砂土液化對地鐵建設運行的影響初判

鄭 奕 彭瑞杰 李連營

(天津市勘察院，天津 300191)

砂土液化對地鐵建設運行的影響初判

鄭 奕 彭瑞杰 李連營

(天津市勘察院，天津 300191)

對地鐵沿線故河道粉土液化情況及噴砂冒水情況進行了初步判別，同時對可能產生的震陷及地面沉降進行了估算，結果表明，地震產生震陷量較小，但在長期振動下可能產生的沉降較大，應引起關注。

砂土液化，地鐵，震陷，沉降

隨著國內各大城市地下空間的不斷開發和利用，大斷面、淺埋地下結構越來越多，以往震害情況表明地鐵結構容易遭受地震作用的破壞，地震中飽和砂土地層的液化是造成地鐵結構破壞的重要原因之一。

天津地鐵5號線南段根據區域地質及現場勘察資料局部分布有厚層故河道粉土層，分布范圍廣、厚度大，在地震及地鐵施工、運營振動條件下，可能發生液化現象，對地鐵結構產生破壞。

1 現狀液化分布及其土層特性

根據2008年《天津市飽和粉(砂)土液化地質災害調查報告》，區域內有故河道分布，且存在嚴重液化點；在1976年唐山地震時，地鐵沿線有噴砂冒水點分布，液化區域及噴冒點位置見圖1。本場地抗震設防烈度為7度，屬設計地震第二組，地震動峰值加速度值為0.15g[1]。根據《天津地鐵5號線工程場地地震安全性評價報告》，當本場地遭遇50年超越概率10%的地震作用時，地表水平向地震峰值加速度為1.629 m/s2，特征周期Tg=0.70 s。根據已有勘察資料，以天津地鐵5號線南段某區間為例。該區間埋深約3.00 m～17.00 m段為近沖積層故河道飽和粉土。根據已有地質資料，該層土屬欠固結土，其物理力學指標統計及原位測試統計見表1。

表1 物理力學、原位測試指標統計表

統計項目W%rkN/m3eIpILa1-21/MPaEs1-2MPa靜力觸探指標錐尖阻力qc/kPa側摩阻力fs/kPa標準貫入擊數/擊子樣數1121101101101076464103最大值28.620.20.7910.00.660.1718.216.0最小值22.319.20.658.70.300.1010.58.0平均值25.519.70.729.60.470.1313.73515.341.8511.6標準差1.600.230.030.340.110.021.95變異系數0.0630.0120.0470.0360.2310.1510.142標準值25.7919.660.73—0.490.1313.24

區間兩端進出站區段盾構結構局部穿越粉土層，中間區段液化粉土層位于盾構頂部(距離約1 m)。因此，地鐵沿線分布的飽和粉土液化與否對地鐵施工、運行的安全至關重要。

2 液化判定

天津地區對于液化判定多以標準貫入法為主，按GB 50011-2010建筑抗震設計規范中液化判定公式[1]：

(1)

其中，Ncr為液化判別標準貫入度錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入度錘擊數基準值，天津市區設計基本地震加速度0.15g，取N0=10；ds為飽和土標準貫入點深度,m；dw為地下水位,m；ρc為粘粒含量百分率，當小于3或為砂土時，應采用3；β為調整系數，天津市屬設計地震第二組，取0.95。

(2)

其中，IlE為液化指數；n為在判別深度范圍內每一個鉆孔標準貫入試驗點的總數；Ni，Ncri分別為i點標準貫入錘擊數的實測值和臨界值，當實測值大于臨界值時應取臨界值；di為i點所代表的土層厚度，可采用與該標準貫入試驗點相鄰的上、下兩標準貫入試驗點深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi為i土層單位土層厚度的層位影響權函數值，m-1。經計算，該區域內故河道粉土液化指數16.44～39.77，屬中等～嚴重液化土層。

3 砂土液化噴砂冒水可能性評價

3.1 地震液化及噴砂冒水機理

飽和松散的砂(粉)土在地震、動荷載作用下，因受到強烈振動而喪失抗剪強度，使砂粒處于懸浮狀態，致使地基失效的作用或現象即為地震液化，砂(粉)土液化主要是在靜力或動力作用下，砂土中孔隙水壓力上升，如果孔隙水不能迅速排出、孔隙水壓力就越來越高，而土粒所受的有效應力則相應減少。最終有效應力減至0，土粒間無應力傳遞，土粒失重，懸浮水中，而孔隙壓力上升到等于土的最初的有效應力，此時土骨架崩潰，土粒可隨水流動。飽和粉(砂)土的液化是孔隙水壓力上升的結果，同時也是土體在外力(振動)作用下排出孔隙水，再次固結的過程。

飽和粉土液化機理可采用有效應力原理來解釋：在循環荷載作用下飽和粉土土骨架之間的連接遭到破壞后產生體變變形，同時由于粉土的滲透性較弱，孔隙中的水不能及時排出，致使孔隙水壓力不斷增大，當其增長到一定程度，粉粒間的剪阻力成為0，在此過程中所含粘粒可能主要起潤滑作用，這種作用越強將會使得抗液化強度越小[2]。飽和粉土的液化過程其實就是粉土結構在強烈的剪切變形下發生破壞，原先由粉土骨架承擔的粒間應力，在結構被破壞后逐漸轉移給孔隙水，引起孔隙水壓力的增高和有效應力的降低，排水不暢時產生液化，當孔隙水壓力大于上覆土壓力時，出現噴砂冒水現象。需要說明的是，噴砂冒水現象只是地震作用下粉土液化的一種表現形式及判斷依據，并不是所有的液化都會產生噴砂冒水現象。

3.2 飽和砂土液化、噴冒初判

場地內故河道粉土應按照不利情況確定為中等～嚴重液化粉土，液化指數最大達39.77，根據《工程地質手冊》[3]對地基液化等級判定，該區域在地震條件下發生噴砂冒水可能性大，噴冒程度嚴重。

3.3 砂土液化可能產生的危害

地震中飽和粉土地層的液化是造成地鐵結構破壞的重要原因之一。地鐵車站、隧道等地下結構可能由于地基液化時過高的孔隙水壓力而產生上浮或沉陷破壞。對于地鐵車站及明挖區間，多采用剛性支護，抗彎剪能力較低，地震中比較容易發生開裂破壞，在高烈度地區甚至會導致襯砌塌方。

4 液化引起地面沉降預測

4.1 地震作用下震陷量估算

根據GB 50011-2010建筑抗震設計規范條文說明對在地震作用下粉土液化平均震陷量進行試算，公式如下[1]。

(3)

由于場地地面無附加荷載，計算時按上覆土層作為荷載進行試算。計算條件：上覆土厚度5.0m，液化粉土厚度10m，地下水水位1.0m，由于條文說明中無第二組經驗系數，按8度考慮進行計算，計算結果為0.15m左右。

4.2 長期振動作用下震陷量估算

由于地震荷載為瞬時荷載，而地下鐵路深度一般位于地下8m～20m左右，而其環境振動影響范圍約20m。地下線的振動影響主要取決于線路的線形、埋深,尤其與敏感點的距離、運行速度關系較大。地鐵隧道上方5m以內的建筑,環境振動無明顯變化；5m～20m振動級衰減比較明顯[4]。同時地鐵運行是長期持續的，若這個振動影響到液化土層產生震陷，可能會對地表產生一定的影響。區域內故河道土屬欠固結土，當考慮液化粉土在長期振動固結作用的體積變化，即液化粉土在地下鐵路振動的長期作用下，排出孔隙水，進行固結引起的體積變化時，我們采取假設部分條件的方法進行了試算。

根據前文中式(3)注釋，利用標準貫入擊數N對粉土密實度進行估算。

式中有效上覆壓力取上覆土厚度5m進行估算，有效壓力約為56kPa，粉土層密實度Dr按標準貫入擊數平均值計算約為63%。

根據《工程地質手冊》，當按抗震設防烈度7度，即地面最大加速度0.15g，粉土密實度Dr應提高至73%，可視為不液化土[3]。按上述式(3)注釋公式反推可得標準貫入擊數N應不小于15.2擊。依據標準貫入與孔隙比經驗關系e=0.658-0.003 4 N[5]，可得到當孔隙比小于0.61時，可視為不液化土。

則液化土在固結前后的厚度變化值可按式(4)計算：

(4)

其中，ΔH為土層厚度變化值，m；H為原液化土層厚度，m；e0為原孔隙比；e1為固結完成后孔隙比。

根據本區域內勘察資料，故河道粉土層孔隙比介于0.65～0.79，平均值e1=0.74，可得到ΔH=0.063 9H。當液化粉土厚度10m時，在長期振動作用下，液化粉土固結壓縮厚度變化應不大于0.64m。考慮到由于地鐵施工階段工期較短，同時有一定的補償控制措施，而運營期間產生的振動能量總體較小，應對于估算結果進行適當的折減，按照40%～60%計算，其厚度變化可能引起的沉降約為0.26m～0.38m。

5 結語

1)區域內故河道粉土綜合判定應按照不利情況確定為中等～嚴重液化粉土。該區段場地為中等～嚴重液化場地。地鐵設計、施工時應充分考慮砂土液化對于地鐵建設、運營產生的不利影響。2)區域內故河道粉土在地震作用下產生震陷量約0.15m，總體影響較小；在長期振動下可能引起的沉降約0.26m～0.38m，區域內故河道粉土在長期運營振動作用下可能引起的變形較大。3)地鐵長期運營產生的振動可能對其影響范圍內的故河道粉土產生震陷、擠密作用，從而引發地面沉降等工程問題，應引起注意。由于該僅為假設條件下估算，實際條件下地鐵運行產生振動影響范圍及模式、對故河道粉土的相互作用可進行進一步的專項研究。

[1]GB50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] 李立云，崔 杰，景立平，等.飽和粉土振動液化分析[J].巖土力學，2005(10)：1663-1666.

[3] 工程地質手冊編寫組.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]DB29-20-2000，巖土工程技術規范[S].

[5] 謝詠梅，劉 揚，辜小安.城市軌道交通地下線振動環境影響分析[J].都市快軌交通，2012(2)：59-62.

[6] 馬良榮，趙 亮，王燕昌，等.標準貫入試驗擊數與砂土參數間的統計關系[J].電力勘測設計，2009(3)：5-8.

Theinfluencepreliminaryestimationofsandliquefactiontosubwayconstructionandoperation

ZHENGYiPENGRui-jieLILian-ying

(TianjinSurveyInstitute,Tianjin300191,China)

This paper made the preliminary estimation to Guhedao silt liquefaction situation and water spraying and sand emitting along the subway, and estimated the possible seismic subsidence and land subsidence, the results showed that: the seismic subsidence quantity was small generated by earthquake, but in the long term vibration may be larger settlement, should be paid more attention.

sand liquefaction, subway, seismic subsidence, subsidence

1009-6825(2014)36-0043-02

2014-10-11

鄭 奕(1978- )，男，高級工程師； 彭瑞杰(1978- )，男，高級工程師； 李連營(1965- )，男，教授級高級工程師

TU441

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