盾构及明挖隧道平行下穿机场跑道沉降分析与实测*

杨逸枫,易 琼,斯碧峰,王元东,白乔木

(1.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;2.上海机场(集团)有限公司,上海 201207)

0 引言

随着大量机场的新建、扩建以及改建,新建隧道下穿机场跑道、滑行道、站坪等沉降敏感区域的情况也越来越多。例如,台北松山机场盾构隧道下穿飞机起降区［1］,北京首都国际机场采用箱涵顶进工法下穿机场滑行道［2］,上海轨道交通2号线、10号线、仙霞西路隧道穿越运营中的虹桥机场［3］,上海浦东机场2号、3号地下通道穿越东西向垂直联络滑行道［4］,英国希斯罗机场铁路盾构隧道下穿机场滑行道和站坪［5］。下穿隧道施工引起的地基沉降和差异沉降可能会导致机场道面变形开裂,进而影响机场飞行区的运营安全。因此,研究机场道面沉降变形机理,并在施工时采取有效措施严格控制地表沉降和不均匀沉降至关重要。

针对隧道下穿引起机场道面沉降变形的问题,国内学者已经开展了大量研究。肖明等［6］针对昆明地铁盾构隧道下穿巫家坝国际机场跑道工程,采用三维数值分析方法对盾构施工引起的跑道沉陷、盾构掘进对周围土体扰动等进行了分析研究。梅乐胜［7］以重庆城际铁路下穿江北机场跑道段隧道项目为背景,建立有限元模型进行隧道开挖过程的动态模拟,分析总结了开挖过程中隧道结构应力、应变的分布和变化规律。晁凯［8］基于北京首都国际机场捷运联络线及汽车通道工程,采用数值模拟和现场对比试验相结合的方法,对隧道下穿机场跑道的地表沉降控制进行了研究,总结出相关的地表沉降控制技术。张宏等［9］根据机场飞行区跑道横坡要求,推导了盾构施工穿越飞行区跑道时的控制公式,提出了运营机场道面结构的变形控制指标。冯建霖［10］基于北京首都国际机场大断面隧道下穿机场跑道工程,通过对施工实测数据分析,总结了隧道施工引起机场道面沉降变形的规律。刘增龙［11］同样针对北京首都国际机场工程,通过数值模拟和现场实测数据分析,归纳总结了飞机跑道在不停航条件下穿越时的沉降变形规律。

以上研究大都是分析单一隧道下穿机场道面引起的沉降变形规律,目前尚无考虑多条隧道同时下穿时机场道面沉降变形规律的相关研究。在上海浦东国际机场三期扩建工程中,滑行道及站坪下方将建设多条明挖法地下通道、盾构法捷运隧道等地下设施,且相邻两条地下通道在空间上长距离近接平行,在时间上同时施工,施工产生的相互作用明显。为了保障施工过程中机场滑行道及站坪的运营安全,对长距离近接平行地下通道施工引起的地表沉降变形规律进行分析是十分必要的。

本文依托上海浦东国际机场三期扩建工程,以长距离近接平行施工的暗挖T1—S1捷运隧道和明挖T1—S1行李地道为研究对象,采用数值分析方法,针对明暗双通道近接平行施工对机场道面沉降变形的影响进行研究,并结合对工程现场实测数据的分析,总结了长距离近接平行通道施工引起机场道面沉降变形规律,可为今后同类下穿机场道面工程的设计施工提供参考。

1 工程概况

上海浦东国际机场三期扩建工程场地位于上海浦东国际机场T1,T2航站楼南侧,大部分位于现有飞行区内,主要包括飞行区下的旅客捷运系统、行李车及服务车的下穿通道工程,工程总平面如图1所示,各单体工程概况如表1所示。

表1 上海浦东机场三期扩建工程捷运系统、地下通道概况Table 1 General situation of MRT system and underpass of Shanghai Pudong Airport Phase III expansion project

图1 上海浦东国际机场三期扩建工程总平面Fig.1 General layout of Shanghai Pudong International Airport Phase III expansion project

下穿通道工程总体由东线和西线两部分组成。东线即新建T2—S2服务车、行李车通道以及T2—S2捷运通道。T2—S2服务车、行李车通道采用明挖法施工,下穿垂滑(即现有T3,T4滑行道),形成联系南北航站区东侧的地下联系通道,由敞开段和暗埋段组成,基坑开挖深度最大约10m。结合已有捷运预留通道情况和明挖施工方式,将T2—S2捷运通道同步建设,T2—S2捷运通道轨面埋深约6.5～7.6m。西线即新建T1—S1服务车、行李车通道。采用明挖施工方式,下穿垂滑(即现有T3,T4滑行道),形成联系南北航站区西侧的地下联系通道,由敞开段和暗埋段组成,基坑开挖深度最大约11m。该下穿通道东侧为规划捷运通道。

本文的研究对象是T1—S1捷运隧道和T1—S1行李地道。明挖行李地道与盾构捷运隧道在空间上为近接平行关系,且为同一时期施工,二者之间相互影响明显。另一方面,工程所在场地为欠固结人工填土区,长期固结变形趋于稳定的时间长,附加变形大,且隧道埋深浅、地面超载大。这些因素给施工过程中地面沉降控制带来了很大难度,因此有必要研究长距离近接平行地下通道施工引起的地表沉降变形规律,以提出安全可靠的技术措施,保障地下通道、机场滑行道及站坪的安全。

2 有限元分析

2.1 本构模型

本文选用PLAXIS 2D作为数值计算软件,所用的土体本构模型为小应变硬化土模型(hardening soil model with small-strain stiffness,简称HSS模型)。HSS模型是硬化土模型(HS模型)的一种改进,具有HS模型的特点,但相比之下HSS模型不仅考虑了土体的剪切硬化和压缩硬化,还考虑了土体在小应变时的土体特性［12］。

2.1.1小应变硬化土(HSS)模型简介

国外学者Benz［13］以HS模型为基础,结合修正的Hardin-Dmevich剪切模量关系式,并考虑土体应变历史的影响以及屈服面的多轴膨胀,建立起HSS模型。HS模型在三轴排水试验中的应力应变关系如图2所示。

图2 标准排水三轴试验主加载下双曲线型应力-应变关系Fig.2 Hyperbolic stress-strain relation in primary loading for a standard drained triaxial test

图中偏应力与主应变的曲线表达式为：

(1)

式中：qa为剪切强度渐近值;qf为极限剪应力;Rf为破坏比qf/qa;E50为主加载时50%极限荷载所对应的割线模量;qf可由莫尔库伦破坏准则导出：

(2)

在HS模型中通常定义1个参考应力状态下的刚度参数作为基准值,通常定义100kPa下的各刚度参数为参考值,则50%极限荷载所对应的割线模量E50可由下式表示：

(3)

卸载再加载模量Eur可由式(4)表示：

(4)

切线压缩模量Eoed表达式如式(5)所示：

(5)

在HSS模型中,除上述HS模型参数外,还需要确定小应变土体变形特性参数,包括初始剪切模量G0和阈值剪应变γ0.7。初始剪切模量G0按下式计算：

(6)

阈值剪应变γ0.7为剪切模量G随应变增大而降低至初始剪切模量0.7G0时所对应的剪切应变。

2.1.2参数取值方法

周恩平［12］通过总结已有的硬化土模型相关参数的选取方法,同时结合室内固结试验,提出了HSS模型的参数选用建议值,如表2所示。

表2 HSS模型参数选取方法Table 2 Parameters selection method of HSS model

2.2 数值模型

本文采用岩土工程专用有限元分析软件Plaxis 2D建立数值分析模型,选取T1—S1行李地道和T1—S1捷运隧道的近疏散口区域的典型断面进行计算。

2.2.1地层及结构计算参数取值

HSS模型的土体参数根据现场地勘报告中提供的原始地层参数通过表2中的参数选取方法计算得到,如表3所示。结构参数均根据相关设计文件得到,如表4所示。

表3 HSS模型的土体参数Table 3 Soil parameters of HSS model

表4 结构参数Table 4 Parameters of structure

2.2.2平面几何模型

模型选用平面应变模型,采用15节点三角形单元,模型在x方向上的长度取为200m,在y方向上的长度取为31.7m。网格全局粗糙度取为细,并对结构物与土体交界处进行网格加密,以提高计算精度。模型网格及各结构尺寸如图3所示。为了反映盾构隧道施工过程对周围土体的扰动,取地层损失率为0.5%。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

3 数值模型结果分析

3.1 明挖基坑开挖引起的地表沉降

明挖基坑开挖引起的地表沉降如图4所示,可以看出,明挖基坑开挖后两侧的地表沉降分布符合已有的经验规律,最大地表沉降约为7～8mm,最大地表沉降发生的位置距基坑边大约12～15m,基坑开挖的影响范围约为50m。

图4 明挖基坑开挖引起的地表沉降分布Fig.4 Ground settlement distribution caused by open-cut foundation excavation

3.2 盾构隧道开挖引起的地表沉降

盾构隧道开挖引起的地表沉降分布如图5所示,可以看出,盾构隧道开挖引起的地表沉降分布基本符合Peck沉降槽的形式,最大地表沉降值为57mm,发生在隧道正上方。可见隧道施工引起的地表沉降是相当显著的,应当引起注意并在施工中采取适当措施。

图5 盾构隧道开挖引起的地表沉降分布Fig.5 Ground settlement distribution caused by excavated shield tunnel

3.3 明暗双通道单独施工叠加得到的地表沉降

将明暗双通道单独施工引起的地表沉降进行叠加后得到的地表变形曲线如图6所示,可以看出,叠加后的地表变形曲线仍然有各自变形曲线的特征,但由于盾构隧道施工引起的地表沉降较大,因此靠近盾构隧道一侧的地表沉降以Peck沉降曲线为主。

图6 明暗双通道单独施工叠加得到的地表沉降分布Fig.6 The superimposition of ground settlement distribution caused by single construction of open-cut and excavated underpasses

3.4 明暗双通道同时施工引起的地表沉降

从两者同时施工的地表沉降曲线来看(见图7),同时施工后地表沉降有所增加但不是简单的二者叠加。由于土体的扰动较为复杂,在明挖基坑与盾构隧道之间的地表沉降会有些许增大。地表最大沉降为59mm,发生在盾构隧道上方偏向基坑一侧;基坑另一侧的最大沉降为5～6mm,有所减小。

图7 明暗双通道同时施工引起的地表沉降分布Fig.7 Ground settlement distribution caused by simultaneous construction of open-cut and excavated underpasses

3.5 对比分析

对比图8中的地表沉降曲线可以看出,同时施工时的地表沉降变形与叠加得到的地表沉降变形存在明显差异,由于基坑开挖与隧道推进的相互影响,地表变形曲线整体向隧道一侧偏移,而远离隧道的基坑另一侧地表沉降有所减小。

图8 地表沉降对比分析Fig.8 Comparative analysis of ground settlement

4 实测数据分析

为了便于施工中及时采取有效措施,保障明暗双通道施工过程的安全,于盾构隧道上方地面的横纵断面上布置了多个沉降监测点。T1—S1区间左线和右线盾构隧道先后始发,二者净间距为5.8m,并在之后长距离平行推进,其引起的地表沉降与一般的盾构施工相比更为复杂。本文从盾构隧道上方地表纵向沉降分布、横向沉降分布和沉降时程变化3个方面进行分析,为明确盾构推进的相关时间节点,T1—S1区间盾构推进时间如表5所示。

表5 T1—S1区间盾构推进时间Table 5 Shield tunnel driving in T1—S1 section

4.1 盾构隧道上方地面纵向沉降分析

4.1.1左线

截至2017年7月16日,T1—S1右线盾构隧道尚未始发,只有左线盾构隧道在推进,此时上方地面纵向不均匀沉降的分布情况如图9所示。从图中可以看出,盾构推进前期地表沉降一直为负值,即上方地面产生下沉现象。随着盾构的推进,开始表现出盾构正上方地表隆起、前方和后方地表下沉的规律,符合典型的Peck沉降曲线规律。

图9 T1—S1左线纵向沉降分布Fig.9 Longitudinal settlement distribution of T1—S1 left line

T1—S1左线盾构隧道纵向上变形呈现较为明显的不均匀沉降,最大沉降值接近10mm,最大隆起值接近13mm,已经超限。最大沉降值出现在第15环和第100环附近,最大隆起值出现在120环附近。

截至2017年12月25日,T1—S1盾构隧道左线已经贯通,其沿纵向产生了较为明显的不均匀沉降,有多处变形超限,累计沉降和隆起达到报警值。隧道纵向变形超限位置集中在第450环至第600环区间,最大地表沉降值近60mm,可能是因为该段区间地质条件变化及盾构施工参数设置不合理。

12月25日之后,直到2018年1月23日右线盾构隧道贯通前,由于右线盾构隧道顶进的影响,左线盾构隧道上方地表仍在发生不均匀沉降或隆起,并且沉降或隆起值部分已经达到报警值,表明近距离平行隧道施工的相互影响及对地表的影响十分显著。

4.1.2右线

截至2018年1月22日,T1—S1盾构隧道右线接近贯通,其沿纵向也产生了较为明显的不均匀沉降,有多处变形超限,累计沉降和隆起达到报警值。隧道纵向变形超限位置集中在第450至第700环区间,与左线隧道变形超限位置大致相同,地表沉降值波动较大,沉降最大达到50mm左右,沉降量显著。

4.2 盾构隧道上方地面横剖面沉降分析

4.2.1左线

为分析左线盾构隧道上方地面横剖面沉降分布情况,选取738环、978环、1 096环3个典型断面,沉降分布如图10～12所示。

图11 978环上方地面横剖面沉降分布Fig.11 Latitudinal settlement distribution above the ring 978

图12 1 096环上方地面横剖面沉降分布Fig.12 Latitudinal settlement distribution above the ring 1 096

从图10～12可以看出,在盾构机头接近指定环断面前,该断面地表有一定的沉降,当盾构机头到达指定环断面并进行穿越时,该环断面产生一定隆起,当盾构推过该环一定距离后,地表变形又以沉降为主。

在地表横剖面沉降分布方面,越接近隧道轴线沉降或隆起越大,沿两侧逐渐减小。由于邻近明挖基坑结构的影响,横剖面沉降分布并不对称,最大沉降的位置偏向一侧。

4.2.2右线

为分析右线盾构隧道上方地面横剖面沉降分布情况,选取698环、738环、778环3个典型断面,沉降分布如图13～15所示。

图13 698环上方地面横剖面沉降分布Fig.13 Latitudinal settlement distribution above the ring 698

图14 738环上方地面横剖面沉降分布Fig.14 Latitudinal settlement distribution above the ring 738

图15 778环上方地面横剖面沉降分布Fig.15 Latitudinal settlement distribution above the ring 778

与左线隧道类似,在盾构机头接近指定环断面前,该断面地表一般有一定沉降,而当盾构机头到达指定环断面并进行穿越时,该环断面产生一定的隆起,当盾构推过该环一定距离后,地表变形又以沉降为主。横剖面沉降分布方面,同样越接近隧道轴线,沉降或隆起越大,往两侧方向逐渐减小。从图中可以看出,最大沉降值接近20mm。

4.3 盾构隧道左线典型断面沉降时程变化分析

选取盾构推进的第18环和第698环典型断面进行地表沉降的时程变化分析,地表沉降时程变化曲线如图16～17所示。

图16 18环上方地表沉降时程变化曲线Fig.16 Ground settlement time history curve above the ring 18

左线隧道推至18环时,右线隧道尚未始发。从18环断面的沉降时程曲线可以看出,在盾构机到达前沉降波动比较大,盾构机穿越断面后,地表短期内会出现明显的沉降,随后沉降值渐趋平缓。对比不同监测点的沉降变化曲线可以发现,位于左线隧道轴线位置处的沉降值最大,往两侧沉降值逐渐减小。

从698环断面的沉降时程曲线可以看出,盾构机穿越断面时地表发生明显的隆起,穿越后地表发生下沉,随后沉降值渐趋平缓。图中显示2017年12月25日地表沉降又继续增大,这是因为左线隧道贯通后,右线隧道顶进引起了地表沉降的进一步发展。对比不同监测点的沉降变化曲线可以发现,最大沉降值的位置并不在轴线处,而是偏向一侧。

5 结语

1)明暗双通道同时施工引起的地表沉降分布相比单独施工叠加得到的地表沉降存在明显差异,由于基坑开挖与隧道推进的相互影响,地表沉降曲线整体向隧道一侧偏移,而远离隧道的基坑另一侧地表沉降有所减小。

2)地表纵向沉降分布上,呈现明显的不均匀性,左线隧道和右线隧道上方地面均有多处变形超限,累计沉降和隆起达到报警值。左线隧道贯通后,右线隧道的顶进又引起地表不均匀沉降或隆起,近距离平行隧道施工的相互影响及对地表的影响十分显著。

3)地表横向沉降分布上,越接近隧道轴线沉降或隆起越大,沿两侧逐渐减小。由于邻近明挖基坑结构的影响,地表横向沉降分布并不对称,最大沉降的位置偏向一侧。

4)在盾构机接近指定环断面前,该断面地表有一定的沉降,当盾构机到达指定环断面并进行穿越时,该环断面产生一定隆起,盾构机穿越一段距离后,地表沉降渐趋平稳。在左线隧道贯通后,右线隧道的顶进又引起了地表沉降的进一步发展。