大盾構下穿機場飛行區巖溶處理范圍探討

唐好文

(廣州鐵路投資建設集團有限公司,廣東 廣州 510330)

0 引言

近年來隨著城市建設用地越發緊張,地下空間開發成為了本世紀重點,大型綜合樞紐將是未來一段時間內的建設趨勢,“零換乘,一體化”空鐵聯運交通樞紐就是其中之一。德國法蘭克福機場于1999年試行空鐵聯運[1],是世界上最早實踐空鐵聯運的機場,實現了機場與高鐵車站的“無縫銜接”,取得了巨大的經濟和社會效益。后續法國戴高樂機場、英國希斯羅機場,國內的上海虹橋、武漢天河、鄭州新鄭、?？诿捞m、成都雙流等均已開展建設空鐵聯運交通樞紐。高鐵建設盡量靠近航站樓設立機場站作為樞紐或地區的輔助客運站,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輸效率,但同時也帶來了技術和挑戰。

本文以白云機場T3交通樞紐軌道交通預留工程項目為研究背景,對巖溶強發育條件下大盾構下穿復合樞紐機場飛行區的施工情況進行分析,研究結果對后期類似工程的施工安全和施工質量有重要的意義。

1 工程概述

1.1 項目概況

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

廣河高鐵、廣珠(澳)高鐵盾構區間從T3站始發進入機場飛行區,下穿東二跑道南端防吹坪、東一跑道南端燈光帶出運營中的機場飛行區后,側穿機場油庫及FBO基地服務樓,至迎賓大道與機場圍界之間的接收井。廣河高鐵下穿飛行區起訖里程為DK13+173～DK14+185.866,區間穿越長度為1 013 m。廣珠(澳)高鐵下穿飛行區起訖里程為GADK13+249.592～GADK14+185.866,區間穿越長度為936.3 m。

1.2 盾構概況

該工程所用設備為中鐵1188號盾構機,刀盤開挖直徑為14.31 m,主機總長約為15.5 m,整機總長約115 m(不包括尾部拖動平臺);主機重約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節連接橋及輔助平臺組成。盾構機具有螺機出渣和直排管出渣2種出渣通道。

隧道管片設計外徑為?13.8 m、內徑為?12.6 m、結構厚度為0.6 m、寬度為2 m,每環由10塊組成,通用雙面楔形量52 mm,采用錯縫拼裝形式。襯砌管片每環由1個封頂塊(F),2塊鄰接塊(L1、L2)及7塊標準塊(B1～B7)組成。管片接縫連接包括30顆M36環向螺栓和40顆M36縱螺栓。管片混凝土強度等級為C60,抗滲等級為P12。

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

2 施工區域劃分

機場飛行區先導孔及巖溶處理施工根據MH 5001—2006《民用機場飛行區技術標準》及民航局保障機場安全運行的相關規定,對廣河高鐵盾構區間、廣珠(澳)高鐵盾構區間穿越白云機場飛行區進行不停航施工區域(見圖1)劃分,配合后續開展管線探測與開挖、巖溶處理工作。

圖1 施工區域示意圖

3 巖溶處理情況

本次勘察發現飛行區存在巖溶地質,其中根據充填性狀分為全充填、半充填和無充填,充填物質為流塑～軟塑狀黏性土、砂石和碎屑。在巖溶中～強發育區的盾構區間設計,應主要針對盾構在穿越溶(土)洞期間出現栽頭、盾構在穿越溶(土)洞期間破壞原有平衡體系導致地面沉降過大或塌陷的風險,采取預處理措施,規避巖溶風險。廣珠(澳)高鐵與廣河高鐵盾構區間溶洞分布情況如圖2、圖3所示。

圖2 廣珠(澳)高鐵盾構區間隧道地質縱斷面圖

圖3 廣河高鐵盾構區間隧道地質縱斷面圖

3.1 盾構隧道巖溶處理范圍理論計算研究

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,假設由頂板中心按與豎直線成30°～35°擴展角向下傳遞,此傳遞線位于頂板與洞壁的交點以外,即認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尺寸溶洞進行計算,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溶洞穩定系數法

根據溶洞穩定系數法計算公式:

K=F1/F2

式中:F1為抗塌力;F2為致塌力。

當穩定系數K≥1.5時,巖溶地基穩定;當K≤1時,巖溶地基不穩定。將溶洞等效為矩形,取2～5 m尺寸溶洞進行計算,得到底部處理深度為1.5～4.5 m。溶洞穩定系數法巖溶處理范圍如表2所示。

表2 溶洞穩定系數法巖溶處理范圍

3.1.3抗彎估算法

當厚跨比較小,彎矩為主要控制條件時,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尺寸溶洞進行計算,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各計算方法結果匯總

根據巖土力學理論簡化計算結果可見,溶洞需處理范圍與溶洞跨度正相關,且各方法計算結果差異較大。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,故其計算結果僅作為參考。

根據詳勘報告,在隧道影響范圍內(0.5D)所揭示溶洞的洞高超90%均小于4 m。根據上述理論計算方法,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。各計算方法匯總情況如表4所示。

表4 各計算方法下的結果匯總 m

3.2 盾構隧道溶(土)洞處理范圍數值模擬研究

本項目屬于大直徑盾構隧道(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、側方、下方3種位置關系,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,在施工階段分別進行有限元模擬計算。建立的模型尺寸為93.2 m×60 m,盾構頂部埋深12 m,管片厚度60 cm,內徑12.6 m。計算模型總共劃分為5 657個單元。

本項目的三維數值計算中的地層和相關結構的具體幾何參數為實際設計值,力學參數參考地勘文件選取。計算中,各土層采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型,管片構造采用彈性模型。各材料的具體參數見表5。

表5 物理力學參數取值表

3.2.1施工過程模擬

本次數值計算中的施工過程為:

1)地應力平衡。激活土層,模型兩側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)飛機坪地面超載。在地面施加地面超載,求解至平衡。

3)盾構隧道開挖。開挖土體,激活盾構管片,施加注漿壓力。

3.2.2隧道洞周收斂結果分析

由于高鐵盾構技術使用較少,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測技術規范》。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準。

從計算結果可知,當溶洞處于隧道上方時,隧道洞身豎向方向收斂值為26.5 mm,接近規范要求0.2%D(27.6 mm),考慮盾構推進過程中,洞頂存在溶土洞易坍塌,從而導致地表塌陷,當溶土洞處于隧道上方時均應進行處理。詳見表6。

表6 溶洞位于隧道頂板上方計算結果統計表

從計算結果可知,當隧道拱腰以下為巖層,溶洞處于隧道下方時,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,當距離在5 m(包含)以下時,隧道洞身豎向收斂值偏大,不滿足規范要求,需要進行溶洞處理。詳見表7。

表7 溶洞位于隧道底板下方時各工況計算結果(隧道基底范圍為巖層)

從計算結果可知,當隧道基底為巖層,溶洞處于隧道側邊時,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,當距離在4 m(包含)以下時,隧道洞身的水平收斂值偏大,不滿足規范要求,需要進行溶洞處理。詳見表8。

表8 溶洞位于隧道水平方向時各工況計算結果(隧道拱腰以下為巖層)

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

表9 溶洞位于隧道底板下方時各工況計算結果(隧道基底范圍為土層)

從計算結果可知,與隧道豎向收斂值相似,隧道基底處于土層中時,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,當距離在5 m(包含)以下時,洞身水平方向收斂偏大,不滿足規范要求,需要進行溶洞處理。詳見表10。

表10 溶洞位于隧道水平方向時各工況計算結果(隧道基底范圍為土層)

3.2.3計算結論

計算參考GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》,盾構隧道巖溶處理應遵循以地面預處理為主,盾構機內處理為輔的原則,優先考慮地面預處理。

根據《廣州市軌道交通第三期建設規劃(2017—2023)線路巖溶處理總體技術要求》對盾構隧道以上至地面溶(土)洞全部處理的要求,結合數值計算結果,參考已有工程實例巖溶處理范圍,得到如下結論:

1)所有發現的溶洞必須處理,盾構管片上方如遇溶(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4 m(包含)、豎向隧道底以下5 m(包含)發現的溶洞應處理,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5 m(包含)、豎向隧道底以下6.9 m(包含)發現的溶洞應處理,加固范圍如圖5(b)所示。

綜合計算結果,本工程盾構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]火梭區間海底隧道(管片外徑11.8 m)巖溶處理范圍(詳見表11),與實際工程巖溶處理范圍隨管片外徑增大而增大的規律相吻合,巖溶處理原則合理。

表11 溶洞處理范圍對比表

4 研究結論

所有發現的溶(土)洞必須處理,盾構管片上方如遇溶(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4 m(包含)、豎向隧道底以下5 m(包含)發現的溶洞應處理;隧道拱腰以下位于土層,水平方向隧道外擴5 m(包含)、豎向隧道底以下6.9 m(包含)發現的溶洞應處理。