大连填海区地铁建设场地震陷特性及应对措施

梁志勇

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

填海区有别于其他地区，地层分布不均匀，回填层岩土参数受填料及回填施工工艺影响大，存在软弱淤积层，地下水丰富伸至与海水连通，因此该区域的地下工程设计也相应会遇到不少难题。大连地铁二号线海之韵站是大连东港填海区起点站，位于填海区，距离填海后的海岸线仅300m，厚层填土下存在不均匀饱和软土层，是典型的填海区地下工程。地铁工程设计使用年限为100年，抗震设防类别为乙类，饱和软土震陷是主要的地基震害形式之一。地震作用下的地基稳定性是工程的关键技术问题。

1 工程概况

海之韵站为地铁2号线的起点站，设在东港商务区港隆路下，车站为地下双层岛式车站，沿港隆路东西向设置。车站长207.4m，明挖法施工，标准段基坑开挖宽度为18.9m，基坑开挖深度为16.7m。车站主体结构采用现浇整体式框架结构，车站标准段为地下双层两跨结构。

图1 车站典型地质横断面图

海之韵站位于大连市东港填海区，原始地貌为浅海，后经人工回填，地形平坦，现状地面高程3.7～5.8m，区间场地东侧300余米为新填筑海岸线。工程范围内主要地层如下：

素填土：灰色、黄褐色，劈山石英岩碎石为主，平均粒径20～120mm。局部夹大块石。松散～密实状态。层厚14.20～23.20m。素填土为新近回填，回填时间3～7年，表层经强夯处理。

淤泥质粉质粘土：灰黑色，流塑状态，局部软塑，干强度高，韧性中等，切面稍有光泽，含淤泥质粘土和粉砂，含少量贝壳，具有腥臭味。层厚0.60～9.90m。

粉砂：灰黑-灰褐色，饱和，中密～密实状态，粉砂层中夹杂淤泥、粉土薄层，淤泥、粉土含量随深度增加而减少，局部夹薄层淤泥质粉质粘土、粉土透镜体，含少量贝壳，含少量有机质，稍有腥臭味。层厚1.30～14.90m。

强风化板岩：黄褐色，原岩结构清晰，变余泥质结构，板状构造，裂隙发育。属软岩，岩体破碎。该层分布不均。

中风化板岩：灰黄-灰色，变余泥质结构，板状构造，层理和节理裂隙较发育，岩芯呈饼状、短柱状。为较软岩，层顶埋深28.40～41.00m。

本工程地下水类型为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，稳定地下水位埋深4.00～5.10m，素填土为主要含水层、具强透水性，因回填成分的不均匀性造成渗透性各向差异较大。本场地地下水与海水贯通，主要受潮汐影响较大，随潮汐变化，年水位变幅约1～3m。

表1 岩土体主要物理力学参数表

2 软土震陷问题的提出

《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)4.3.11条规定：“地基中软弱黏性土层的震陷判别，可采用下列方法。饱和粉质粘土震陷的危害性和抗震陷措施应根据沉降和横向变形大小等因素综合研究确定，8 度( 0.30g) 和 9 度时，当塑性指数小于 15 且符合下式规定的饱和粉质粘土可判为震陷性软土。”

WS≥ 0.9WL； IL≥ 0.75

(1)

式中：WS—天然含水量；

WL—液限含水量，采用液、塑限联合测定法测定；

IL—液性指数。

相应条文解释说明“初步认为7度区fk≤70kPa应该考虑震陷的可能性，并宜采用室内动三轴试验和H.B.Seed简化方法加以判定”。

由于大连地震烈度分区为7度区，且本工程场地淤泥质粉质粘土承载力特征值fk=80kPa≥70 kPa，故可初步认为不发生震陷或震陷量很小。

但《地铁设计规范》(GB 50157-2013)对于软黏土的震陷，要求“鉴于工程的重要性和使用要求的特殊性，在软土地层中修建地铁时，必须结合具体的场地条件对震陷问题进行专门分析”。

因此，考虑大连地区地铁工程尚缺乏软土震陷问题的经验，本工程对场地淤泥质粉质粘土取样进行室内试验，对震陷问题进行分析。

3 工程试验选取

地震波是一种随机荷载，大多具有明显的不规则性和不对称性，而以往用于工程实际的孔压和残余变形增长模型是基于等幅荷载实验得到的。为使等幅荷载结果应用于实际地震应力作用，Seed等提出了转换方法，即将实际地震应力峰值的0.65倍作为等幅循环应力幅值，等幅荷载的循环次数则依震级大小而定，Seed将此次数称为有效应力循环次数。此方法使用方便，一直被广泛应用，是很多土体地震反应分析方法和程序的基础。国内袁晓铭等对软土震陷问题进行了相应的研究。

地震荷载是一种极不规则的短期循环荷载，在循环荷载作用下，地基变形会逐渐累积直至产生较大的永久变形，引起地基的不均匀沉降。试验中动应力的施加应能最大限度地模拟天然土层可能承受的动荷载，通常是将地震荷载按照一定的规则将其转化为等幅循环荷载。这里，我们采用几种不同的动应力进行试验，等幅荷载的循环振次N则依地震烈度大小而定，试验中我们取N=4000次，加载频率采取f=1Hz。根据现场取样深度及土体的天然受力状态，进行偏压固结，试样固结应力比为Kc=1.45,固结围压σ3=130kPa，试样的平均固结压力σ=150kPa，固结时间t=12h。此外，考虑到地震荷载是一种作用时间极短的循环荷载，而且软土的渗透性很差，因此试验时采用固结不排水剪切试验。

由于试样在循环荷载的作用下孔压量测具有滞后性，故目前粘性土一般采用应变破坏标准。本试验结合前人的研究成果，同样采用的是应变破坏标准，亦即以达到某一规定应变幅值作为土体的破坏标准，通过文献的阅读、对比和分析，本试验采用轴向应变达到 5%时作为土体达到破坏的标准。在动力试验的过程中，始终要保持排水阀为关闭状态，待土样严重破坏或达到预先设定的振动次数N=4000次后停止试验。

图2 一号孔淤泥质粉质粘土动力三轴试验曲线

图3 二号孔淤泥质粉质粘土动力三轴试验曲线

大连地区7度设防，地震加速度峰值a=0.10g。Seed 简化法：动荷载幅值取为地震峰值应力的0.65倍，即σd=0.65σmax。

1#孔位所求得的动荷载幅值对应的CSR=0.142，地震荷载作用下地基的沉降量

s1=0.123×0.01×200=0.25mm

2#孔位所求得的动荷载幅值对应的CSR=0.14，地震荷载作用下地基的沉降量

s2=0.179×0.01×6600=11.8mm

由两个孔位土样的动三轴试验结果可知，未经处理的车站结构地基饱和淤泥质粉质粘土在地震荷载的作用下将产生一定量的震陷，每延米震陷量约为1.79mm；由于软土层厚度分布不均匀造成计算震陷量不均匀，同一横断面内震陷量最大差值为11.55mm。

《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202-2013)关于运营地铁隧道竖向位移要求控制值为<20mm，可见本场地软土震陷量最大值并未超限，场地软土震陷的主要问题是厚度极不均匀引起的差异震陷量较大。

考虑工程场地软土层在横向纵向两个方向均存在不均匀性、地铁工程的结构受损不易修复、运营轨道存在震动荷载且对变形要求严格的特点，本工程采取措施对淤泥质粉质粘土进行处理，力求消除过大的差异震陷量。

4 地基震陷处理方案的选择

结合场地地质条件，可供选择的消除震陷问题的解决方案有如下几种:减沉复合疏桩基础、高压旋喷桩复合地基、振冲碎石桩复合地基。

减沉复合疏桩基础适用于软土地基天然地基承载力基本满足要求的情况下，为减小沉降采用疏布摩擦型桩的复合桩基。

高压旋喷桩复合地基处理适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土(流塑、软塑和可塑)、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。对土中含有较多的大直径块石、大量植物根茎和高含量的有机质，以及地下水流速较大的工程，应根据现场试验结果确定其适应性。

振冲碎石桩复合地基处理适用于挤密处理松散砂土、粉土、粉质黏土、素填土、杂填土等地基，以及用于处理可液化地基。饱和黏土地基，如对变形控制不严格，可采用砂石桩置换处理。

通过对大连地区填海区类似地质条件的民用建筑地基处理措施调研，并进行技术经济比较，现场选用了旋喷桩和振冲碎石桩进行了试验。

车站分别在两端和中间选择了三个试验点，由于填土层存在不均匀块石，现场振冲碎石桩仅完成了一个，其余两个均由于块石出现卡住振冲头和振冲孔下不去现象。高压旋喷桩通过钻机引孔解决了局部块石问题，通过现场检测复合地基有效提高了地基承载力并有效减小了地基变形量，最终选用了高压旋喷桩对车站地基地层进行加固，采用点状旋喷加固，旋喷桩Φ800@1800，进入粉砂层3m。

5 结论

通过对大连填海区淤泥质粉质粘土层取样试验，并现场进行地基处理试验，有以下结论可供类似工程参考。

(1)大连填海区饱和淤泥质粉质粘土在地震荷载的作用下将产生一定量的震陷，但总震陷量绝对值不大，每延米震陷量约为1.79mm。

(2)大连填海区饱和淤泥质粉质粘土在地震荷载的作用下的工程问题主要是分布不均匀带来的差异震陷问题。

(3)采用高压旋喷可以有效解决大连填海区不均匀软土差异震陷问题。