可液化地層疊落盾構隧道抗震分析及對策

孫希波 ，鐘 毅，萬小飛 ，韓亞飛，張小偉

（1. 北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037；2. 城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，北京 100068；3. 北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

隨著地鐵線網的不斷完善及擴張，地鐵結構所處的地層類型愈加豐富，多種多樣結構形式的地鐵隧道不可避免地受到液化地層的影響。這種影響因結構類型、液化程度、空間關系等因素變得非常復雜，隧道結構受影響的程度也多有不同，有必要對其進行分析，以便根據影響程度采取合理的處理措施，保證結構安全并盡量控制造價。

目前，越來越多的專家、學者開始針對液化地層對地下結構的影響開展研究。劉光磊等[1]采用動力固結兩相體有限元程序DIANA SWANDYNE-II對可液化地層中地鐵隧道結構的地震響應進行了模擬，并與動力離心模型試驗結果對比。劉春曉等[2]采用 PL-FIN土體液化本構模型，使用FLAC3D進行研究，總結了液化地層發生大變形時液化區分布、孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力比變化規律及差異、地下結構的位移及差異沉降規律。段亞剛[3]對標準斷面地鐵結構液化處理措施進行了分析，表明處理措施可以很好地降低液化影響。

以上研究主要針對液化地層中地下結構典型橫斷面或單一隧道縱向且液化地層分布單一的情況進行分析，但是地鐵隧道結構形式呈現復雜性，且與液化地層呈不規則分布關系，液化對此類結構的影響也存在差異。

現結合工程實例，對疊落盾構隧道不同部位處于不同地層的情況進行分析模擬，研究不同位置、相同位置但不均勻分布的液化地層水平和豎向地震作用下對此類結構的影響，并提出不同部位液化處理的方案。

1 工程概況

1.1 隧道概況

北京地鐵八通線南延工程施園站—環球影城站區間長度約1 475 m，埋深10～24 m，采用盾構法施工，為外徑6 m盾構隧道。考慮環球影城站客流特點，對區間進行了一次線位互換，因而隧道存在一段左右線交叉疊落的區段。整個交叉疊落段長度約500 m，垂直疊落段豎向凈距3 m。圖1為區間隧道平面布置圖，八通線南延兩線交叉疊落，與7號線東延區間基本平行布置。圖2為區間疊落段豎向位置關系示意。

圖1 區間隧道平面布置Figure 1 Layout plan of section tunnel

圖2 疊落區間豎向關系Figure 2 Vertical relation diagram of stacked tunnel

1.2 地質概況

根據地勘資料，本段區間范圍地層自上而下主要為黏質粉土素填土①層、雜填土①1層、砂質粉土黏質粉土②層、粉質黏土②1層、粉細砂②2層、粉質黏土③1層、粉細砂③2層、粉質黏土④1層、粉細砂④2層、粉質黏土⑤1層及粉細砂⑤2層。

地下水主要有兩層，分別為潛水，埋深8～12 m；承壓水，埋深15～23 m。

其中，考慮抗震設防烈度為8度及9度時，砂質粉土黏質粉土②層、粉細砂②2層、砂質粉土黏質粉土③層、粉細砂③2層、粉細砂④2層會發生液化，液化等級分別為輕微～中等及中等程度，液化深度為 5～20 m。圖3為隧道地質縱段圖，陰影部分為液化粉細砂層，左右線隧道均整體位于液化地層范圍內。

圖3 地質縱段圖Figure 3 Geological profile

2 數值計算模型

2.1 模型尺寸及邊界條件

圖4、圖5分別為區間隧道三維模型圖及區間隧道俯視圖。整體計算模型長235 m，寬118 m，高50 m。根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》[4]對場地液化判別的深度，地面以下 15～20 m 范圍內土層的液化，可能引起地下車站結構和區間的嚴重破壞或上浮，對地面以下20 m土層進行液化判別是非常必要的。由地勘資料可知，場地地面以下20 m范圍內主要有3層液化土，本計算模型中將3層液化土層分為液化土層A區、B區、C區及D區，如圖6所示。研究8種工況對應的液化地層分布情況。工況1：疊落區間液化土層A區～D區均不液化；工況2：疊落區間液化土層A區～D區均液化；工況3：疊落區間液化土層僅A區液化；工況4：疊落區間液化土層僅B+C區液化；工況5：疊落區間液化土層僅D區液化；工況6：疊落區間液化土層僅B區液化；工況7：疊落區間液化土層僅C區液化；工況8：疊落區間液化土層A區～D區均液化，且考慮豎向地震影響。工況1～7僅考慮水平(Y方向)地震波影響。為了解決有限截取模型邊界上波的反射問題，邊界條件采用自由場邊界。模型共 113 094個節點，185 826個實體單元，9 400個結構單元。

圖4 區間隧道三維模型Figure 4 Three-dimensional model diagram of the tunnel

圖5 區間隧道俯視圖Figure 5 Top view of the tunnel

圖6 三維計算模型液化土層分布Figure 6 Distribution diagram of liquefied soil layer of three-dimensional calculation model

2.2 本構模型及參數選取

土體的本構模型采用巖土常用模型 Mohr-Coulomb模型和修正UBCSAND模型[5]。修正的UBCSAND模型基于有效應力模型能模擬非線彈性行為，進而模擬地震荷載作用下砂土液化現象，實現 3D應力狀態液化模擬，具體如式(1)～(5)。土體物理力學參數見表1。

表1 巖土的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

其中，pref為土層原位水平壓力；為彈性剪切模量系數；ne為彈性剪切模量指數；?p為峰值摩擦角；ψcv為體積摩擦角常數；Rf為破壞比；為塑性剪切模量系數；np為塑性剪切模量指數。

2.3 地震波輸入

地震波輸入采用 50年超越概率為10%的基巖加速度反應譜(特征周期為 0.55 s)和峰值加速度(峰值為0.20 g)作為地震動時程合成的目標峰值和反應譜，用以合成土層地震反應分析所需的基巖地震動時程，圖7給出水平地震波加速度時程曲線，豎向地震波加速度時程曲線為水平向的0.75倍。

圖7 水平地震波加速度時程曲線Figure 7 Horizontal seismic acceleration time history curve

3 不同工況抗震對比分析

3.1 同一斷面液化與非液化分析

為對比液化對隧道結構的影響，取工況1與工況2隧道疊落段中相同斷面在水平向地震作用下最大變形值進行比較。圖8、圖9分別為工況1與工況2隧道斷面變形圖。

圖8 工況1隧道斷面變形值Figure 8 Deformation value of tunnel section under condition 1

圖9 工況2隧道斷面變形值Figure 9 Deformation value of tunnel section under condition 2

由圖可見，液化工況下，隧道結構頂部水平位移為57.8 mm，是非液化工況位移43.4 mm的1.33倍；隧道頂部豎向位移液化工況比非液化工況稍大，但兩者絕對值均很小。所以在水平地震作用下，地層液化明顯加大了隧道結構的水平位移。表2為不同工況下右線隧道結構直徑變形率對比表。

表2 右線隧道結構直徑變形率Table 2 Diameter deformation rate of right line tunnel

由以上分析可知，液化工況隧道結構直徑變形率大于非液化工況，但均小于規范允許值。

通過對比非液化與液化工況下隧道結構變形規律，在液化工況下隧道整體變形以及隧道直徑變形率均有較大幅度增大，對隧道結構受力較不利，因此地層液化程度較高時對結構所處液化地層進行處理是十分必要的。

3.2 土層不同區域液化影響對比分析

本工程所處地質條件共有 3層可液化地層，一次地震中，發生液化的地層可能位于隧道的不同位置，因此有必要研究土層不同位置液化對隧道結構的影響。

分別研究了隧道頂部，隧道中部，隧道中部左側以及隧道底部位置土層發生液化時，隧道結構的變形和內力。圖 10～圖13分別為土層液化位于 A區、B+C區、D區及B區情況下的隧道變形圖。

圖10 工況3土層A區液化隧道斷面變形值Figure 10 Condition 3—deformation value of tunnel in liquefaction soil A

圖13 工況6土層B區液化隧道斷面變形值Figure 13 Condition 6—deformation value of tunnel in liquefaction soil B

表3為土層A區液化與非液化情況隧道直徑變形率。表4、5、6為土層B區+C區液化。

表3 隧道結構直徑變形率1Table 3 Deformation rate of tunnel structure diameter 1

圖11 工況4土層B+C區液化隧道斷面變形值Figure 11 Condition 4—deformation value of tunnel in liquefaction soils B and C

圖12 工況5土層D區液化隧道斷面變形值Figure 12 Condition 5—deformation value of tunnel in liquefaction soil D

土層A區位于左線頂部，與右線隧道豎向距離約7 m，對比土層A區液化與非液化工況可知，左線區間與右線區間的水平及豎向位移均無明顯變化，說明當液化地層位于區間上方時，可忽略地震作用下地層液化對區間結構的影響。

表4為土層B區+C區液化情況隧道結構直徑變形率。

表4 隧道結構直徑變形率2Table 4 Deformation rate of tunnel structure diameter 2

土層B區及C區位于左線隧道中部以下，右線隧道中部以上，與工況3土層A區液化計算結果對比發現，左線隧道水平位移增大約14 mm，但直徑變形率變化不大。可見，隧道結構底部發生液化時，地震作用下結構整體水平位移會明顯增大，但結構內力變化不大。同時，對于右線隧道，相比工況3結構水平位移增大約9 mm，隧道結構頂底位移差也增大約4.3 mm，可見隧道結構所處液化地層范圍越大，對隧道結構變形越不利，對比本文人字坡和V型坡區間隧道，沿豎向穿越液化地層，需沿隧道分段考慮液化處理措施，確保處理措施的合理性及經濟性。

表5為土層 D區液化情況隧道結構直徑變形率。

表5 隧道結構直徑變形率3Table 5 Deformation rate of tunnel structure diameter 3

土層D區位于右線隧道底部，與左線隧道豎向距離約6 m，與非液化工況對比發現，右線隧道直徑變形率增大較為明顯，對左線隧道結構無影響。可以得出，當盾構隧道位于液化地層上方較遠距離時(>D，D為隧道結構直徑)，地震作用下，液化地層對隧道結構影響較弱，可適當考慮加強結構，不對液化地層進行處理，提高工程的經濟性。

表6為土層B區液化情況隧道結構直徑變形率。

表6 隧道結構直徑變形率4Table 6 Deformation rate of tunnel structure diameter 4

土層B區及C區位于左線隧道中部偏下，右線隧道中部，與非液化工況對比，隧道結構水平位移及直徑變形率均有增大，由于右線隧道中上部分基本全位于液化地層，頂底位移差較非液化工況增加6.6 mm。結合工況4-土層B+C區液化計算結果可知，當隧道結構土層液化等級不同或液化與非液化分界時，對結構不利。實際工程中在線路選擇時應統籌考慮，當不可避免時，應對液化地層進行處理。

3.3 地層液化對管片內力影響

為對比液化對管片內力及配筋的影響，選取工況1和工況2地震作用下最大應力時刻管片應力圖如圖14所示。

圖14 不同工況管片應力值Figure 14 Stress values of shield tunnel under different conditions

可以看出，液化工況2管片應力要大于非液化工況1，工況1管片應力最大值為8 162.6 kN/m2，工況2管片應力最大值為11 146.7 kN/m2，應力值增大36%。

3.4 豎向地震影響

區間左右線隧道分別呈人形坡和V形坡實現交叉疊落，隧道結構與液化地層的關系也隨線路里程不斷變化。左右線隧道在水平及豎向凈距均在變化，為此，提取不同剖面位置隧道結構變形，并與工況2全土層液化計算結果進行對比分析。圖15、圖16分別為豎向地震情況下隧道水平及豎向變形情況與工況2的對比圖。

圖15 隧道斷面水平變形值Figure 15 Horizontal deformation value of tunnel section

圖16 隧道斷面豎向變形值Figure 16 Vertical deformation value of tunnel section

由以上分析可知，豎向地震作用的施加對隧道結構的水平位移幾乎無影響，對隧道結構豎向位移影響較大。隧道豎向變形考慮豎向地震時，由0.0012增加至0.006 9，變化幅度575%。可見當縱向存在地層差異時，變形對隧道是較為不利的。

4 液化處理措施

4.1 液化處理措施選取

根據以上的分析，對疊落隧道受液化影響較大的部位，以及不同位置液化地層對隧道的影響程度有了了解，就可以針對性地采取措施[6]。

目前，對于液化的處理，輕微液化一般不做地基類處理，主要通過結構自身加強；嚴重液化需采取地基類處理措施；中等液化的處理措施處于兩者之間，結合具體計算采取地基處理或地基處理與結構加強結合等措施。

地基類處理措施主要有4個類型[7-8]：避讓類、擠密類、換填類及加固類(含圍封)。每種類型又有幾種處理方式，見表7。

表7 液化處理措施Table 7 Liquefaction treatment measures

對于采用盾構法施工的地鐵隧道，樁基礎、換填法、連續墻圍封類基本不適用。而盾構法的特點之一便是很大程度避免對地面的干擾，故而一般液化程度不是太嚴重的情況下，線路避讓以及洞內注漿加固為首選措施[9-10]，然后是地面類處理措施如攪拌樁、旋噴樁。

根據上述計算分析，本工程液化地層對盾構隧道的影響程度相對較小，主要對重點部位如疊落隧道之間土層、覆土較小部位等位置進行地基處理，一般地段主要進行結構自身適當加強。具體方式為疊落隧道下層隧道拱頂、上層隧道底部外圈洞內徑向注漿加固；淺覆土段盾構底部液化地層攪拌樁加固；一般地段增加盾構隧道螺栓連接強度。圖17、圖18為盾構疊落隧道液化注漿加固措施和水平鄰近非疊落段液化注漿加固措施。

圖17 疊落隧道液化注漿加固Figure 17 Grouting reinforcement drawing of stacked tunnel

圖18 非疊落段液化注漿加固Figure 18 Grouting reinforcement drawing of non-stacked tunnel

4.2 液化地層加固對比分析

為驗證加固措施的有效性，在工況2的模型基礎上，通過提高加固范圍的土層的彈性模量，達到地層加固的效果，計算結果如圖19所示。

圖19 工況2(加固與非加固)隧道斷面變形值Figure 19 Deformation value of tunnel section under condition 2

根據計算結果，對工況2地層加固后，水平地震作用下，管片最大的水平位移為40.5 mm，小于液化工況2下管片的水平位移56.4 mm，與非液化工況1管片水平位移42.6 mm相近。因此在液化地層中對疊落段管片周邊土體采取加固措施是有效且有必要的。

5 結論

1) 液化工況下隧道整體變形以及隧道直徑變形率均有較大幅度增大，對隧道結構受力較不利，在液化程度較輕時，隧道變形仍能滿足規范要求。

2) 液化地層處于隧道不同位置時，液化對隧道的變形影響不同，液化土層距離隧道越遠影響越小。其中液化土層位于隧道頂部、隧道中部、隧道底部時，液化對隧道變形的影響逐漸增大，但是對于疊落隧道液化土層位于上層隧道底部、下層隧道頂部時，對于下層隧道的影響更大。當液化發生在隧道一側時，隧道變形增長較大，是不利工況。

3) 豎向地震作用下發生土層液化時，隧道水平變形很小，但豎向變形相對增長較大，特別是當地層縱向存在差異時，對結構是比較不利的，需關注隧道底部液化土層的情況。

4) 根據以上變形分析，疊落隧道夾層范圍、隧道底部發生液化時，隧道變形增長較大，是液化處理的關鍵部位，視液化程度，需采取處理措施。同時因隧道單側液化對變形也是不利的，所以處理措施宜采用對稱布置。鑒于盾構隧道結構形式以及其暗埋施工的特點，洞內注漿加固是首選措施，根據數值分析情況，洞內注漿加固措施起到了一定的效果。但液化程度較大時，需考慮地面攪拌樁等處理措施。