阮 松

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

引言

近年来，随着我国轨道交通工程的迅猛发展，与既有城市建构筑物交叉不可避免，下穿机场等工程案例逐年增多。机场飞行区范围具有地面载重大、变形控制要求高等特点，地铁隧道穿越机场停机坪及滑行道技术难度大、控制标准严、复杂程度较常规穿越工程高。另外，由于机场的特殊性，当外部工程下穿已运营的机场时，难以实现停航施工，这对工程施工提出了挑战。

目前，国内外下穿机场的隧道工程，多数在均匀的土质或岩质地层中修建，隧道长距离穿越富水砂卵石及中风化泥岩的上软下硬复杂地层的工程经验较少。以成都地铁10号线二期工程为例，研究不停航条件下地铁区间隧道下穿机场飞行区的设计方案和风险对策。

1 工程概况

成都地铁10号线工程连接中心城区、双流机场、新津区，线路呈东北—西南走向。在双流机场2航站楼—双流西站区间，线路先后下穿机场T2航站楼、G指廊、停机坪(含输油管线，埋深2.5～3 m)及滑行道。是成都地铁建设以来首次穿越机场停机坪与滑行跑道，也是首次在富水砂卵石地层中长距离穿越机场停机坪与滑行道工程。区间下穿停机坪段埋深为 8.1～25 m，下穿滑行道段埋深约 41 m，线路平面如图1所示。

图1 线路平面示意

双流机场为国内第四大航空港，飞行区等级为4F，是国内八大区域枢纽机场之一，内陆地区的航空枢纽和客货集散地。

根据地勘钻孔揭露，穿越机场飞行区段上覆第四系全新统人工填筑土层、第四系上更新统冲洪积层，下伏白垩系上统灌口组泥岩。地层至上而下依次为：素填土、黏土、粉质黏土、中砂、卵石土、强风化及中等风化泥岩。隧道主要穿越卵石土及泥岩层，场地内地下水位埋深为 4～6 m，主要为孔隙水和基岩裂隙水，地下水不具有承压性。下穿机场飞行区段地质纵剖面如图2所示。

图2 地质纵剖面示意(单位：m)

2 下穿机场方案研究

2.1 国内穿越机场工程概述

国内隧道工程常规施工方法主要有顶进法、盾构法、矿山法及明挖法等，穿越机场方案应根据外部环境、地质条件及工程特点等综合比较后选取[1]。

在北京首都机场，采用超前管棚加固、箱涵顶进工法，在黏土地层完成了连接西跑道与4号停机坪及2号停机坪的地下通道[2-3]。

在上海地铁10号线工程，采用盾构法在黏土地层下穿虹桥机场不停航跑道及停机坪[4]；在南京至高淳城际铁路，采用土压平衡盾构机在中风化安山岩地层中穿越禄口机场停机坪及滑行道[5]；在昆明地铁首期工程，采用盾构法在粉质黏土层中下穿巫家坝机场跑道[6]；在京沈高铁望京隧道，采用盾构法下穿北京地铁机场线路基段[7-8]。

在北京首都机场T2-T3汽车通道及捷运联络线工程，采用管幕法完成大断面超浅埋暗挖隧道施工[9]；在重庆轻轨3号线，采用矿山法在岩质地层中下穿越江北机场跑道[10]；在珠三角城际铁路新塘经白云机场至广州北工程，采用矿山法在上软下硬地层中下穿机场滑行道[11]。

2.2 下穿机场设计方案对比分析

本工程下穿双流机场具备以下特点：①隧道在机场不停航条件下施工，地表变形控制要求严格；②隧道处于富水砂卵石及中风化泥岩层，地层上软下硬，施工风险较高；③线路穿越区影响范围较长，全长1.18 km；④下穿滑行道处局部埋深41 m，水压较高。针对工程特点，综合考虑机场安全性、工期、造价等方面的影响，对各工法进行对比分析，得到以下结论。

(1)安全控制性分析

矿山法施工控制沉降较难、施工风险较高，对沉降要求严格区域不宜采用；明挖法需对地面交通进行疏解、甚至停航方可施工，社会影响较大；顶进法对地层条件有一定要求，施工需设置工作井，穿越长度有所限制；盾构法施工技术较成熟、沉降控制能力较强，在一定埋深情况下可适用于下穿机场等复杂环境。

(2)线路适应性分析

矿山法适应各种线路条件，但埋置深度不宜过大；明挖法对线路的适应性也较强，但出于造价等考虑，通常应用于浅埋工程；盾构法对线路曲线半径、纵坡、线间距等均有要求，其线路适应性相对较差，但其在线路埋深较大时具有一定优势。

(3)工期和造价适应性分析

盾构法设备较复杂、初期投入高，但线路较长时工期和造价较优；矿山法需采用辅助措施控制变形，其费用高、工期长，经济性较差。

结合本工程特点，综合安全、线路条件、工期及造价分析比选，区间推荐采用盾构法施工。

2.3 安全措施设计

(1)线路平纵断面优化

线路平面设计时，应优化线路与机场的平面关系，在穿越机场停机坪及滑行道段尽量采用直线或大半径曲线，以减少曲线施工纠偏引起的土体损失，同时缩短下穿机场施工的时间。

线路纵断面设计时，在满足线路技术条件的基础上，应尽量加大飞行区线路埋深，以减小盾构施工时地层损失对道面的影响。线路出T2航站楼盾构井后随即以28‰坡度下坡，应通过快速增大埋深保证穿越停机坪第1根输油管道时净距大于1倍洞径。隧道穿越滑行道时，应深入泥岩4～5 m(埋深达到 42 m)，并纵向设置5‰缓坡，以保证此处盾构掘进姿态为小坡度俯挖施工，将施工难度及风险控制到最小。

(2)盾构机优化改造

针对本工程地质、水文条件、地上建筑物、地下构筑物及周边环境等情况，选用复合式土压平衡盾构机，为满足盾构机长距离、高水压下穿越停机坪要求，对盾构机做如下优化设计。

①刀盘：刀盘、盾体采用分块设计制造；增大刀盘开口率至33%，充分考虑破碎大卵石、漂石的要求，为可能出现的地层情况做充分考虑。

②密封系统：驱动密封、外密封采用聚氨酯；盾尾密封采用2道盾尾刷+1道钢板束，为大埋深、泥岩地层及泥岩与砂卵石交界地层的安全掘进提供保障。

③螺旋输送机：螺旋机筒径为920 mm，可通过粒径为350 mm×540 mm，为可能出现的大直径卵石排放提供了有利条件。

④刀具：配置了超挖刀，为解决盾构机在泥岩地层推进上浮等问题提供设备保障。

⑤渣土改良：采用单路单泵的配置，并提高膨润土的注入能力；另外，还应在盾体隔板上预留多个注入口，用于注入聚合物或其他渣土改良剂，使得渣土改良变得容易且更有针对性。

(3)下穿停机坪段安全处理措施

①施工前停机坪空洞探测

施工前，利用夜间机场停航时间，对线路影响范围内停机坪进行陆地声纳法地质探测，及时发现空洞并填充注浆。

②注浆加固处理措施

探测发现空洞后，从停机坪表面向下打设φ42钢花管，注入水泥砂浆对停机坪底部空洞进行填充，注浆完成后封堵注浆孔。

③沉降控制措施

在掘进过程中，利用前盾上带阀门的预留注浆孔向地层注入克泥效浆液，填充刀盘开挖面与盾体之间的空隙，缓解同步注浆前地层损失造成的沉降。

④施工后停机坪空洞探测

施工完成后，利用夜间机场停航间隙，再次对线路通过区域进行陆地声纳法地质探测，监测频率为1次/月，持续周期为2年，如发现空洞应及时填充。

(4)下穿滑行道段安全处理措施

结合成都地区的盾构施工经验，当隧道埋深超过25 m或者进入中风化泥岩以后，施工引起的地面沉降很小，一般在10 mm以内，甚至达到“零沉降”。通过上述线路纵断面调整，使线路在滑行道前深入中风化泥岩，确保埋深要求。

(5)下穿停机坪输油管道保护措施

本工程穿越4条输油管线，输油管线为φ350 mm、φ400 mm的钢管，埋深为1.6～3.0 m。输油管线材质为无缝钢管，设计压力为1.6 MPa。施工过程中，地表若产生过大的沉降，会造成输油管道破裂，航油泄露，也会对周边的坏境造成影响。输油管需采取以下保护措施。

①盾构管片增设注浆孔，从洞内对隧道周圈进行二次注浆，注浆厚度为3 m，如图3所示。

图3 输油管道加固示意(单位：m)

②考虑杂散电流可能对航油管道造成腐蚀，通过增大道床杂散电流收集网截面、增设回流电缆、上下行轨道间增设均流电缆等措施对杂散电流进行防护。另参照广州白云机场成功经验，增设排流柜进行杂散电流防护补强。

③结合10号线一期工程实施的成功经验，对输油管道前后一定范围内的管片采用高渗透性环氧树脂加强防水，以防可能泄漏的油气进入区间隧道。

(6)停机坪下联络通道安全措施

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》，联络通道间距不应超过600 m，停机坪范围内需设置1处。结合现场情况，将1号联络通道设在停机坪中部对沉降相对不敏感的飞机对头处[12-13]。由于处于高富水砂卵石地层，且地面无降水条件，经综合比选，采用冻结法加固止水方案。结合本区间情况，选取机场范围外地质条件、埋深相近的6号联络通道作为冻结法试验段，用于采取数据、总结经验，指导停机坪下1号联络通道设计、施工。相关的联络通道布置见表1。

表1 机场范围联络通道布置

3 变形控制标准

依据相关规范标准及文献，参考以往国内已实施案例，经综合分析，确定停机坪及滑行道变形控制值为10 mm[14-15]。机场飞行区相关监测控制值见表2。

表2 机场飞行区监测控制值

4 数值模拟分析

采用MIDAS_GTS岩土与隧道分析软件，建立“地层-结构”模型，土体采用实体单元、本构选用摩尔库伦准则；盾构管片采用板单元，本构选取弹性准则计算。在模型底部施加竖向固定约束，四周施加法向位移约束，地表为自由面。

图4 停机坪段模型

图5 航油管线与盾构隧道关系示意

选取停机坪内距离盾构管片最近处输油管道以及下穿滑行道段建立模型，对隧道施工过程中引起的地表及管线沉降进行数值分析。输油管处盾构埋深约9 m，管线与管片净距为7 m；滑行道段盾构埋深约42 m。下穿段地层参数见表3，下穿输油管处模型见图4、图5。经数值计算得到地表沉降曲线，可以看出，地表横向沉降基本呈正态曲线分布。盾构施工过程中，最大沉降发生在两隧道之间位置。停机坪段航油输油管线最大沉降5.4 mm，地表最大沉降值5.71 mm；滑行道最大沉降值2.56 mm，沉降值均在控制标准范围内，能保证机场的安全运营要求。输油管线及地表竖向变形如图6、图7所示。

表3 地层物理力学指标

图6 航油管线竖向变形云图(单位：m)

图7 地表沉降曲线

5 施工监测

5.1 监测方案

传统人工监测技术在高密度运营的机场停机坪及滑行道内无法实施，且不能满足大量数据采集、分析、及时准确反馈的要求。因此，本工程采用远程自动监测系统对运营跑道道面、停机坪及其下部土体变形进行24 h实时监控量测，监测内容见表4。

表4 监测项目及仪器

5.2 监测结果

第三方监测单位对下穿机场段实施了全过程的监控量测，监测表明，停机坪最大沉降量为6.97 mm，滑行道最大沉降量仅1.98 mm，最终沉降量均控制在标准以内。各项指标满足预期，盾构隧道已于2018年10月安全穿越双流机场飞行区段。

6 结语

(1)针对穿越双流机场停机坪及滑行道不停航、砂卵石地层地下水发育、线路埋深大、穿越距离长等特点，经对比分析，推荐采用盾构法施工。

(2)停机坪段航油输油管线最大沉降量为5.4 mm，最大地表沉降量为5.71 mm，滑行道段最大地表沉降量为2.56 mm，均满足变形控制标准10 mm的要求。因此，采用的施工措施能保证下穿施工的安全及环境保护要求，方案可行。

(3)采用远程自动监测系统进行信息采集，保证观测数据及时、准确、全面，实现信息共享、动态施工。施工监测停机坪最大沉降为6.97 mm，滑行道最大沉降为1.98 mm，与模拟结果基本吻合，符合预期。

(4)以减小工程实施对机场环境影响、降低安全风险为出发点，通过优化线路平纵断面、改造优化盾构机、动态空洞探测及填充、盾构壳体外克泥效填充、拱部二次注浆、加强针对输油管的杂散电流防护、冻结法加固施工联络通道等一系列切实可行的措施，保证隧道施工及机场运行安全，成功经验可供其他类似下穿机场工程借鉴。