液化地層對天津地鐵區間結構抗震性能的影響分析及防治措施

□文/鄭習羽 鄭習羿

液化地層對天津地鐵區間結構抗震性能的影響分析及防治措施

□文/鄭習羽 鄭習羿

文章首先分析了地震液化的機理及目前地下工程地震液化影響及處理措施的研究現狀，以天津地鐵5號線昌凌路—中醫一附院區間為例分析了地層液化對天津地鐵區間結構的影響，最后從設計及施工兩方面提出了抗地震液化的措施。

液化地層；地鐵；地震性能

天津地處華北平原北部，東臨渤海，北依燕山，地質構造復雜，大部分被新生代沉積物覆蓋。地勢以平原和洼地為主，地質條件復雜。液化地層對天津地鐵區間結構的影響較大。

1　地震液化機理

松散的砂土和粉土，在地下水的作用之下達到飽和狀態，如果在這種情況下土體受到地震、動荷載作用，會有變得更緊密的趨勢，這種趨于緊密的作用使孔隙水壓力驟然上升，而在這短暫的震動過程中，驟然上升的孔隙水壓力如果來不及消散，就使原來由土顆粒間接觸點傳遞的應力（有效應力）減小，當有效應力完全消失時，土層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變成像液體一樣，這就是地基土的地震液化現象。

影響飽和土液化的因素很多，歸納起來其主要因素有3大類：一是動荷條件；二類是埋藏條件；三類是土性條件。

1.1動荷條件

動荷條件是指地震強度（產生的地面加速度峰值）和地震持續時間。對某一種砂土，在一定的限制壓力下地震時是否會發生液化，主要決定于地震引起的應力或應變的大小，而這些應力或應變的大小與地面震動的強弱有關。應力愈大（地震烈度高，地面加速度大），就愈易液化，反之愈不易液化。地面震動的持續時間是確定液化可能性的一個重要因素。地震持續時間長意味著作用在砂土層上的往復加荷次數就多，內部孔隙水壓力聚集的就高，就越易造成液化，反之則不易造成液化。在振動作用下孔隙水壓力、土體內的液化范圍都是隨著時間而增長的。

1.2埋藏條件

埋藏條件是指砂土層自身的條件及相鄰土層的條件。上覆土層厚度決定著土的初始限制壓力，限制壓力（埋深）愈大，砂土層液化的難度越大，反之則越容易液化。地下水位高低和上層的排水條件直接影響砂層液化的產生和發展。地下水位愈高，土層就愈容易液化反之愈難液化，上覆土層透水性大，砂土層一般不會液化；上覆土層透水性較弱，涌入砂土層的水不會很快排出而在砂土層內部聚集，孔隙水壓力增高，發生液化。

1.3土性條件

土性條件是指土的密實程度和顆粒特征。粉、細砂、粉土比中砂和粗砂容易液化。級配均勻的材料比級配良好的材料更容易發生液化。不均勻系數愈小，砂土愈容易發生液化。當不均勻系數超過10的砂土一般不易發生液化。粗粒砂土較細粒砂土更難于液化。砂土的相對密度越大，砂土越難液化。初始孔隙比越大，相對密度越小，則孔隙水壓力傳遞越快，在不排水條件下，超靜孔壓力累積越快，砂土越易液化；相反，砂土不易液化。另外土粒的排列、膠結物和均勻性不同，其抵抗液化的能力也就不同。原狀砂比實驗室內制備的砂樣難液化。歷史上受過多次小地震的砂土比受過歷史地震的砂土難液化。

2　地下工程地震液化影響及處理措施研究現狀

目前國內外對于地鐵地下結構的抗震研究，考慮地震液化的尚少，而對于地下結構的地震液化響應，多局限于地下埋管等小型地下結構。但在我國地鐵建設時,許多城市都遇到了地震液化對工程的影響,比如南京地鐵1號線穿越古秦淮河道、廣州地鐵廣佛線、南京地鐵2號線穿越河西地區飽和粉細砂層等，目前國內外的高校及科研院所開始研究地震液化對地鐵結構的影響及處理方法。

3　天津地鐵區間結構抗震液化影響分析

以天津地鐵5號線昌凌路—中醫一附院區間為例進行研究分析。

3.1區間工程概況

昌凌路—中醫一附院區間出昌凌路站后一直沿昌凌路南行并下穿豐產河，最后到達中醫一附屬院站，豐產河北側的規劃道路已形成且道路兩側均為已建成或在建小區，見圖1。區間長度874.919雙線延米，設置一處聯絡通道兼泵房。

圖1　昌凌路—中醫一附院區間平面圖

此區間穿越的地層主要為粉質粘土（64、7、81、91），區間兩端進出站區段盾構結構局部穿越32粉土液化層，長度分別約為212.5、344m；中間區段32粉土液化層位于盾構頂部，距離約1～2m。第一承壓水位于粉土（92）中，處于區間結構底板以下。區間埋深最小9.77 m，最大17.0 m，采用V型坡，最大縱坡25‰，采用盾構法施工，見圖2。

圖2　昌凌路—中醫一附院區間縱剖面

3.2地震液化嚴重程度判別

3.2.1抗震設防烈度

根據GB 18306—2001《中國地震動力參數區劃圖》、GB50011—2010《建筑抗震設計規范》有關規定，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。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 a超越概率10%的地震作用時，地表水平向地震峰值加速度為1.629m/s2，特征周期0.70s。

3.2.2飽和粉土、砂土液化判定

根據本次勘察資料，本場地埋深20.00 m以上分布有飽和粉土（32）（局部夾粉砂層），根據標準貫入試驗資料，按GB50011—2010對其液化情況進行判定，綜合分析判定，當抗震設防烈度為7度時，本場地埋深20 m以上飽和粉土（32）亞層屬嚴重液化土層，該場地屬嚴重液化場地。

3.2.3場地土類型及場地類別

對于地鐵構筑物，場地土類型劃分、建筑場地類別劃分依據GB50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》（2009年版），根據5WL-01、5WL-10孔鉆孔內實測剪切波速結果，本場地計算深度26.00～34.00 m內土層等效剪切波速介于173.1～193.7 m/s之間；根據GB 50011—2010，本場地計算深度20.0 m以上土層等效剪切波速介于159.0～163.1 m/s之間，覆蓋層厚度＞50 m，綜合判定場地土類型為中軟土，場地類別為Ⅲ類。

3.2.4抗震地段劃分

本場地埋深20 m以上飽和粉土（32）亞層總體屬嚴重液化土層，該場地屬嚴重液化場地。根據GB 50011—2010有關條款，綜合判定本場地屬建筑抗震不利地段。

為明確地層地震液化對盾構區間結構的影響并探討液化地層的加固措施，利用Midas-GTS三維有限元分析軟件進行初步分析。

根據昌凌路站—中醫一附院站區間的地質情況，選取兩處典型斷面進行地層-結構數值模擬計算。

3.3.1盾構隧道位于液化層32粉土層下方

各土層計算參數見表1。

表1　物理力學指標

計算模型的側面邊界分別受到X軸方向位移約束，模型的地層下部邊界受到Z軸方向的位移約束，分析中假定液化發生在地震后。主體斷面最大開挖直徑6.2 m，取地面以下40m，寬度80m范圍內進行足尺計算。

分析按以下步驟進行：初始應力計算、開挖、襯砌、液化層發生液化。其中地震液化考慮液化土層以抗剪強度非常低、側壓力系數為1的材料模擬。

隧道正常開挖完成后計算結果見圖3-圖5。

圖3　管片軸力

圖4　管片彎矩

圖5　Z方向位移

考慮32粉土層液化后計算結果見圖6-圖8。

所有患者隨訪11 ～ 36（22.9±5.8）個月。共46例發生并發癥（6.2%），其中術中并發癥7例，包括導絲斷裂3例，腹主動脈損傷1例，硬膜損傷3例；術后并發癥39例，包括螺釘位置不良17例（共19枚釘），螺釘斷裂8例，遲發性感染5例，復位不良4例，連接棒松動3例，螺塞脫落2例。7例術中并發癥患者經術中及時處理，手術順利完成；39例術后并發癥患者中14例行手術翻修，其余患者給予支具等輔助治療，術后恢復良好。

圖6　液化后管片軸力

圖7　液化后管片彎矩

圖8　液化后Z方向位移

計算表明，隧道開挖后拱頂土體沉降為10 mm，拱底土體隆起21 mm。考慮地震液化發生后，拱頂土體沉降為7 mm，拱底土體隆起24 mm。液化后相比液化前有隆起的趨勢，同時管片軸力減小，彎矩增大，但仍能滿足受力要求，無需對其進行處理。

3.3.2盾構隧道穿越液化層32粉土層

計算參數、條件、步驟同前。

隧道開挖完成后計算結果見圖9-圖11。

圖9　管片軸力

圖10　管片彎矩

圖11　Z方向位移

粉土層液化后計算結果見圖12-圖14。

圖12　液化后管片軸力

圖13　液化后管片彎矩

圖14　液化后Z方向位移

計算表明，隧道開挖后土體呈隆起趨勢，地表隆起值最大為8mm，拱頂隆起最大5 mm，拱底土體隆起19 mm。液化發生后，地表沉降為4 mm，拱頂土體隆起為7 mm，拱底土體隆起19 mm，隆起范圍相對于液化前大幅度變大。液化后相比液化前有大幅隆起的趨勢，同時管片軸力增大，彎矩減小，結構雖能滿足受力要求，但是管片整體及周邊土體有明顯的隆起趨勢，需對其進行加固處理。擬考慮以下2種情況。

1）預先對隧道周邊土體進行地面注漿加固，隧道上部、左右部各2m，下部深于液化土層下2m。

通過計算表明，盾構隧道開挖后地表隆起值最大為3mm，拱頂隆起最大1mm，拱底土體隆起14mm。液化發生后，管片軸力增加，彎矩減小，地表沉降為2 mm，拱頂土體隆起為1 mm，拱底土體隆起11 mm，可有效減少地震液化后產生的影響。

2）隧道開挖后對隧道周邊土體進行洞內注漿加固，隧道上部、左右部各2m，下部深入液化土層下2m。

通過計算表明，盾構洞內注漿加固后管片內力略有增加，隧道開挖后，管片結構及土體總體呈下降趨勢，地表隆起值最大為3 mm，拱頂隆起最大1 mm，拱底土體隆起14mm。液化發生后，管片軸力略有增加，彎矩減小，地表沉降為2 mm，拱頂土體隆起為1 mm，拱底土體隆起13mm。

兩種加固方式對盾構區間結構抗地震液化影響均有較好效果，經處理后的地層及隧道結構在地震液化作用下的沉陷、隆起均小于不做處理的情況。

4　天津地鐵區間結構抗震液化措施

4.1設計方面

1）調整線路縱斷面，區間結構盡量避開液化土層。

2）采用洞內、外液化地層加固。

3）加強管片配筋、采用高級別的高強度螺栓鏈接管片等區間結構加強措施。

4）管片混凝土內添加聚丙乙烯網狀纖維等，以增加混凝土的韌性和耐久性。

5）每環管片預留適當的注漿孔，根據液化地層的分布情況及后期運營期間的隧道變形情況進行二次深孔注漿。

4.2施工方面

1）優化盾構推進技術，如減小盾構掘進速度、重視和使用渣土改良技術、加強盾構防水控制、嚴格控制盾構推進軸線避免超挖、改良盾尾密封系統。

2）有針對性的采取同步注漿及二次壓漿措施。

3）選擇風險較小區間先進行試推進并優化調整盾構推進及注漿各參數。

4）施工前必須編制有針對性的應急預案，應急物資及設備必須落實到位。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.020

□鄭習羿/鐵道第三勘察設計院集團有限公司。

□U231

□C

□1008-3197（2015）02-54-04

□2015-02-10

□鄭習羽/女，1975年出生，高級工程師，碩士，天津軌道交通集團有限公司，從事技術管理工作。