盾构隧道下穿机场飞行跑道沉陷控制三维数值分析_肖明
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对于机场场道地基的允许沉降量，世界各主要国家 都没有明确的统一规定。国际民航组织也未制定出详细 标准。尽管世界各国对机场跑道区的地基允许沉降量无 明确的规定，但相对而言，世界各国在软基上修建高速公 路却积累了较多的经验。机场场道工程对基础的要求及
对道面平整度的要求与高速公路的要求是极其相近的。 例如日本高速公路的要求3 年允许残余沉降量 ≤ 10 cm； 美国残余沉降量控制在 25 ～ 50 cm，但控制不均匀沉降 S / L ≤ 1 /600； 中国残余沉降量控制在 25 ～ 35 cm［3］。
摘要： 当采用盾构隧道穿越机场跑道时，盾构隧道的设计和施工对飞行区跑道的沉陷变形产生较大影响。如何控制飞行区跑道的
沉陷，保证盾构隧道施工的安全，是盾构隧道下穿跑道设计的关键。本文采用三维数值分析方法，对昆明轨道交通首期工程的巫家
坝站 — 奥体中心站区间下穿巫家坝国际机场跑道盾构施工引起的飞行区跑道沉陷、盾构掘进对周围土体扰动、不同隧道埋深对跑
第 31 卷 增刊 1 2011 年 8 月
隧道建设 Tunnel Construction
Vol. 31 Sup. 1 Aug. 2011
盾构隧道下穿机场飞行跑道沉陷控制三维数值分析
肖 明1，2 ，来 颖1，2
（ 1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；
2. 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，武汉 430072）
差异沉降
差异沉降
面 道面倾斜
≤ 0. 1% 道面倾斜
≤ 0. 1%
沟 顶 工 程： 穿 越
沟 顶 工 程： 穿 越
其 区域 与 周 边 产 生 的 ≤ 10 mm 区域 与 周 边 产 生 的 ≤ 50 mm
差异沉降
差异沉降
沟体位移 他
道5 mm ≤ 0. 1%
Abstract： When shield machines are adopted in the excavation under airport runways，the design and construction of shield tunnel will suffer from the subsidence deformation． How to control the subsidence of the airport runways and how to ensure the safety of the construction of shield tunnel is the key． In this paper，3D numerical methods are employed to analyze the subsidence of airpotr runway induced by shield construction，the disturbance of surrounding soil induced by shield excavation and the affection of the runway subsidence under different tunnel depths of the shield excavation on Wujiaba Station and Olympic Sports Center Station section of the first phase of Kunming rail． Related information are collected so as to propose the control standards of runway subsidence，3D numerical methods are employed to get the influence area of the soil disturbance and surface subsidence． Rational depth of the shield tunnel is proposed． The paper can provide effective basis for the design of shield tunnel excavated under airport runways． Key words： shield tunnel； subsidence control； 3D numerical analysis
表1国内一些机场沉降控制标准及基础加固方法table1settlementcontrolstandardsandfoundationreinforcingmethodsinchina机场残余沉降cm差异沉降sl固结度地基处理方法温州永强6671000085袋装砂井超载顶压南宁扩建511000排水板真空预压济南遥墙55100095排水板真空预压宁波砾社51100085袋装砂井堆载预压深圳黄田511000堆载预压强夯石桩上海浦东511000浅层强夯加固福州长乐511000杭州肖山511000福建三明8151000强夯加固南京禄口511000强夯加固我国民航机场设计一般是以工后残余沉降量差异沉降固结度等项指标加以控制
我国近年来修建的一些机场对地基的残余沉降和 差异 沉 降 都 提 出 了 较 高 的 要 求，即 残 余 沉 降 ≤ 5 ～ 10 cm、差异沉降 ≤ 0. 1% ，固结度 ≥ 85% ～ 95% 。 对跑道区的地基，当最终沉降量不是很大的情况下，主 要是控制其差异沉降，而允许有一定的残余沉降，表 1 是国内近年来修建机场的采用的一些控制标准。
地面上的覆盖土层只有 5. 24 m。北京首都国际机场内 部货运车道穿越 L 滑行道箱涵顶部覆盖土层厚度仅 3. 5 ～ 6. 2 m。广东珠海机场地道工程由于地质条件不 连续，造成了地下通道在施工后产生不均匀沉降而出 现裂缝。说明地下隧道穿越机场的工程越来越多，同时 隧道的施工稳定、施工过程对机场飞行跑道引起的地 面沉陷需受到广泛重视。由于盾构施工在掘进过程中， 对土体的扰动较大，容易使掌子面土体坍塌，造成地面
收稿日期： 2011 － 05 － 11 作者简介： 肖明（ 1957—） ，男，湖南株洲人，1982 年毕业于武汉水利电力大学水工专业，研究生，教授，主要从事岩土工程和地下结构工作。
增刊 1
肖 明，等 ： 盾构隧道下穿机场飞行跑道沉陷控制三维数值分析
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沉陷，如何控制盾构引起的地面沉陷，是盾构隧道穿越 机场跑道的关键。本文针对昆明地铁隧道下穿巫家坝 国际机场跑道引起的飞行跑道沉陷、盾构掘进对周围 土体扰动、不同盾构埋深对飞行跑道沉陷影响进行了 分析研究。通过分析研究给出了盾构施工对土体扰动、 地表沉陷的影响范围，并进行三维数值模拟计算，提出 了飞行跑道沉陷的控制标准，分析了盾构隧洞埋深对 土体扰动的影响，为盾构隧道穿越机场跑道的设计提 供了有效的依据。
文章编号： 1672 － 741X（ 2011） － 0032 － 06
3D Numerical Analysis on Subsidence Control of Shield Tunnel Excavation under Airport Runways
XIAO Ming1，2 ，LAI Ying1，2
道沉陷影响进行了分析研究。通过收集相关资料给出了跑道沉陷的控制标准，采用三维数值模拟计算，给出了盾构施工对土体扰
动、地表沉陷的影响范围，提出了盾构隧道的合理埋深，为盾构隧道穿越机场跑道的设计提供了有效的依据。
关键词： 盾构隧道； 沉陷控制； 三维数值分析
中图分类号： U 455. 43
文献标志码： A
（ 1． State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China； 2． Ministry of Education Key Laboratory of Hydraulic Rock Mechanics，Wuhan University，Wuhan 430072，China）
表 2 跑道道面及其他区域（ 排水沟） 沉降控制要求 Table 2 Control standards for runways and other areas （ barrel-drain）
项
穿越过程
后期沉降控制
目
内容
指标
内容
指标
道 道 面 高 程： 施 工
道 面 高 程： 施 工
区域 与 周 边 产 生 的 ≤ 10 mm 区域 与 周 边 产 生 的 ≤ 50 mm
0 引言
随着城市建设的发展，一些地铁隧道、交通隧道不 得不穿越机场跑道。例如上海地铁 10 号线下穿虹桥机 场，采用盾构法施工。虹桥综合交通枢纽仙霞西路隧道 穿越运营中的虹桥机场绕滑道、巡航道、导航灯基座等 一系列重要设施，采用大直径的泥水盾构施工。台北复 兴北路地下穿越松山机场工程地下道在穿越跑道部分
伴随盾构推进一般会发生一定的地基变形，造成 地基变形的原因主要有以下几点： 1） 开挖面上的土水 压力不平衡导致开挖面失去稳定性； 2） 盾构推进对围 岩的扰动； 3） 盾尾空隙的产生和壁后注浆的不足； 4） 衬砌管片的变形和变位； 5） 地下水位下降。由盾构法 施工引起的地层损失和经扰动后的土颗粒再固结是形 成地面沉降的 2 个主要因素。地层损失主要是施工现 场的客观条件（ 如地质条件或施工工艺等） 和施工过 程中操作失误（ 如盾构掘进过程中各类参数设置错 误、超挖、压浆不及时等） 而引起的地层损失。土层固 结沉降主要是由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾 尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生 正、负超孔隙水压力而引起的土层压密。
固结度 / % 85
95 85
地基处理方法 袋装砂井 + 超载 顶 排压 水板 + 真空预压 排 袋水装板砂+井真空+ 预堆压载 堆预载压预压强夯石桩 浅层强夯加固
强夯加固 强夯加固
我国民航机场设计一般是以工后残余沉降量、差 异沉降、固结度等项指标加以控制。各国的机场建设均 是根据当前的工程地质条件、建设规模、采用的道面结 构等制定针对性较强的控制标准［4］。参照上述机场建 设控制要求对本工程分析计算时采用表 2 中所示的沉 降控制标准。
2 下穿昆明机场盾构隧道工程概况
昆明巫家坝国际机场位于昆明东南部，是中国最 重要的国际口岸机场和全国起降最繁忙的国际航空港 之一，是中国西南地区门户枢纽机场。机场跑道路面为
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隧道建设
第 31 卷
刚性道面，由混凝土筑成，承载能力强且具有一定的摩 擦力。跑道的结构自上而下为： 新跑道混凝土道面，层 厚 34 ～ 36 cm； 新碎石垫层，层厚 30 ～ 60 cm； 旧跑道 混凝土道面，层厚 19 ～ 22 cm； 旧碎石垫层，层厚约 40 cm； 黏土层［5］。
济南遥墙 ≤ 5 ≤ 5 /1 000
宁波砾社 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
深圳黄田 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
上海浦东 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
福州长乐 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
杭州肖山 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
福建三明 ≤ 8 ≤ 1. 5 /1 000
南京禄口 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
1 下穿机场盾构隧道沉陷控制
盾构法施工有机械化程度高、掘进速度快、施工管 理容易等 特 点［1］，但 下 穿 机 场 跑 道 时，地 表 沉 降 量 控 制、盾构开挖土体影响范围控制是工程的技术难点。不 同的地层条件和施工方式对地表沉降的要求不同。由 于盾构法施工引起隧道周围地层的松动和沉陷，直观 表现为地表沉降，受其影响，隧道附近地区的结构物将 产生变形、沉降或变位，以至使结构物机能遭受破损甚 至破坏； 因此，只有维持地层稳定性才能更好地控制周 围结构物的沉降和变形。
表 1 国内一些机场沉降控制标准及基础加固方法 Table 1 Settlement control standards and foundation reinforcing
methods in China
残余沉降 / 差异沉降
机场
cm
S/L
温州永强 南宁扩建
≤ ≤6
6. 7 /10 000 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
为了控制盾构隧道施工引起的地表沉陷对飞机起 飞降落的影响，除了在施工时采取有效措施外，还应合 理地掌握地表沉陷控制标准，使施工达到安全经济之 目的。由于目前对盾构隧道穿越机场跑道的地面沉陷 没有明确的控制标准和规范要求，不同工程中采用的 沉降变形标准亦不同［2］。例如上海轨道交通 10 号线盾 构穿越虹桥机场跑道工程中的变形控制，对于机场跑 道道面，施工过程中的产生的与周边区域土体沉降差 异小于 10 mm，且道面倾斜度需小于 0. 1% 。
对道面平整度的要求与高速公路的要求是极其相近的。 例如日本高速公路的要求3 年允许残余沉降量 ≤ 10 cm； 美国残余沉降量控制在 25 ～ 50 cm，但控制不均匀沉降 S / L ≤ 1 /600； 中国残余沉降量控制在 25 ～ 35 cm［3］。
摘要： 当采用盾构隧道穿越机场跑道时，盾构隧道的设计和施工对飞行区跑道的沉陷变形产生较大影响。如何控制飞行区跑道的
沉陷，保证盾构隧道施工的安全，是盾构隧道下穿跑道设计的关键。本文采用三维数值分析方法，对昆明轨道交通首期工程的巫家
坝站 — 奥体中心站区间下穿巫家坝国际机场跑道盾构施工引起的飞行区跑道沉陷、盾构掘进对周围土体扰动、不同隧道埋深对跑
第 31 卷 增刊 1 2011 年 8 月
隧道建设 Tunnel Construction
Vol. 31 Sup. 1 Aug. 2011
盾构隧道下穿机场飞行跑道沉陷控制三维数值分析
肖 明1，2 ，来 颖1，2
（ 1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；
2. 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，武汉 430072）
差异沉降
差异沉降
面 道面倾斜
≤ 0. 1% 道面倾斜
≤ 0. 1%
沟 顶 工 程： 穿 越
沟 顶 工 程： 穿 越
其 区域 与 周 边 产 生 的 ≤ 10 mm 区域 与 周 边 产 生 的 ≤ 50 mm
差异沉降
差异沉降
沟体位移 他
道5 mm ≤ 0. 1%
Abstract： When shield machines are adopted in the excavation under airport runways，the design and construction of shield tunnel will suffer from the subsidence deformation． How to control the subsidence of the airport runways and how to ensure the safety of the construction of shield tunnel is the key． In this paper，3D numerical methods are employed to analyze the subsidence of airpotr runway induced by shield construction，the disturbance of surrounding soil induced by shield excavation and the affection of the runway subsidence under different tunnel depths of the shield excavation on Wujiaba Station and Olympic Sports Center Station section of the first phase of Kunming rail． Related information are collected so as to propose the control standards of runway subsidence，3D numerical methods are employed to get the influence area of the soil disturbance and surface subsidence． Rational depth of the shield tunnel is proposed． The paper can provide effective basis for the design of shield tunnel excavated under airport runways． Key words： shield tunnel； subsidence control； 3D numerical analysis
表1国内一些机场沉降控制标准及基础加固方法table1settlementcontrolstandardsandfoundationreinforcingmethodsinchina机场残余沉降cm差异沉降sl固结度地基处理方法温州永强6671000085袋装砂井超载顶压南宁扩建511000排水板真空预压济南遥墙55100095排水板真空预压宁波砾社51100085袋装砂井堆载预压深圳黄田511000堆载预压强夯石桩上海浦东511000浅层强夯加固福州长乐511000杭州肖山511000福建三明8151000强夯加固南京禄口511000强夯加固我国民航机场设计一般是以工后残余沉降量差异沉降固结度等项指标加以控制
我国近年来修建的一些机场对地基的残余沉降和 差异 沉 降 都 提 出 了 较 高 的 要 求，即 残 余 沉 降 ≤ 5 ～ 10 cm、差异沉降 ≤ 0. 1% ，固结度 ≥ 85% ～ 95% 。 对跑道区的地基，当最终沉降量不是很大的情况下，主 要是控制其差异沉降，而允许有一定的残余沉降，表 1 是国内近年来修建机场的采用的一些控制标准。
地面上的覆盖土层只有 5. 24 m。北京首都国际机场内 部货运车道穿越 L 滑行道箱涵顶部覆盖土层厚度仅 3. 5 ～ 6. 2 m。广东珠海机场地道工程由于地质条件不 连续，造成了地下通道在施工后产生不均匀沉降而出 现裂缝。说明地下隧道穿越机场的工程越来越多，同时 隧道的施工稳定、施工过程对机场飞行跑道引起的地 面沉陷需受到广泛重视。由于盾构施工在掘进过程中， 对土体的扰动较大，容易使掌子面土体坍塌，造成地面
收稿日期： 2011 － 05 － 11 作者简介： 肖明（ 1957—） ，男，湖南株洲人，1982 年毕业于武汉水利电力大学水工专业，研究生，教授，主要从事岩土工程和地下结构工作。
增刊 1
肖 明，等 ： 盾构隧道下穿机场飞行跑道沉陷控制三维数值分析
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沉陷，如何控制盾构引起的地面沉陷，是盾构隧道穿越 机场跑道的关键。本文针对昆明地铁隧道下穿巫家坝 国际机场跑道引起的飞行跑道沉陷、盾构掘进对周围 土体扰动、不同盾构埋深对飞行跑道沉陷影响进行了 分析研究。通过分析研究给出了盾构施工对土体扰动、 地表沉陷的影响范围，并进行三维数值模拟计算，提出 了飞行跑道沉陷的控制标准，分析了盾构隧洞埋深对 土体扰动的影响，为盾构隧道穿越机场跑道的设计提 供了有效的依据。
文章编号： 1672 － 741X（ 2011） － 0032 － 06
3D Numerical Analysis on Subsidence Control of Shield Tunnel Excavation under Airport Runways
XIAO Ming1，2 ，LAI Ying1，2
道沉陷影响进行了分析研究。通过收集相关资料给出了跑道沉陷的控制标准，采用三维数值模拟计算，给出了盾构施工对土体扰
动、地表沉陷的影响范围，提出了盾构隧道的合理埋深，为盾构隧道穿越机场跑道的设计提供了有效的依据。
关键词： 盾构隧道； 沉陷控制； 三维数值分析
中图分类号： U 455. 43
文献标志码： A
（ 1． State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China； 2． Ministry of Education Key Laboratory of Hydraulic Rock Mechanics，Wuhan University，Wuhan 430072，China）
表 2 跑道道面及其他区域（ 排水沟） 沉降控制要求 Table 2 Control standards for runways and other areas （ barrel-drain）
项
穿越过程
后期沉降控制
目
内容
指标
内容
指标
道 道 面 高 程： 施 工
道 面 高 程： 施 工
区域 与 周 边 产 生 的 ≤ 10 mm 区域 与 周 边 产 生 的 ≤ 50 mm
0 引言
随着城市建设的发展，一些地铁隧道、交通隧道不 得不穿越机场跑道。例如上海地铁 10 号线下穿虹桥机 场，采用盾构法施工。虹桥综合交通枢纽仙霞西路隧道 穿越运营中的虹桥机场绕滑道、巡航道、导航灯基座等 一系列重要设施，采用大直径的泥水盾构施工。台北复 兴北路地下穿越松山机场工程地下道在穿越跑道部分
伴随盾构推进一般会发生一定的地基变形，造成 地基变形的原因主要有以下几点： 1） 开挖面上的土水 压力不平衡导致开挖面失去稳定性； 2） 盾构推进对围 岩的扰动； 3） 盾尾空隙的产生和壁后注浆的不足； 4） 衬砌管片的变形和变位； 5） 地下水位下降。由盾构法 施工引起的地层损失和经扰动后的土颗粒再固结是形 成地面沉降的 2 个主要因素。地层损失主要是施工现 场的客观条件（ 如地质条件或施工工艺等） 和施工过 程中操作失误（ 如盾构掘进过程中各类参数设置错 误、超挖、压浆不及时等） 而引起的地层损失。土层固 结沉降主要是由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾 尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生 正、负超孔隙水压力而引起的土层压密。
固结度 / % 85
95 85
地基处理方法 袋装砂井 + 超载 顶 排压 水板 + 真空预压 排 袋水装板砂+井真空+ 预堆压载 堆预载压预压强夯石桩 浅层强夯加固
强夯加固 强夯加固
我国民航机场设计一般是以工后残余沉降量、差 异沉降、固结度等项指标加以控制。各国的机场建设均 是根据当前的工程地质条件、建设规模、采用的道面结 构等制定针对性较强的控制标准［4］。参照上述机场建 设控制要求对本工程分析计算时采用表 2 中所示的沉 降控制标准。
2 下穿昆明机场盾构隧道工程概况
昆明巫家坝国际机场位于昆明东南部，是中国最 重要的国际口岸机场和全国起降最繁忙的国际航空港 之一，是中国西南地区门户枢纽机场。机场跑道路面为
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隧道建设
第 31 卷
刚性道面，由混凝土筑成，承载能力强且具有一定的摩 擦力。跑道的结构自上而下为： 新跑道混凝土道面，层 厚 34 ～ 36 cm； 新碎石垫层，层厚 30 ～ 60 cm； 旧跑道 混凝土道面，层厚 19 ～ 22 cm； 旧碎石垫层，层厚约 40 cm； 黏土层［5］。
济南遥墙 ≤ 5 ≤ 5 /1 000
宁波砾社 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
深圳黄田 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
上海浦东 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
福州长乐 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
杭州肖山 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
福建三明 ≤ 8 ≤ 1. 5 /1 000
南京禄口 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
1 下穿机场盾构隧道沉陷控制
盾构法施工有机械化程度高、掘进速度快、施工管 理容易等 特 点［1］，但 下 穿 机 场 跑 道 时，地 表 沉 降 量 控 制、盾构开挖土体影响范围控制是工程的技术难点。不 同的地层条件和施工方式对地表沉降的要求不同。由 于盾构法施工引起隧道周围地层的松动和沉陷，直观 表现为地表沉降，受其影响，隧道附近地区的结构物将 产生变形、沉降或变位，以至使结构物机能遭受破损甚 至破坏； 因此，只有维持地层稳定性才能更好地控制周 围结构物的沉降和变形。
表 1 国内一些机场沉降控制标准及基础加固方法 Table 1 Settlement control standards and foundation reinforcing
methods in China
残余沉降 / 差异沉降
机场
cm
S/L
温州永强 南宁扩建
≤ ≤6
6. 7 /10 000 ≤ 5 ≤ 1 /1 000
为了控制盾构隧道施工引起的地表沉陷对飞机起 飞降落的影响，除了在施工时采取有效措施外，还应合 理地掌握地表沉陷控制标准，使施工达到安全经济之 目的。由于目前对盾构隧道穿越机场跑道的地面沉陷 没有明确的控制标准和规范要求，不同工程中采用的 沉降变形标准亦不同［2］。例如上海轨道交通 10 号线盾 构穿越虹桥机场跑道工程中的变形控制，对于机场跑 道道面，施工过程中的产生的与周边区域土体沉降差 异小于 10 mm，且道面倾斜度需小于 0. 1% 。