陳安惠，張忠剛，馬興葉，覃 亮，鄧 昆

(1.中鐵開發(fā)投資有限公司，昆明 650000；2.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201； 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031; 4.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；5.中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司，石家莊 050000)

在我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時，地下空間的充分利用可以解決一定的交通問題，許多城市建立起了龐大的地鐵交通網(wǎng)絡(luò)。一些隧道由于種種原因，不得不下穿機(jī)場的飛機(jī)跑道?，F(xiàn)在國內(nèi)國外已經(jīng)有一些下穿飛機(jī)跑道的隧道實(shí)例，其中有成功也有失敗的案例。成功的案例有：瑞士的蘇黎士機(jī)場運(yùn)營區(qū)的下方建造了兩條用于地鐵的單殼防水隧道，這些隧道下穿了停機(jī)坪、滑行道、登機(jī)口等區(qū)域，施工后地表沉降沒有超過5 mm[1]；德國圖加特在機(jī)場跑道下修建了圓形單軌隧道，雖然該工程地質(zhì)條件較差，但是施工中通過嚴(yán)格的監(jiān)控量測來控制隧道變形，最終使沉降得到有效控制[2]；英國希斯羅機(jī)場在滑行道和站坪機(jī)位下方修建了2條2 259 m長外徑為8.8 m的軌道交通隧道，雖然該隧道埋深淺，但通過采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)取得了成功[3]；下穿上海虹橋機(jī)場飛行區(qū)的3條隧道采用盾構(gòu)法施工，通過嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度以及二次注漿措施對沉降進(jìn)行了良好的控制[4]；臺北松山機(jī)場盾構(gòu)隧道下穿停機(jī)坪，采用管幕結(jié)合ESA箱涵頂施工，并通過水平注漿加固管幕內(nèi)土體，取得了成功[5]。在下穿飛機(jī)跑道的隧道實(shí)例中也有失敗的例子，如位于廣東的珠海機(jī)場，在下穿隧道的建造后，由于地質(zhì)條件不良，在地下通道處產(chǎn)生了不均勻沉降并且出現(xiàn)了裂縫[6]?？梢婏w機(jī)荷載對隧道開挖有一定的影響，如若處理不當(dāng)可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的工程問題。

目前國內(nèi)對于飛機(jī)荷載對隧道結(jié)構(gòu)、內(nèi)力、地層影響深度的研究較少。楊裴等[7]基于層狀彈性理論的力學(xué)分析表明飛機(jī)對地基變形的影響深度可達(dá)10 m；肖明等[8]通過三維數(shù)值模擬盾構(gòu)隧道下穿飛機(jī)跑道，得到了地表沉降和內(nèi)力的分布規(guī)律；趙爽[9]通過分析飛機(jī)起降對隧道襯砌內(nèi)力變化的研究，得出不考慮飛機(jī)起降對隧道穩(wěn)定性影響的隧道最小埋深為 30 m；晁凱[10]通過對比動、靜荷載作用隧道斷面的拱頂沉降和拱腰收斂，認(rèn)為飛機(jī)動荷載作用下對拱頂沉降影響甚小。

本文依托重慶軌道交通10號線T3航站樓-T2航站樓區(qū)間，運(yùn)用FLAC3D軟件[11-12]對飛機(jī)荷載對隧道施工開挖影響進(jìn)行了分析，并將飛機(jī)荷載等效為附加應(yīng)力，探討了地層中附加應(yīng)力變化的規(guī)律，為相似工程提供設(shè)計參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

重慶軌道交通10號線T3航站樓站至T2航站樓站區(qū)間左右線穿越重慶江北機(jī)場第二跑道、第一跑道、滑行道、聯(lián)絡(luò)道、停機(jī)坪、機(jī)場交通換乘中心等既有構(gòu)筑物，地面環(huán)境復(fù)雜，沉降要求嚴(yán)格。T3航站樓站站后始發(fā)井至T2航站樓站區(qū)間隧道長1 570.232 m，均為單洞單線隧道。該區(qū)段主要采用TBM法施工。區(qū)間隧道軌面埋深14.1～32.9 m。

1.2 地質(zhì)概況

沿線主要位于第四系構(gòu)造剝蝕丘陵地貌上，隧道穿越的主要地層為砂質(zhì)泥巖，局部分布有頁巖及泥質(zhì)灰?guī)r。砂巖為Ⅲ級圍巖，砂質(zhì)泥巖為Ⅳ級圍巖。地下水的富水性受地形地貌、巖性及裂隙發(fā)育程度控制，主要為大氣降水、地面池塘水體滲漏及城市地下排水管線滲漏補(bǔ)給，沿線地下水主要為基巖裂隙水，含水微弱。

2 復(fù)合式TBM施工過程模擬

2.1 模型尺寸

整體計算模型取為高50 m、長100 m、寬60 m(機(jī)場第二跑道的寬度)的長方體模型。其中上表面取到飛機(jī)跑道的道面，隧道埋深27 m。模擬TBM隧道中的注漿層時，按照均質(zhì)、厚度不變的彈性等代層進(jìn)行模擬。按照沿隧道縱向的地層變化，在ANSYS軟件中建立與實(shí)際情況相似的TBM隧道及周圍圍巖的模型。管片厚度為350 mm，注漿等代層厚度為142.5 mm，混凝土道面的厚度取為42 cm，二次碎石基層的厚度取為54 cm。地層及材料屬性具體見表1。其中除混凝土道面和二次碎石基層的材料屬性[7]外，其余材料的材料屬性來自工程報告。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

2.2 施工荷載

(1)飛機(jī)荷載

選用的載客飛機(jī)是現(xiàn)在世界上最大的客機(jī)A380空中客車，根據(jù)MH5004—2010《民用機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范》中給出的A380飛機(jī)在降落、滑行和起飛3種情況下對機(jī)場跑道道面作用的荷載，如表2所示。根據(jù)相關(guān)研究，對于降落，分為粗暴著陸和正常著陸[13]。正常著陸是在0.5～1.0 m的高度時飛機(jī)便開始飄落，而如果飄落的高度過高便屬于粗暴著陸。正常著陸的荷載略小于飛機(jī)的靜荷載，粗暴著陸對道面的沖擊作用相當(dāng)于靜荷載的3倍，并且粗暴著陸屬于違規(guī)操作，故本文在著陸時便沒有考慮粗暴著陸的情況。

表2 飛機(jī)荷載

圖1 飛機(jī)輪胎布置示意(單位：mm)

如表2所示，A380飛機(jī)分別在滑行、起飛和著陸的過程中，對道面的沖擊作用更大的是滑行過程[14]。最大的滑行重力為Pt=5 620 kN，A380飛機(jī)前后輪布置如圖1所示。總共有22個輪子，其中前輪N1=2個，后輪N2=20個。依照A380飛機(jī)的前后輪分布及主起落荷載分配系數(shù)P可以把最大滑行重力分配到各個輪子上。

滑行時每個前輪承受的荷載

滑行時每個后輪承受的荷載

由于飛機(jī)在滑行過程中的振動效應(yīng)，需要將飛機(jī)振動荷載放大10%，以機(jī)輪直徑d為1.5 m，當(dāng)飛機(jī)的滑行速度v為16.67 m/s時計算機(jī)輪的頻率

ω=f·2π=3.54·2π=22 rad/s

于是滑行時前輪的動載

F11=F1+F110%·sin(ωt)=

84.3+8.43×sin(22t)

滑行時后輪的動載：

F22=F2+F210%·sin(ωt)=

272.6+27.26×sin(22t)

在隧道掘進(jìn)到指定深度后，施加移動飛機(jī)荷載在FLAC3D模型上，模擬A380飛機(jī)滑行穿越TBM隧道上方的第二跑道的情況下對隧道結(jié)構(gòu)的影響，按照計算將飛機(jī)荷載簡化為節(jié)點(diǎn)荷載。

(2)復(fù)合式TBM掘進(jìn)的施工荷載

下穿飛機(jī)跑道段起點(diǎn)里程K32+599，終點(diǎn)里程K32+659，共41環(huán)管片，在復(fù)合式TBM的掘進(jìn)過程中，對掌子面施加推力和扭矩，通過統(tǒng)計本工程中下穿江北機(jī)場第二跑道的TBM掘進(jìn)參數(shù)，取得其推力和扭矩的平均值，推力的平均值為8 554 kN，扭矩的平均值為3 834 kN·m。

3 飛機(jī)荷載對復(fù)合式TBM管片影響

圖2 模型及飛機(jī)荷載示意(單位：m)

分別在TBM隧道開挖至飛機(jī)跑道前、中、后三個位置的情況下，考慮飛機(jī)從左往右通過隧道上方時，后輪荷載作用在X=0 m到X=100 m位置時的情況，模型尺寸及飛機(jī)荷載施加示意見圖2，隧道開挖位置見圖3。分別分析這三個位置下飛機(jī)荷載對管片主應(yīng)力、拱頂、仰拱、邊墻位移以及安全系數(shù)的影響。

圖3 隧道開挖位置示意

3.1 飛機(jī)荷載對管片主應(yīng)力的影響

表3為3個位置下TBM管片的最大主應(yīng)力最大值和最小主應(yīng)力最小值，圖4為3個位置下最大主應(yīng)力值隨飛機(jī)荷載作用位置的變化圖。

表3 不同位置下TBM管片主應(yīng)力值(受拉為正，受壓為負(fù))

從圖4可以看出，由于埋深較深掘進(jìn)環(huán)數(shù)較小，在飛機(jī)移動荷載的作用下，縱向管片的應(yīng)力變化幾乎是恒定的，最值的位置與未作用飛機(jī)荷載時最值的位置一致。飛機(jī)荷載在TBM隧道穿越飛機(jī)跑道前施加時由于開挖靠近模型邊界，邊界效應(yīng)影響顯著，導(dǎo)致TBM穿越跑道前和穿越跑道中最大主應(yīng)力最大值相差較大，最小主應(yīng)力最小值也有一定的變化。隨著隧道的開挖，管片主應(yīng)力不斷變化最后趨于穩(wěn)定。相對于未作用飛機(jī)荷載時，TBM穿越跑道前最大主應(yīng)力的最大值增加0.006 MPa，最小主應(yīng)力的最小值減小了0.01 MPa；TBM穿越跑道中最大主應(yīng)力的最大值增加0.022 MPa，最小主應(yīng)力的最小值減小了0.004 MPa；TBM穿越跑道后最大主應(yīng)力的最大值增加0.014 MPa，最小主應(yīng)力的最小值減小了0.006 MPa。

根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》隧道管片采用C50混凝土，其抗拉強(qiáng)度為2.64 MPa，抗壓強(qiáng)度為32.4 MPa，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均滿足要求，結(jié)構(gòu)安全。

3.2 飛機(jī)荷載對管片位移影響

表4為3個位置下TBM管片的位移值，圖5為不同位置下管片位移隨縱向距離變化曲線。

TBM穿越跑道前，第一環(huán)的拱頂沉降與仰拱位移最大，第二環(huán)凈空收斂值最大，隨著靠近掌子面呈現(xiàn)出變形減小的趨勢。施加飛機(jī)荷載后最大拱頂處沉降增加了0.055 mm，最大仰拱位移處仰拱位移減小了0.002 mm，最大凈空收斂處凈空收斂減小0.041 mm。

表4 3個位置下飛機(jī)荷載施加前后TBM管片位移 mm

注：豎向向上為正，水平方向收斂為正

圖5 管片位移縱向變化曲線

TBM穿越跑道中，掌子面前三環(huán)的管片變形突然變小，在28.5 m之前的拱頂沉降和仰拱位移變化不大，都在0.9 mm左右，在接近掌子面時迅速減小。凈空收斂在逐漸增大，在第19環(huán)管片處達(dá)到最大值0.28 mm，然后在接近掌子面時迅速減小。最大拱頂沉降處拱頂沉降增加了0.021 mm，最大仰拱處位移減小了0.015 mm，最大凈空收斂處凈空收斂減小0.041 mm。

TBM穿越跑道后，在掌子面前管片的變形突然減小，在52.5 m前管片拱頂沉降與仰拱位移變化較小，在接近掌子面處的拱頂沉降與仰拱位移減小較快，凈空收斂一直處于緩慢的上升趨勢，在42～52.5 m上升趨勢增加，在52.5 m到掌子面處突然減小。最大拱頂沉降處沉降增加了0.018 mm，最大仰拱位移處仰拱位移減小了0.008 mm，最大凈空收斂處凈空收斂減小0.061 mm。

根據(jù)GB50911—2013《城市軌道交通工程檢測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，管片結(jié)構(gòu)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為10 mm，凈空收斂控制標(biāo)準(zhǔn)為3 mm。隧道最大沉降和凈空收斂值均滿足規(guī)范要求，管片安全。

3.3 飛機(jī)荷載對管片安全系數(shù)影響

提取在施加飛機(jī)荷載前后管片的彎矩、軸力，并計算出安全系數(shù)如表5所示。從表5可以看出，施加飛機(jī)荷載后管片彎矩和軸力變化不大，彎矩變化范圍在0.3 kN·m之內(nèi)，軸力變化在1.6 kN之內(nèi)，通過計算拱頂、拱肩、仰拱三個位置的安全系數(shù)可以看出，安全系數(shù)普遍大于9。參照J(rèn)TG D70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)限值為2.4，可見在飛機(jī)荷載作用下盾構(gòu)隧道管片各處均處于安全狀態(tài)。

表5 施加飛機(jī)荷載前后TBM管片內(nèi)力變化

4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

表6為數(shù)值模擬與部分實(shí)際的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的對比。其中Y32+600、Y32+660為模型中跑道左右兩中點(diǎn)。從表6可以看出，計算的觀測點(diǎn)數(shù)值與實(shí)際情況是比較相符的，表明數(shù)值模擬的結(jié)果是合理的。

表6 數(shù)值模擬與監(jiān)控量測對比

5 飛機(jī)荷載對地層附加應(yīng)力影響

飛機(jī)荷載對隧道的作用，可以看成飛機(jī)作用在跑道上方時為地面超載，飛機(jī)荷載對跑道下部土體施加了附加的豎向應(yīng)力[15-17]，土體的附加應(yīng)力對隧道結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生影響，而飛機(jī)荷載的分布比較復(fù)雜，通過FLAC3D數(shù)值模擬的方式進(jìn)行計算，通過提取附加應(yīng)力值來分析飛機(jī)荷載對下部土體的影響規(guī)律。圖6為TBM隧道所處砂質(zhì)泥巖層附加應(yīng)力云圖。圖7為縱向剖面的附加應(yīng)力云圖。

圖6 砂質(zhì)泥巖層附加應(yīng)力云圖

從圖6可以看出，受飛機(jī)后輪荷載的作用隧道所處砂質(zhì)泥巖層附加應(yīng)力最大值出現(xiàn)在模型中央位置，最大的豎向附加應(yīng)力值為1.65 kPa，位于整個后輪范圍內(nèi)，前輪的附加應(yīng)力偏小，約為1 kPa，水平附加應(yīng)力較小可忽略。由圖7可以看出，普遍呈現(xiàn)的附加應(yīng)力分布規(guī)律是：隨著遠(yuǎn)離飛機(jī)后輪荷載的中心部位，附加應(yīng)力值逐漸減小，模型右方由于有前輪荷載的作用，右邊土體中的附加應(yīng)力值略大于左邊，在Y=30 m處有最大的附加應(yīng)力，最大值約為2.1 kPa。該結(jié)論可為相似下穿機(jī)場跑道隧道設(shè)計提供設(shè)計參考。

圖7 縱向剖面附加應(yīng)力云圖

6 結(jié)論

(1)通過將飛機(jī)荷載等效成集中力施加在模型上,分析了飛機(jī)荷載在不同位置對復(fù)合式TBM隧道開挖的影響，結(jié)果表明，飛機(jī)荷載在不同位置對于TBM隧道管片主應(yīng)力、拱頂沉降、仰拱位移、凈空收斂、安全系數(shù)影響都不大，管片結(jié)構(gòu)安全。

(2)通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)對比分析，現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)與數(shù)值計算數(shù)據(jù)相差不大，表明數(shù)值模擬的結(jié)果可靠。

(3)將飛機(jī)荷載等效為豎向附加應(yīng)力，可知在同一深度情況下中心處的豎向附加應(yīng)力最大，隧道埋深處砂質(zhì)泥巖層附加應(yīng)力約為1.65 kPa；縱向上豎向附加應(yīng)力呈現(xiàn)出中間大兩邊小的趨勢，中間處最大豎向附加應(yīng)力最大值約為2.1 kPa。