下穿通道建设对滑行道变形影响的数值模拟①

魏川尧,黄忠凯2，,*,陈 颂,杜一鸣

(1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；3 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海200092)

0 引 言

随着经济发展，我国民航机场吞吐量迅速增加，对机场内部运输能力有了更高要求，因此实施隧道穿越运营的机场数量日益增长。保障滑行道的稳定性和平顺性是必要条件，因此对滑行道下穿通道的设计提出了安全、可靠和舒适的要求[1]。国内外针对隧道下穿机场滑行道差异沉降的相关研究较少，多针对路桥过渡段，由于两者产生原因相近，具有借鉴意义。国内外建设者针对路桥过渡段的差异沉降提出了不同控制指标，主要有容许工后沉降和容许纵坡坡差。近年来，我国修建的部分机场对地基的差异沉降、残余沉降的控制给出了较高的要求，相关研究主要集中在以下几方面：滑行道结构刚度一般大于下部土体，变形较小，是否会导致二者脱离；滑行道最终的沉降是否满足要求，是否会造成开裂、沉陷等破坏；隧道施工对周围土体产生扰动，能否满足机场区域对环境和安全的控制要求等。对于跑道区的地基变形控制，在最终沉降量较小时，以控制差异沉降为主，允许出现一定的残余沉降[2]。针对上海浦东国际机场飞行区下穿通道工程对滑行道沉降影响进行数值研究，确保其设计能保障滑行道上飞机起降的安全性和舒适性，并对下滑通道过渡段搅拌桩布置进行优化，寻求更安全经济的布置方式。

1 工程背景

1.1 项目概况

上海浦东国际机场飞行区下穿通道工程为旅客捷运系统、行李车及服务车下穿通道工程，由东线和西线两部分组成。机场原有滑行道为东西走向，其下有南北向的下穿通道，位于T1、T2航站楼南侧。下穿通道采用钢筋混凝土箱型结构，属于刚性结构。场地自地表以下45.38m深度范围内为属第四系河口、滨海、浅海、沼泽相沉积层，主要由饱和粘性土、粉性土以及砂土组成，具有成层分布特点。按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异。其周围不良地质条件主要包括暗浜(塘)和地下管线和构筑物。由于下穿通道的建设提高滑行道对应位置的地基强度，为了减少地基刚度变化，增加滑道沉降的平稳性设置过渡段，采用搅拌桩对下滑通道进行加固。

1.2 研究内容

建设下穿通道导致滑行道产生差异沉降主要由以下原因造成[3-5]：下穿通道是刚性结构，形式上属于箱型基础，故下穿通道在飞机荷载作用下沉降小于未经地基处理的滑行道地基土的沉降；作用于滑行道道面的有循环荷载和振动冲击荷载，滑行道与下穿通道之间的沉降差不断累积，产生差异沉降。根据现有工程经验和分析，将在地下通道边缘位置开始利用搅拌桩设置过渡段，以降低飞机在滑行过程中的震动。

图1 下穿通道平面位置示意图

针对上海浦东国际机场飞行区下穿通道工程，基于有限元软件ABAQUS，针对滑行道地基土体中无下穿通道、滑行道地基土体中有下穿通道但无过渡段加固和滑行道地基土体中有下穿通道且有过渡段地基加固三种情况，分别建立三维精细化模型，其中加固按工程采用三轴搅拌桩，并给出三种布桩形式；利用子程序接口开发飞机动荷载施加脚本，分析以上三种工况条件下，飞机滑行一次滑行道及下卧结构地表沉降情况，分析滑行道地基土体的变形机理；研究不同搅拌桩布置方案对滑行道不均匀沉降的影响。

图2 土体有限元计算模型

2 数值建模

2.1 土体

为了减小数值计算中的边界效应，根据文献[5]建议取计算模型的水平边界距隧道轴线距离大于6.5D，模型底部距离隧道中心距离大于3D(D为隧道的直径)，故在ABAQUS中采用实体单元，建立90m×60m×30m的土体模型。为了减少不同土层大量力学参数的选取所带来误差，本研究中滑行道下方土体采用双层地层(第②3层砂质粉土和第④层淤泥质粘土)，层厚分别为11.2m和18.8m，具体布置方案如图3所示。土体本构模型均采用Mohr-Coulomb模型，具体参数取值如表1所示。

2.2 滑行道

根据设计方案，滑行道下方地层经堆载预压后，先进行厚40cm(分2次施工，每层厚20cm)水泥稳定碎石施工，经养护后再采用厚36～42cm现浇水泥混凝土施工，最终形成道面结构，如图3所示。故可将滑行道结构视为一个整体，在ABAQUS中土体模型的上方采用实体单元建立尺寸为80m×60m×0.8m的模型，材料选用弹性模型，材料参数取值如表1所示。

图3 滑行道结构横断面图

表1 模型本构关系及物理力学参数指标

2.3 下穿通道

根据设计方案，下穿通道埋深为2m，厚度为1m，箱底距离土体表面8.8m，其结构尺寸如图4所示。在ABAQUS中采用壳单元建立如图尺寸的矩形结构，材料选用弹性模型，材料参数取值如表1所示。

图4 下穿通道横断面图

2.4 过渡段

根据工程建设方案采用∅650@450三轴搅拌桩对过渡段进行加固。并通过分区段采取不同的桩长形成呈梯度逐渐变化的沉降等值区，提高滑道沉降的平稳性。通过建立设有地基加固区域的三维有限元计算模型，同样采用实体单元如图5所示，分析进行地基加固之后飞机滑行引起滑行道地基土体变形的影响。地基加固区域土体的变形模量相比于未加固前显著提高，具体参数取值如表1所示。准备建立三个方案模型进行分析：

图5 有限元计算模型

桩型Ⅰ：梅花桩形布置

该方案为原设计方案，其桩底标高为-20.8m，过渡段长度为30m，其平面布置及纵面布置如图6a所示。沿滑行道宽度方向共设十排搅拌桩，间距为2.5m；桩体纵断面布置呈阶梯型，沿飞机滑行方向每隔10m桩长减少5m。

桩形II：格栅形布置

该方案桩底标高为-20.8m，过渡段长度为30m，其平面布置及计算模型如图6b所示。沿滑行道宽度方向共设五排搅拌桩，间距为5m；桩体纵断面布置呈阶梯型，沿飞机滑行方向每隔10m桩长减少5m。

桩形III：矩形布置

其平面布置及计算模型如图6c所示。沿滑行道宽度方向共设三排搅拌桩，间距为10m；沿滑行道长度方向共设四排搅拌桩，间距为5m；桩体纵断面布置呈阶梯型，沿飞机滑行方向每隔10m桩长减少5m。

2.5 边界条件

滑行道-土体以及土体-通道之间均采用绑定约束；土体边界条件为静态边界，即模型x向两个边界约束x向位移，模型y向底部边界约束y向位移，模型z向两个边界约束z向位移。

(a)桩形1

2.6 飞机荷载模拟

选取A380-800F飞机为例，其主起落架的布置如图7所示。在ABAQUS中，将飞机荷载视为作用在飞机轮印区域内的面荷载，轮印尺寸为0.5m×0.35m的矩形，前轮荷载值为0.5MPa，后轮荷载值为1.5MPa；参考已有的考虑了升力作用的动荷载系数与道面平整度关系的数学模型，为考虑滑行道面不平整引起的振动效应，将飞机振动荷载放大10%[7,8]。根据不同的飞机滑行速度以及轮胎的尺寸，可求得机轮转动频率。

图7 A380-800F飞机起落架布置图

飞机滑行速度取为6m/s，机轮转动频率为4.2Hz，则

前轮动载为公式(1)：

P1=0.5+0.05sin13.2t(MPa)

(1)

后轮动载为公式(2)：

P2=1.5+0.15sin13.2t(MPa)

(2)

公式(1)，(2)中，P1,P2分别为前轮动载和后轮动载(单位：MPa)，t为时间(单位：s)。

理论上，当飞机沿着完全光滑、平直和水平的道面，以恒定速度行驶时，其施加在道面的荷载等于静态轮载。但实际上，由于道路表面的粗糙，引起车辆悬架系统振动，从而在道路表面产生一个波动荷载，这个荷载与静态轮载叠加，即得动态轮载。速度恒定时，道面越粗糙，动载越大；粗糙度不变的情况下，行驶速度越大，动载越大。根据粗糙度计算飞机动态轴载的过程非常复杂，而且在低速滑行时，路面粗糙引起的动载非常小。为了便于计算忽略何在幅值变化，选用移动恒定荷载的模拟轮载方法，将恒定的飞机荷载沿着行驶的方向移动在ABAQUS中实现飞机移动荷载的模拟。

3 数值分析结果与过渡段加固方案对比

针对三种不同的工况选取3个特征时刻点进行对比，分别为第100个分析步、第114个分析步和第125个分析步，依次对应于中间轮轴位于飞机来向距离下穿通道8m处、下穿通道飞机来向一侧边缘处和下穿通道中心处。

(a)无下穿隧道

在没有过渡段加固的有、无下穿通道的两个工况下，如图8 a,8b所示，为滑行道面不同位置处在飞机一次滑行开始后不同时刻的竖向位移。根据三个位置的竖向位移时程曲线，在没有下穿通道时，飞机经过距离下穿通道8m处时出现最大沉降量27.3mm，经过通道边缘位置时出现最大沉降量25.9mm，经过通道中心位置时出现最大沉降量24.3mm；在有下穿通道无过渡段加固时，飞机经过距离下穿通道8m处时出现最大沉降量24.7mm，经过通道边缘位置时出现最大沉降量18.0mm，经过通道中心位置时出现最大沉降量15.0mm。可以看出在没有下穿通道时，飞机在滑行过程中滑行道沉降变形总体比较平稳，而有下穿通道时，滑行道下穿通道位置沉降量减少，滑行过程中变形差异显著增加。

根据《民用机场岩土工程设计规范》(MHT 5027-2013)，滑行道允许差异沉降为1.5‰，如公式(3)：

δ=(Δ1-Δ2)/B0≤1.5‰

(3)

式中，δ为滑行道与下穿通道差异沉降；Δ1为滑行道沉降量(m)；Δ2为下穿通道沉降量(m)；B0为过渡段长度(m)[9]。

工程采用的∅650@450三轴搅拌桩进行过渡段加固处理，文中选用三种布桩方案。由表2可知，飞机单向驶过滑行道一次后，在进行地基处理的前后，滑行道差异沉降虽然均能够满足其允许差异沉降指标的要求，但在进行地基处理前，差异沉降的安全余量较小，在飞机长期循环荷载作用下，随着地基塑性变形的不断积累，差异沉降很可能会超过1.50‰。与未进行地基处理时的差异沉降对比可以发现，设置过渡段后的差异沉降减小了43.5%，说明采用过渡段的设置对于减少滑行道与下穿通道的差异沉降起到了很好的效果。

为方便对过渡段加固方案进行对比，引入两个评价指标以方便优化分析，分别是飞机行驶的平稳性和地基处理的成本。其中飞机行驶的平稳性指标用加固后飞机滑行一次滑行道变形沉降进行评价，地基处理成本由于均采用同种搅拌桩进行加固，故方便起见用置换率表示其处理成本。

(a)布置形式Ⅰ

飞机滑行过程中滑行道距离飞机滑行初始不同位置处的沉降变形情况如图9所示，三种不同的布桩形式下沉降变形总体规律表现一致，略有差异。梅花形布置和格栅形布置的过渡段在搅拌桩长度变化的区域沉降会有较大的波动，而矩形布置的过渡段在整个加固区域内的沉降分布较为均为，能够保证飞机行驶中具有较好的平稳性。值得一提的是，梅花形布置和矩形布置的过渡段在相同的置换率下有着相近的差异沉降，而矩形布置的过渡段能够显著提高飞机行驶的平稳性，因此相对原设计方案所采用的梅花形布置方案来说，矩形布置的过渡段是一种更优的布置方案。另一方面，虽然格栅形布置的过渡段所产生的差异沉降大于矩形布置的过渡段所产生的差异沉降，但是其格栅形布置的过渡段土体置换率较小，即地基加固的施作成本较低。因此，在对飞机行驶的平稳性要求不高的情况下，格栅形布置的过渡段是一种既能够满足滑行道允许差异沉降指标，又有着较低成本的布置方案。

4 结 论

针对飞机滑行过程中通过下穿通道上方的过程总结出来的三个工况，建立的有限元模型，得到的计算结果。通过数值模拟结果分析、整理得到以下结论：

(1)滑行道地表沉降可认为是由土体自身固结、下穿通道结构变形以及飞机荷载作用这三种因素引起。其中，地表沉降受飞机荷载作用位置影响较大，而由土体固结和结构变形产生的沉降很小，在短期内可以忽略。不同结构形式下滑行道基土体变形规律不尽相同：在未建设下穿通道时，滑行道板不同位置处对于飞机荷载的响应是大致相同的，飞机荷载在短期行驶过程中所产生的峰值竖向位移为27.3mm，出现在轮载作用区域下方。而在建设下穿通道后，飞机荷载在短期行驶过程中所产生的峰值竖向位移为24.7mm。下穿通道的存在能够减小滑行道的峰值竖向位移。

(2)下穿通道不同位置处的竖向位移在飞机行驶全过程中呈先增大后减小的趋势，竖向位移峰值在10mm左右；在飞机滑行过程中，滑行道下穿通道不同位置处的竖向位移变化并不明显。

(3)在滑行道与下穿通道之间设置过渡段并进行地基加固后，滑行道与下穿通道之间的差异沉降显著减小，且飞机荷载影响范围内的土体沉降总体上也有一定的减小。在设置长度为30m的过渡区段并进行地基加固后，滑行道与下穿通道之间的差异沉降比未设置过渡区段时减小了43.5%，说明∅650@450三轴搅拌桩过渡段的设置对于减少滑行道与下穿通道之间的差异沉降起到了很好的效果。