液化場地地鐵區間隧道抗震設計研究

安軍海，李曉霖，索新愛，陶連金

(北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

液化場地地鐵區間隧道抗震設計研究

安軍海，李曉霖，索新愛，陶連金

(北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

借鑒建筑結構抗震設計理念及以往工程實踐，總結了液化場地條件下地鐵隧道抗震概念設計和構造設計的原則，并基于有限差分程序FLAC3D研究了地鐵隧道與液化層處于不同相對位置關系時結構的動力反應，從而提出地鐵隧道計算設計的抗液化處理原則。研究結果表明:當液化層位于地鐵隧道拱頂附近及以上時，如不影響施工，可以不對液化層進行處理;液化層位于隧道拱腰及以上時，地層液化對結構內力及變形將產生一定影響，建議對該部分液化層進行加固處理;隧道周邊土體全部為液化層時，地震時結構的內力和地層變形會大幅增加，必須對液化層進行加固處理。不論地鐵隧道與液化層相對位置關系怎樣，一般均應進行抗浮驗算。

液化場地 地鐵隧道結構 抗震設計 地震反應 概念設計

隨著我國地下空間開發規模的不斷擴大，某些區間隧道將不可避免地臨近或穿越液化土層，使其面臨地基液化引起結構上浮及襯砌強度破壞的危險，給工程結構的抗震設計帶來很大困難［1-3］。所以，探索液化地層中地鐵隧道的地震響應規律及如何有效指導工程設計的研究，成了地下結構抗震領域亟待解決的重點問題。

目前，考慮液化場地條件下地鐵區間隧道地震響應的研究還很少，相關的研究成果還遠不足以指導工程設計，對土層液化的處理措施也往往基于以往的工程經驗［4-5］。本文基于實際工程，在總結以往抗震設計的基礎上，從地鐵隧道抗震設計實用的角度出發，提出適用于液化場地條件下隧道工程概念設計—計算設計—構造設計之間相互協調的抗震設計理念，并研究液化層和區間結構處于不同的相對位置關系時，地鐵區間隧道的地震響應規律，從而提出相應的抗液化處理原則，為液化場地中地鐵區間隧道的抗震設計提供參考。

1 地鐵隧道抗液化概念設計

液化場地條件下的地鐵區間隧道抗震設計宜基于飽和砂土的液化機理，借鑒地面結構抗震設計的理念，從概念設計、計算設計、構造設計等方面綜合考慮，保證三者之間相互協調與配合。

隧道抗震概念設計［6］是基于掌握隧道使用功能、場地條件、結構受力體系及以往震害現象等資料的前提下，選擇隧道結構抗震整體的綜合評價及抗震方案，為隧道抗震初步設計提供正確的思路。液化場地條件下的隧道抗震概念設計宜著眼于液化地基及結構的總體地震反應，靈活運用抗震設計準則，既要滿足抵抗砂土液化給結構帶來的不利影響，又要兼顧施工和造價方面的要求，結合理論分析、工程類比及以往地下結構實際震害經驗，從抑制砂土液化和加強結構的角度完成其概念設計。

1.1 控制結構埋深

根據地震液化的影響因素分析，結構的覆土埋深是激發地震液化的重要方面，適當加大隧道的覆土埋深，可以增大基底以下土層的豎向限制壓力，土層需要更大的孔隙水壓力才能產生砂(粉)土液化。埋深的增加可以減少地鐵地下結構由于土體液化所導致的結構上浮，同時，地下結構地震作用所導致的結構附加內力隨著埋深的增加而上升較小。因此，加大結構埋深，穿越液化層的區間結構應作為抵抗地震液化災害的主要措施和手段。

1.2 對液化層進行處理

根據液化層的埋深、厚度、施工方法及造價等方面的條件，綜合考慮以往研究成果和工程實踐，總結出對液化層的處理方案，主要包括:液化土圍封處理、換填處理、加固處理、加密處理。

1.3 加強結構自身抗浮能力

飽和土地震液化后可能會導致結構的上浮，這主要是因為地震作用下，地下水位升高，液化土層的孔隙水壓力大幅上升。處于液化層中的地鐵隧道結構宜采取有效措施加強結構的抗浮能力，以避免發生嚴重震害，進行地鐵隧道的概念設計時，可使結構具有更好的整體性和連續性，成為多次超靜定結構。因其整體剛度大，構件間變形協調，吸收更多的振動能量，可以最大程度消除局部的嚴重破壞。

2 地鐵隧道抗液化計算設計

2.1 計算模型簡介

研究對象為太原市某處穿越液化層中的區間隧道，采用盾構法施工，該隧道結構埋深為9 m，屬于淺埋地下結構。此區間段液化層呈連續片狀分布，埋深為2～8 m，厚大約6～10 m，液化等級為中等～嚴重，對地下結構影響較大。

采用有限差分軟件FLAC3D建立平面應變模型，模型橫向取60 m，向上取至地表，向下取至40 m埋深處，地面超載取為20 kPa。巖土體采用實體單元模擬，選用Mohr-Coulomb屈服準則，隧道結構采用殼單元模擬，選用彈性模型。各土層及盾構管片物理力學性質及本構模型參數見表1，數值分析模型及監測點位置如圖1、圖2所示。

表1 土—結構力學性質及Byrne模型參數

圖1 數值計算模型

圖2 隧道截面形式及控制點布置

2.2 輸入地震動

假定輸入地震動為基巖面豎直向上傳播的SH波，選用1995年日本阪神地震Kobe波，調整加速度峰值為2.0 m/s2，其原始的加速度時程及傅里葉譜如圖3所示。

2.3 靜力與動力計算概述

靜力計算時，首先對模型在自重應力場下進行平衡計算，地應力場穩定后，對盾構范圍內土體進行開挖，并對周圍土層設定0.2的應力釋放系數，此步驟平衡后，激活盾構管片，開挖范圍周邊土層應力全部釋放。在得到初始應力場后，進入動力計算。動力計算中，土層計算區域兩側采用自由場邊界，液化層采用Byrne模型。

圖3 Kobe波加速度時程及其傅里葉譜

表2 地震動力響應分析工況

3 計算結果及分析

3.1 水平速度分析

基于反應位移法的基本原理，引發結構的內力和變形的主要原因是周圍土體的變形，而并非結構自身的慣性力，因而周圍土體的速度可以較好地反映地下結構的動力特性。表3給出了盾構隧道典型監測點位置在水平地震作用下的速度峰值。

表3 各位置在水平地震作用下的速度峰值 cm/s

從表3可以看出:不論土層是否發生液化，盾構隧道結構最大水平速度值從拱底到拱頂均趨于增大;對于非液化工況的速度反應，不論液化層處于哪個位置，其地震作用下的速度峰值變化不大;液化工況下的各監測點的速度反應與非液化工況相比有較明顯的增加，且越臨近液化層，結構的速度響應增加越多，其中結構上半部分的速度增幅較下半部分大。

3.2 內力分析

1)液化層位于隧道拱頂及其以上

在地震激振力作用下，結構內力發生一定幅度的波動，以靜力狀態下結構內力作為初始狀態，不同工況下結構各部位的最大彎矩及其增量如表4所示。

表4 液化層位于拱頂及其以上時各位置最大彎矩及其增量 kN·m

根據表4可看出，盾構隧道的結構內力狀態有以下規律:

①在地震作用下，無論土層是否發生液化作用，結構彎矩均隨地震波發生一定的波動作用，其中部位置增幅達到45%以上，拱底13%左右，拱頂增加量較小。②發生液化后結構內力波動幅度較靜力狀態又增加了1%左右發生在隧道中部，對比差異微弱，可認為該工況下結構設計可不獨立考慮液化層存在的影響。故對于該部分液化層，如不影響施工，可不做任何處理。

[6]詹姆斯·費倫：《作為修辭的敘事:技巧/讀者/倫理/意識形態》，北京：北京大學出版社，2002年，第24頁。

2)液化層位于隧道中部及其以上

當液化層的位置處于隧道中部及其以上時，在水平地震作用下結構各位置的彎矩及變化如表5所示。

根據表5可看出:①工況3，4在地震激勵下的盾構隧道彎矩值較靜力時均產生一定的放大作用，中部位置增幅分別達到25%及40%以上，其他部位的增幅也達到10%～25%;②與不發生液化作用相比，液化后結構彎矩波動幅度又增大了5% ～20%，其彎矩波動幅值對結構的配筋可能會起到一定影響，故該工況下液化層對結構設計的影響需引起足夠的重視。

3)隧道周邊土體均為液化層

當整個隧道高度及上覆土層均為液化層時，對液化及不發生液化兩種條件下的隧道結構的彎矩及其增量進行對比分析，如表6所示。

表5 液化層位于隧道中部及其以上時各位置最大彎矩及其增量 kN·m

表6 隧道周邊土體均為液化層時各位置最大彎矩及其增量 kN·m

從表6可看出:①對于液化層覆蓋盾構隧道全斷面高度的情況，在地震作用下，無論地層是否發生液化作用，結構彎矩值都有很大的增加，其中隧道中部的彎矩增幅最大;②土層液化后中部位置彎矩較初始狀態大，最大增量達到116.4%，較非液化工況彎矩也有很大提升，達到58.4%，且結構斷面的彎矩最值甚至已從拱頂位置轉移到中部位置，內力值的大幅增加及最值發生位置的轉移使得結構設計必須要考慮液化的影響。

3.3 隧道結構上浮驗算

場地地震液化可能導致淺埋隧道的上浮，給結構帶來不利影響甚至破壞。圖4給出了液化層分別在拱頂以上、拱中部以上及拱底以上時地鐵隧道在地震作用下的豎向位移變形曲線。從圖中可以看出:

圖4 不同工況下地鐵隧道上浮值

1)由于隧道本身質量較小，不論其與液化層相對位置關系怎樣，隧道均發生了不同程度的上浮，且液化層厚度及埋深越大，結構的上浮量越大。

2)不同工況下的地鐵隧道上浮時程曲線中，初始時都是平緩上升，然后出現一個急劇上升段，最后趨于平緩，甚至有下降的趨勢。劇烈上浮段與輸入地震波的特性有關，平緩下降段是因為地震趨于結束時土層穩定后，會出現少量固結沉降。

3)液化層在拱頂及其以上時，結構的最大上浮量為2.96 cm，可能會對結構產生影響;液化層位于隧道中部以上時，結構的最大上浮量為7.52 cm，將會對結構產生一定的不利影響，結構設計時應予以消除;液化層覆蓋整個隧道時，結構的最大上浮量為16.53 cm，遠大于規范規定的限值，影響結構的正常使用，甚至造成薄弱環節的破壞，結構設計時必須采取有效手段消除其不利影響。

圖5給出了不同計算工況下的地層變形情況。從圖中可以看出:液化層在拱頂以上時，土層變形不是很明顯，對結構的變形影響不大，而液化層擴大至拱腰附近時，土層網格有了更顯著的變形，且隧道附近的土層也出現了一定的變形，對結構產生影響;當液化層擴大至拱底及以下時，整體土層網格都出現了畸變，地鐵隧道側邊土體有明顯的帶動隧道變形的趨勢，對結構的內力和變形影響很大。

圖5 震后變形網格

3.4 區間隧道抗液化處理的原則

根據以上分析，結合液化層和區間結構位置關系，并參照具體工程實際，綜合評價后提出基于計算設計的隧道結構抗液化處理原則:

1)液化層位于盾構區間結構頂板附近及以上時，可以不對液化層進行處理，但結構設計中需考慮發生液化時，驗算結構的抗浮安全系數是否滿足要求，以保證其抗浮穩定性。

2)液化層位于盾構區間結構拱腰及以上時，地層發生液化時對結構內力及變形影響較大，建議對該部分液化層進行加固處理，若受到圍護結構的隔離，可以不對液化層進行加固處理。

3)隧道周邊土體全部為液化層時，必須對液化層進行加固處理。

4 地鐵隧道抗液化構造設計

基于太原地鐵區間隧道的抗震構造設計實踐，結合以往研究成果，對臨近或處于液化地層中的地鐵隧道，提出幾項抗液化構造措施:

1)在隧道底部設置仰拱，加強抗浮能力和整體性。

2)圍巖支護中使用鋼筋網，加大襯砌結構的柔性。

3)在隧道敞開段的結構底板設置抗拔樁。

4)可按設計配置較大膨脹倍率的橡膠墊，以適應隧道可能產生的較大縱向彎曲。

5)盾構隧道的管片宜錯縫拼裝，并加深接頭榫槽的深度，以增強縱向整體性。

6)嚴格設置寬度及構造皆滿足要求的抗震縫。

實踐證明這些措施都是非常實用的，但是這些措施還不是很完善，有待于進一步補充修正。

5 結論

1)提出液化場地下地鐵隧道概念設計—計算設計—構造設計的抗震設計理念，分別歸納總結出其抗液化原則和措施的適用條件。

2)對于結構的內力計算，液化層處于隧道拱頂以上時，可以不對液化層進行處理;液化層位于隧道拱腰及以上時，建議對部分液化層進行加固處理;隧道周邊土體全部為液化層時，必須對液化層進行加固處理。

3)地鐵隧道結構會因飽和土層液化發生明顯上浮，結構設計時應對結構進行抗浮驗算。

［1］陳國興．巖土地震工程學［M］．北京:科學出版社，2007．

［2］佘芳濤，邵生俊，楊素新．可液化地層隧道圍巖的動力響應及液化區發展分析［J］．地震工程與工程振動，2011，31 (3):11-17．

［3］莊海洋，龍慧，陳國興，等．可液化地基中地鐵車站周圍場地地震反應分析［J］．巖土工程學報，2012，34(1):81-88．

［4］劉華北，宋二祥．可液化土中地鐵結構的地震響應［J］．巖土力學，2005，26(3):381-391．

［5］鄭曉，陳春雷，劉勝群．地震荷載作用下壩基砂土液化有限元分析［J］．鐵道建筑，2009(10):72-74．

［6］趙真，謝禮立．淺析傳統結構抗震概念設計思想形成的一般規律［J］．地震工程與工程振動，2014，34(2):19-26．

Research on seismic design for metro section tunnel in liquefaction region

AN Junhai，LI Xiaolin，SUO Xin'ai，TAO Lianjin
(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

According to seismic design concept of building structure and engineering practice，the principle of subway tunnel seismic concept design and structural design in liquefaction region was summarized．T he dynamic response of the structures was studied when subway tunnel and the liquefaction sand are in different relative position by using FLAC3Dsoftware and liquefaction resistance principles for the subway tunnel calculation design were put forward．Results showed that the liquefaction stratum should not be handled if the liquefaction layer is located near or above the subway tunnel vault which does not affect the construction，stratum liquefaction has a certain effect on the internal force and deformation of the structure when liquefaction layer is located at or above tunnel arch waist，liquefaction sand of which should be reinforced，internal force and deformation of the structure under the earthquake will be greatly increased when all of the soil around the tunnel is liquefaction stratum，which means liquefaction sand must be reinforced．In general，anti-floating calculation should be made no matter what the relative position relationship between subway tunnel and the liquefaction sand is．

Liquefaction region;Subway tunnel structure;Seismic design;Seismic response;Concept design

U452.2+8

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．24

(責任審編 孟慶伶)

2014-12-20;

:2015-03-08

國家自然科學基金項目(90715035，41272337)

安軍海(1987— )，男，河北邯鄲人，博士研究生。

1003-1995(2015)08-0080-05