液化地层对天津地铁区间结构抗震性能的影响分析及防治措施

□文/郑习羽 郑习羿

液化地层对天津地铁区间结构抗震性能的影响分析及防治措施

□文/郑习羽 郑习羿

文章首先分析了地震液化的机理及目前地下工程地震液化影响及处理措施的研究现状，以天津地铁5号线昌凌路—中医一附院区间为例分析了地层液化对天津地铁区间结构的影响，最后从设计及施工两方面提出了抗地震液化的措施。

液化地层；地铁；地震性能

天津地处华北平原北部，东临渤海，北依燕山，地质构造复杂，大部分被新生代沉积物覆盖。地势以平原和洼地为主，地质条件复杂。液化地层对天津地铁区间结构的影响较大。

1　地震液化机理

松散的砂土和粉土，在地下水的作用之下达到饱和状态，如果在这种情况下土体受到地震、动荷载作用，会有变得更紧密的趋势，这种趋于紧密的作用使孔隙水压力骤然上升，而在这短暂的震动过程中，骤然上升的孔隙水压力如果来不及消散，就使原来由土颗粒间接触点传递的应力（有效应力）减小，当有效应力完全消失时，土层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样，这就是地基土的地震液化现象。

影响饱和土液化的因素很多，归纳起来其主要因素有3大类：一是动荷条件；二类是埋藏条件；三类是土性条件。

1.1动荷条件

动荷条件是指地震强度（产生的地面加速度峰值）和地震持续时间。对某一种砂土，在一定的限制压力下地震时是否会发生液化，主要决定于地震引起的应力或应变的大小，而这些应力或应变的大小与地面震动的强弱有关。应力愈大（地震烈度高，地面加速度大），就愈易液化，反之愈不易液化。地面震动的持续时间是确定液化可能性的一个重要因素。地震持续时间长意味着作用在砂土层上的往复加荷次数就多，内部孔隙水压力聚集的就高，就越易造成液化，反之则不易造成液化。在振动作用下孔隙水压力、土体内的液化范围都是随着时间而增长的。

1.2埋藏条件

埋藏条件是指砂土层自身的条件及相邻土层的条件。上覆土层厚度决定着土的初始限制压力，限制压力（埋深）愈大，砂土层液化的难度越大，反之则越容易液化。地下水位高低和上层的排水条件直接影响砂层液化的产生和发展。地下水位愈高，土层就愈容易液化反之愈难液化，上覆土层透水性大，砂土层一般不会液化；上覆土层透水性较弱，涌入砂土层的水不会很快排出而在砂土层内部聚集，孔隙水压力增高，发生液化。

1.3土性条件

土性条件是指土的密实程度和颗粒特征。粉、细砂、粉土比中砂和粗砂容易液化。级配均匀的材料比级配良好的材料更容易发生液化。不均匀系数愈小，砂土愈容易发生液化。当不均匀系数超过10的砂土一般不易发生液化。粗粒砂土较细粒砂土更难于液化。砂土的相对密度越大，砂土越难液化。初始孔隙比越大，相对密度越小，则孔隙水压力传递越快，在不排水条件下，超静孔压力累积越快，砂土越易液化；相反，砂土不易液化。另外土粒的排列、胶结物和均匀性不同，其抵抗液化的能力也就不同。原状砂比实验室内制备的砂样难液化。历史上受过多次小地震的砂土比受过历史地震的砂土难液化。

2　地下工程地震液化影响及处理措施研究现状

目前国内外对于地铁地下结构的抗震研究，考虑地震液化的尚少，而对于地下结构的地震液化响应，多局限于地下埋管等小型地下结构。但在我国地铁建设时,许多城市都遇到了地震液化对工程的影响,比如南京地铁1号线穿越古秦淮河道、广州地铁广佛线、南京地铁2号线穿越河西地区饱和粉细砂层等，目前国内外的高校及科研院所开始研究地震液化对地铁结构的影响及处理方法。

3　天津地铁区间结构抗震液化影响分析

以天津地铁5号线昌凌路—中医一附院区间为例进行研究分析。

3.1区间工程概况

昌凌路—中医一附院区间出昌凌路站后一直沿昌凌路南行并下穿丰产河，最后到达中医一附属院站，丰产河北侧的规划道路已形成且道路两侧均为已建成或在建小区，见图1。区间长度874.919双线延米，设置一处联络通道兼泵房。

图1　昌凌路—中医一附院区间平面图

此区间穿越的地层主要为粉质粘土（64、7、81、91），区间两端进出站区段盾构结构局部穿越32粉土液化层，长度分别约为212.5、344m；中间区段32粉土液化层位于盾构顶部，距离约1～2m。第一承压水位于粉土（92）中，处于区间结构底板以下。区间埋深最小9.77 m，最大17.0 m，采用V型坡，最大纵坡25‰，采用盾构法施工，见图2。

图2　昌凌路—中医一附院区间纵剖面

3.2地震液化严重程度判别

3.2.1抗震设防烈度

根据GB 18306—2001《中国地震动力参数区划图》、GB50011—2010《建筑抗震设计规范》有关规定，本场地抗震设防烈度为7度，属设计地震第二组，地震动峰值加速度值为0.15g。根据《天津地铁5号线工程场地地震安全性评价报告》，当本场地遭遇50 a超越概率10%的地震作用时，地表水平向地震峰值加速度为1.629m/s2，特征周期0.70s。

3.2.2饱和粉土、砂土液化判定

根据本次勘察资料，本场地埋深20.00 m以上分布有饱和粉土（32）（局部夹粉砂层），根据标准贯入试验资料，按GB50011—2010对其液化情况进行判定，综合分析判定，当抗震设防烈度为7度时，本场地埋深20 m以上饱和粉土（32）亚层属严重液化土层，该场地属严重液化场地。

3.2.3场地土类型及场地类别

对于地铁构筑物，场地土类型划分、建筑场地类别划分依据GB50111—2006《铁路工程抗震设计规范》（2009年版），根据5WL-01、5WL-10孔钻孔内实测剪切波速结果，本场地计算深度26.00～34.00 m内土层等效剪切波速介于173.1～193.7 m/s之间；根据GB 50011—2010，本场地计算深度20.0 m以上土层等效剪切波速介于159.0～163.1 m/s之间，覆盖层厚度＞50 m，综合判定场地土类型为中软土，场地类别为Ⅲ类。

3.2.4抗震地段划分

本场地埋深20 m以上饱和粉土（32）亚层总体属严重液化土层，该场地属严重液化场地。根据GB 50011—2010有关条款，综合判定本场地属建筑抗震不利地段。

为明确地层地震液化对盾构区间结构的影响并探讨液化地层的加固措施，利用Midas-GTS三维有限元分析软件进行初步分析。

根据昌凌路站—中医一附院站区间的地质情况，选取两处典型断面进行地层-结构数值模拟计算。

3.3.1盾构隧道位于液化层32粉土层下方

各土层计算参数见表1。

表1　物理力学指标

计算模型的侧面边界分别受到X轴方向位移约束，模型的地层下部边界受到Z轴方向的位移约束，分析中假定液化发生在地震后。主体断面最大开挖直径6.2 m，取地面以下40m，宽度80m范围内进行足尺计算。

分析按以下步骤进行：初始应力计算、开挖、衬砌、液化层发生液化。其中地震液化考虑液化土层以抗剪强度非常低、侧压力系数为1的材料模拟。

隧道正常开挖完成后计算结果见图3-图5。

图3　管片轴力

图4　管片弯矩

图5　Z方向位移

考虑32粉土层液化后计算结果见图6-图8。

所有患者随访11 ～ 36（22.9±5.8）个月。共46例发生并发症（6.2%），其中术中并发症7例，包括导丝断裂3例，腹主动脉损伤1例，硬膜损伤3例；术后并发症39例，包括螺钉位置不良17例（共19枚钉），螺钉断裂8例，迟发性感染5例，复位不良4例，连接棒松动3例，螺塞脱落2例。7例术中并发症患者经术中及时处理，手术顺利完成；39例术后并发症患者中14例行手术翻修，其余患者给予支具等辅助治疗，术后恢复良好。

图6　液化后管片轴力

图7　液化后管片弯矩

图8　液化后Z方向位移

计算表明，隧道开挖后拱顶土体沉降为10 mm，拱底土体隆起21 mm。考虑地震液化发生后，拱顶土体沉降为7 mm，拱底土体隆起24 mm。液化后相比液化前有隆起的趋势，同时管片轴力减小，弯矩增大，但仍能满足受力要求，无需对其进行处理。

3.3.2盾构隧道穿越液化层32粉土层

计算参数、条件、步骤同前。

隧道开挖完成后计算结果见图9-图11。

图9　管片轴力

图10　管片弯矩

图11　Z方向位移

粉土层液化后计算结果见图12-图14。

图12　液化后管片轴力

图13　液化后管片弯矩

图14　液化后Z方向位移

计算表明，隧道开挖后土体呈隆起趋势，地表隆起值最大为8mm，拱顶隆起最大5 mm，拱底土体隆起19 mm。液化发生后，地表沉降为4 mm，拱顶土体隆起为7 mm，拱底土体隆起19 mm，隆起范围相对于液化前大幅度变大。液化后相比液化前有大幅隆起的趋势，同时管片轴力增大，弯矩减小，结构虽能满足受力要求，但是管片整体及周边土体有明显的隆起趋势，需对其进行加固处理。拟考虑以下2种情况。

1）预先对隧道周边土体进行地面注浆加固，隧道上部、左右部各2m，下部深于液化土层下2m。

通过计算表明，盾构隧道开挖后地表隆起值最大为3mm，拱顶隆起最大1mm，拱底土体隆起14mm。液化发生后，管片轴力增加，弯矩减小，地表沉降为2 mm，拱顶土体隆起为1 mm，拱底土体隆起11 mm，可有效减少地震液化后产生的影响。

2）隧道开挖后对隧道周边土体进行洞内注浆加固，隧道上部、左右部各2m，下部深入液化土层下2m。

通过计算表明，盾构洞内注浆加固后管片内力略有增加，隧道开挖后，管片结构及土体总体呈下降趋势，地表隆起值最大为3 mm，拱顶隆起最大1 mm，拱底土体隆起14mm。液化发生后，管片轴力略有增加，弯矩减小，地表沉降为2 mm，拱顶土体隆起为1 mm，拱底土体隆起13mm。

两种加固方式对盾构区间结构抗地震液化影响均有较好效果，经处理后的地层及隧道结构在地震液化作用下的沉陷、隆起均小于不做处理的情况。

4　天津地铁区间结构抗震液化措施

4.1设计方面

1）调整线路纵断面，区间结构尽量避开液化土层。

2）采用洞内、外液化地层加固。

3）加强管片配筋、采用高级别的高强度螺栓链接管片等区间结构加强措施。

4）管片混凝土内添加聚丙乙烯网状纤维等，以增加混凝土的韧性和耐久性。

5）每环管片预留适当的注浆孔，根据液化地层的分布情况及后期运营期间的隧道变形情况进行二次深孔注浆。

4.2施工方面

1）优化盾构推进技术，如减小盾构掘进速度、重视和使用渣土改良技术、加强盾构防水控制、严格控制盾构推进轴线避免超挖、改良盾尾密封系统。

2）有针对性的采取同步注浆及二次压浆措施。

3）选择风险较小区间先进行试推进并优化调整盾构推进及注浆各参数。

4）施工前必须编制有针对性的应急预案，应急物资及设备必须落实到位。

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

□郑习羿/铁道第三勘察设计院集团有限公司。

□U231

□C

□1008-3197（2015）02-54-04

□2015-02-10

□郑习羽/女，1975年出生，高级工程师，硕士，天津轨道交通集团有限公司，从事技术管理工作。