孫希波 ，鐘 毅，萬小飛 ，韓亞飛，張小偉

（1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037；2. 城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068；3. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

隨著地鐵線網(wǎng)的不斷完善及擴(kuò)張，地鐵結(jié)構(gòu)所處的地層類型愈加豐富，多種多樣結(jié)構(gòu)形式的地鐵隧道不可避免地受到液化地層的影響。這種影響因結(jié)構(gòu)類型、液化程度、空間關(guān)系等因素變得非常復(fù)雜，隧道結(jié)構(gòu)受影響的程度也多有不同，有必要對(duì)其進(jìn)行分析，以便根據(jù)影響程度采取合理的處理措施，保證結(jié)構(gòu)安全并盡量控制造價(jià)。

目前，越來越多的專家、學(xué)者開始針對(duì)液化地層對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響開展研究。劉光磊等[1]采用動(dòng)力固結(jié)兩相體有限元程序DIANA SWANDYNE-II對(duì)可液化地層中地鐵隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行了模擬，并與動(dòng)力離心模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。劉春曉等[2]采用 PL-FIN土體液化本構(gòu)模型，使用FLAC3D進(jìn)行研究，總結(jié)了液化地層發(fā)生大變形時(shí)液化區(qū)分布、孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力比變化規(guī)律及差異、地下結(jié)構(gòu)的位移及差異沉降規(guī)律。段亞剛[3]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斷面地鐵結(jié)構(gòu)液化處理措施進(jìn)行了分析，表明處理措施可以很好地降低液化影響。

以上研究主要針對(duì)液化地層中地下結(jié)構(gòu)典型橫斷面或單一隧道縱向且液化地層分布單一的情況進(jìn)行分析，但是地鐵隧道結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)復(fù)雜性，且與液化地層呈不規(guī)則分布關(guān)系，液化對(duì)此類結(jié)構(gòu)的影響也存在差異。

現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)疊落盾構(gòu)隧道不同部位處于不同地層的情況進(jìn)行分析模擬，研究不同位置、相同位置但不均勻分布的液化地層水平和豎向地震作用下對(duì)此類結(jié)構(gòu)的影響，并提出不同部位液化處理的方案。

1 工程概況

1.1 隧道概況

北京地鐵八通線南延工程施園站—環(huán)球影城站區(qū)間長度約1 475 m，埋深10～24 m，采用盾構(gòu)法施工，為外徑6 m盾構(gòu)隧道。考慮環(huán)球影城站客流特點(diǎn)，對(duì)區(qū)間進(jìn)行了一次線位互換，因而隧道存在一段左右線交叉疊落的區(qū)段。整個(gè)交叉疊落段長度約500 m，垂直疊落段豎向凈距3 m。圖1為區(qū)間隧道平面布置圖，八通線南延兩線交叉疊落，與7號(hào)線東延區(qū)間基本平行布置。圖2為區(qū)間疊落段豎向位置關(guān)系示意。

圖1 區(qū)間隧道平面布置Figure 1 Layout plan of section tunnel

圖2 疊落區(qū)間豎向關(guān)系Figure 2 Vertical relation diagram of stacked tunnel

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)地勘資料，本段區(qū)間范圍地層自上而下主要為黏質(zhì)粉土素填土①層、雜填土①1層、砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土②層、粉質(zhì)黏土②1層、粉細(xì)砂②2層、粉質(zhì)黏土③1層、粉細(xì)砂③2層、粉質(zhì)黏土④1層、粉細(xì)砂④2層、粉質(zhì)黏土⑤1層及粉細(xì)砂⑤2層。

地下水主要有兩層，分別為潛水，埋深8～12 m；承壓水，埋深15～23 m。

其中，考慮抗震設(shè)防烈度為8度及9度時(shí)，砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土②層、粉細(xì)砂②2層、砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土③層、粉細(xì)砂③2層、粉細(xì)砂④2層會(huì)發(fā)生液化，液化等級(jí)分別為輕微～中等及中等程度，液化深度為 5～20 m。圖3為隧道地質(zhì)縱段圖，陰影部分為液化粉細(xì)砂層，左右線隧道均整體位于液化地層范圍內(nèi)。

圖3 地質(zhì)縱段圖Figure 3 Geological profile

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型尺寸及邊界條件

圖4、圖5分別為區(qū)間隧道三維模型圖及區(qū)間隧道俯視圖。整體計(jì)算模型長235 m，寬118 m，高50 m。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]對(duì)場地液化判別的深度，地面以下 15～20 m 范圍內(nèi)土層的液化，可能引起地下車站結(jié)構(gòu)和區(qū)間的嚴(yán)重破壞或上浮，對(duì)地面以下20 m土層進(jìn)行液化判別是非常必要的。由地勘資料可知，場地地面以下20 m范圍內(nèi)主要有3層液化土，本計(jì)算模型中將3層液化土層分為液化土層A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)及D區(qū)，如圖6所示。研究8種工況對(duì)應(yīng)的液化地層分布情況。工況1：疊落區(qū)間液化土層A區(qū)～D區(qū)均不液化；工況2：疊落區(qū)間液化土層A區(qū)～D區(qū)均液化；工況3：疊落區(qū)間液化土層僅A區(qū)液化；工況4：疊落區(qū)間液化土層僅B+C區(qū)液化；工況5：疊落區(qū)間液化土層僅D區(qū)液化；工況6：疊落區(qū)間液化土層僅B區(qū)液化；工況7：疊落區(qū)間液化土層僅C區(qū)液化；工況8：疊落區(qū)間液化土層A區(qū)～D區(qū)均液化，且考慮豎向地震影響。工況1～7僅考慮水平(Y方向)地震波影響。為了解決有限截取模型邊界上波的反射問題，邊界條件采用自由場邊界。模型共 113 094個(gè)節(jié)點(diǎn)，185 826個(gè)實(shí)體單元，9 400個(gè)結(jié)構(gòu)單元。

圖4 區(qū)間隧道三維模型Figure 4 Three-dimensional model diagram of the tunnel

圖5 區(qū)間隧道俯視圖Figure 5 Top view of the tunnel

圖6 三維計(jì)算模型液化土層分布Figure 6 Distribution diagram of liquefied soil layer of three-dimensional calculation model

2.2 本構(gòu)模型及參數(shù)選取

土體的本構(gòu)模型采用巖土常用模型 Mohr-Coulomb模型和修正UBCSAND模型[5]。修正的UBCSAND模型基于有效應(yīng)力模型能模擬非線彈性行為，進(jìn)而模擬地震荷載作用下砂土液化現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn) 3D應(yīng)力狀態(tài)液化模擬，具體如式(1)～(5)。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

其中，pref為土層原位水平壓力；為彈性剪切模量系數(shù)；ne為彈性剪切模量指數(shù)；?p為峰值摩擦角；ψcv為體積摩擦角常數(shù)；Rf為破壞比；為塑性剪切模量系數(shù)；np為塑性剪切模量指數(shù)。

2.3 地震波輸入

地震波輸入采用 50年超越概率為10%的基巖加速度反應(yīng)譜(特征周期為 0.55 s)和峰值加速度(峰值為0.20 g)作為地震動(dòng)時(shí)程合成的目標(biāo)峰值和反應(yīng)譜，用以合成土層地震反應(yīng)分析所需的基巖地震動(dòng)時(shí)程，圖7給出水平地震波加速度時(shí)程曲線，豎向地震波加速度時(shí)程曲線為水平向的0.75倍。

圖7 水平地震波加速度時(shí)程曲線Figure 7 Horizontal seismic acceleration time history curve

3 不同工況抗震對(duì)比分析

3.1 同一斷面液化與非液化分析

為對(duì)比液化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，取工況1與工況2隧道疊落段中相同斷面在水平向地震作用下最大變形值進(jìn)行比較。圖8、圖9分別為工況1與工況2隧道斷面變形圖。

圖8 工況1隧道斷面變形值Figure 8 Deformation value of tunnel section under condition 1

圖9 工況2隧道斷面變形值Figure 9 Deformation value of tunnel section under condition 2

由圖可見，液化工況下，隧道結(jié)構(gòu)頂部水平位移為57.8 mm，是非液化工況位移43.4 mm的1.33倍；隧道頂部豎向位移液化工況比非液化工況稍大，但兩者絕對(duì)值均很小。所以在水平地震作用下，地層液化明顯加大了隧道結(jié)構(gòu)的水平位移。表2為不同工況下右線隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率對(duì)比表。

表2 右線隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率Table 2 Diameter deformation rate of right line tunnel

由以上分析可知，液化工況隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率大于非液化工況，但均小于規(guī)范允許值。

通過對(duì)比非液化與液化工況下隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，在液化工況下隧道整體變形以及隧道直徑變形率均有較大幅度增大，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力較不利，因此地層液化程度較高時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)所處液化地層進(jìn)行處理是十分必要的。

3.2 土層不同區(qū)域液化影響對(duì)比分析

本工程所處地質(zhì)條件共有 3層可液化地層，一次地震中，發(fā)生液化的地層可能位于隧道的不同位置，因此有必要研究土層不同位置液化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

分別研究了隧道頂部，隧道中部，隧道中部左側(cè)以及隧道底部位置土層發(fā)生液化時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。圖 10～圖13分別為土層液化位于 A區(qū)、B+C區(qū)、D區(qū)及B區(qū)情況下的隧道變形圖。

圖10 工況3土層A區(qū)液化隧道斷面變形值Figure 10 Condition 3—deformation value of tunnel in liquefaction soil A

圖13 工況6土層B區(qū)液化隧道斷面變形值Figure 13 Condition 6—deformation value of tunnel in liquefaction soil B

表3為土層A區(qū)液化與非液化情況隧道直徑變形率。表4、5、6為土層B區(qū)+C區(qū)液化。

表3 隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率1Table 3 Deformation rate of tunnel structure diameter 1

圖11 工況4土層B+C區(qū)液化隧道斷面變形值Figure 11 Condition 4—deformation value of tunnel in liquefaction soils B and C

圖12 工況5土層D區(qū)液化隧道斷面變形值Figure 12 Condition 5—deformation value of tunnel in liquefaction soil D

土層A區(qū)位于左線頂部，與右線隧道豎向距離約7 m，對(duì)比土層A區(qū)液化與非液化工況可知，左線區(qū)間與右線區(qū)間的水平及豎向位移均無明顯變化，說明當(dāng)液化地層位于區(qū)間上方時(shí)，可忽略地震作用下地層液化對(duì)區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響。

表4為土層B區(qū)+C區(qū)液化情況隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率。

表4 隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率2Table 4 Deformation rate of tunnel structure diameter 2

土層B區(qū)及C區(qū)位于左線隧道中部以下，右線隧道中部以上，與工況3土層A區(qū)液化計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，左線隧道水平位移增大約14 mm，但直徑變形率變化不大。可見，隧道結(jié)構(gòu)底部發(fā)生液化時(shí)，地震作用下結(jié)構(gòu)整體水平位移會(huì)明顯增大，但結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化不大。同時(shí)，對(duì)于右線隧道，相比工況3結(jié)構(gòu)水平位移增大約9 mm，隧道結(jié)構(gòu)頂?shù)孜灰撇钜苍龃蠹s4.3 mm，可見隧道結(jié)構(gòu)所處液化地層范圍越大，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形越不利，對(duì)比本文人字坡和V型坡區(qū)間隧道，沿豎向穿越液化地層，需沿隧道分段考慮液化處理措施，確保處理措施的合理性及經(jīng)濟(jì)性。

表5為土層 D區(qū)液化情況隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率。

表5 隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率3Table 5 Deformation rate of tunnel structure diameter 3

土層D區(qū)位于右線隧道底部，與左線隧道豎向距離約6 m，與非液化工況對(duì)比發(fā)現(xiàn)，右線隧道直徑變形率增大較為明顯，對(duì)左線隧道結(jié)構(gòu)無影響?？梢缘贸?，當(dāng)盾構(gòu)隧道位于液化地層上方較遠(yuǎn)距離時(shí)(>D，D為隧道結(jié)構(gòu)直徑)，地震作用下，液化地層對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較弱，可適當(dāng)考慮加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，不對(duì)液化地層進(jìn)行處理，提高工程的經(jīng)濟(jì)性。

表6為土層B區(qū)液化情況隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率。

表6 隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率4Table 6 Deformation rate of tunnel structure diameter 4

土層B區(qū)及C區(qū)位于左線隧道中部偏下，右線隧道中部，與非液化工況對(duì)比，隧道結(jié)構(gòu)水平位移及直徑變形率均有增大，由于右線隧道中上部分基本全位于液化地層，頂?shù)孜灰撇钶^非液化工況增加6.6 mm。結(jié)合工況4-土層B+C區(qū)液化計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)土層液化等級(jí)不同或液化與非液化分界時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。實(shí)際工程中在線路選擇時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，當(dāng)不可避免時(shí)，應(yīng)對(duì)液化地層進(jìn)行處理。

3.3 地層液化對(duì)管片內(nèi)力影響

為對(duì)比液化對(duì)管片內(nèi)力及配筋的影響，選取工況1和工況2地震作用下最大應(yīng)力時(shí)刻管片應(yīng)力圖如圖14所示。

圖14 不同工況管片應(yīng)力值Figure 14 Stress values of shield tunnel under different conditions

可以看出，液化工況2管片應(yīng)力要大于非液化工況1，工況1管片應(yīng)力最大值為8 162.6 kN/m2，工況2管片應(yīng)力最大值為11 146.7 kN/m2，應(yīng)力值增大36%。

3.4 豎向地震影響

區(qū)間左右線隧道分別呈人形坡和V形坡實(shí)現(xiàn)交叉疊落，隧道結(jié)構(gòu)與液化地層的關(guān)系也隨線路里程不斷變化。左右線隧道在水平及豎向凈距均在變化，為此，提取不同剖面位置隧道結(jié)構(gòu)變形，并與工況2全土層液化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖15、圖16分別為豎向地震情況下隧道水平及豎向變形情況與工況2的對(duì)比圖。

圖15 隧道斷面水平變形值Figure 15 Horizontal deformation value of tunnel section

圖16 隧道斷面豎向變形值Figure 16 Vertical deformation value of tunnel section

由以上分析可知，豎向地震作用的施加對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的水平位移幾乎無影響，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)豎向位移影響較大。隧道豎向變形考慮豎向地震時(shí)，由0.0012增加至0.006 9，變化幅度575%?？梢姰?dāng)縱向存在地層差異時(shí)，變形對(duì)隧道是較為不利的。

4 液化處理措施

4.1 液化處理措施選取

根據(jù)以上的分析，對(duì)疊落隧道受液化影響較大的部位，以及不同位置液化地層對(duì)隧道的影響程度有了了解，就可以針對(duì)性地采取措施[6]。

目前，對(duì)于液化的處理，輕微液化一般不做地基類處理，主要通過結(jié)構(gòu)自身加強(qiáng)；嚴(yán)重液化需采取地基類處理措施；中等液化的處理措施處于兩者之間，結(jié)合具體計(jì)算采取地基處理或地基處理與結(jié)構(gòu)加強(qiáng)結(jié)合等措施。

地基類處理措施主要有4個(gè)類型[7-8]：避讓類、擠密類、換填類及加固類(含圍封)。每種類型又有幾種處理方式，見表7。

表7 液化處理措施Table 7 Liquefaction treatment measures

對(duì)于采用盾構(gòu)法施工的地鐵隧道，樁基礎(chǔ)、換填法、連續(xù)墻圍封類基本不適用。而盾構(gòu)法的特點(diǎn)之一便是很大程度避免對(duì)地面的干擾，故而一般液化程度不是太嚴(yán)重的情況下，線路避讓以及洞內(nèi)注漿加固為首選措施[9-10]，然后是地面類處理措施如攪拌樁、旋噴樁。

根據(jù)上述計(jì)算分析，本工程液化地層對(duì)盾構(gòu)隧道的影響程度相對(duì)較小，主要對(duì)重點(diǎn)部位如疊落隧道之間土層、覆土較小部位等位置進(jìn)行地基處理，一般地段主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)自身適當(dāng)加強(qiáng)。具體方式為疊落隧道下層隧道拱頂、上層隧道底部外圈洞內(nèi)徑向注漿加固；淺覆土段盾構(gòu)底部液化地層攪拌樁加固；一般地段增加盾構(gòu)隧道螺栓連接強(qiáng)度。圖17、圖18為盾構(gòu)疊落隧道液化注漿加固措施和水平鄰近非疊落段液化注漿加固措施。

圖17 疊落隧道液化注漿加固Figure 17 Grouting reinforcement drawing of stacked tunnel

圖18 非疊落段液化注漿加固Figure 18 Grouting reinforcement drawing of non-stacked tunnel

4.2 液化地層加固對(duì)比分析

為驗(yàn)證加固措施的有效性，在工況2的模型基礎(chǔ)上，通過提高加固范圍的土層的彈性模量，達(dá)到地層加固的效果，計(jì)算結(jié)果如圖19所示。

圖19 工況2(加固與非加固)隧道斷面變形值Figure 19 Deformation value of tunnel section under condition 2

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)工況2地層加固后，水平地震作用下，管片最大的水平位移為40.5 mm，小于液化工況2下管片的水平位移56.4 mm，與非液化工況1管片水平位移42.6 mm相近。因此在液化地層中對(duì)疊落段管片周邊土體采取加固措施是有效且有必要的。

5 結(jié)論

1) 液化工況下隧道整體變形以及隧道直徑變形率均有較大幅度增大，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力較不利，在液化程度較輕時(shí)，隧道變形仍能滿足規(guī)范要求。

2) 液化地層處于隧道不同位置時(shí)，液化對(duì)隧道的變形影響不同，液化土層距離隧道越遠(yuǎn)影響越小。其中液化土層位于隧道頂部、隧道中部、隧道底部時(shí)，液化對(duì)隧道變形的影響逐漸增大，但是對(duì)于疊落隧道液化土層位于上層隧道底部、下層隧道頂部時(shí)，對(duì)于下層隧道的影響更大。當(dāng)液化發(fā)生在隧道一側(cè)時(shí)，隧道變形增長較大，是不利工況。

3) 豎向地震作用下發(fā)生土層液化時(shí)，隧道水平變形很小，但豎向變形相對(duì)增長較大，特別是當(dāng)?shù)貙涌v向存在差異時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)是比較不利的，需關(guān)注隧道底部液化土層的情況。

4) 根據(jù)以上變形分析，疊落隧道夾層范圍、隧道底部發(fā)生液化時(shí)，隧道變形增長較大，是液化處理的關(guān)鍵部位，視液化程度，需采取處理措施。同時(shí)因隧道單側(cè)液化對(duì)變形也是不利的，所以處理措施宜采用對(duì)稱布置。鑒于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)形式以及其暗埋施工的特點(diǎn)，洞內(nèi)注漿加固是首選措施，根據(jù)數(shù)值分析情況，洞內(nèi)注漿加固措施起到了一定的效果。但液化程度較大時(shí)，需考慮地面攪拌樁等處理措施。