冯建霖（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

下穿机场跑道大断面隧道施工对策及地层变形规律研究

冯建霖
（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

摘要：北京首都国际机场T3与T2航站楼之间的单层双跨连拱浅埋暗挖大断面隧道垂直下穿机场跑道，采用超长管幕下十导洞分步暗挖法施工。通过对隧道施工地表变形进行分析，得出以下结论：1）新建隧道施工地表最大沉降值平均为9.28 mm，控制变形情况良好，采用超长管幕保护浅埋暗挖施工技术切实可行；2）3个断面变形拟合得到的确定调节系数平均为0.951，地表变形符合Peck公式；3）变形拟合得到的K值平均为1.903，为北京地区常规数值的3～6倍，管幕的存在对新建隧道施工引起的地层变形具有阻隔及扩散作用；4）变形拟合得到的Vl值平均为0.201%，略低于北京地区常规施工方法水平。

关键词：隧道工程；下穿施工；管幕法；地表变形

0　引言

近年来，伴随着我国经济的快速发展，机场扩建带来新老航站楼之间的地下通道建设越来越多。受周围环境限制，地下通道穿越机场跑道的情况不可避免［1］。在北京首都国际机场T3与T2航站楼之间，为了增加机场运营效率、方便航站楼间的沟通和解决飞机跑道隔断的影响，在机场中央主跑道下方修建大断面（214.3 m2）并行单层双跨连拱形式的公路隧道。新建隧道垂直下穿正在使用中的机场跑道。

目前，国内外新建隧道穿越既有建（构）筑物有许多成功的案例。如：美国波士顿州际北向隧道下穿Redline地铁车站［2］、日本的筑波、三之轮地铁隧道纵向穿越既有铁路线工程［2］、北京地铁机场线东直门站上跨下穿既有车站［3］以及北京地区多条新建隧道下

穿既有地下车站及区间［4－8］。与其他穿越建（构）筑物工程相比，在不停航的情况下穿越机场跑道是一个崭新的课题，地表沉降控制要求极为严格，施工技术难度大，且国内外可供借鉴的经验较少。本文通过阐述施工对策，对实测地表变形进行分析和Peck公式拟合，明确大断面隧道施工地层变形规律，研究成果可为类似工程提供借鉴及参考。

1　工程概况

新建隧道位于北京首都国际机场T3与T2航站楼之间，由2条呈单层双跨连拱形式的捷运通道和汽车隧道共同组成，平面布置如图1所示。捷运隧道长1 621 m，汽车隧道长1 265 m，2条隧道主体部分相互平行并垂直下穿使用中的机场跑道。新建隧道洞周布置60根970 mm、壁厚16 mm的口字形钢管管幕，南北向垂直下穿机场中央主跑道。

图1　机场跑道与隧道平面布置图（单位：m）Fig.1 Plane arrangement of airport runway and tunnel（m）

新建隧道标准截面总宽23.2 m，总高8.4 m，中间设置中墙；捷运隧道净宽10.3 m，高6.05 m；汽车隧道净宽10.1 m，高5.07 m；隧道顶板厚1.1 m，底板厚1.2 m，边墙厚1.0 m，中墙厚0.8 m。新建隧道采用超长管幕下十导洞分步暗挖施工方法。

初期支护由喷射混凝土、连接筋、钢筋网及格栅钢架组成。二次衬砌结构采用抗渗等级为P10的C40防水混凝土。浅埋暗挖隧道结构尺寸及管幕布置如图2所示。

图2　隧道断面图（单位：mm）Fig.2 Crosssection of tunnel（mm）

拟建场地位于北京市顺义区，地层表层为人工填土，其下由一般第四纪冲洪积成因的黏性土、粉土和砂类土构成。其中，粉质黏土、素填土①层厚度为0.8～2.0 m，粉质黏土②层厚度为3.8～5.8 m，粉质黏土③层为11.7～16.8 m，中砂④层厚度为1.7～5.0 m，粉质黏土⑤层为0.4～7.8 m，粉土⑥层厚度为4.5 m。

2　地层变形控制对策

为有效控制新建隧道施工对地层的扰动，工程中采用超长管幕与十导洞分步暗挖方法进行施工。

2.1超长管幕

为控制新建隧道施工造成的地层变形，采用超长管幕＋注浆的方式对地层进行加固。为减小和阻隔地层变形，管幕施工采用全封闭式“口”字形布置。钢管管幕总数为60根，970 mm、壁厚16 mm。超长管幕布置如图3所示。

图3　超长管幕布置示意图（单位：mm）Fig.3 Schematic diagram of superlong piperoof（mm）

管幕施工中，进出洞门是重要环节。施工前，在进洞口处安装双层橡胶止水圈，将止水圈安装在带法兰盘的固定尺寸钢管上，外侧用钢板压紧。管幕顶进中，向管道外壁压入减阻泥浆，由此在管道外围形成泥浆套，减小摩擦因数，降低顶进摩阻力。在新建隧道施工过程中，将超长管幕与初期支护的格栅进行点焊连接，以此实现刚性连接。管幕采用分节顶进的方法，各管节的长度不小于10 m。管幕外环状注浆在顶进施工完成后进行。

另外，为增加土体强度、减少施工引起的地层变形，对新建隧道掌子面前方土体进行注浆加固。其中，非跑道区采用WSS双液深孔注浆，每20 m为一个循环，搭接长度为3 m；跑道区采用水平旋喷注浆，每30 m为一个循环，前后搭接长度为3 m。同时，对管幕两侧2 m范围内的土体采用WSS双液注浆加固，避免土层滞水和流砂进入暗挖面，减小外侧土体沉降。

2.2十导洞分步暗挖法

为减小新建隧道施工对地层的扰动，根据新建隧道断面形状和尺寸，采用十导洞分步暗挖的方法进行施工，具体施工步骤如图4所示。

各洞室采用上下台阶法施工，上下台阶开挖间距为3～5 m，上下导洞间距不小于10 m。导洞开挖示意图如图5所示。

图4　隧道施工步序图Fig.4 Construction sequence of tunnel

图5　导洞开挖方法示意图（单位：m）Fig.5 Schematic diagram of pilot tunnel construction（m）

2.3锁脚锚管

各导洞施作锁脚锚管以控制隧道竖向和水平向变形。锁脚锚管施作位置为格栅节点处或上台阶底部，材料为DN32水煤气管。锁脚锚管长2.5 m，外插角度为30°左右，锁脚锚管管内全长注浆，压力为0.4～0.6 MPa。采用小导管注浆的方式填充新建隧道与管幕之间的空隙。其中，小导管直径为25 mm，长度2.5 m，外插角为6°～10°。锁脚锚管布置如图6所示。

图6　锁脚锚管布置图Fig.6 Layout of locking bolt

2.4初期支护

初期支护结构采用HM300×200型钢，临时中隔墙与仰拱采用I22a工字钢。2榀钢架之间（内外侧）设22 mm纵向拉筋，拉筋环向间距1.0 m，呈梅花形布置。在钢架内外铺设2层钢筋网片（6.5＠150 cm× 150 cm），后喷射混凝土。

3　实测变形分析

3.1地表测点布置

为监测新建隧道施工对非停运跑道的扰动，在中央跑道中心线附近位置设置3个断面，里程为GK0＋620.626，GK0＋613.126，GK0＋605.626，断面标号为D1，D2和D3，断面间距为7.5 m。

跑道底面与新建暗挖隧道顶面距离约6 m，以新建隧道中心线为中心对称轴布置地表沉降测点。每个断面布置11个测点，测点横向总距离为59 m，测点依照跑道中心线对称布置，从北向南距离跑道中心线距离分别为29.6，19.6，14.6，9.6，4.95，0，4.85，9.4，14.4，19.4，29.4 m，测点编号依次为DX－1，DX－2，DX－3，DX－4，DX－5，DX－6，DX－7，DX－8，DX－9，DX－10，DX－11。测点布置如图7和图8所示。

图7　地表沉降测点布置立面图（单位：mm）Fig.7 Elevation drawing showing arrangement of ground surface settlement monitoring points（mm）

3.2隧道施工地表横向变形经验公式

新建隧道开挖引起的横向地表沉降可用Peck公式［9］表示为

式中：A为开挖面积；S（x）为距离隧道中心轴线为x处的地表沉降，mm；i为从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离，m；Vl为地层损失率。

沉降槽宽度i可表示为

式中：K为地表沉降槽宽度系数；z0为新建隧道轴线深度。

图8　地表沉降测点布置平面图Fig.8 Plane layout of ground surface settlement monitoring points

3.3地表横向变形规律分析

3个断面地表变形如图9—11所示，地表变形Peck公式拟合结果如表1所示。

图9　断面D1地表变形Fig.9 Ground deformation of D1

图10　断面D2地表变形Fig.10 Ground deformation of D2

图11　断面D3地表变形Fig.11 Ground deformation of D3

表1　大断面隧道施工地表变形Table 1 Ground deformation caused by construction of large crosssection tunnel

从图9—11及表1可以看出：

1）新建大断面隧道采用超长管幕十导洞分步暗挖法施工，3个断面最大沉降为8.43～9.81 mm，平均为9.28 mm，各断面地表最大沉降均位于新建隧道中心线附近。尽管十导洞分步暗挖法施工顺序由两侧向中心施作，但由于隧道开挖面积大，隧道两侧支护及时、刚度大，群洞效应明显，因此，施工引起的地层变形传递到地表后仍呈现中心小、两侧大的变形规律。

2）3个断面变形拟合得到的确定调节系数为0.942～0.956，平均为0.951。从拟合得到的确定调节系数可知，十导洞分步暗挖法施工造成的3个断面地表变形均符合Peck公式。

3）3个断面隧道所处地层为粉质黏土地层，实测地表变形拟合得到的K值为1.797～2.009，平均为1.903。韩煊等［10］建议地表K值取0.3～0.6，拟合得到的K值远大于该数值，为建议数值的3～6倍。由此说明，超长管幕以及机场跑道的存在对新建隧道施工引起的地层变形具有阻隔及扩散作用，从而造成K值的增大。

4）3个断面变形拟合得到的Vl为0.195%～0.205%，平均为0.201%，与北京地区常规施工方法（Vl＝0.22%～6.90%［10］）相比，Vl值较低。由此说明，与常规的浅埋暗挖法相比，超长管幕下十导洞分步暗挖施工方法的地层损失率处于较低水平，控制地层变形

效果良好，可以满足穿越工程对地层变形的要求。

4　结论与讨论

本文通过对北京首都国际机场联络通道下穿跑道施工方案及引起的地表变形进行分析，得到以下结论：

1）新建隧道大断面下穿机场跑道采用超长管幕下十导洞分步暗挖施工方法进行施工，跑道地表最大沉降值平均为9.28 mm，控制变形情况良好，说明控制对策切实可行。

2）对机场跑道3个断面变形采用Peck公式进行拟合，得到的确定调节系数平均为0.951，说明大断面隧道施工引起的地表变形符合Peck公式。

3）变形拟合得到的K值平均为1.903，为北京地区常规数值的3～6倍，说明超长管幕的存在对新建隧道施工引起的地层变形具有阻隔及扩散作用，从而造成K值的增大。

4）变形拟合得到的Vl值平均为0.201%，略低于北京地区常规施工方法水平，说明超长管幕下十导洞分步暗挖施工方法地层损失率较低、控制地层变形效果良好，可以满足穿越工程对地层变形的苛刻要求。

由于Peck公式未能考虑新建隧道形状对地层变形的影响，因此，在后续工作中，应将隧道形状对地层损失率和沉降槽宽度系数的影响进行研究。

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Study on Construction Countermeasures for and Ground Deformation Rule of Construction of Large Crosssection Tunnel Crossing underneath Existing Airport Runway

FENG Jianlin
（Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，Guangdong，China）

Abstract：The tunnel between Terminal 3 and Terminal 2 of Beijing Capital International Airport is a large crosssection singlestory doublearch tunnel with shallow cover.The tunnel，which crosses underneath a runway of the airport，is constructed by means of 10pilot sequential excavation method under the protection of long pipe roof.In the paper，the ground deformation caused by the tunnel construction is analyzed.Conclusions drawn are as follows：1）The average of the maximum ground surface settlement caused by the tunnel construction is 9.28 mm，and the ground deformation has been brought under effective control，which shows that the application of the long pipe roof to protect the construction of the shallow tunnel is feasible；2）The average of the adjustment coefficient obtained from the deformation fitting of three crosssections is 0.951，and the ground surface deformation is consistent with the Peck formula；3）The average of the K value obtained from the deformation fitting is 1.903，which is 3～6 times the common value in Beijing；the pipe roof can barrier and diffuse the ground deformation caused by the construction of the tunnel；4）The average of the Vlvalue obtained from the deformation fitting is 0.201%，which is slightly smaller than the common value in Beijing.

Key words：tunnel；tunneling across underneath existing airport runway；pipe roof method；ground surface deformation

作者简介：冯建霖（1982—），男，湖北当阳人，2009年毕业于西安建筑科技大学，防灾减灾工程专业，硕士，工程师，主要从事地铁车站、隧道等地下工程方面的结构设计工作。

收稿日期：2015－02－03；修回日期：2015－03－05

中图分类号：U 455.4

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）05－0473－05

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.014