液化土層注漿加固對盾構隧道抗震性能的影響

楊韶珺

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司）

我國地鐵線路分布廣泛，具有方便快捷、安全可靠、低耗節能和容載量大等優點。盾構隧道受地震影響大，震后造成的破壞及損失也不可估量。目前在高強度、高烈度地震區地鐵盾構隧道設計中的結構抗震設計與理論實踐研究中，還存在較多未解難題。王勝平等[1]研究了不同液化程度、液化土層厚度及液化土層位置等因素下注漿加固對隧道地震液化的影響；畢俊麗[2]等采用數值分析方法對地鐵區間線路結構沉降及變形縫處沉降差異和內力拓展規律進行了分析；宮全美[3]等基于地鐵覆土層普通硅酸鹽水泥摻量對提高土體抗液化強度的效果進行了試驗分析；張亮[4]分別研究了不同地鐵隧道埋深、地震波、激振方向、襯砌厚度和混凝土強度等級等因素對地鐵隧道地震響應的影響；賓佳[5]等對雙線地鐵盾構隧道進行了擬靜力彈塑性抗震分析,對其抗震性能進行了評價。

本文以某盾構隧道為例，使用Midas 有限元軟件進行數值模擬，采用時程分析法計算，對比土層地震液化與注漿加固后盾構隧道抗震性能，在研究的基礎上進行綜合分析評價。

1 工程概況

本區間為盾構區間，安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。區間設計使用年限為100 年。抗震設防烈度為8 度(0.3g)，設計地震分組為第二組，基本地震加速度值為0.30g，場地類別為III 類，特征周期為0.4s，基巖面埋深85m。

區間所在的主要地層有1-1 雜填土層、2-2 粉細砂層、4-1 粉質黏土層、5 黏質粉土砂質粉土層、5-1 黏質粉土層、5-2 粉細砂層、7 粉質黏土層、7-3 粉細砂層等；5-2 細砂層存在土層液化，液化指數為1/3。

取區間埋深最不利斷面二維模型進行時程計算分析。使用MIDAS 大型巖土隧道有限元軟件GTS 進行建模。模型的動力平衡方程為：

其中：

M——剛度矩陣；

C——質量矩陣；

K——阻尼矩陣；

u——位移；ft

ft——地震荷載。

1.1 土層參數

區間所在場地土層主要是粉質黏土、黏質粉土、粉細砂，在模型中對土層進行適當歸并，歸并后土層參數如表1 所示。

表1 區間場地土層信息

1.2 計算模型

分別建立各土層的二維模型，液化土層的彈性模量折減至1/3；區間建立一維的梁單元進行模擬；考慮圍護結構對液化土層的影響，建立二維單元對土體加固進行模擬。

模型上邊界取至地表，下邊界至基巖（按照安評報告取值），橫向取至3B（B 為結構寬），模型邊界按照粘彈性吸收邊界。根據地震安評報告所提供的三個加速度時程數據，分別進行分析，選取最不利加速度時程進行計算。模型尺寸為121m×90m，見圖1。

圖1 計算模型

1.3 地震動的輸入

根據地震安評報告的內容及抗震設計條件，選取E3 地震下的三條時程曲線，擬定地震波施加，考察每個時程下盾構隧道結構的徑向位移變形，時程曲線見圖2。

圖2 原始地震動時程圖

2 計算結果

2.1 盾構區間土層液化計算結果

用徑向位移來表示盾構管片的變形情況，圖3 為盾構區間土層全液化的計算結果。三種時程下的最大徑向位移為20mm、26mm、45mm，最大直徑變化率分別為2.3‰、3.3‰、5.7‰.

圖3

2.2 盾構區間所在土層不液化計算結果

對區間附近的液化土層進行注漿加固，注漿加固范圍為3m，對相應網格的土層參數不折減來模擬加固效果，其余液化土層折減1/3，計算結果如圖4 所示。三種時程下的最大徑向位移為13.01mm、14.04mm、25.19mm，最大直徑變化率分別為1.78‰、1.92‰、3.45‰.

圖4

2.3 結果分析

分別對比區間在原場地液化計算與場地注漿加固后的三個時程結果，盾構管片的變形總體上呈現減小趨勢，三種時程下分別減小了7mm、12mm、20mm，說明注漿加固地層對地震液化土層改善明顯，可以將注漿加固作為本工程地震液化的處理措施。

表2 管片徑向位移 （mm）

3 結論

對盾構區間所在的原場地環境和注漿加固處理后的場地環境進行了抗震模擬分析，計算結果表明：通過對土層進行注漿加固，抵消土層液化的影響后，區間所在場地的抗震性能提升明顯，注漿加固措施可以作為本工程地震液化的處理措施。