提高隧道的纵向刚度和环间抗剪能力, 减少盾构机穿越对地层的扰动。

为减小因盾构姿态频繁调整对地层的扰动, 对机场穿越区的隧道线形进行优化, 尽可能加大盾构穿越段的平面转弯半径, 并在纵断面上尽可能采用直线下穿机场敏感区。

为提高管片环间的抗剪能力, 减少错台, 在环间设置剪力销。除封顶块在背千斤顶面和迎千斤顶面各设置1个剪力销预留孔外, 其余每块均在背千斤顶面和迎千斤顶面各设置3个剪力销预留孔, 每环共设置25个剪力销 (见图3) 。

在管片内环缝两侧设置预埋钢板, 管片拼装完成后, 将环与环间的预埋钢板焊接连接, 从而增强隧道的纵向刚度, 提高其整体抗纵向变形能力。

在常规管片中, 注浆孔的设置为:每块管片设置1个注浆孔, 每环管片共9个注浆孔。穿越机场区段为有效控制地面沉降, 需及时多点二次注浆。因此在穿越机场区段采用增设注浆孔环, 除封顶块外其余各块管片均设置2个注浆孔, 每环管片共17个注浆孔。

施工中, 需要根据经验选取盾构施工参数, 然后通过对地面变形和对机场影响的预测, 优化各项施工参数, 精心控制地层变形。

1) 对穿越区域进行划分, 分为试验段、穿越前控制段、穿越控制段、穿越后控制段。

2) 在试验段进行盾构的试推进, 设置多个监测断面, 检查盾构设备状态, 调整盾构施工各项参数, 并初步确定泡沫剂的各项参数。

3) 在穿越前控制段, 进一步验证所采用的泡沫剂参数和施工参数是否合理, 以确保开挖面的稳定, 并改善同步注浆浆液的配合比。

4) 在穿越控制段, 放慢施工速度, 速度控制在2cm/min, 均衡匀速推进。采用穿越前控制段验证的泡沫剂注入参数和同步注浆配合比进行土体改良和同步注浆控制。严格控制盾构姿态, 避免超挖。

5) 在穿越后控制段, 迅速开展内部结构的同步施工, 有效增强隧道的整体稳定性及刚度, 减小机场区域的后期变形。根据地层变形监测数据, 及时对土体进行二次注浆, 有效控制地表的最终变形。

盾构穿越期间, 安排监测人员对机场区域进行沉降监测, 将监测数据及时、准确地反馈给中央控制室, 中央控制室根据地面所反映的情况, 进行正确判断, 及时通知各子系统调整施工参数, 确保盾构顺利穿越机场区域。一旦发生超过机场变形警戒值的变形量, 采用管片二次注浆的方式, 以满足机场正常使用要求。

盾构穿越机场区域后, 仍对各沉降观测点进行足够长时间的观测并及时反馈, 以便有效进行后期补压浆的控制和调整, 直至地面沉降稳定。

隧道施工过程中, 盾构下穿机场将会引起地面变形。盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动土体的再固结是地面变形的根本原因。

本文采用岩土及隧道工程专用有限元分析软件MIDAS/GTS, 按平面应变问题进行分析。土体采用二维平面应变单元模拟, 材料的本构模型选用德鲁克-普拉格 (Drucker-Prager) 弹塑性模型。衬砌结构采用梁单元模拟, 并按线弹性材料考虑。计算模型水平方向宽度取120m, 垂直方向高度取70m。两侧边界水平方向固定, 竖向自由, 底部边界竖向固定, 水平方向自由, 地表为自由变形边界。每个计算断面分施工阶段和运营阶段2个阶段分析, 地层损失率按3‰计算。施工阶段考虑先开挖再施加衬砌这一施工过程, 运营阶段考虑隧道内部结构及车辆荷载的作用。以盾构穿越区中典型断面进行施工阶段和运营阶段的地面沉降分析。有限元计算模型如图4所示。

隧道施工完成后, 经计算, 地表水平位移最大值为2.7mm, 竖向位移最大值为7.5mm。

隧道运营时, 考虑隧道内结构及车辆荷载的作用。经计算, 地表水平位移最大值为4.3mm, 竖向位移最大值为13.5mm。

根据位移计算结果可得到地表相邻2个节点的变形斜率及相邻3点的变形曲率半径。结果表明, 施工阶段的地表最大变形斜率为0.46‰, 最小变形曲率半径为42 852m;运营阶段的地表最大变形斜率为0.62‰, 最小变形曲率半径为35 105m。

根据理论计算, 在迎宾三路隧道的技术条件下, 如果将盾构推进时的地层损失率控制在3‰以内, 盾构下穿机场区域对地表造成的沉降影响是能满足机场变形要求的。

盾构穿越的机场东滑行道区域位于隧道第477~504环管片上方, 盾构于2010-11-10推进至479环, 11月31日完成滑行道穿越。图5为2010-11-29和2011-04-05分别测出的沉降值, 经过5个月后, 隧道沉降趋于稳定, 累计沉降在7mm以内。

盾构穿越东滑行道区域位于隧道第660~681环管片上方, 盾构于2011-01-05推进至659环, 1月10日推进至683环。图6为2011-01-11和2011-04-05分别测出的沉降值, 隧道沉降趋于稳定, 累计沉降约10mm。

盾构穿越的停机坪区域位于隧道第738~807环管片上方, 盾构于2011-01-18推进至734环, 2月2日推进至809环。图7为2011-01-19和2011-04-05分别测出的沉降值, 隧道沉降趋于稳定, 累计沉降在12mm以内。

根据监测数据, 在对盾构施工进行有效控制后, 隧道施工时的沉降及后期沉降与理论模拟较吻合, 变形控制在机场的允许范围内。

根据监测结果可以看到, 经过精心设计和施工, 超大直径土压盾构下穿机场区域所产生的变形影响是能够满足机场的变形要求的, 在实施中采取的一系列措施是积极有效的。

1) 在软土地区采用大型土压平衡盾构机, 并采用同步注浆控制、掘进参数控制、轴线控制技术、及时二次注浆等措施, 严格控制土层损失率在3‰以内, 可以保证地表变形在机场允许范围内。

2) 在设计中优化穿越段的线形, 避免盾构姿态的频繁调整, 是降低盾构施工时土层损失率的有效手段。

3) 通过增强管片的纵向连接, 增加环间抗剪能力, 可有效增强盾构隧道的纵向抗变形能力, 减少对地面沉降的影响。