強震作用穿越不同位置粉土地層盾構隧道液化特性研究

朱雙燕

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

引言

美國土木工程巖土工程分會將液化定義為“任何物質轉變為液態的過程”[1]，日本對液化的理解則是“地基土中孔隙水壓力的增長使土體有效應力減小和抗剪能力消失的過程”[2]，而我國將液化定義為：“土體有效應力變為零，孔隙水壓力等于土體有效應力，失去其承載能力，轉變為液體的過程”[3]。

地下結構處于圍巖中，學者們普遍認為地下結構具有良好的抗震性能，但日本阪神地震導致地鐵車站和區間隧道因土體發生液化受到了嚴重的破壞[4-5]，之后的土耳其地震以及2008年的汶川地震等多地在強震作用下發生了大規模液化現象，工程結構受到了巨大的破壞[6]。為了解土體發生液化的機理，國內外眾多學者和機構進行了大量的研究。

YOUD[7]、PAPADOPOULOU A[8]等發現粉土中細粒含量對土體抗液化能力影響較大，細粒含量越高，粉土越易液化。景立平等[9]通過動三軸試驗發現，土體抗液化能力和密度、結構性以及固結度等密切相關，并以粉土孔壓增長模型來判別粉土是否液化。陳國興等[10]通過模型箱試驗對粉土地層地鐵結構的液化特性進行了分析，得到了液化土體的加速度增長效應和孔壓消散規律。張煥強[11]通過數值軟件對穿越飽和粉土地層的隧道結構進行了計算，分析了粉土地基發生液化時隧道襯砌結構厚度和強度的影響規律。蔣清國[12]依托天津地鐵5號線工程，分析了粉土液化機理，提出了穿越粉土層地下結構的處置措施，并通過數值模擬和現場試驗兩種手段進行了驗證。鄒佑學等[13-14]采用FLAC3D軟件對地震動力作用下可液化場地碎石樁復合地基進行三維數值分析，得到碎石樁的加密作用可以顯著降低超靜孔隙水壓力的結論。

上述很多學者的工作主要集中在液化機理、特性和措施等方面，對于地下結構和可液化土層位置關系的研究較少。因此，通過數值模擬的手段分析可液化地層位于地下結構不同位置處的動力響應特性，為穿越可液化土層的地下結構加固措施提供新的思路。

1 工程概況

以天津地鐵5號線金鐘河大街站—建昌道站盾構區間為工程依托，區間長度為941.296 m，場地平面如圖1所示。盾構隧道外徑為6.0 m，管片厚度為35 cm，材料采用C50混凝土，管片采用錯縫拼裝，管片結構示意如圖2所示。

圖1 金鐘河大街站—建昌道站場地平面

圖2 盾構管片結構示意

該地區盾構隧道穿越的土層主要為飽和粉土層和黏土層，地下水位埋深維持在0.50～1.50 m，典型液化區段縱斷面如圖3所示。根據中國地震動參數區劃圖顯示天津地區為Ⅷ度設防區。

圖3 典型液化區段縱斷面示意

2 數值計算

2.1 計算模型建立

為了去除邊界效應對計算結果的影響，本次計算模型選取的長度為100 m，高度為43 m，沿隧道方向長度為50 m，隧道埋深為10 m。盾構隧道外徑為6.0 m，管片厚度為35 cm。計算模型如圖4所示。

圖4 數值計算模型(單位：m)

2.2 計算參數

計算模型中，土體在靜力計算中采用摩爾-庫倫模型，動力計算中粉土地層采用Finn本構模型[15]，管片材料為C50混凝土，采用彈性本構模型。模型土體及結構基本計算參數如表1所示，流體及動力參數如表2所示。

表1 土體及結構計算參數

表2 土體流體及動力計算參數

計算開始前，首先對初始地應力和滲流進行平衡，然后進行動力計算，動力計算中模型邊界四周及底部采用自由邊界場，臨界阻尼系數為0.417[16]。

2.3 地震波輸入

選擇輸入的地震波為天津波，記錄天津波地震作用時長為19.9 s，峰值加速度為10 m/s2，天津波加速度時程及傅里葉譜值分別如圖5、圖6所示。經過基線校正和過濾處理，計算時選取能量劇烈的5～13 s的8 s地震波，并將加速度波轉換為應力波從模型底部輸入，如圖7所示。考慮天津實際條件，輸入的應力波乘0.3的折減系數，即峰值加速度PGA=0.3g。

圖5 天津波加速度時程曲線

圖6 天津波傅里葉譜

圖7 地震波輸入

2.4 監測點布置

為去除邊界效應的影響，模型監測點設置在模型軸向中部位置處，即X=0，Y=25 m處，隧道結構的監測點位置如圖8所示，管片結構監測點坐標見表3。

圖8 監測點位置布置示意

表3 盾構管片監測點位置坐標

2.5 計算工況

盾構管片埋深10 m，為探究可液化粉土地層位于管片結構不同位置的影響，本文計算工況如圖9所示。

圖9 計算工況示意

3 計算結果分析

3.1 粉土地層動力響應特性

文獻[17]通過動三軸試驗表明當超孔壓比超過0.65后，土體即發生液化現象，因此以超孔壓比大于0.65(包括0.65)作為粉土液化的評判標準。圖10為粉土地層相對隧道不同位置時超孔壓比分布云圖。從圖10和表4可以看出，隨著粉土埋深增加，最大超孔壓比逐漸減少。當粉土層位于地表以下6 m時，粉土層基本處于液化狀態，最大超孔壓比達到0.97；當粉土層位于隧道拱頂上方6 m時，最大超孔壓比為0.70；當隧道僅上半部分位于粉土層，下半部分位于黏土層時，此時粉土層最大超孔壓比為0.53，粉土雖未達到液化臨界值(0.65)，但富余量較少；當隧道處于粉土層的包圍中，最大超孔壓比僅為0.36，繼續增大粉土層埋深，粉土已不再發生液化。

圖10 粉土層相對隧道不同位置時超孔壓比云圖

表4 不同工況超孔壓比最大值

3.2 隧道結構動力響應特性

圖11～圖14分別是不同工況下隧道結構S1、S1′、S2及S2′監測點豎向位移時程曲線，表5是不同工況隧道結構最大豎向位移值。從圖11～圖14可以看出，當地震波輸入2.5 s左右時，隧道結構豎向位移開始急劇增加，地震波輸入4～8 s內，隧道結構位移緩慢增加。計算結束后，隧道結構豎向位移工況3>工況2>工況1>工況5>工況6>工況7，說明在強震作用下，隧道結構上方存在粉土地層隧道結構受到影響相比結構下方存在粉土產生的影響大。

圖11 不同工況隧道結構S1監測點豎向位移時程曲線

圖12 不同工況隧道結構S1′監測點豎向位移時程曲線

圖13 不同工況隧道結構S2監測點豎向位移時程曲線

圖14 不同工況隧道結構S2′監測點豎向位移時程曲線

從表5可以看出，隧道結構豎向位移S2′>S1>S1′>S2，隧道結構呈現順時針扭轉趨勢。隧道結構最大豎向位移出現在工況3 S2′處(27.4 mm)，此時隧道結構上半部分位于粉土層，下半部分位于黏土層。當粉土層位于隧道結構下方時，隧道結構豎向最大位移為9.8 mm，出現在工況5 S2′處，此時隧道結構僅下半部分位于粉土層內。

表5 不同工況隧道結構最大豎向位移值 mm

4 結論

以天津地鐵5號線盾構隧道典型液化區段為工程依托，采用動力時程分析法，開展了盾構隧道穿越不同位置飽和粉土地層的動力響應特性研究，得到如下結論。

(1)在地震作用下，飽和粉土層的液化程度隨著埋深的增大而減小，隧道結構與粉土層的位置關系對飽和粉土液化程度影響不明顯。

(2)在地震作用下，隧道結構位移整體呈現隆起狀態；隨著飽和粉土層埋深的增加，隧道結構的整體位移呈現減小的趨勢；從整體趨勢上看，隧道結構豎向位移S2′>S1>S1′>S2，隧道結構呈現順時針扭轉的趨勢。

(3)當飽和粉土層位于隧道結構上方時產生的隧道結構位移大于飽和粉土層位于隧道結構下方時，且飽和粉土層距離隧道結構越近，隧道結構產生的位移越大；隧道結構最大隆起位移出現在隧道結構僅上半部位于粉土層的工況處(工況3 S2′)，隧道結構位移最大(27.4 mm)。

(4)在線路設計中，隧道結構應盡可能遠離可液化土層，且應當將隧道結構置于可液化土層之上，同時避免僅部分隧道結構穿越可液化土層的情況。