盾构隧道穿越机场跑道的施工方法

摘要

本发明涉及一种盾构隧道穿越机场跑道的施工方法，包括：一、设计优化，包括优化隧道轴线线路、统一沉降控制标准、特殊衬砌环设计、优化衬砌防水；二、优化盾构设备，包括优化同步注浆浆液及注浆设备、优化同步注浆孔、盾构机开孔；三、施工监测，包括人工水准测量、自动监测跑道表面沉降、自动监测路肩沉降；四、盾构穿越机场跑道，包括划分阶段控制区、设定土压力、控制推进出土量、改良土体、控制推进速度、同步注浆、拼装隧道衬砌管片、盾构穿越后的二次注浆；本发明不仅实现了盾构穿越机场跑道的施工，也确保了机场的正常运营。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种盾构掘进机施工方法，特别是一种盾构隧道穿越机场跑道的施工方法，属于建筑工程领域。

背景技术

近年来，我国开展大规模的城市市政工程建设，由于受城市用地、城市交通立体化的要求，向地下发展的工程越来越多，尤其是全国几个重要的城市都已经开展了地下铁路的建设工程，盾构法隧道施工得到了广泛应用。从盾构法隧道施工在工程应用的情况来看，我国应用土压平衡盾构、双圆盾构、大型泥水盾构等完成了多个复杂工况的施工，取得许多成功经验和技术积累，并形成了以机械制造、土木工程、工程信息为一体的综合性系统技术。

但是，城市现代化、功能密集化的发展趋势对工程施工要求越来越高，在许多地下工程中，受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制，使得传统的施工方法难以适用。例如穿越已运营机场跑道施工，从安全性、经济性、适用性等综合因素选择，可采用盾构隧道穿越机场跑道的施工方法。

经过对现有技术的文献检索发现，米思兴、夏才初等在《地下空间与工程学报》（第3卷第2期）上发表《机场跑道地下穿越方案与研究》一文，该文介绍了在运营跑道下实施地下穿越难度很大，而目前国内外软土地区在跑道下实施地下穿越工程很少，该文在分析浦东机场地质条件、线路布置、线路断面以及施工的限制条件的基础上，分析了明挖法、管幕箱涵法、盾构法等几种不同方案的可行性，并从安全、工期、经济等方面进行了综合比较。但其对盾构法穿越机场跑道的施工工法制定以及施工过程中的各参数如何实施无详细描述，如何控制后期沉降无详细描述。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供一种可在机场不停航的情况下实施盾构隧道穿越机场跑道，且可有效控制机场跑道的沉降和倾斜，确保机场正常安全运营的施工方法。

为达到上述目的，本发明提供一种盾构隧道穿越机场跑道的施工方法，其包括：

1、优化设计

（1）优化隧道轴线线路：平面穿越机场跑道段线路采用直线，纵断面穿越机场跑道段线路采用小坡度下坡施工，并增加线路埋深；

（2）统一沉降控制标准：施工区域与周边产生的沉降差异≤10mm，道面倾斜≤1‰；

（3）特殊衬砌环设计：隧道衬砌结构全部采用钢筋钢纤维-聚丙烯纤维复合混凝土，且在管片内侧增加一道以遇水膨胀弹性体为主的密封垫，并在下穿机场跑道、机场滑行道和停机坪处，衬砌环的每环管片除封顶块外，每块管片增加注浆孔；

（4）优化衬砌防水：盾构隧道管片接缝密封垫采用多孔断面三元乙丙胶弹性密封垫与遇水膨胀类材料相复合，并在管片接缝外沿均增设一道挡水条；

2、优化盾构设备

（1）优化同步注浆浆液及注浆设备：改良同步注浆浆液与注浆设备，同步注浆浆液采用高比重单液浆，主要配料有粉煤灰、膨润土、石灰、砂、水、添加剂；

（2）优化同步注浆孔：增加通向盾构盾尾的注浆管路和注浆孔；

（3）盾构机开孔：在盾构机开口环和盾尾环环向增加注浆孔；

3、施工监测

（1）人工水准测量：沿隧道轴线布设轴线沉降点，在垂直于隧道轴线方向，在跑道区域布设人工沉降断面，该断面中心基本与隧道上、下行轴线中心位置一致，断面上设监测点，每天机场停航后人工测量上述监测点一次；

（2）自动监测跑道表面沉降：通过全站仪对待测区域进行自动无棱镜扫描，得出待测区域的三维坐标，并与原始数据比较得出表面位移变化量，并将人工监测数据与自动监测数据进行对比分析；

（3）自动监测路肩沉降：于跑道两侧路肩外侧，连续布设电子水平尺进行自动监控沉降；

4、盾构穿越机场跑道

（1）划分阶段控制区：将整个盾构穿越主跑道划分为四个施工控制阶段，即试验段、穿越前控制段、穿越段和穿越后控制段，并将跑道划分区域与盾构推进的环号一一对应；

（2）设定土压力：首先根据土体静压力公式P=K0×γ×z，通过试验段的监测数据反馈确定K0值，并根据确定的K0值计算穿越前控制段和穿越段的切口平衡压力P，并按该切口平衡压力P进行施工控制；

（3）控制推进出土量：盾构推进出土量控制在理论出土量的98％～100％之间，从而防止超挖或欠挖；

（4）改良土体：通过加泥加水系统向刀盘前压注膨润土浆改良盾构刀盘前土体，通过盾构机背部增加的注浆孔向外压注膨润土浆进行减摩改良；

（5）控制推进速度：盾构掘进速度控制在20～30mm/min；

（6）同步注浆：每推进一环同步注浆量控制为2.5m3～4.6m3，并根据地层变形监测数据以每次0.2 m3进行调整，同步注浆开启上下各两个注浆孔，上下注浆量比例为3:2～2:1，另外增加复数个的注浆孔作为备用；

（7）拼装隧道衬砌管片：隧道衬砌由六块预制钢筋混凝土管片拼装而成，成环形式为小封顶纵向全插入式；

（8）盾构穿越后的二次注浆：二次注浆浆液采用双液浆，有A液和B液组成，其中A液为水泥和水，B液为水玻璃；

在所述优化设计步骤中增加线路埋深，保证穿越跑道时的覆土不小于20m；

所述同步注浆浆液的浆液密度>1.9g/cm3，坍落度10～14cm，屈服强度≥600Pa，抗压强度（28天）≥1Mpa；

所述二次注浆浆液采用双液浆，有A液和B液组成，其中A液为32.5级水泥和水，B液为水玻璃，其配比为水泥1000kg:水1000L:水玻璃250L。

本发明的一种盾构隧道穿越机场跑道的施工方法通过优化隧道线路、优化衬砌结构及防水设计，减少施工中和建成后对机场跑道等环境造成不利的影响，保证飞机的正常运营；监测手段以自动监测为主、人工监测为辅的结合方式，符合机场不停航运营的要求，并为施工提供及时可靠的数据；通过对同步注浆浆液的优化和注浆设备的改造，解决了道面沉降控制的高标准，从而实现在机场不停航情况下盾构穿越跑道，使盾构施工技术迈上了一个新的台阶。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下具体实施例：

一轨道交通区间段盾构穿越机场跑道，该工程采用两台φ6.34m的土压平衡盾构进行施工，盾构机壳体长度为7.89m，隧道的外尺寸为φ6.2m，上行线隧道长度为1826.4m，下行线隧道长度为1825.2m。两台盾构机有机场东侧始发井出洞，然后穿越运营中的停机坪和跑道，再穿越规划中的新建跑道和停机坪以及航站楼，最后到达机场东站的东端头井。

机场运输吞吐量大，隧道需按照不停航要求进行施工，且机场内滑行道及飞机跑道属禁区，如此给施工带来很多困难。

该区间隧道处与运营机场影响范围内约为541m，其中盾构穿越停机坪范围约为75m，穿越已运营跑道范围为58m，其跑道结构为240mm厚水泥碎石基层＋220mm厚水泥碎石基层＋380mm厚水泥混凝土。穿越现有跑道时隧道覆土厚为23.13m，盾构所处土层为⑤2层灰色砂质粉土。

本发明的一种盾构隧道穿越机场跑道的施工方法，其具体实施例为：

第一、优化设计

（1）、优化隧道轴线线路

鉴于机场跑道变形控制指标要求高，从减小对机场跑道的不利影响角度进行线路优化。

①　为了避免因曲线施工产生的纠偏操作导致土体损失，平面穿越机场跑道段线路采用直线；故盾构穿越机场跑道段线路采用直线，水平夹角73°。

②　线路纵断面穿越机场跑道段线路尽量采用小坡度下坡施工，盾构出洞后以－2‰下坡接R3000竖曲线转为－28‰下坡，再接R5000竖曲线，到达既有跑道下方，然后以－3‰下坡穿越跑道至泵站，随后转为14.803‰和25‰的上坡，以平坡进洞。 

③　为增加线路埋深，空港一路站设计为两层半车站，线路出站后以大坡度下坡，以保证穿越跑道时的覆土不小于20m。

（2）、统一沉降控制标准

为弥补现有盾构穿越机场跑道沉降控制标准的空白，在施工前详细收集与机场跑道沉降相关的要求，统一道面差异沉降、道面倾斜等标准：

①　道面高程，施工区域与周边产生的沉降差异≤10mm, 后期沉降控制≤50mm；

②　道面倾斜≤1‰。

（3）、特殊衬砌环设计

为确保区间隧道在施工阶段和运营阶段与隧道上部飞机跑道运营相互的影响减到最低，隧道衬砌结构全部采用钢筋钢纤维-聚丙烯纤维复合混凝土，且在管片内侧再增加一道以遇水膨胀弹性体为主的密封垫加强止水。

在下穿机场跑道、机场滑行道和停机坪处，衬砌专门设计成增加预埋注浆管特殊衬砌环，本实施例的区间隧道第880环～908环,第952环～1356环（环，隧道距离的一种表示方式）专门设计增加预埋注浆管特殊衬砌环。以往轨道交通工程中的地铁隧道，每环管片除封顶块外，每块管片有一个注浆孔，共5个注浆孔，用于控制后期沉降时壁后注浆，本实施例考虑到道面沉降控制指标高，所有在机场道面下的衬砌环的管片，除封顶块外，每块增加了两个注浆孔，总共15个注浆孔，通过不同注浆孔的选择使二次注浆更具有针对性，也避免了多次壁后注浆发生注浆孔堵塞影响后期沉降控制。

（4）、优化衬砌防水

由于圆形盾构隧道在飞机行驶跑道下穿越，超重动荷载反复的加载造成隧道管片接缝频繁的张缩，为此，本发明对对接缝密封垫的防水与耐久性进行了优化；盾构隧道弹性密封垫采用多孔断面三元乙丙胶弹性密封垫与遇水膨胀类材料相复合，充分利用密封垫弹性压密止水与膨胀止水的双重止水功效；另外还在本实施例区间隧道所有衬砌管片接缝外沿均增设了一道挡水条，形成三道防水。

第二、优化盾构设备

（1）、优化同步注浆浆液及注浆设备

改良同步注浆浆液，采用高比重单液浆，其主要配料有粉煤灰、膨润土、石灰、砂、水、添加剂，其中，同步注浆的浆液密度>1.9g/cm3，坍落度10～14cm，屈服强度≥600Pa，抗压强度（28天）≥1Mpa；该同步注浆浆液能在压注初期就具有较高的屈服值，同时压缩性和泌水性小，可有效控制地面沉降和隧道上浮；

另外还需改良注浆设备，本实施例区间隧道同步注浆采用大比重浆液，为确保大比重浆液的压注效果，本发明增加一套双出料口注浆系统代替原盾构机的同步注浆系统，同时增加了一节车架，用于布置注浆搅拌桶、注浆泵及配套设施。

（2）、优化同步注浆孔

盾构调试时将原通向盾尾为4套注浆管路和8个注浆孔改为8套管路12个注浆孔，从而确保盾构施工过程中能有效控制地面沉降，减少对机场正常运营秩序的影响。

（3）、盾构机开孔

盾构调试时在盾构机开口环和盾尾环环向增加5个注浆孔，用于盾构减摩、盾构背土、盾构进、出洞止水加固时向盾构机外部压注浆液。

第三、施工监测

（1）、人工水准测量

通过建立水准测量监测网，参照Ⅱ等水准测量规范要求用精密水准仪引测各点高程；考虑到机场的实际情况，由于测量时间短，且均在夜间测量，而每次测点数多，需要有效控制误差，减少出错几率，所以提高测量精度及效率，采用最小读数为0.01mm的电子水准仪。

沿隧道轴线布设轴线沉降点，间距为6m。在垂直于隧道轴线方向，在跑道区域每间隔30m布设1组长约68m的人工沉降断面，断面中心基本与隧道上、下行轴线中心位置一致，断面上每3m设1监测点，共20点，测点布设后读取初始值，频率为每天机场停航后测量一次，人工测量主要以复核机场跑道面的差异沉降为主。

（2）、自动监测跑道表面沉降

考虑到机场工程的特殊性，监测工作因尽量减少监测点的埋设对跑道结构的不良影响，监测手段以自动监测为主；自动监测采用全站仪自动监测（无棱镜）方式，可将人工监测数据与自动监测数据进行对比分析，以确保监测数据的准确性和可靠性。

根据现场情况，在跑道草坪60~70m外布设1个观测平台和利用草坪区的观测平台，架设2台全站仪，另于盾构推进影响范围外远端且不影响飞机起降的区域布设8～10个棱镜，作为静止参考点；在观测区域内，通过机载程序设定不大于3m*3m的监测网格，其交点即为监测点，通过全站仪控制集成软件对待测区域进行自动无棱镜扫描，得出待测区域的三维坐标，并与原始数据比较得出表面位移变化量，测量频率为15分钟/次测回。

（3）、自动监测路肩沉降

为获得穿越跑道前和穿越跑道后垂直于轴线方向的差异沉降，于跑道两侧路肩外侧，连续布设电子水平尺进行自动监控沉降；每把电子水平尺长2m，水平尺两端采用膨胀螺丝固定，电水平尺连续布置长度超过上下行线隧道外侧边缘各１倍D（D为隧道直径），本实施例中，电水平尺连续布置长度超过上下行线隧道外侧边缘各6.2m，总长度为36m；将每把水平尺的导线连出到集线箱，并通过无线方式将数据传送至计算机中。

第四、盾构穿越机场跑道

（1）、划分阶段控制区

根据盾构穿越的工况特点，将整个盾构穿越主跑道划分为四个施工控制阶段，即试验段、穿越前控制段、穿越段和穿越后控制段；跑道划分区域与盾构推进的环号一一对应；本实施例盾构穿越主跑道的试验段为50m，穿越前控制段为29.4m，穿越段为 81.6 m，穿越后控制段为30m。

（2）、设定土压力

根据土体静压力公式P=K0×γ×z，和据掌握的地质情况及隧道埋深等情况，进行理论计算切口平衡压力P，其中K0为土体侧向压力系数，γ为土容重，z为深度。

盾构在掘进施工中具体施工设定值根据盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行不断的调整；盾构机穿越主跑道环号为384环～441环，隧道埋深22.5m，实际土压力设定值为0.43Mpa，略高于理论土压力设定值。

（3）、控制推进出土量

每环理论出土量V＝/4?×d2×L＝/4?×6.342×1.2＝37.86（m3），其中，d为盾构机直径，L为管片环宽；

本实施例的管片环宽为1.2m，盾构机直径为6.34m，每环理论出土量为37.86m3，盾构推进出土量应控制在理论出土量的98％～100％之间，每10方土箱推进30cm并详细记录，防止超挖或欠挖。

（4）、改良土体

当盾构机刀盘前土体较为密实，会影响到刀盘扭矩控制、影响盾构掘进速度时，通过加泥加水系统向刀盘前压注膨润土浆等进行土体改良；当盾构机背土使道面产生较大沉降时，通过盾构机背部增加的注浆孔向外压注膨润土浆等进行减摩改良。

（5）、控制推进速度

施工过程中尽量保持低速、稳定推进，确保盾构均衡、匀速地穿越跑道，减少盾构推进对周边土体的扰动，以免对房体产生不利影响，盾构掘进速度控制在20～30mm/min。

（6）、同步注浆

每环的压浆量一般为建筑空隙的150％～270％，即每推进一环同步注浆量为2.5m3～4.6m3，泵送出口处的压力应控制在略微大于隧道周边的水土压力，注浆施工参数应根据地层变形监测数据以每次0.2 m3进行调整；同步注浆开启上下各两个注浆孔，上下注浆量比例为3:2～2:1之间，本实施例下行线压浆量控制在4 m3/环，上下比例为2.6:1.4。上行线压浆量控制在4.6 m3/环，上下比例为3:1.6；另外增加8个注浆孔作为备用，当发现注浆堵塞后启用同一位置的备用注浆孔，并清理堵塞的注浆孔。

（7）、拼装隧道衬砌管片

隧道衬砌由六块预制钢筋混凝土管片拼装而成，成环形式为小封顶纵向全插入式，管片在拼装前要清除盾尾拼装部位的垃圾，千斤顶应按拼装管片的顺序相应缩回，拼装好后及时靠拢千斤顶，防止盾构后退；环面平整度、环面超前量控制、相邻环高差控制、成环管片均有纵、环向螺栓连接等指标需严格按照规范要求进行控制，相邻块管片的踏步应小于4mm，相邻环管片高差4mm，椭圆度小于12mm。

（8）、盾构穿越后的二次注浆

后期沉降控制以二次注浆为主，二次注浆时对压入位置、压入量、压力值均作详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整，确保压浆工序的施工质量，二次注浆浆液采用双液浆，有A液和B液组成，其中A液为32.5级水泥和水，B液为水玻璃，其配比为水泥1000kg:水1000L:水玻璃250L，注浆管透过注浆孔深入土体1m。

采用本发明方法后取得了如下效果：

1、盾构在机场不停航的工况下实施穿越机场跑道。

2、克服机场不停航的困难，并有效控制了机场跑道的沉降和倾斜。通过后期监测该跑道在穿越过程中沉降控制在+3.98mm－3.85mm范围内，最终沉降在＋1.54mm～－6.79mm范围内，确保机场正常安全运营。

本发明方法通过优化隧道线路、优化衬砌结构及防水设计，减少施工中和建成后对机场跑道等环境造成不利的影响，保证飞机的正常运营；监测手段以自动监测为主、人工监测为辅的结合方式，符合机场不停航运营的要求，并为施工提供及时可靠的数据；通过对同步注浆浆液的优化和注浆设备的改造，解决了道面沉降控制的高标准，从而实现在机场不停航情况下盾构穿越跑道，使盾构施工技术迈上了一个新的台阶。