李名淦

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082）

引言

國(guó)內(nèi)液化場(chǎng)地地鐵工程抗震設(shè)計(jì)缺少成熟的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)行規(guī)范的指導(dǎo)原則也不盡明確?！冻鞘熊壍澜煌ńY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50909-2014）第4.4.1條要求“對(duì)特殊設(shè)防類、重點(diǎn)設(shè)防類軌道交通結(jié)構(gòu)物，宜對(duì)遭遇E3地震作用時(shí)的場(chǎng)地液化效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。”但未明確如果判定液化以后是否需要處置以及如何進(jìn)行處置?！冻鞘熊壍澜煌ńY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50909-2014）第3.1.4條（強(qiáng)條）要求“重點(diǎn)設(shè)防類：抗震措施應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求確定”，對(duì)“抗震措施”的理解，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（2016年版）中的術(shù)語(yǔ)解釋，抗震措施指“除地震作用計(jì)算和抗力計(jì)算以外的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括抗震構(gòu)造措施”，按這個(gè)術(shù)語(yǔ)解釋，抗地震液化措施屬于抗震措施范疇，需要按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求進(jìn)行，但工程設(shè)計(jì)中難以嚴(yán)格遵照?qǐng)?zhí)行。

針對(duì)液化場(chǎng)地如何合理進(jìn)行地鐵工程抗震設(shè)計(jì)的問(wèn)題，本文基于北京地鐵7號(hào)線東延工程，在總結(jié)以往抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)球影城站及相鄰區(qū)間抗地震液化處理措施進(jìn)行研究，綜合考慮地鐵結(jié)構(gòu)型式、液化土層分布、液化等級(jí)等因素，提出經(jīng)濟(jì)、有效的抗地震液化設(shè)計(jì)方案，解決工程實(shí)際問(wèn)題，也為其他類似液化場(chǎng)地中的地鐵工程抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

北京地鐵7號(hào)線東延環(huán)球影城站及前后區(qū)間、出入段線等工點(diǎn)位于通州張家灣區(qū)域，因埋深淺或需要漸出地面等原因，需穿越該區(qū)域分布的可液化土層，涉及液化地層中抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題。

擬建場(chǎng)地地貌屬于古金溝河故道下游與古漯水河故道下游之間的臺(tái)地區(qū)，根據(jù)《北京地鐵七號(hào)線東延工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》及站點(diǎn)和區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告（詳細(xì)勘察階段），在抗震設(shè)防烈度為8度（抗震設(shè)防地震動(dòng)分檔為0.20g）時(shí)，地下水位按地面以下1.5m計(jì)算，場(chǎng)地內(nèi)的粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土及粉砂土層在局部地段液化，液化程度為輕微～中等；在抗震設(shè)防烈度為9度（抗震設(shè)防地震動(dòng)分檔為0.40g）時(shí)，地下水位按地面以下1.5m計(jì)算，場(chǎng)地內(nèi)的粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉砂、細(xì)砂等土層超過(guò)半數(shù)液化，液化程度為中等到嚴(yán)重。土層液化情況及分布見(jiàn)表1。

以環(huán)球影城站為例，抗震設(shè)防烈度8度時(shí)液化土層的分布見(jiàn)圖1，抗震設(shè)防烈度9度時(shí)液化土層的分布見(jiàn)圖2。

表1 土層液化情況及分布統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical table of soil liquefaction and distribution

圖1 8度時(shí)液化土層分布Fig.1 The distribution of liquefied soil of intensity 8

圖2 9度液化土層分布Fig.2 The distribution of liquefied soil of intensity 9

2 液化及其影響因素

液化是指飽和的砂土、粉土在震動(dòng)作用下突然破壞而呈現(xiàn)液態(tài)的現(xiàn)象，液化在地震時(shí)可大規(guī)模地發(fā)生并造成嚴(yán)重危害。影響砂土液化的因素很多，如砂土的地質(zhì)成因和年代、顆粒的組成和大小、排列方式和形狀、松密程度、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力歷史、滲透性、壓縮性、排水條件、邊界條件、地震特性（如震動(dòng)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間）等。根據(jù)既有研究結(jié)論，以上各因素對(duì)液化的影響主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

2.1 土性條件

細(xì)顆粒較容易液化，平均粒徑在0.1mm左右的粉細(xì)砂抗液化性最差；不均勻系數(shù)越小，抗液化性越差，粘性土含量越高，越不容易液化；圓粒形砂比棱角形砂容易液化；密度越高，液化可能性越??；滲透性低的砂土容易液化；原狀土比結(jié)構(gòu)破壞土不易液化，老砂層比新砂層不易液化；超壓密砂土比正常壓密砂土不易液化。

2.2 埋藏條件

上覆土層越厚，土的上覆有效壓力越大，就越不容易液化；排水條件良好有利于孔隙水壓力的消散，能減小液化的可能性；遭受過(guò)歷史地震的砂土比未遭受地震的砂土不易液化，但曾發(fā)生過(guò)液化又重新被壓密的砂土，卻較容易重新液化。

2.3 動(dòng)荷條件

地震烈度高，地面加速度大，越容易液化；地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，或震動(dòng)次數(shù)越多，越容易液化。

砂（粉）土液化的影響因素是當(dāng)前液化研究領(lǐng)域的主要課題，工程建設(shè)領(lǐng)域各類抗震液化措施也主要是結(jié)合液化影響因素的分析及控制來(lái)確定。

3 液化地層抗震設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)行規(guī)范條文理解及執(zhí)行

1.抗震設(shè)防類別的判定

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］及《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2013），地鐵地下車站主體結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）。

2.液化判別及處理要求

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］，乙類建筑可按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求進(jìn)行液化判別和地基處理。

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］，重點(diǎn)設(shè)防類地鐵結(jié)構(gòu)物可按本地區(qū)的抗震設(shè)防地震動(dòng)分檔的要求或采用經(jīng)主管部門(mén)批準(zhǔn)的工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行場(chǎng)地地震液化判別，同時(shí)要求：宜對(duì)遭遇E3地震作用時(shí)的場(chǎng)地液化效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，然而，液化效應(yīng)評(píng)價(jià)后，工程如何應(yīng)對(duì)或處置，規(guī)范沒(méi)有明確要求。

北京地鐵7號(hào)線東延工程按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度8度（0.20g）對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的粉土、砂土進(jìn)行液化判別和處理，同時(shí)也按9度（0.40g）對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的粉土、砂土進(jìn)行液化判別。

3.地基液化處理措施

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］，重點(diǎn)設(shè)防類地鐵結(jié)構(gòu)的地基液化處理原則如下：地基液化等級(jí)為輕微時(shí)，部分消除液化沉陷，或?qū)Y(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)進(jìn)行處理；地基液化等級(jí)為中等時(shí)，全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且對(duì)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)進(jìn)行處理；地基液化等級(jí)為嚴(yán)重時(shí)，全部消除液化沉陷；可計(jì)入上部結(jié)構(gòu)重力荷載對(duì)液化危害的影響，根據(jù)液化震陷量的估計(jì)適當(dāng)調(diào)整抗液化措施。

在本地區(qū)抗震設(shè)防烈度下，本場(chǎng)地地基土基本不液化或液化程度為輕微，對(duì)液化地基按消除液化沉陷采取措施，并適當(dāng)考慮上部結(jié)構(gòu)形式及重力荷載對(duì)液化危害的影響。

4.抗震計(jì)算對(duì)地層液化的考慮

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］，本工程分析液化土層對(duì)結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)時(shí)考慮液化和不液化兩種條件下的不利工況。

8度條件下，本工程液化土層位于結(jié)構(gòu)側(cè)方及上方，液化等級(jí)為輕微，地震反應(yīng)計(jì)算時(shí)液化工況液化土層對(duì)應(yīng)的地基彈簧剛度考慮折減掉1／3；9度條件下，除結(jié)構(gòu)側(cè)方和上方，結(jié)構(gòu)地基土層也出現(xiàn)液化，液化等級(jí)為中等，地震反應(yīng)計(jì)算時(shí)液化工況液化土層地基彈簧剛度考慮折減掉2／3，同時(shí)考慮液化地基承載力折減掉2／3進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算。

3.2 車站抗地震液化處理

環(huán)球影城站（圖3）為7號(hào)線東延和八通線南延的終點(diǎn)站，設(shè)置在環(huán)球影城項(xiàng)目地塊內(nèi)為其客流集散服務(wù)，車站總長(zhǎng)347.4m，標(biāo)準(zhǔn)段寬60.8m，兩端設(shè)備區(qū)為淺覆土全地下雙層，中間公共區(qū)為半地下雙層，下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)屋面，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋長(zhǎng)度200m，最大寬度75m，屋頂設(shè)置種植區(qū)以及采光區(qū)。

環(huán)球影城站底板底埋深11m～13m，地基局部為8度液化土層（液化等級(jí)輕微），9度時(shí)地基全部為液化土層（液化等級(jí)中等）。根據(jù)前文的液化影響分析，車站建設(shè)的卸荷增加了地基液化的可能性，綜合考慮本站地基9度中等液化的情況，經(jīng)過(guò)液化專題研究及抗震專項(xiàng)論證，對(duì)車站地基進(jìn)行部分消除液化處理（9度）。

圖3 環(huán)球影城站縱剖面示意Fig.3 The longitudinal profile of Universal Studios station

結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］及文獻(xiàn)［5］，本工程重點(diǎn)分析了加大車站結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度、加大車站結(jié)構(gòu)底板埋深、樁基方案、改變液化土的性質(zhì)等抗液化處理措施。本站站廳層與車站北廣場(chǎng)（下沉廣場(chǎng)）為平層銜接，從方便游客及疏散方面考慮，北下沉廣場(chǎng)與環(huán)球影城主題公園地坪標(biāo)高之間的高差越小越好，因此車站中板標(biāo)高應(yīng)盡量上抬，加大結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度難以實(shí)現(xiàn)；本站底板下9度液化土層厚度達(dá)8m，加大車站底板埋深也不合理。因此本工程重點(diǎn)考慮樁基和改變液化土性質(zhì)兩類地基液化處理方案。

本站公共區(qū)因無(wú)覆土，結(jié)構(gòu)存在抗浮問(wèn)題，底板共設(shè)置了136根直徑1.5m、長(zhǎng)度25m的抗拔樁。經(jīng)核算分析，抗拔樁可兼作液化工況承載樁及抗浮樁，且車站底板為現(xiàn)澆整體式筏板有利形式，不再額外進(jìn)行地基液化處理。本站重點(diǎn)研究設(shè)備區(qū)（無(wú)抗拔樁）液化地基處理問(wèn)題，適用的消除液化處理方式主要有樁基、攪拌樁加固、振沖擠密樁加固等3種方式，方案比選見(jiàn)表2。

經(jīng)過(guò)液化專題研究及抗震專項(xiàng)論證，本站液化處理措施采用振沖擠密樁方案，并要求對(duì)處理后樁間土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測(cè)，應(yīng)對(duì)照勘察報(bào)告中各土層的液化判定標(biāo)貫臨界值，達(dá)到8度不液化、9度不液化或液化等級(jí)為輕微的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 車站液化消除措施比選Tab.2 Comparison and selection of liquefaction elimination measures of station

3.3 區(qū)間隧道抗地震液化處理

根據(jù)前文地震液化的影響因素分析，加大區(qū)間隧道的覆土厚度或底板埋深，是降低或消除液化影響的主要措施，穿越液化地層的區(qū)間隧道，加大隧道埋深應(yīng)作為抵抗地震液化災(zāi)害的主要措施和手段。

1.環(huán)球影城站前后明挖配線區(qū)間

受環(huán)球影城站底板埋深及線路縱坡條件制約，環(huán)球影城站前后明挖配線區(qū)間難以通過(guò)加大埋深避開(kāi)地基液化土層。從圖1、圖2可見(jiàn)，8度時(shí)，環(huán)球影城站站前明挖配線區(qū)間底板局部位于液化地層（粘質(zhì)粉土④1層），液化程度為輕微；9度時(shí)，區(qū)間地基為液化土層，液化程度為中等。

明挖區(qū)間隧道為現(xiàn)澆整體式框架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃后上方覆土8m～10m（較現(xiàn)況地面加高2m～5m），從結(jié)構(gòu)上屬于抗震有利結(jié)構(gòu)，另外上方有較大覆土厚度，利于抵抗地震液化。結(jié)合液化工況地基承載力驗(yàn)算，區(qū)間在8度、9度地震下地基承載力均滿足要求，綜合考慮并通過(guò)抗震專項(xiàng)論證，明挖區(qū)間不采取其他抗液化措施，且要求明挖區(qū)間回填采用不液化土。

2.施園站～環(huán)球影城站盾構(gòu)區(qū)間

考慮盾構(gòu)區(qū)間為拼裝式管片襯砌結(jié)構(gòu)的情況，剛度較整體式現(xiàn)澆襯砌低，本區(qū)間針對(duì)液化地層處理原則如下：

（1）對(duì)隧道周邊8度液化地層進(jìn)行處理，9度液化地層考慮液化后對(duì)隧道上浮、變形的影響；

（2）8度液化層位于盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)頂板附近及以上時(shí)，不對(duì)液化層進(jìn)行處理，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需考慮發(fā)生液化時(shí)（液化土層浮容重取為0），驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗浮安全系數(shù)是否滿足要求，以保證其抗浮穩(wěn)定性；

（3）8度液化層位于盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)拱腰及以上時(shí)，地層發(fā)生液化時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形影響較大，對(duì)該部分液化層進(jìn)行加固處理，加固措施采用從盾構(gòu)隧道內(nèi)部進(jìn)行徑向注漿的方式。

施環(huán)盾構(gòu)區(qū)間已通過(guò)加大埋深盡量躲避8度液化土層，僅在靠近環(huán)球影城站的區(qū)段隧道側(cè)部及上部位于8度液化區(qū)內(nèi)，根據(jù)以上液化處理原則，采用徑向注漿加固的方式處理，根據(jù)液化土層分布進(jìn)行加固，加固半徑隧道外3m（按盾構(gòu)外徑一半選?。?，加固斷面如圖4所示，注漿漿液材料采用單液水泥漿，擴(kuò)散半徑0.4m～0.6m，注漿后土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.5MPa～0.8MPa，滲透系數(shù)小于1×10-4cm／s。

圖4 盾構(gòu)法區(qū)間消除液化土體加固（單位：mm）Fig.4 The reinforcement schematic diagram of shield tunnel（unit：mm）

另外，整個(gè)區(qū)間還采取提高結(jié)構(gòu)自身抗地震液化能力的措施：①施工過(guò)程中加強(qiáng)同步注漿并進(jìn)行二次補(bǔ)漿（填充注漿注入率按2.0控制），減小盾構(gòu)施工對(duì)周邊地層的擾動(dòng)，提高周圍土體的密實(shí)度；②加強(qiáng)管片主受力筋（按計(jì)算配筋再提高一個(gè)規(guī)格）；③提高管片連接高強(qiáng)螺栓等級(jí)（采用8.8級(jí)）。

3.出入段線礦山法區(qū)間

出入段線區(qū)間采用礦山法施工，因需要漸出地面接車輛段，隧道需要穿越液化地層，根據(jù)液化處理原則，對(duì)8度液化地層采取隧道內(nèi)徑向注漿加固的方式處理，對(duì)隧道周邊液化地層全部進(jìn)行處理，側(cè)邊處理3m，底部處理到進(jìn)入非液化層內(nèi)不小于1m，加固斷面如圖5所示。

圖5 礦山法區(qū)間消除液化土體加固（單位：mm）Fig.5 The reinforcement schematic diagram of mining tunnel（unit：mm）

4 結(jié)論及建議

地鐵工程抗液化措施應(yīng)結(jié)合地鐵結(jié)構(gòu)型式、液化土層的分布、液化等級(jí)等因素綜合確定，采用經(jīng)濟(jì)、有效的設(shè)計(jì)方案，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)入土層液化引起的地基承載力降低、地層抗力降低、摩阻力降低以及浮力增加等因素的影響。

對(duì)于地鐵地下車站主體結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求進(jìn)行飽和砂土和飽和粉土液化判別和抗液化處理，按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求進(jìn)行可液化地基承載力驗(yàn)算和采取抗震構(gòu)造措施。

針對(duì)地下車站主體結(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：加大頂板覆土、加大底板埋深、采用樁基（可結(jié)合抗拔樁）、換填、改變液化土性質(zhì)等方式。

針對(duì)區(qū)間隧道應(yīng)盡量通過(guò)加大埋深來(lái)躲避液化土層或減小液化土層的影響，對(duì)液化土層的處理應(yīng)結(jié)合液化土層分布及隧道結(jié)構(gòu)形式確定。盾構(gòu)隧道可通過(guò)同步注漿加強(qiáng)以及徑向注漿加固措施來(lái)解決，并對(duì)管片結(jié)構(gòu)配筋及連接進(jìn)行加強(qiáng)；礦山法隧道可采用從隧道內(nèi)徑向注漿的加固措施來(lái)解決。但其中注漿加固措施的抗液化效果量化、耐久性保證及如何質(zhì)量檢測(cè)等方面還有待進(jìn)一步研究。

當(dāng)在可液化場(chǎng)地進(jìn)行地鐵建設(shè)時(shí)，建議應(yīng)提前開(kāi)展沿線地層液化情況分析，在線路平、縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)盡量避開(kāi)可液化地層或加大線路埋深（底埋深超過(guò)20m），以降低液化地層的影響。當(dāng)需要穿越可液化地層時(shí)，宜優(yōu)先采用現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用盾構(gòu)法時(shí)，建議采取加大盾構(gòu)管片內(nèi)徑預(yù)留內(nèi)襯施作空間或管片端面采用凹凸榫槽形式等提高結(jié)構(gòu)剛度的措施。

［1］GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）［S］GB 50011-2010 Code for seismic design of buildings［S］

［2］GB 50909-2014城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］GB 50909-2014 Code for seismic design of urban rail transit structures［S］

［3］工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.第四版.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2007

［4］龔曉南.地基處理手冊(cè)［M］.第三版.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2008

［5］蔣清國(guó).液化地層下地鐵工程抗地震液化措施研究［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2015，10（1）：95-107 Jiang Qingguo.Anti-liquefaction Measures for Subway Engineering in Liquefiable Soil Layers［J］.Technology for Earthquake Disaster Prevention，2015，10（1）：95-107

［6］安軍海，李曉霖，索新愛(ài)等.液化場(chǎng)地地鐵區(qū)間隧道抗震設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道建筑，2015（8）：80-84 An Junhai，Li Xiaolin，Suo Xin ai et al.Research on seismic design formetro section tunnel in liquefaction region［J］.Railway Engineering，2015（8）：80-84