蔣清國(guó)

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

液化地層下地鐵工程抗地震液化措施研究1

蔣清國(guó)

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

地震液化可能誘發(fā)極為嚴(yán)重的破壞，已成為工程領(lǐng)域的重要研究課題。目前，在可液化地層下地鐵工程抗地震液化設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)較少，且現(xiàn)行規(guī)范針對(duì)液化地層所給定的處理原則在工程實(shí)際應(yīng)用中較難操作。本文以天津地鐵5號(hào)線穿越中等-嚴(yán)重液化粉土層區(qū)段為工程背景，同時(shí)以地震液化機(jī)理、影響因素及抗液化規(guī)范的應(yīng)用為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，給出了地鐵工程抗地震液化處理措施建議，并對(duì)各項(xiàng)措施的適用性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：抗液化措施應(yīng)結(jié)合地鐵結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)與液化土層的相互位置關(guān)系、液化土層的厚度、液化等級(jí)以及周邊環(huán)境等因素綜合確定；在結(jié)構(gòu)承載力及抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算中應(yīng)計(jì)入土層液化引起的土壓力增加、摩阻力降低以及浮力增加等因素的影響；注漿加固對(duì)盾構(gòu)區(qū)間抗地震液化有利。

地下工程 地震 液化粉土 地鐵車站 盾構(gòu)區(qū)間 抗液化措施

蔣清國(guó)，2015.液化地層下地鐵工程抗地震液化措施研究.震災(zāi)防御技術(shù)，10（1）：95—107.doi：10.11899/zzfy20150110

引言

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，由于線網(wǎng)整體規(guī)劃、既有城市建設(shè)條件等限制，越來(lái)越多的地鐵工程在建設(shè)過(guò)程中不可避免地需要穿越液化土層。國(guó)內(nèi)外的地震危害監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示（孫銳等，2006；王維銘，2013），地震液化對(duì)地下結(jié)構(gòu)造成的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通場(chǎng)地，尤其在高烈度地區(qū)，這種影響尤為顯著，因此有必要對(duì)液化土層下進(jìn)行地鐵工程建設(shè)需要采取的針對(duì)性措施開(kāi)展研究和探索。

國(guó)外對(duì)地震液化的研究始于1964年日本新瀉地震和美國(guó)阿拉斯加大地震后，至今已有日本、美國(guó)、印度、加拿大、英國(guó)、法國(guó)、伊朗、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家的專家學(xué)者，通過(guò)對(duì)實(shí)際震害調(diào)查資料的收集與分析、室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并借助數(shù)值模擬手段等對(duì)地震液化課題進(jìn)行了大量的分析研究。其涉及的領(lǐng)域涵蓋了鐵路、橋梁、碼頭、水利設(shè)施、高層建筑及地下結(jié)構(gòu)等。在土的液化特性、液化機(jī)理、液化判別、液化大變形及抗液化措施等方面取得了很多科研成果。但由于地震液化問(wèn)題本身的復(fù)雜性，從理論到工程應(yīng)用目前仍存在很多值得探討的問(wèn)題。尤其是針對(duì)地鐵工程，也僅有日本、美國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家有為數(shù)不多的研究成果，且目前已采取的針對(duì)地鐵工程的抗液化處理的效果還有待于實(shí)踐的檢驗(yàn)（師新明，1990；魯曉兵等，2004；孫銳等，2006；任紅梅等，2007；王剛等，2007；王維銘，2013）。

國(guó)內(nèi)對(duì)地震液化問(wèn)題的重視始于1976年唐山大地震之后，針對(duì)地下工程地震液化，宮全美等（2000）、劉華北等（2006）、何劍平（2012）、陳國(guó)興等（2012）、王維銘（2013），以及中國(guó)地震局、同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)等單位，通過(guò)采用三軸試驗(yàn)、大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及有限元分析等手段，對(duì)飽和砂土、粉土在地震作用下的液化等級(jí)判定方法、液化機(jī)理、液化影響因素等進(jìn)行了諸多研究，推動(dòng)了我國(guó)地下工程地震液化研究的發(fā)展。但針對(duì)處于液化土層下的地鐵工程的具體處理措施研究尚少，可供借鑒的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不多。目前，我國(guó)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50909-2014）》（中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2014）及上海地方標(biāo)準(zhǔn)《地下鐵道建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（DG/TJ08-2064-2009）》（上海市城鄉(xiāng)建設(shè)與交通委員會(huì)，2009）雖然填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)地鐵抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的空缺，但其針對(duì)液化土層所給出的處理措施仍主要借鑒于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010），其對(duì)地鐵工程的適用性還有待于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的支撐和印證，而且規(guī)范給定的原則性指導(dǎo)意見(jiàn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中較難操作。

因各地區(qū)液化土層的性質(zhì)、液化土與地鐵工程的相對(duì)位置關(guān)系等條件各異，針對(duì)地震液化的處理措施要真正取得防震減災(zāi)的實(shí)效，必須因地制宜。本文結(jié)合天津地鐵5號(hào)線穿越中等～嚴(yán)重液化粉土層區(qū)段的工程建設(shè)實(shí)例，擬考慮在綜合設(shè)計(jì)規(guī)范原則、深入剖析地震液化機(jī)理及各影響因素的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)理論及數(shù)值模擬計(jì)算分析、工程建設(shè)投資對(duì)比，對(duì)液化粉土地層下地鐵車站、盾構(gòu)區(qū)間工程建設(shè)提出有針對(duì)性、操作性強(qiáng)的工程處理措施，以期為天津地鐵及類似地層下的地鐵工程設(shè)計(jì)及施工提供參考和借鑒。

1 液化機(jī)理及影響因素

1.1 液化機(jī)理

土體液化是指飽和砂土、粉土在地震力作用下瞬時(shí)失掉強(qiáng)度，由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的力學(xué)過(guò)程。因飽和土體孔隙中充滿水，地震時(shí)土顆粒與水的運(yùn)動(dòng)并不一致，土顆粒在震動(dòng)作用中變密，而受到水的阻礙將能量傳遞給水，水受到土顆粒的壓迫后孔隙水壓力上升，如果孔隙水不能迅速排出，孔隙水壓力就越來(lái)越高。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土顆粒所受的有效應(yīng)力則相應(yīng)減小，最終有效法向應(yīng)力減至零，土顆粒間無(wú)力的傳遞，土顆粒失重，懸浮在水中，土骨架崩潰，土顆?？呻S水流動(dòng)，此時(shí)孔隙水壓力上升至法向總應(yīng)力，這就是土體液化過(guò)程。故飽和砂土、粉土的液化是孔隙水壓力上升的結(jié)果（Seed等，1966；汪聞韶，1981；龔思禮，2002；何劍平，2012；陳國(guó)興等，2012）。

因粉土特殊的顆粒組成相較砂土更為復(fù)雜，故粉土的液化機(jī)理還具有其自身的特點(diǎn)。粉土的滲透系數(shù)與砂土相比一般要小，地震時(shí)孔隙水壓力不易消散和轉(zhuǎn)移，致使初始孔隙水壓力急劇上升。但由于粉土顆粒更細(xì)，且具有某些團(tuán)粒結(jié)構(gòu)特征以及粘膠顆粒的物理化學(xué)作用，孔隙中薄膜水的聯(lián)結(jié)使粉土具有比砂土高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，故比較而言，粉土比砂土更難于液化（龔思禮，2002；李立云等，2005）。

1.2 地震液化影響因素及效果

關(guān)于地震液化的影響因素，目前的研究成果較多（Patricia等，2002；龔思禮，2002；王抒揚(yáng)，2009；若松加壽江，2011；何劍平，2012；陳建偉等，2013；王維銘，2013），歸納起來(lái)可分為內(nèi)因和外因兩大類，表1為兩大類因素的表征指標(biāo)和影響效果評(píng)價(jià)。

表1 地震液化影響因素及效果評(píng)價(jià)表Table 1 The evaluation on the influence factors and their effects on liquefaction

針對(duì)液化土的處理措施可以從表1中影響因素角度出發(fā)，因地制宜地選擇合適的方法。

2 工程概況

天津地鐵5號(hào)線工程昌凌路站—李七莊站2站3區(qū)間約2.1km范圍內(nèi)（以下簡(jiǎn)稱“本工程”），土層自上而下的分布為，①1：雜填土；①2：素填土；③1：粉質(zhì)粘土；③2：粉土；⑥4：粉質(zhì)粘土；⑦和⑧1：粉質(zhì)粘土；⑨1：粉質(zhì)粘土。圖1為典型區(qū)段液化土層與地鐵結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系示意圖。其中，埋深17m以上分布的新近沖積層（Q43Nal）屬故河道沖積土。根據(jù)本段工程的詳細(xì)勘察資料，同時(shí)綜合了標(biāo)準(zhǔn)貫入法、靜力觸探法和波速法勘察結(jié)果后，筆者對(duì)本場(chǎng)地土的液化判定結(jié)論為：③2粉土為中等～嚴(yán)重液化土層，其液化土層主要分布于地下3—16.5m范圍內(nèi)。

圖1 典型區(qū)段液化土層與地鐵結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系示意圖Fig. 1 The position relationship between liquefied soil and subway

上述區(qū)段場(chǎng)地土類型為軟弱～中軟土，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，地震分組為第二組。根據(jù)2008年“天津市飽和粉（砂）土液化地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報(bào)告”（天津市勘察院），本標(biāo)段區(qū)域內(nèi)存在嚴(yán)重液化點(diǎn)，在1976年唐山地震時(shí)，該區(qū)段范圍內(nèi)有噴砂、冒水點(diǎn)分布。圖2為故河道液化區(qū)與地鐵線位關(guān)系圖。

圖2 故河道液化區(qū)與地鐵線位關(guān)系圖Fig. 2 The relationship of river liquefied zone and subway line

場(chǎng)地內(nèi)地下靜水位埋深約為1.00—1.90m。車站主體結(jié)構(gòu)底板埋深約為17m，主要位于⑦和⑧1粉質(zhì)粘土層上；附屬工程結(jié)構(gòu)底板埋深約為10m，主要位于③2粉土層上，基底下液化粉土層厚度不均；區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)埋深（覆土厚度）約10—18m，部分區(qū)段穿越③2粉土層，但液化土基本位于隧道邊墻中線以上。

3 抗地震液化處理措施研究

3.1 車站抗地震液化處理措施

3.1.1 車站抗地震液化設(shè)計(jì)思路及適用性分析

綜合鐵路、橋基、路基、堤防、工業(yè)與民用建筑等領(lǐng)域針對(duì)地震液化土的工程實(shí)踐，同時(shí)結(jié)合已有的相關(guān)研究成果（龔思禮，2002；Tamari等，2003；劉華北等，2006；王抒揚(yáng)，2009；何劍平，2012；陳國(guó)興等，2012；張軒，2014），以及上海地方標(biāo)準(zhǔn)《地下鐵道建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（DG/TJ08-2064-2009）》（上海市城鄉(xiāng)建設(shè)與交通委員會(huì)，2009）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》（中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010）、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50909—2014）》（中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2014）的要求，其關(guān)于液化土的抗液化措施目前歸結(jié)起來(lái)主要有：避開(kāi)、換填、加固（注漿加固、攪拌樁加固、旋噴樁加固）、加密（振沖加密、爆炸加密、砂樁擠密等）、增壓、圍封、排水、深基、樁基等方式，措施很多，各具特點(diǎn)。

因地鐵車站由車站主體、附屬風(fēng)道及出入口等工程組成，各分部工程的結(jié)構(gòu)型式、埋深及體量存在差異，與液化土層的相對(duì)位置關(guān)系、鄰近周邊環(huán)境條件等也有區(qū)別，如何選擇經(jīng)濟(jì)、有效的液化土處理方式，目前還沒(méi)有人做過(guò)系統(tǒng)研究。本文將從地震液化機(jī)理、各影響因素的效果及關(guān)聯(lián)性出發(fā)，結(jié)合天津地鐵工程及水文、地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)地鐵車站工程針對(duì)液化土的處理思路及其適用性進(jìn)行分析。

（1）加大車站結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度

基于“有效覆蓋壓力越大，越不易液化”的思想，對(duì)基底存在液化土層的情況，增加頂板覆土厚度對(duì)降低液化可能性是有效的，但因覆土荷載的增加，則要增大結(jié)構(gòu)本身截面尺寸及配筋，因此工程應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性較差，且在基底液化土層厚度較大時(shí)，該措施對(duì)抗液化的改善效果較難量化，故該措施不可取。

（2）加大車站結(jié)構(gòu)底板埋深

地下結(jié)構(gòu)受地震液化影響最嚴(yán)重的情況是地基失效。根據(jù)地震液化機(jī)理，地基失效的前提是基底有液化土，地鐵工程抗液化設(shè)計(jì)中，當(dāng)基底以下液化土層厚度不大時(shí)，通過(guò)加大車站結(jié)構(gòu)的基底埋深，使基礎(chǔ)穿過(guò)液化土層坐落在非液化土層上，可有效解決地震液化問(wèn)題。但該措施會(huì)在一定程度上增大結(jié)構(gòu)層高，繼而導(dǎo)致基坑開(kāi)挖深度增大，基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)升高。因此，在天津地鐵工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合基坑安全風(fēng)險(xiǎn)及承壓水兩方面因素才能確定。

（3）改變液化土的性質(zhì)

因地震液化的外部因素，即地震動(dòng)荷載條件無(wú)法人為改變，所以根據(jù)表1，為消除或減小地震液化對(duì)工程的影響，可根據(jù)液化土層的土性特征及埋藏條件，采取有效措施使液化土不具備發(fā)生液化的條件，這可能是解決地震液化問(wèn)題的主要方向。

換填處理、加密處理、加固處理、圍封可液化地基屬于改變液化土的性質(zhì)。

（1）換填處理

換填處理、加密處理、加固處理場(chǎng)隸屬于“改變液化土的性質(zhì)”。用非液化土代替液化土，即換填，無(wú)疑是解決地震液化的最直接方法。地鐵工程自身施工即需要挖土，對(duì)液化土埋深較淺，且厚度較小的情況，換填處理液化土具有一定的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ 79-2012）》（中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2012）的相關(guān)要求，換填處理適用于基底下液化土層厚度為0—3m的情況。但因換填施工需挖除原液化土，增大了基坑深度，增加了基坑施工風(fēng)險(xiǎn)，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度需加大，甚至可能需增設(shè)支撐，故設(shè)計(jì)中需做經(jīng)濟(jì)和技術(shù)比較。

（2）加密處理

基于表1中“e越小，Dr越大，越不易液化”和“N越大，強(qiáng)度越高，越不易液化”的效果評(píng)價(jià)，加密土體可有效解決土體液化問(wèn)題?？煽紤]用于天津地鐵工程的土體加密方式主要有：強(qiáng)夯、擠密、預(yù)壓排水固結(jié)等。其中，強(qiáng)夯加密因存在夯擊震動(dòng)，對(duì)周邊環(huán)境條件要求較高，不適用于城市及周邊環(huán)境敏感的場(chǎng)地；擠密工藝的原理為通過(guò)向土體中壓入碎石、砂、灰土或水泥等材料，使原狀土體變密實(shí)，在提供地基承載力的同時(shí)可降低土體液化，而擠密施工目前受工藝設(shè)備限制，其有效加固深度一般小于15m；預(yù)壓排水固結(jié)加密是通過(guò)采取排水措施，提前將液化土中孔隙水排出，使土體固結(jié)變實(shí)，該方法的應(yīng)用需考慮工期較長(zhǎng)的因素，并需預(yù)估降排水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

（3）加固處理

液化土加固的原理是使土性改良，對(duì)土體的顆粒組成、密實(shí)度、滲透性、強(qiáng)度等均有影響。適用于天津地層特點(diǎn)的加固方式主要有：注漿加固、攪拌樁加固、旋噴樁加固等。王抒揚(yáng)（2009）的分析表明，水泥土攪拌樁加固的效果較好，且造價(jià)相對(duì)較低，特別適用于基底以下液化土層較厚，或地基液化土面積較大的情況，且水泥土攪拌樁在天津軟弱土層中加固效果良好。試驗(yàn)及日本阪神大地震的調(diào)查結(jié)果表明（龔思禮，2002；王抒揚(yáng)，2009；若松加壽江，2011），攪拌樁加固對(duì)減輕液化土層在地震作用下的破壞是有效和可行的，加固布置宜采用格柵而非散點(diǎn)型式，格柵間的凈距宜滿足S≤0.8H（H為底板下液化土層厚度）。

（4）圍封可液化地基

圍封法即利用剛性的地下連續(xù)墻或板樁，形成一封閉空間，繼而抑制可液化土的變形和流動(dòng)，控制超靜孔隙水壓的上升，則可減小土體液化的可能。參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010）中的條文：“施工中深度大于20m的地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)遇到液化土層時(shí)，可不做地基抗液化處理”，現(xiàn)階段天津地鐵車站常規(guī)的2—3層車站底板埋深一般均在16m以上，附屬基坑一般在10m左右，圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度均接近或超過(guò)20m，所以只要采用了地連墻或板樁等圍護(hù)，能形成封閉體系，均不必再另行增設(shè)地基抗液化處理措施，故圍封法在天津地鐵工程中有較強(qiáng)的適用性。

3.1.2 車站抗地震液化措施應(yīng)用及效果

針對(duì)天津地鐵5號(hào)線穿越中等～嚴(yán)重液化土粉土層區(qū)段工程，考慮到地鐵結(jié)構(gòu)部位及型式、結(jié)構(gòu)與液化土層的相互位置、液化土層的厚度及周邊環(huán)境條件等因素，同時(shí)計(jì)入經(jīng)濟(jì)和技術(shù)比較，筆者對(duì)地鐵車站抗地震液化措施做了如下設(shè)計(jì)及分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果對(duì)處理效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

（1）在本工程中因主體結(jié)構(gòu)基底無(wú)液化土層，且基坑深度較大、周邊環(huán)境較為復(fù)雜，基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，不宜采用加大覆土或埋深的處理措施。

（2）針對(duì)車站附屬出入口結(jié)構(gòu)底板下液化土層厚度小于2m的平直段，考慮到基坑范圍較小，通過(guò)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)比較，采取換填處理較為合理。

（3）考慮到周邊環(huán)境條件較為復(fù)雜、住宅及市政管線較多，并要滿足環(huán)保要求，且液化土深度較大，最深達(dá)16.5m，不宜采用強(qiáng)夯、擠密措施。

（4）對(duì)于排水預(yù)壓固結(jié)加密處理措施，可考慮在下階段工程實(shí)踐中嘗試，因?yàn)樵诒径喂こ淌┕み^(guò)程中發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)液化粉土含水率高、強(qiáng)度低、易受擾動(dòng)，降水效果較差，故可考慮采用真空預(yù)壓加密（加固）處理，提前消除其可液化性質(zhì)。同時(shí)，為消除真空預(yù)壓降水可能引起基坑及周邊環(huán)境的變化，可采用設(shè)置截水溝或截水帷幕等措施解決。

（5）針對(duì)附屬風(fēng)道基坑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可采用SMW工法樁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度約17m，小于20m?？紤]到基底以下液化土層厚度最大達(dá)7m，且基坑面積較大，采用雙排Φ850@600攪拌樁對(duì)基底下液化土層進(jìn)行加固處理，攪拌樁采取格柵式布置，格柵間凈距4m，攪拌樁加固材料采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，摻量不小于15%，攪拌樁深入下部非液化土層不小于2m，具體型式如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫試驗(yàn)表明，加固后的地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)測(cè)擊數(shù)基本在25擊以上，經(jīng)重新判定為非液化土，達(dá)到了預(yù)期的目的。此外，對(duì)于附屬出土口爬升段基底以下存在較厚的液化土層的情況，也可采取格柵式攪拌樁加固處理。

（6）車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，墻深長(zhǎng)度約30m，滿足圍封條件，不再需要針對(duì)液化土采取措施。針對(duì)附屬風(fēng)道（液化土層厚、基坑面積大）的抗地震液化措施，除可采用前述的格柵式水泥土攪拌樁加固處理外，也可考慮將圍護(hù)結(jié)構(gòu)SMW工法樁（4850@600）替換為600mm厚的地連墻或Φ800@1000鉆孔灌注樁+止水帷幕，圍護(hù)樁加長(zhǎng)至20m以上。在具體工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)條件及機(jī)具設(shè)備等因素確定。

圖3 攪拌樁加固液化土層示意圖Fig. 3 The schematic diagram of liquefied soil with mixing pile strengthening

3.1.3 液化條件下車站結(jié)構(gòu)承載力及抗浮驗(yàn)算

參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010）中關(guān)于：“結(jié)構(gòu)承載力及抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)計(jì)入土層液化引起的土壓力增加及摩阻力降低等因素的影響”的規(guī)定，從地震液化機(jī)理看，土在液化后趨于或變成液體，則其重度等于土的飽和重度，類似于水，其液壓只與深度有關(guān)，且不隨方向而改變，因此，液化土中某點(diǎn)的液壓不論是水平向或豎向，都等于該點(diǎn)以上所有豎向壓力的總和；同時(shí)，液化土層的側(cè)摩阻也將削弱或趨于消失。根據(jù)土力學(xué)相關(guān)知識(shí)，液化土中任意深度H處液化后的側(cè)壓或浮力均可由下式確定：

式中，γi為第i層土的自然重度（kN/m3）；Hi為第i層土的厚度（m）。

計(jì)算浮力時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)底面位于可液化土層中時(shí)，Hi為基礎(chǔ)底面以上各土層厚度（m）；當(dāng)結(jié)構(gòu)穿過(guò)液化土層時(shí)，Hi為可液化土層及以上各土層的厚度。

計(jì)算側(cè)土壓力時(shí)，液化土層對(duì)應(yīng)的側(cè)壓由按靜止土壓力計(jì)算改為按（1）式計(jì)算，即不考慮側(cè)向土壓力系數(shù)K0的影響。因此，液化土越深、越厚，地震液化導(dǎo)致的側(cè)土壓力的變化也越大。

液化土層的側(cè)摩阻可通過(guò)乘以液化影響折減系數(shù)來(lái)考慮，折減系數(shù)的大小可參照上海地方標(biāo)準(zhǔn)《地下鐵道建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（DG/TJ08-2064-2009）》（上海市城鄉(xiāng)建設(shè)與交通委員會(huì)，2009）中表4.3.14取值，折減系數(shù)與液化強(qiáng)度比和土層埋深有關(guān)。

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗浮驗(yàn)算中考慮了上述因素的影響，筆者的計(jì)算表明，在結(jié)構(gòu)交接處、側(cè)墻與底板交接處、結(jié)構(gòu)中柱節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力均有增大，需做加強(qiáng)；抗浮通過(guò)設(shè)置抗浮梁，并利用坑內(nèi)立柱樁兼作抗拔樁，可以滿足地震液化條件下的抗浮要求。

3.2 盾構(gòu)區(qū)間抗地震液化措施

3.2.1 盾構(gòu)區(qū)間抗地震液化設(shè)計(jì)思路

盾構(gòu)區(qū)間隧道屬柔性結(jié)構(gòu)，其有別于地鐵車站，更易受地震液化的影響。但因區(qū)間較長(zhǎng)，在液化土層分布廣、厚度大的情況下，應(yīng)首先在線位選擇時(shí)就考慮地震液化因素，盡量從整體上避開(kāi)液化土分布區(qū)域；當(dāng)確實(shí)無(wú)法從平面上避開(kāi)時(shí)，也應(yīng)綜合考慮車站埋深、技術(shù)難度及工程造價(jià)等因素，盡量加大區(qū)間線路埋深，從縱斷面上避開(kāi)液化土層；當(dāng)從以上兩方面均無(wú)法回避時(shí)，則必須采取必要的抗液化處理措施。

由于盾構(gòu)區(qū)間施工工法的特殊性，考慮到地面交通、地下市政管線及地面施工場(chǎng)地條件等因素，實(shí)施長(zhǎng)距離的截?cái)鄩Ω魯嘁夯翆?，或者大范圍的采用地面方式加固液化土層均難度較大，且工程造價(jià)十分昂貴，施工周期較長(zhǎng)，一般情況下均不宜作為盾構(gòu)區(qū)間隧道抗液化措施（宮全美等，2000；陳偉堅(jiān)等，2009）。結(jié)合盾構(gòu)工法的施工工藝特點(diǎn)，可考慮結(jié)合盾構(gòu)同步注漿、二次注漿以及深孔注漿采取洞內(nèi)加固方式較為合理。以下結(jié)合本工程，筆者對(duì)洞內(nèi)注漿加固的抗液化效果進(jìn)行了分析。

3.2.2 盾構(gòu)區(qū)間抗地震液化加固效果分析

以本工程某盾構(gòu)區(qū)間為例，分析采用Midas-GTS有限元軟件，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定所分析的問(wèn)題為平面應(yīng)變問(wèn)題。計(jì)算選取區(qū)間為結(jié)構(gòu)與液化土層交叉最大的斷面，即盾構(gòu)邊墻中以上范圍均有液化土層，盾構(gòu)斷面最大開(kāi)挖直徑為6.2m，鋼筋混凝土管片厚0.35m，取地面以下40m、寬度80m的模型進(jìn)行計(jì)算。土體本構(gòu)采用摩爾-庫(kù)倫模型，計(jì)算模型的側(cè)面邊界受到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。分析按初始地應(yīng)力、開(kāi)挖、襯砌、注漿加固、液化層發(fā)生液化等步驟進(jìn)行。其中，地震液化考慮了液化土層，以抗剪強(qiáng)度非常低、側(cè)向土壓力系數(shù)為K0=1的材料模擬，土層及加固體參數(shù)如表2所示。

表2 土層及加固體物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Index of physical mechanics of both soil and solid

為了解地層加固措施對(duì)抗地震液化的效果，經(jīng)計(jì)算分析得到了不加固和加固（盾構(gòu)襯砌外1.5m半徑范圍內(nèi)液化土改用加固水泥土模擬）兩種工況下，地震液化所引起的地層變形云圖及盾構(gòu)管片內(nèi)力，如圖4和圖5所示。

計(jì)算表明，地震液化后與地震液化前相比，管片及地層有大幅隆起趨勢(shì)，管片軸力增大、彎矩有較大減小。

從地震液化后與地震液化前的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不做加固處理的工況，地震液化后地面沉陷最大值為4mm，隧道結(jié)構(gòu)拱底隆起最大約19mm；而對(duì)于做了加固處理的工況，地震液化后地面沉陷最大值為2mm，隧道結(jié)構(gòu)拱底隆起最大約13mm。后者的地層及隧道結(jié)構(gòu)在地震液化作用下的沉陷、隆起均明顯小于前者，這表明液化地層加固措施對(duì)控制地震液化影響有利。同時(shí)，液化土加固后的隧道結(jié)構(gòu)彎矩相較略有增大，軸力減小，因此結(jié)構(gòu)配筋及管片連接需要加強(qiáng)。

圖5 加固條件下管片內(nèi)力及地層變形云圖Fig. 5 Segment internal force and deformation nephogram with reinforcement

3.2.3 盾構(gòu)區(qū)間抗地震液化措施

根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果，針對(duì)盾構(gòu)區(qū)間穿越液化土層的情況并結(jié)合本工程實(shí)踐，筆者建議應(yīng)采取以下抗地震液化措施。

（1）盾構(gòu)始發(fā)、接收區(qū)段加固

盾構(gòu)與車站銜接處受地震液化影響最為明顯，宜結(jié)合盾構(gòu)始發(fā)、接收區(qū)段加固。根據(jù)液化土層的分布，可考慮從地面采用水泥土攪拌樁及高壓旋噴樁，對(duì)液化土層做全斷面加固處理。

（2）洞內(nèi)注漿加固

盾構(gòu)始發(fā)、接收區(qū)段以外與液化土層交叉及距盾構(gòu)頂1.0m范圍有液化土層分布區(qū)段，可結(jié)合洞內(nèi)同步注漿及二次注漿，并根據(jù)液化土層分布進(jìn)行加固，加固半徑不宜小于結(jié)構(gòu)外1.5m，并應(yīng)根據(jù)地質(zhì)縱斷面確定豎向加固范圍。盾構(gòu)管片預(yù)留注漿孔按橫向每環(huán)管片不少于16個(gè)（即封頂塊1個(gè)，鄰近塊及標(biāo)準(zhǔn)塊各3個(gè)），注漿材料可采用P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。在正常情況下采用單液漿，必要時(shí)可在加固厚度外圈加水玻璃，注漿采取壓力和注漿量雙控。圖6為預(yù)留注漿孔及環(huán)向加固斷面示意圖。

圖6 盾構(gòu)區(qū)間洞內(nèi)加固示意圖Fig. 6 The reinforcement schematic diagram of shield tunnel

（3）區(qū)間結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

為提高結(jié)構(gòu)自身的抗地震液化能力，需對(duì)區(qū)間結(jié)構(gòu)做如下加強(qiáng)：①加大管片內(nèi)、外側(cè)主受力筋配筋；②提高管片連接高強(qiáng)螺栓等級(jí)；③管片混凝土內(nèi)添加聚丙乙烯網(wǎng)狀纖維，以增加混凝土的韌性和耐久性。

4 結(jié)論

液化地層下的地鐵工程抗液化措施要做到經(jīng)濟(jì)和有效，就必須結(jié)合地鐵結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)與液化土層的相互位置、液化土層的厚度、液化等級(jí)以及周邊環(huán)境等因素綜合確定，且進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力及抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，需計(jì)入土層液化引起的土壓力增加、摩阻力降低以及浮力增加等因素的影響。

（1）針對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)可采用地下連續(xù)墻或板樁，且深度應(yīng)超過(guò)20m，這樣可形成封閉結(jié)構(gòu)，不必再另行增設(shè)地基抗液化處理措施。

（2）針對(duì)車站附屬結(jié)構(gòu)，可根據(jù)基底以下液化土層的厚度分別采用不同的處理措施：對(duì)厚度小于2m的情況，可考慮采用非液化土換填處理；對(duì)厚度大于2m的情況，可采用格柵式水泥土攪拌樁加固液化土層，或采用圍封式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。不建議在市區(qū)內(nèi)采用對(duì)環(huán)境影響大的加固方法。

（3）處于液化土層中的車站主體及附屬結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)交接處、側(cè)墻與底板交接處、結(jié)構(gòu)中柱節(jié)點(diǎn)處，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果做適當(dāng)加強(qiáng)?？垢】赏ㄟ^(guò)設(shè)壓頂梁、增加地連墻深或增設(shè)抗拔樁等措施進(jìn)行處理。

（4）針對(duì)區(qū)間隧道，對(duì)液化土層的處理可結(jié)合盾構(gòu)同步注漿、二次注漿以及深孔注漿加固措施來(lái)解決，具體處理范圍應(yīng)根據(jù)區(qū)間結(jié)構(gòu)與液化地層的關(guān)系確定；液化層范圍的注漿可采用水泥砂漿或雙液漿，以消除區(qū)間隧道縱向的不均勻沉降?？紤]到區(qū)間隧道為柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)液化土層沿區(qū)間縱向有較長(zhǎng)距離分布的情況，建議對(duì)液化地層中的區(qū)間結(jié)構(gòu)以及連接螺栓強(qiáng)度等進(jìn)行加強(qiáng)，以提高區(qū)間整體抗液化變形能力。

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Anti-liquefaction Measures for Subway Engineering in Liquefiable Soil Layers

Jiang Qingguo
（China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi’an 710043，China）

The earthquake liquefaction, which may induce extremely serious damage, has become an important issue in the field of engineering. At present, the practice in designing and construction of anti-liquefaction measures for subway engineering in liquefaction layers is few, and it is difficult for the existing specifications to provide processing principles of for liquefied stratum to operate in practical engineering application. Combined with a practical engineering of Tianjin metro line#5 with station and interval shield crossing the middle-seriously liquefied silty soil, this paper gives the recommendations of anti-liquefaction measures and the applicability of the measures by the means of numerical simulation and field test which based on the theoretical results of liquefaction mechanism, influence factors and effects. The research results show that the determination of anti-liquefaction measures should be combined with the subway structure pattern, the relative relationship of structure and the liquefiable layers, the thickness of the liquefiable layers, liquefaction grade and the surrounding environmental conditions and other factors. The structure capacity and anti floating stability checking should consider the impaction of liquefaction, such as the increase of inner pressure, the decrease of friction, the increase of buoyancy and etc. Grouting reinforcement is favorable for interval shield to resist seismic liquefaction.

Underground engineering；Earthquake；Liquefied silt；Subway station；Shield tunnel；Antiliquefaction measures

2015-01-04

蔣清國(guó)，男，生于1983年。工程師，碩士。主要從事城市軌道交通設(shè)計(jì)及地下結(jié)構(gòu)研究。E-mail：33683560@qq.com