大盾構(gòu)下穿機(jī)場飛行區(qū)巖溶處理范圍探討

唐好文

(廣州鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510330)

0 引言

近年來隨著城市建設(shè)用地越發(fā)緊張,地下空間開發(fā)成為了本世紀(jì)重點(diǎn),大型綜合樞紐將是未來一段時(shí)間內(nèi)的建設(shè)趨勢,“零換乘,一體化”空鐵聯(lián)運(yùn)交通樞紐就是其中之一。德國法蘭克福機(jī)場于1999年試行空鐵聯(lián)運(yùn)[1],是世界上最早實(shí)踐空鐵聯(lián)運(yùn)的機(jī)場,實(shí)現(xiàn)了機(jī)場與高鐵車站的“無縫銜接”,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。后續(xù)法國戴高樂機(jī)場、英國希斯羅機(jī)場,國內(nèi)的上海虹橋、武漢天河、鄭州新鄭、?？诿捞m、成都雙流等均已開展建設(shè)空鐵聯(lián)運(yùn)交通樞紐。高鐵建設(shè)盡量靠近航站樓設(shè)立機(jī)場站作為樞紐或地區(qū)的輔助客運(yùn)站,以減少換乘旅客的走行距離,這在一定程度上,為旅客出行提供了便利,提高了城市綜合交通運(yùn)輸效率,但同時(shí)也帶來了技術(shù)和挑戰(zhàn)。

本文以白云機(jī)場T3交通樞紐軌道交通預(yù)留工程項(xiàng)目為研究背景,對巖溶強(qiáng)發(fā)育條件下大盾構(gòu)下穿復(fù)合樞紐機(jī)場飛行區(qū)的施工情況進(jìn)行分析,研究結(jié)果對后期類似工程的施工安全和施工質(zhì)量有重要的意義。

1 工程概述

1.1 項(xiàng)目概況

白云機(jī)場T3交通樞紐軌道交通預(yù)留工程地屬廣州市白云區(qū)人和鎮(zhèn),位于白云區(qū)機(jī)場第二高速以西、機(jī)場大道南以東、白云機(jī)場T3航站樓以南的機(jī)場紅線范圍內(nèi)。項(xiàng)目引入廣州至珠海(澳門)高鐵、廣河高鐵、芳村至白云機(jī)場城際等線路,包括車站主體和機(jī)場紅線范圍內(nèi)車站兩端區(qū)間的預(yù)留土建工程。其中廣河高鐵盾構(gòu)隧道線路長度為1.629 km,內(nèi)徑為12.6 m,外徑為13.8 m,廣珠(澳)高鐵盾構(gòu)隧道線路長度為1.476 km,內(nèi)徑為12.6 m,外徑為13.8 m。

廣河高鐵、廣珠(澳)高鐵盾構(gòu)區(qū)間從T3站始發(fā)進(jìn)入機(jī)場飛行區(qū),下穿東二跑道南端防吹坪、東一跑道南端燈光帶出運(yùn)營中的機(jī)場飛行區(qū)后,側(cè)穿機(jī)場油庫及FBO基地服務(wù)樓,至迎賓大道與機(jī)場圍界之間的接收井。廣河高鐵下穿飛行區(qū)起訖里程為DK13+173～DK14+185.866,區(qū)間穿越長度為1 013 m。廣珠(澳)高鐵下穿飛行區(qū)起訖里程為GADK13+249.592～GADK14+185.866,區(qū)間穿越長度為936.3 m。

1.2 盾構(gòu)概況

該工程所用設(shè)備為中鐵1188號盾構(gòu)機(jī),刀盤開挖直徑為14.31 m,主機(jī)總長約為15.5 m,整機(jī)總長約115 m(不包括尾部拖動(dòng)平臺);主機(jī)重約2 500 t,后配套拖車重約1 400 t,單件最重為刀盤約550 t(含刀具、吊具);后配套拖車由1號～4號拖車、1節(jié)連接橋及輔助平臺組成。盾構(gòu)機(jī)具有螺機(jī)出渣和直排管出渣2種出渣通道。

隧道管片設(shè)計(jì)外徑為?13.8 m、內(nèi)徑為?12.6 m、結(jié)構(gòu)厚度為0.6 m、寬度為2 m,每環(huán)由10塊組成,通用雙面楔形量52 mm,采用錯(cuò)縫拼裝形式。襯砌管片每環(huán)由1個(gè)封頂塊(F),2塊鄰接塊(L1、L2)及7塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1～B7)組成。管片接縫連接包括30顆M36環(huán)向螺栓和40顆M36縱螺栓。管片混凝土強(qiáng)度等級為C60,抗?jié)B等級為P12。

廣河高鐵隧道起點(diǎn)里程CK8+615.000,終點(diǎn)里程CK14+167.674,區(qū)間總長度約5 552.67 m,隧道管片內(nèi)徑12.6 m,管片外徑13.8 m,刀盤外徑約14.3 m。廣珠(澳)高鐵隧道起點(diǎn)里程GACK8+615.000,終點(diǎn)里程GACK14+261.774,區(qū)間總長度約5 646.774 m,隧道管片內(nèi)徑12.6 m,管片外徑13.8 m,刀盤外徑約14.3 m。

2 施工區(qū)域劃分

機(jī)場飛行區(qū)先導(dǎo)孔及巖溶處理施工根據(jù)MH 5001—2006《民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》及民航局保障機(jī)場安全運(yùn)行的相關(guān)規(guī)定,對廣河高鐵盾構(gòu)區(qū)間、廣珠(澳)高鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越白云機(jī)場飛行區(qū)進(jìn)行不停航施工區(qū)域(見圖1)劃分,配合后續(xù)開展管線探測與開挖、巖溶處理工作。

圖1 施工區(qū)域示意圖

3 巖溶處理情況

本次勘察發(fā)現(xiàn)飛行區(qū)存在巖溶地質(zhì),其中根據(jù)充填性狀分為全充填、半充填和無充填,充填物質(zhì)為流塑～軟塑狀黏性土、砂石和碎屑。在巖溶中～強(qiáng)發(fā)育區(qū)的盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì),應(yīng)主要針對盾構(gòu)在穿越溶(土)洞期間出現(xiàn)栽頭、盾構(gòu)在穿越溶(土)洞期間破壞原有平衡體系導(dǎo)致地面沉降過大或塌陷的風(fēng)險(xiǎn),采取預(yù)處理措施,規(guī)避巖溶風(fēng)險(xiǎn)。廣珠(澳)高鐵與廣河高鐵盾構(gòu)區(qū)間溶洞分布情況如圖2、圖3所示。

圖2 廣珠(澳)高鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷面圖

圖3 廣河高鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷面圖

3.1 盾構(gòu)隧道巖溶處理范圍理論計(jì)算研究

3.1.1荷載傳遞線交匯法

荷載傳遞線交匯法適用于完整的水平頂板,假設(shè)由頂板中心按與豎直線成30°～35°擴(kuò)展角向下傳遞,此傳遞線位于頂板與洞壁的交點(diǎn)以外,即認(rèn)為溶洞壁直接支撐頂板上的外荷載與自重,頂板是安全的。該方法相關(guān)巖溶處理范圍示意如圖4所示。

圖4 荷載傳遞線交匯法巖溶處理范圍示意圖

將溶洞等效為矩形,取2～5 m尺寸溶洞進(jìn)行計(jì)算,得到水平處理寬度為2.5～6.2 m,底部處理高度為2.3～5.7 m。荷載傳遞線交匯法巖溶處理范圍如表1所示。

表1 荷載傳遞線交匯法巖溶處理范圍

3.1.2溶洞穩(wěn)定系數(shù)法

根據(jù)溶洞穩(wěn)定系數(shù)法計(jì)算公式:

K=F1/F2

式中:F1為抗塌力;F2為致塌力。

當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)K≥1.5時(shí),巖溶地基穩(wěn)定;當(dāng)K≤1時(shí),巖溶地基不穩(wěn)定。將溶洞等效為矩形,取2～5 m尺寸溶洞進(jìn)行計(jì)算,得到底部處理深度為1.5～4.5 m。溶洞穩(wěn)定系數(shù)法巖溶處理范圍如表2所示。

表2 溶洞穩(wěn)定系數(shù)法巖溶處理范圍

3.1.3抗彎估算法

當(dāng)厚跨比較小,彎矩為主要控制條件時(shí),可用抗彎估算法估算底部處理高度。將溶洞等效為矩形,取2～5 m尺寸溶洞進(jìn)行計(jì)算,得到底部處理高度為1.24～1.96 m?？箯澒浪惴◣r溶處理范圍如表3所示。

表3 抗彎估算法巖溶處理范圍

3.1.4各計(jì)算方法結(jié)果匯總

根據(jù)巖土力學(xué)理論簡化計(jì)算結(jié)果可見,溶洞需處理范圍與溶洞跨度正相關(guān),且各方法計(jì)算結(jié)果差異較大。對比同尺寸溶土洞,按荷載傳遞線交匯法處理范圍最大,抗彎估算法處理范圍最小。由于抗彎估算法主要針對較完整溶洞頂板,故其計(jì)算結(jié)果僅作為參考。

根據(jù)詳勘報(bào)告,在隧道影響范圍內(nèi)(0.5D)所揭示溶洞的洞高超90%均小于4 m。根據(jù)上述理論計(jì)算方法,等效跨度4 m的溶洞底部最大處理高度的范圍為3.5～4.62 m,水平最大處理寬度為4.98 m。各計(jì)算方法匯總情況如表4所示。

表4 各計(jì)算方法下的結(jié)果匯總 m

3.2 盾構(gòu)隧道溶(土)洞處理范圍數(shù)值模擬研究

本項(xiàng)目屬于大直徑盾構(gòu)隧道(管片外徑13.8 m,開挖斷面14.3 m),隧道重要性要求較高,同時(shí)隧道的變形及受力要求也較高。為更好掌握巖溶對隧道的影響,考慮溶(土)洞分別位于隧道上方、側(cè)方、下方3種位置關(guān)系,對溶洞直徑5 m(土洞3 m),距離隧道外3 m、5 m、6.9 m、10 m和13.8 m不同范圍,在施工階段分別進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。建立的模型尺寸為93.2 m×60 m,盾構(gòu)頂部埋深12 m,管片厚度60 cm,內(nèi)徑12.6 m。計(jì)算模型總共劃分為5 657個(gè)單元。

本項(xiàng)目的三維數(shù)值計(jì)算中的地層和相關(guān)結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)為實(shí)際設(shè)計(jì)值,力學(xué)參數(shù)參考地勘文件選取。計(jì)算中,各土層采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型,管片構(gòu)造采用彈性模型。各材料的具體參數(shù)見表5。

表5 物理力學(xué)參數(shù)取值表

3.2.1施工過程模擬

本次數(shù)值計(jì)算中的施工過程為:

1)地應(yīng)力平衡。激活土層,模型兩側(cè)和底部的邊界條件為法向約束,地表為自由邊界條件,在自重條件下求解至平衡。

2)飛機(jī)坪地面超載。在地面施加地面超載,求解至平衡。

3)盾構(gòu)隧道開挖。開挖土體,激活盾構(gòu)管片,施加注漿壓力。

3.2.2隧道洞周收斂結(jié)果分析

由于高鐵盾構(gòu)技術(shù)使用較少,并且主要使用礦山法,因此本文參考GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》。按照隧道洞徑0.2%(27.6 mm)的洞周收斂臨界值是否滿足作為判別巖溶是否需要處理的標(biāo)準(zhǔn)。

從計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)溶洞處于隧道上方時(shí),隧道洞身豎向方向收斂值為26.5 mm,接近規(guī)范要求0.2%D(27.6 mm),考慮盾構(gòu)推進(jìn)過程中,洞頂存在溶土洞易坍塌,從而導(dǎo)致地表塌陷,當(dāng)溶土洞處于隧道上方時(shí)均應(yīng)進(jìn)行處理。詳見表6。

表6 溶洞位于隧道頂板上方計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)隧道拱腰以下為巖層,溶洞處于隧道下方時(shí),溶洞對隧道的豎向位移影響顯著,隨著溶洞與隧道距離的增加,溶洞對隧道的影響增大,隧道洞周收斂值逐漸減小,當(dāng)距離在5 m(包含)以下時(shí),隧道洞身豎向收斂值偏大,不滿足規(guī)范要求,需要進(jìn)行溶洞處理。詳見表7。

表7 溶洞位于隧道底板下方時(shí)各工況計(jì)算結(jié)果(隧道基底范圍為巖層)

從計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)隧道基底為巖層,溶洞處于隧道側(cè)邊時(shí),溶洞對隧道的水平位移影響顯著,隨著溶洞與隧道距離的增大,溶洞對隧道的影響降低,隧道水平收斂值逐漸減小,當(dāng)距離在4 m(包含)以下時(shí),隧道洞身的水平收斂值偏大,不滿足規(guī)范要求,需要進(jìn)行溶洞處理。詳見表8。

表8 溶洞位于隧道水平方向時(shí)各工況計(jì)算結(jié)果(隧道拱腰以下為巖層)

從計(jì)算結(jié)果可知,相比于巖層,當(dāng)隧道基底處于土層中時(shí),隧道產(chǎn)生的豎向位移更大,溶洞對隧道豎向收斂的影響規(guī)律與土層基本一致,隨著溶洞與隧道距離的減小,隧道豎向收斂值增大,當(dāng)距離在6.9 m(包含)以下時(shí),隧道洞身豎向收斂值偏大,不滿足規(guī)范要求,需要進(jìn)行溶洞處理。詳見表9。

表9 溶洞位于隧道底板下方時(shí)各工況計(jì)算結(jié)果(隧道基底范圍為土層)

從計(jì)算結(jié)果可知,與隧道豎向收斂值相似,隧道基底處于土層中時(shí),隧道水平收斂值更大,隨著溶洞與隧道距離的減小,隧道水平收斂值逐漸增大,當(dāng)距離在5 m(包含)以下時(shí),洞身水平方向收斂偏大,不滿足規(guī)范要求,需要進(jìn)行溶洞處理。詳見表10。

表10 溶洞位于隧道水平方向時(shí)各工況計(jì)算結(jié)果(隧道基底范圍為土層)

3.2.3計(jì)算結(jié)論

計(jì)算參考GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》,盾構(gòu)隧道巖溶處理應(yīng)遵循以地面預(yù)處理為主,盾構(gòu)機(jī)內(nèi)處理為輔的原則,優(yōu)先考慮地面預(yù)處理。

根據(jù)《廣州市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃(2017—2023)線路巖溶處理總體技術(shù)要求》對盾構(gòu)隧道以上至地面溶(土)洞全部處理的要求,結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果,參考已有工程實(shí)例巖溶處理范圍,得到如下結(jié)論:

1)所有發(fā)現(xiàn)的溶洞必須處理,盾構(gòu)管片上方如遇溶(土)洞需要全部處理;

2)隧道拱腰以下位于巖層,水平方向隧道外擴(kuò)4 m(包含)、豎向隧道底以下5 m(包含)發(fā)現(xiàn)的溶洞應(yīng)處理,加固范圍如圖5(a)所示。

圖5 溶洞處理范圍示意圖

3)隧道拱腰以下位于土層,水平方向隧道外擴(kuò)5 m(包含)、豎向隧道底以下6.9 m(包含)發(fā)現(xiàn)的溶洞應(yīng)處理,加固范圍如圖5(b)所示。

綜合計(jì)算結(jié)果,本工程盾構(gòu)隧道巖溶處理范圍略小于武漢兩湖隧道工程[2](管片外徑15.5 m)巖溶處理范圍,大于大連地鐵5號線[3]火梭區(qū)間海底隧道(管片外徑11.8 m)巖溶處理范圍(詳見表11),與實(shí)際工程巖溶處理范圍隨管片外徑增大而增大的規(guī)律相吻合,巖溶處理原則合理。

表11 溶洞處理范圍對比表

4 研究結(jié)論

所有發(fā)現(xiàn)的溶(土)洞必須處理,盾構(gòu)管片上方如遇溶(土)洞須全部處理;隧道拱腰以下位于巖層,水平方向隧道外擴(kuò)4 m(包含)、豎向隧道底以下5 m(包含)發(fā)現(xiàn)的溶洞應(yīng)處理;隧道拱腰以下位于土層,水平方向隧道外擴(kuò)5 m(包含)、豎向隧道底以下6.9 m(包含)發(fā)現(xiàn)的溶洞應(yīng)處理。