可液化地层叠落盾构隧道抗震分析及对策

孙希波 ，钟 毅，万小飞 ，韩亚飞，张小伟

（1. 北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037；2. 城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068；3. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

随着地铁线网的不断完善及扩张，地铁结构所处的地层类型愈加丰富，多种多样结构形式的地铁隧道不可避免地受到液化地层的影响。这种影响因结构类型、液化程度、空间关系等因素变得非常复杂，隧道结构受影响的程度也多有不同，有必要对其进行分析，以便根据影响程度采取合理的处理措施，保证结构安全并尽量控制造价。

目前，越来越多的专家、学者开始针对液化地层对地下结构的影响开展研究。刘光磊等[1]采用动力固结两相体有限元程序DIANA SWANDYNE-II对可液化地层中地铁隧道结构的地震响应进行了模拟，并与动力离心模型试验结果对比。刘春晓等[2]采用 PL-FIN土体液化本构模型，使用FLAC3D进行研究，总结了液化地层发生大变形时液化区分布、孔隙水压力与超静孔隙水压力比变化规律及差异、地下结构的位移及差异沉降规律。段亚刚[3]对标准断面地铁结构液化处理措施进行了分析，表明处理措施可以很好地降低液化影响。

以上研究主要针对液化地层中地下结构典型横断面或单一隧道纵向且液化地层分布单一的情况进行分析，但是地铁隧道结构形式呈现复杂性，且与液化地层呈不规则分布关系，液化对此类结构的影响也存在差异。

现结合工程实例，对叠落盾构隧道不同部位处于不同地层的情况进行分析模拟，研究不同位置、相同位置但不均匀分布的液化地层水平和竖向地震作用下对此类结构的影响，并提出不同部位液化处理的方案。

1 工程概况

1.1 隧道概况

北京地铁八通线南延工程施园站—环球影城站区间长度约1 475 m，埋深10～24 m，采用盾构法施工，为外径6 m盾构隧道。考虑环球影城站客流特点，对区间进行了一次线位互换，因而隧道存在一段左右线交叉叠落的区段。整个交叉叠落段长度约500 m，垂直叠落段竖向净距3 m。图1为区间隧道平面布置图，八通线南延两线交叉叠落，与7号线东延区间基本平行布置。图2为区间叠落段竖向位置关系示意。

图1 区间隧道平面布置Figure 1 Layout plan of section tunnel

图2 叠落区间竖向关系Figure 2 Vertical relation diagram of stacked tunnel

1.2 地质概况

根据地勘资料，本段区间范围地层自上而下主要为黏质粉土素填土①层、杂填土①1层、砂质粉土黏质粉土②层、粉质黏土②1层、粉细砂②2层、粉质黏土③1层、粉细砂③2层、粉质黏土④1层、粉细砂④2层、粉质黏土⑤1层及粉细砂⑤2层。

地下水主要有两层，分别为潜水，埋深8～12 m；承压水，埋深15～23 m。

其中，考虑抗震设防烈度为8度及9度时，砂质粉土黏质粉土②层、粉细砂②2层、砂质粉土黏质粉土③层、粉细砂③2层、粉细砂④2层会发生液化，液化等级分别为轻微～中等及中等程度，液化深度为 5～20 m。图3为隧道地质纵段图，阴影部分为液化粉细砂层，左右线隧道均整体位于液化地层范围内。

图3 地质纵段图Figure 3 Geological profile

2 数值计算模型

2.1 模型尺寸及边界条件

图4、图5分别为区间隧道三维模型图及区间隧道俯视图。整体计算模型长235 m，宽118 m，高50 m。根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》[4]对场地液化判别的深度，地面以下 15～20 m 范围内土层的液化，可能引起地下车站结构和区间的严重破坏或上浮，对地面以下20 m土层进行液化判别是非常必要的。由地勘资料可知，场地地面以下20 m范围内主要有3层液化土，本计算模型中将3层液化土层分为液化土层A区、B区、C区及D区，如图6所示。研究8种工况对应的液化地层分布情况。工况1：叠落区间液化土层A区～D区均不液化；工况2：叠落区间液化土层A区～D区均液化；工况3：叠落区间液化土层仅A区液化；工况4：叠落区间液化土层仅B+C区液化；工况5：叠落区间液化土层仅D区液化；工况6：叠落区间液化土层仅B区液化；工况7：叠落区间液化土层仅C区液化；工况8：叠落区间液化土层A区～D区均液化，且考虑竖向地震影响。工况1～7仅考虑水平(Y方向)地震波影响。为了解决有限截取模型边界上波的反射问题，边界条件采用自由场边界。模型共 113 094个节点，185 826个实体单元，9 400个结构单元。

图4 区间隧道三维模型Figure 4 Three-dimensional model diagram of the tunnel

图5 区间隧道俯视图Figure 5 Top view of the tunnel

图6 三维计算模型液化土层分布Figure 6 Distribution diagram of liquefied soil layer of three-dimensional calculation model

2.2 本构模型及参数选取

土体的本构模型采用岩土常用模型 Mohr-Coulomb模型和修正UBCSAND模型[5]。修正的UBCSAND模型基于有效应力模型能模拟非线弹性行为，进而模拟地震荷载作用下砂土液化现象，实现 3D应力状态液化模拟，具体如式(1)～(5)。土体物理力学参数见表1。

表1 岩土的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

其中，pref为土层原位水平压力；为弹性剪切模量系数；ne为弹性剪切模量指数；ϕp为峰值摩擦角；ψcv为体积摩擦角常数；Rf为破坏比；为塑性剪切模量系数；np为塑性剪切模量指数。

2.3 地震波输入

地震波输入采用 50年超越概率为10%的基岩加速度反应谱(特征周期为 0.55 s)和峰值加速度(峰值为0.20 g)作为地震动时程合成的目标峰值和反应谱，用以合成土层地震反应分析所需的基岩地震动时程，图7给出水平地震波加速度时程曲线，竖向地震波加速度时程曲线为水平向的0.75倍。

图7 水平地震波加速度时程曲线Figure 7 Horizontal seismic acceleration time history curve

3 不同工况抗震对比分析

3.1 同一断面液化与非液化分析

为对比液化对隧道结构的影响，取工况1与工况2隧道叠落段中相同断面在水平向地震作用下最大变形值进行比较。图8、图9分别为工况1与工况2隧道断面变形图。

图8 工况1隧道断面变形值Figure 8 Deformation value of tunnel section under condition 1

图9 工况2隧道断面变形值Figure 9 Deformation value of tunnel section under condition 2

由图可见，液化工况下，隧道结构顶部水平位移为57.8 mm，是非液化工况位移43.4 mm的1.33倍；隧道顶部竖向位移液化工况比非液化工况稍大，但两者绝对值均很小。所以在水平地震作用下，地层液化明显加大了隧道结构的水平位移。表2为不同工况下右线隧道结构直径变形率对比表。

表2 右线隧道结构直径变形率Table 2 Diameter deformation rate of right line tunnel

由以上分析可知，液化工况隧道结构直径变形率大于非液化工况，但均小于规范允许值。

通过对比非液化与液化工况下隧道结构变形规律，在液化工况下隧道整体变形以及隧道直径变形率均有较大幅度增大，对隧道结构受力较不利，因此地层液化程度较高时对结构所处液化地层进行处理是十分必要的。

3.2 土层不同区域液化影响对比分析

本工程所处地质条件共有 3层可液化地层，一次地震中，发生液化的地层可能位于隧道的不同位置，因此有必要研究土层不同位置液化对隧道结构的影响。

分别研究了隧道顶部，隧道中部，隧道中部左侧以及隧道底部位置土层发生液化时，隧道结构的变形和内力。图 10～图13分别为土层液化位于 A区、B+C区、D区及B区情况下的隧道变形图。

图10 工况3土层A区液化隧道断面变形值Figure 10 Condition 3—deformation value of tunnel in liquefaction soil A

图13 工况6土层B区液化隧道断面变形值Figure 13 Condition 6—deformation value of tunnel in liquefaction soil B

表3为土层A区液化与非液化情况隧道直径变形率。表4、5、6为土层B区+C区液化。

表3 隧道结构直径变形率1Table 3 Deformation rate of tunnel structure diameter 1

图11 工况4土层B+C区液化隧道断面变形值Figure 11 Condition 4—deformation value of tunnel in liquefaction soils B and C

图12 工况5土层D区液化隧道断面变形值Figure 12 Condition 5—deformation value of tunnel in liquefaction soil D

土层A区位于左线顶部，与右线隧道竖向距离约7 m，对比土层A区液化与非液化工况可知，左线区间与右线区间的水平及竖向位移均无明显变化，说明当液化地层位于区间上方时，可忽略地震作用下地层液化对区间结构的影响。

表4为土层B区+C区液化情况隧道结构直径变形率。

表4 隧道结构直径变形率2Table 4 Deformation rate of tunnel structure diameter 2

土层B区及C区位于左线隧道中部以下，右线隧道中部以上，与工况3土层A区液化计算结果对比发现，左线隧道水平位移增大约14 mm，但直径变形率变化不大。可见，隧道结构底部发生液化时，地震作用下结构整体水平位移会明显增大，但结构内力变化不大。同时，对于右线隧道，相比工况3结构水平位移增大约9 mm，隧道结构顶底位移差也增大约4.3 mm，可见隧道结构所处液化地层范围越大，对隧道结构变形越不利，对比本文人字坡和V型坡区间隧道，沿竖向穿越液化地层，需沿隧道分段考虑液化处理措施，确保处理措施的合理性及经济性。

表5为土层 D区液化情况隧道结构直径变形率。

表5 隧道结构直径变形率3Table 5 Deformation rate of tunnel structure diameter 3

土层D区位于右线隧道底部，与左线隧道竖向距离约6 m，与非液化工况对比发现，右线隧道直径变形率增大较为明显，对左线隧道结构无影响。可以得出，当盾构隧道位于液化地层上方较远距离时(>D，D为隧道结构直径)，地震作用下，液化地层对隧道结构影响较弱，可适当考虑加强结构，不对液化地层进行处理，提高工程的经济性。

表6为土层B区液化情况隧道结构直径变形率。

表6 隧道结构直径变形率4Table 6 Deformation rate of tunnel structure diameter 4

土层B区及C区位于左线隧道中部偏下，右线隧道中部，与非液化工况对比，隧道结构水平位移及直径变形率均有增大，由于右线隧道中上部分基本全位于液化地层，顶底位移差较非液化工况增加6.6 mm。结合工况4-土层B+C区液化计算结果可知，当隧道结构土层液化等级不同或液化与非液化分界时，对结构不利。实际工程中在线路选择时应统筹考虑，当不可避免时，应对液化地层进行处理。

3.3 地层液化对管片内力影响

为对比液化对管片内力及配筋的影响，选取工况1和工况2地震作用下最大应力时刻管片应力图如图14所示。

图14 不同工况管片应力值Figure 14 Stress values of shield tunnel under different conditions

可以看出，液化工况2管片应力要大于非液化工况1，工况1管片应力最大值为8 162.6 kN/m2，工况2管片应力最大值为11 146.7 kN/m2，应力值增大36%。

3.4 竖向地震影响

区间左右线隧道分别呈人形坡和V形坡实现交叉叠落，隧道结构与液化地层的关系也随线路里程不断变化。左右线隧道在水平及竖向净距均在变化，为此，提取不同剖面位置隧道结构变形，并与工况2全土层液化计算结果进行对比分析。图15、图16分别为竖向地震情况下隧道水平及竖向变形情况与工况2的对比图。

图15 隧道断面水平变形值Figure 15 Horizontal deformation value of tunnel section

图16 隧道断面竖向变形值Figure 16 Vertical deformation value of tunnel section

由以上分析可知，竖向地震作用的施加对隧道结构的水平位移几乎无影响，对隧道结构竖向位移影响较大。隧道竖向变形考虑竖向地震时，由0.0012增加至0.006 9，变化幅度575%。可见当纵向存在地层差异时，变形对隧道是较为不利的。

4 液化处理措施

4.1 液化处理措施选取

根据以上的分析，对叠落隧道受液化影响较大的部位，以及不同位置液化地层对隧道的影响程度有了了解，就可以针对性地采取措施[6]。

目前，对于液化的处理，轻微液化一般不做地基类处理，主要通过结构自身加强；严重液化需采取地基类处理措施；中等液化的处理措施处于两者之间，结合具体计算采取地基处理或地基处理与结构加强结合等措施。

地基类处理措施主要有4个类型[7-8]：避让类、挤密类、换填类及加固类(含围封)。每种类型又有几种处理方式，见表7。

表7 液化处理措施Table 7 Liquefaction treatment measures

对于采用盾构法施工的地铁隧道，桩基础、换填法、连续墙围封类基本不适用。而盾构法的特点之一便是很大程度避免对地面的干扰，故而一般液化程度不是太严重的情况下，线路避让以及洞内注浆加固为首选措施[9-10]，然后是地面类处理措施如搅拌桩、旋喷桩。

根据上述计算分析，本工程液化地层对盾构隧道的影响程度相对较小，主要对重点部位如叠落隧道之间土层、覆土较小部位等位置进行地基处理，一般地段主要进行结构自身适当加强。具体方式为叠落隧道下层隧道拱顶、上层隧道底部外圈洞内径向注浆加固；浅覆土段盾构底部液化地层搅拌桩加固；一般地段增加盾构隧道螺栓连接强度。图17、图18为盾构叠落隧道液化注浆加固措施和水平邻近非叠落段液化注浆加固措施。

图17 叠落隧道液化注浆加固Figure 17 Grouting reinforcement drawing of stacked tunnel

图18 非叠落段液化注浆加固Figure 18 Grouting reinforcement drawing of non-stacked tunnel

4.2 液化地层加固对比分析

为验证加固措施的有效性，在工况2的模型基础上，通过提高加固范围的土层的弹性模量，达到地层加固的效果，计算结果如图19所示。

图19 工况2(加固与非加固)隧道断面变形值Figure 19 Deformation value of tunnel section under condition 2

根据计算结果，对工况2地层加固后，水平地震作用下，管片最大的水平位移为40.5 mm，小于液化工况2下管片的水平位移56.4 mm，与非液化工况1管片水平位移42.6 mm相近。因此在液化地层中对叠落段管片周边土体采取加固措施是有效且有必要的。

5 结论

1) 液化工况下隧道整体变形以及隧道直径变形率均有较大幅度增大，对隧道结构受力较不利，在液化程度较轻时，隧道变形仍能满足规范要求。

2) 液化地层处于隧道不同位置时，液化对隧道的变形影响不同，液化土层距离隧道越远影响越小。其中液化土层位于隧道顶部、隧道中部、隧道底部时，液化对隧道变形的影响逐渐增大，但是对于叠落隧道液化土层位于上层隧道底部、下层隧道顶部时，对于下层隧道的影响更大。当液化发生在隧道一侧时，隧道变形增长较大，是不利工况。

3) 竖向地震作用下发生土层液化时，隧道水平变形很小，但竖向变形相对增长较大，特别是当地层纵向存在差异时，对结构是比较不利的，需关注隧道底部液化土层的情况。

4) 根据以上变形分析，叠落隧道夹层范围、隧道底部发生液化时，隧道变形增长较大，是液化处理的关键部位，视液化程度，需采取处理措施。同时因隧道单侧液化对变形也是不利的，所以处理措施宜采用对称布置。鉴于盾构隧道结构形式以及其暗埋施工的特点，洞内注浆加固是首选措施，根据数值分析情况，洞内注浆加固措施起到了一定的效果。但液化程度较大时，需考虑地面搅拌桩等处理措施。