液化場(chǎng)地地鐵區(qū)間隧道抗震設(shè)計(jì)研究

安軍海，李曉霖，索新愛，陶連金

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

液化場(chǎng)地地鐵區(qū)間隧道抗震設(shè)計(jì)研究

安軍海，李曉霖，索新愛，陶連金

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

借鑒建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念及以往工程實(shí)踐，總結(jié)了液化場(chǎng)地條件下地鐵隧道抗震概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)的原則，并基于有限差分程序FLAC3D研究了地鐵隧道與液化層處于不同相對(duì)位置關(guān)系時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，從而提出地鐵隧道計(jì)算設(shè)計(jì)的抗液化處理原則。研究結(jié)果表明:當(dāng)液化層位于地鐵隧道拱頂附近及以上時(shí)，如不影響施工，可以不對(duì)液化層進(jìn)行處理;液化層位于隧道拱腰及以上時(shí)，地層液化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形將產(chǎn)生一定影響，建議對(duì)該部分液化層進(jìn)行加固處理;隧道周邊土體全部為液化層時(shí)，地震時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和地層變形會(huì)大幅增加，必須對(duì)液化層進(jìn)行加固處理。不論地鐵隧道與液化層相對(duì)位置關(guān)系怎樣，一般均應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

液化場(chǎng)地 地鐵隧道結(jié)構(gòu) 抗震設(shè)計(jì) 地震反應(yīng) 概念設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)地下空間開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，某些區(qū)間隧道將不可避免地臨近或穿越液化土層，使其面臨地基液化引起結(jié)構(gòu)上浮及襯砌強(qiáng)度破壞的危險(xiǎn)，給工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難［1-3］。所以，探索液化地層中地鐵隧道的地震響應(yīng)規(guī)律及如何有效指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的研究，成了地下結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域亟待解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

目前，考慮液化場(chǎng)地條件下地鐵區(qū)間隧道地震響應(yīng)的研究還很少，相關(guān)的研究成果還遠(yuǎn)不足以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，對(duì)土層液化的處理措施也往往基于以往的工程經(jīng)驗(yàn)［4-5］。本文基于實(shí)際工程，在總結(jié)以往抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從地鐵隧道抗震設(shè)計(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，提出適用于液化場(chǎng)地條件下隧道工程概念設(shè)計(jì)—計(jì)算設(shè)計(jì)—構(gòu)造設(shè)計(jì)之間相互協(xié)調(diào)的抗震設(shè)計(jì)理念，并研究液化層和區(qū)間結(jié)構(gòu)處于不同的相對(duì)位置關(guān)系時(shí)，地鐵區(qū)間隧道的地震響應(yīng)規(guī)律，從而提出相應(yīng)的抗液化處理原則，為液化場(chǎng)地中地鐵區(qū)間隧道的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 地鐵隧道抗液化概念設(shè)計(jì)

液化場(chǎng)地條件下的地鐵區(qū)間隧道抗震設(shè)計(jì)宜基于飽和砂土的液化機(jī)理，借鑒地面結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的理念，從概念設(shè)計(jì)、計(jì)算設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)等方面綜合考慮，保證三者之間相互協(xié)調(diào)與配合。

隧道抗震概念設(shè)計(jì)［6］是基于掌握隧道使用功能、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)受力體系及以往震害現(xiàn)象等資料的前提下，選擇隧道結(jié)構(gòu)抗震整體的綜合評(píng)價(jià)及抗震方案，為隧道抗震初步設(shè)計(jì)提供正確的思路。液化場(chǎng)地條件下的隧道抗震概念設(shè)計(jì)宜著眼于液化地基及結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)，靈活運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，既要滿足抵抗砂土液化給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響，又要兼顧施工和造價(jià)方面的要求，結(jié)合理論分析、工程類比及以往地下結(jié)構(gòu)實(shí)際震害經(jīng)驗(yàn)，從抑制砂土液化和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的角度完成其概念設(shè)計(jì)。

1.1 控制結(jié)構(gòu)埋深

根據(jù)地震液化的影響因素分析，結(jié)構(gòu)的覆土埋深是激發(fā)地震液化的重要方面，適當(dāng)加大隧道的覆土埋深，可以增大基底以下土層的豎向限制壓力，土層需要更大的孔隙水壓力才能產(chǎn)生砂(粉)土液化。埋深的增加可以減少地鐵地下結(jié)構(gòu)由于土體液化所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)上浮，同時(shí)，地下結(jié)構(gòu)地震作用所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力隨著埋深的增加而上升較小。因此，加大結(jié)構(gòu)埋深，穿越液化層的區(qū)間結(jié)構(gòu)應(yīng)作為抵抗地震液化災(zāi)害的主要措施和手段。

1.2 對(duì)液化層進(jìn)行處理

根據(jù)液化層的埋深、厚度、施工方法及造價(jià)等方面的條件，綜合考慮以往研究成果和工程實(shí)踐，總結(jié)出對(duì)液化層的處理方案，主要包括:液化土圍封處理、換填處理、加固處理、加密處理。

1.3 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身抗浮能力

飽和土地震液化后可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的上浮，這主要是因?yàn)榈卣鹱饔孟?，地下水位升高，液化土層的孔隙水壓力大幅上升。處于液化層中的地鐵隧道結(jié)構(gòu)宜采取有效措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗浮能力，以避免發(fā)生嚴(yán)重震害，進(jìn)行地鐵隧道的概念設(shè)計(jì)時(shí)，可使結(jié)構(gòu)具有更好的整體性和連續(xù)性，成為多次超靜定結(jié)構(gòu)。因其整體剛度大，構(gòu)件間變形協(xié)調(diào)，吸收更多的振動(dòng)能量，可以最大程度消除局部的嚴(yán)重破壞。

2 地鐵隧道抗液化計(jì)算設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

研究對(duì)象為太原市某處穿越液化層中的區(qū)間隧道，采用盾構(gòu)法施工，該隧道結(jié)構(gòu)埋深為9 m，屬于淺埋地下結(jié)構(gòu)。此區(qū)間段液化層呈連續(xù)片狀分布，埋深為2～8 m，厚大約6～10 m，液化等級(jí)為中等～嚴(yán)重，對(duì)地下結(jié)構(gòu)影響較大。

采用有限差分軟件FLAC3D建立平面應(yīng)變模型，模型橫向取60 m，向上取至地表，向下取至40 m埋深處，地面超載取為20 kPa。巖土體采用實(shí)體單元模擬，選用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，隧道結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬，選用彈性模型。各土層及盾構(gòu)管片物理力學(xué)性質(zhì)及本構(gòu)模型參數(shù)見表1，數(shù)值分析模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1、圖2所示。

表1 土—結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)及Byrne模型參數(shù)

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

圖2 隧道截面形式及控制點(diǎn)布置

2.2 輸入地震動(dòng)

假定輸入地震動(dòng)為基巖面豎直向上傳播的SH波，選用1995年日本阪神地震Kobe波，調(diào)整加速度峰值為2.0 m/s2，其原始的加速度時(shí)程及傅里葉譜如圖3所示。

2.3 靜力與動(dòng)力計(jì)算概述

靜力計(jì)算時(shí)，首先對(duì)模型在自重應(yīng)力場(chǎng)下進(jìn)行平衡計(jì)算，地應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定后，對(duì)盾構(gòu)范圍內(nèi)土體進(jìn)行開挖，并對(duì)周圍土層設(shè)定0.2的應(yīng)力釋放系數(shù)，此步驟平衡后，激活盾構(gòu)管片，開挖范圍周邊土層應(yīng)力全部釋放。在得到初始應(yīng)力場(chǎng)后，進(jìn)入動(dòng)力計(jì)算。動(dòng)力計(jì)算中，土層計(jì)算區(qū)域兩側(cè)采用自由場(chǎng)邊界，液化層采用Byrne模型。

圖3 Kobe波加速度時(shí)程及其傅里葉譜

表2 地震動(dòng)力響應(yīng)分析工況

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 水平速度分析

基于反應(yīng)位移法的基本原理，引發(fā)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的主要原因是周圍土體的變形，而并非結(jié)構(gòu)自身的慣性力，因而周圍土體的速度可以較好地反映地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。表3給出了盾構(gòu)隧道典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置在水平地震作用下的速度峰值。

表3 各位置在水平地震作用下的速度峰值 cm/s

從表3可以看出:不論土層是否發(fā)生液化，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)最大水平速度值從拱底到拱頂均趨于增大;對(duì)于非液化工況的速度反應(yīng)，不論液化層處于哪個(gè)位置，其地震作用下的速度峰值變化不大;液化工況下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度反應(yīng)與非液化工況相比有較明顯的增加，且越臨近液化層，結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)增加越多，其中結(jié)構(gòu)上半部分的速度增幅較下半部分大。

3.2 內(nèi)力分析

1)液化層位于隧道拱頂及其以上

在地震激振力作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生一定幅度的波動(dòng)，以靜力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力作為初始狀態(tài)，不同工況下結(jié)構(gòu)各部位的最大彎矩及其增量如表4所示。

表4 液化層位于拱頂及其以上時(shí)各位置最大彎矩及其增量 kN·m

根據(jù)表4可看出，盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)有以下規(guī)律:

①在地震作用下，無(wú)論土層是否發(fā)生液化作用，結(jié)構(gòu)彎矩均隨地震波發(fā)生一定的波動(dòng)作用，其中部位置增幅達(dá)到45%以上，拱底13%左右，拱頂增加量較小。②發(fā)生液化后結(jié)構(gòu)內(nèi)力波動(dòng)幅度較靜力狀態(tài)又增加了1%左右發(fā)生在隧道中部，對(duì)比差異微弱，可認(rèn)為該工況下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可不獨(dú)立考慮液化層存在的影響。故對(duì)于該部分液化層，如不影響施工，可不做任何處理。

[6]詹姆斯·費(fèi)倫：《作為修辭的敘事:技巧/讀者/倫理/意識(shí)形態(tài)》，北京：北京大學(xué)出版社，2002年，第24頁(yè)。

2)液化層位于隧道中部及其以上

當(dāng)液化層的位置處于隧道中部及其以上時(shí)，在水平地震作用下結(jié)構(gòu)各位置的彎矩及變化如表5所示。

根據(jù)表5可看出:①工況3，4在地震激勵(lì)下的盾構(gòu)隧道彎矩值較靜力時(shí)均產(chǎn)生一定的放大作用，中部位置增幅分別達(dá)到25%及40%以上，其他部位的增幅也達(dá)到10%～25%;②與不發(fā)生液化作用相比，液化后結(jié)構(gòu)彎矩波動(dòng)幅度又增大了5% ～20%，其彎矩波動(dòng)幅值對(duì)結(jié)構(gòu)的配筋可能會(huì)起到一定影響，故該工況下液化層對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響需引起足夠的重視。

3)隧道周邊土體均為液化層

當(dāng)整個(gè)隧道高度及上覆土層均為液化層時(shí)，對(duì)液化及不發(fā)生液化兩種條件下的隧道結(jié)構(gòu)的彎矩及其增量進(jìn)行對(duì)比分析，如表6所示。

表5 液化層位于隧道中部及其以上時(shí)各位置最大彎矩及其增量 kN·m

表6 隧道周邊土體均為液化層時(shí)各位置最大彎矩及其增量 kN·m

從表6可看出:①對(duì)于液化層覆蓋盾構(gòu)隧道全斷面高度的情況，在地震作用下，無(wú)論地層是否發(fā)生液化作用，結(jié)構(gòu)彎矩值都有很大的增加，其中隧道中部的彎矩增幅最大;②土層液化后中部位置彎矩較初始狀態(tài)大，最大增量達(dá)到116.4%，較非液化工況彎矩也有很大提升，達(dá)到58.4%，且結(jié)構(gòu)斷面的彎矩最值甚至已從拱頂位置轉(zhuǎn)移到中部位置，內(nèi)力值的大幅增加及最值發(fā)生位置的轉(zhuǎn)移使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要考慮液化的影響。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)上浮驗(yàn)算

場(chǎng)地地震液化可能導(dǎo)致淺埋隧道的上浮，給結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利影響甚至破壞。圖4給出了液化層分別在拱頂以上、拱中部以上及拱底以上時(shí)地鐵隧道在地震作用下的豎向位移變形曲線。從圖中可以看出:

圖4 不同工況下地鐵隧道上浮值

1)由于隧道本身質(zhì)量較小，不論其與液化層相對(duì)位置關(guān)系怎樣，隧道均發(fā)生了不同程度的上浮，且液化層厚度及埋深越大，結(jié)構(gòu)的上浮量越大。

2)不同工況下的地鐵隧道上浮時(shí)程曲線中，初始時(shí)都是平緩上升，然后出現(xiàn)一個(gè)急劇上升段，最后趨于平緩，甚至有下降的趨勢(shì)。劇烈上浮段與輸入地震波的特性有關(guān)，平緩下降段是因?yàn)榈卣疒呌诮Y(jié)束時(shí)土層穩(wěn)定后，會(huì)出現(xiàn)少量固結(jié)沉降。

3)液化層在拱頂及其以上時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大上浮量為2.96 cm，可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響;液化層位于隧道中部以上時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大上浮量為7.52 cm，將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的不利影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以消除;液化層覆蓋整個(gè)隧道時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大上浮量為16.53 cm，遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的限值，影響結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至造成薄弱環(huán)節(jié)的破壞，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須采取有效手段消除其不利影響。

圖5給出了不同計(jì)算工況下的地層變形情況。從圖中可以看出:液化層在拱頂以上時(shí)，土層變形不是很明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響不大，而液化層擴(kuò)大至拱腰附近時(shí)，土層網(wǎng)格有了更顯著的變形，且隧道附近的土層也出現(xiàn)了一定的變形，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響;當(dāng)液化層擴(kuò)大至拱底及以下時(shí)，整體土層網(wǎng)格都出現(xiàn)了畸變，地鐵隧道側(cè)邊土體有明顯的帶動(dòng)隧道變形的趨勢(shì)，對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形影響很大。

圖5 震后變形網(wǎng)格

3.4 區(qū)間隧道抗液化處理的原則

根據(jù)以上分析，結(jié)合液化層和區(qū)間結(jié)構(gòu)位置關(guān)系，并參照具體工程實(shí)際，綜合評(píng)價(jià)后提出基于計(jì)算設(shè)計(jì)的隧道結(jié)構(gòu)抗液化處理原則:

1)液化層位于盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)頂板附近及以上時(shí)，可以不對(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)，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。

2)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，建議對(duì)該部分液化層進(jìn)行加固處理，若受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔離，可以不對(duì)液化層進(jìn)行加固處理。

3)隧道周邊土體全部為液化層時(shí)，必須對(duì)液化層進(jìn)行加固處理。

4 地鐵隧道抗液化構(gòu)造設(shè)計(jì)

基于太原地鐵區(qū)間隧道的抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)實(shí)踐，結(jié)合以往研究成果，對(duì)臨近或處于液化地層中的地鐵隧道，提出幾項(xiàng)抗液化構(gòu)造措施:

1)在隧道底部設(shè)置仰拱，加強(qiáng)抗浮能力和整體性。

2)圍巖支護(hù)中使用鋼筋網(wǎng)，加大襯砌結(jié)構(gòu)的柔性。

3)在隧道敞開段的結(jié)構(gòu)底板設(shè)置抗拔樁。

4)可按設(shè)計(jì)配置較大膨脹倍率的橡膠墊，以適應(yīng)隧道可能產(chǎn)生的較大縱向彎曲。

5)盾構(gòu)隧道的管片宜錯(cuò)縫拼裝，并加深接頭榫槽的深度，以增強(qiáng)縱向整體性。

6)嚴(yán)格設(shè)置寬度及構(gòu)造皆滿足要求的抗震縫。

實(shí)踐證明這些措施都是非常實(shí)用的，但是這些措施還不是很完善，有待于進(jìn)一步補(bǔ)充修正。

5 結(jié)論

1)提出液化場(chǎng)地下地鐵隧道概念設(shè)計(jì)—計(jì)算設(shè)計(jì)—構(gòu)造設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)理念，分別歸納總結(jié)出其抗液化原則和措施的適用條件。

2)對(duì)于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算，液化層處于隧道拱頂以上時(shí)，可以不對(duì)液化層進(jìn)行處理;液化層位于隧道拱腰及以上時(shí)，建議對(duì)部分液化層進(jìn)行加固處理;隧道周邊土體全部為液化層時(shí)，必須對(duì)液化層進(jìn)行加固處理。

3)地鐵隧道結(jié)構(gòu)會(huì)因飽和土層液化發(fā)生明顯上浮，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

［1］陳國(guó)興．巖土地震工程學(xué)［M］．北京:科學(xué)出版社，2007．

［2］佘芳濤，邵生俊，楊素新．可液化地層隧道圍巖的動(dòng)力響應(yīng)及液化區(qū)發(fā)展分析［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2011，31 (3):11-17．

［3］莊海洋，龍慧，陳國(guó)興，等．可液化地基中地鐵車站周圍場(chǎng)地地震反應(yīng)分析［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(1):81-88．

［4］劉華北，宋二祥．可液化土中地鐵結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)［J］．巖土力學(xué)，2005，26(3):381-391．

［5］鄭曉，陳春雷，劉勝群．地震荷載作用下壩基砂土液化有限元分析［J］．鐵道建筑，2009(10):72-74．

［6］趙真，謝禮立．淺析傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)思想形成的一般規(guī)律［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2014，34(2):19-26．

Research on seismic design for metro section tunnel in liquefaction region

AN Junhai，LI Xiaolin，SUO Xin'ai，TAO Lianjin
(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

According to seismic design concept of building structure and engineering practice，the principle of subway tunnel seismic concept design and structural design in liquefaction region was summarized．T he dynamic response of the structures was studied when subway tunnel and the liquefaction sand are in different relative position by using FLAC3Dsoftware and liquefaction resistance principles for the subway tunnel calculation design were put forward．Results showed that the liquefaction stratum should not be handled if the liquefaction layer is located near or above the subway tunnel vault which does not affect the construction，stratum liquefaction has a certain effect on the internal force and deformation of the structure when liquefaction layer is located at or above tunnel arch waist，liquefaction sand of which should be reinforced，internal force and deformation of the structure under the earthquake will be greatly increased when all of the soil around the tunnel is liquefaction stratum，which means liquefaction sand must be reinforced．In general，anti-floating calculation should be made no matter what the relative position relationship between subway tunnel and the liquefaction sand is．

Liquefaction region;Subway tunnel structure;Seismic design;Seismic response;Concept design

U452.2+8

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．24

(責(zé)任審編 孟慶伶)

2014-12-20;

:2015-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(90715035，41272337)

安軍海(1987— )，男，河北邯鄲人，博士研究生。

1003-1995(2015)08-0080-05