頂管穿越大厚度液化層處理措施研究

摘 要：土體液化是指在外力作用下，飽和狀態(tài)的砂土或粉土中土體顆粒之間發(fā)生相對(duì)位移，顆粒間的孔隙水來(lái)不及排泄，孔隙水壓力短時(shí)間內(nèi)急劇上升，當(dāng)孔隙水壓力上升到與土顆粒所受到總的正壓力接近時(shí)，土顆粒之間因摩擦產(chǎn)生的抗剪力接近零，使土粒在孔隙水中懸浮，土層顆粒的承載力頓時(shí)會(huì)被水給取代，土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)變成像液體一樣可以流動(dòng)的現(xiàn)象。液化現(xiàn)象能造成場(chǎng)地的整體性失穩(wěn)，危害極大，已引起國(guó)內(nèi)外工程界的普遍重視，成為工程抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)頂管穿越大厚度液化層研究較少，該文以太原地區(qū)某出入口為例，分析和總結(jié)相關(guān)液化處理措施，可為類(lèi)似的頂管工程提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：頂管；液化層；出入口；水平注漿；處理措施

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0150-05

Abstract： Soil liquefaction means that under the action of external force， relative displacement occurs between soil particles in saturated sand or silt， pore water between particles is too late to discharge， and pore water pressure increases sharply in a short time. When the pore water pressure rises close to the total positive pressure of soil particles， the anti-shear force caused by friction between soil particles is close to zero， making the soil particles suspended in pore water. The bearing capacity of soil particles will immediately be replaced by water， and the interior of the soil structure will flow like a liquid. The liquefaction phenomenon can cause the overall instability of the site and do great harm， which has attracted the attention of the engineering circles at home and abroad， and has become one of the important contents of engineering seismic design. At present， there is little research on pipe jacking through large thickness liquefaction layer in China. Taking an entrance in Taiyuan area as an example， this paper analyzes and summarizes the relevant liquefaction treatment measures， which can provide reference for similar pipe jacking projects.

Keywords： pipe jacking; liquefied layer; entrance and exit; horizontal grouting; treatment measures

隨著地鐵建設(shè)規(guī)模的快速發(fā)展，車(chē)站出入口周邊環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，位于城市重要街道的出入口交通疏解和管線遷改難度越來(lái)越大，頂管法越來(lái)越多應(yīng)用于地鐵出入口建設(shè)。出入口的位置由于受規(guī)劃空間和水文地質(zhì)條件的限制，不可避免地會(huì)穿越液化地層[1-2]。鄭剛等[2]、鐘小春等[3]、劉光磊等[4]針對(duì)處于液化地層中的隧道進(jìn)行了上浮機(jī)理研究，提出了地震液化時(shí)隧道上浮判斷方法和臨界條件，以及土體液化時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力變化規(guī)律。段亞剛[5]針對(duì)太原地鐵2號(hào)線液化處理措施進(jìn)行了研究總結(jié)。本文以太原地鐵1號(hào)線桃園路站A1、A2號(hào)出入口頂管通道為例，針對(duì)大厚度嚴(yán)重液化地層提出了處理措施。

1 工程概況

1.1 出入口工程概況

桃園路站位于迎澤大街與桃園路交叉口，沿迎澤大街南側(cè)東西向敷設(shè)。A1、A2號(hào)出入口為T(mén)形出入口，位于車(chē)站北側(cè)，在A1號(hào)出入口人防段內(nèi)設(shè)置頂管始發(fā)井，分別向車(chē)站主體結(jié)構(gòu)（過(guò)迎澤大街）與A2號(hào)出入口（過(guò)桃園北路）頂進(jìn)。頂管管節(jié)長(zhǎng)度1.5 m，厚度0.45 m，結(jié)構(gòu)凈尺寸為4 m×6 m，混凝土采用C50，P10。過(guò)街通道采用4.9 m×6.9 m大刀盤(pán)土壓平衡式矩形頂管機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工。過(guò)迎澤大街頂管通道底板埋深約12.4 m，覆土約4.5 m，過(guò)桃園北路頂管通道底板埋深約12.4 m，覆土約4.0 m。頂管管節(jié)主要位于2-4-1粉細(xì)砂與2-5-1中砂層。根據(jù)勘察報(bào)告提供的液化判定成果，液化指數(shù)為28.26～51.98，液化等級(jí)為中等～嚴(yán)重。出入口平面示意圖如圖1所示。

1.2 工程水文地質(zhì)情況

1.2.1 地質(zhì)概況

2座頂管通道主要地層從上至下分別為1-2素填土、2-4-1粉細(xì)砂、2-5-1中砂和2-5-2中砂。

1-2素填土：雜色，廣泛分布，填料以粉土、黏性土為主，局部夾少量角礫，一般粒徑0.5～2.0 cm，迎澤大街下方為現(xiàn)狀道路的路基土，經(jīng)多年運(yùn)營(yíng)，路基土穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)密實(shí)，堆填年限20年以上，滲透系數(shù)3×10-5 cm/s，孔隙比為0.507，飽和度為100%。

2-4-1粉細(xì)砂：灰色～灰黃色，場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布，呈松散～稍密狀態(tài)，具中壓縮性；土質(zhì)不均，局部夾薄層黏性土，滲透系數(shù)3×10-3 cm/s，孔隙比為0.563，飽和度為86%。

2-5-1中砂：灰色～灰黃色，場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布，呈稍密狀態(tài)，具中壓縮性；土質(zhì)不均，偶見(jiàn)角礫，夾薄層黏性土，滲透系數(shù)5×10-3 cm/s，孔隙比為0.498，飽和度為87%。

2-5-2中砂：灰色～灰黃色，場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布，呈中密狀態(tài)，具中～低壓縮性；土質(zhì)不均，偶見(jiàn)角礫，一般粒徑0.5～2.0 cm，含量約占3%，夾薄層黏性土，滲透系數(shù)4.5×10-3 cm/s，孔隙比為0.475，飽和度為88%。

1.2.2 水文概況

地下水為松散層孔隙潛水，因粉性土、砂性土以及碎石土層相互貫通，故無(wú)承壓水，潛水主要賦存于沖、洪積相砂類(lèi)土、粉土中，擬建場(chǎng)地實(shí)測(cè)潛水穩(wěn)定水位埋深2.3～3.5 m。頂管通道地質(zhì)剖面圖如圖2、圖3所示。

1.2.3 地震動(dòng)參數(shù)及場(chǎng)地類(lèi)別

本工程位于太原市迎澤區(qū)，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）規(guī)定，擬選場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

根據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)等效剪切波速進(jìn)行計(jì)算，場(chǎng)地地面下20 m深度范圍內(nèi)等效剪切波速vse為214.4～236.2 m/s，平均值為221.7 m/s；場(chǎng)地土類(lèi)型屬中軟土。場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。

2 土層液化相關(guān)特性及破壞機(jī)理

2.1 土層液化相關(guān)特性

液化是指固態(tài)的土壤變成液態(tài)，或變成黏稠的流質(zhì)。土層液化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，飽和的砂土與粉土外力反復(fù)震蕩下有變密的趨勢(shì)。影響液化的因素：土的類(lèi)型、土的初始狀態(tài)、土的物理性質(zhì)、地震荷載的強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間等[6]。黏性土由于土顆粒間結(jié)合力較強(qiáng)，不易被地震荷載破壞成單個(gè)顆粒從而不會(huì)呈現(xiàn)“漂浮”狀態(tài)，因而不易發(fā)生液化。無(wú)黏性土中顆粒級(jí)配均勻的粉細(xì)砂最易發(fā)生液化。

飽和砂土是否發(fā)生液化及發(fā)生液化程度與砂土的自身物理屬性和環(huán)境有關(guān)，如地下水的埋藏條件，排水滲透性能以及土的粒徑、密度、粘粒含量、土層形成年代及飽和程度等。當(dāng)孔隙比e越小，相對(duì)密度Dr越大，越不易液化；飽和度Sr越小，越不易液化；標(biāo)貫值N越大，強(qiáng)度越高，越不易液化；滲透系數(shù)K越大，孔隙水壓越難聚集，越不易液化；土的初始限制壓力越大，使得土體發(fā)生液化時(shí)需要的超孔隙水壓力變高，越不易發(fā)生液化[7]。

2.2 液化破壞機(jī)理

土體液化對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞主要?dú)w結(jié)于2點(diǎn)：①地基失效引發(fā)結(jié)構(gòu)不均勻沉陷；②結(jié)構(gòu)上浮。相關(guān)試驗(yàn)[8]已證明位于基礎(chǔ)下的土比自由場(chǎng)地難液化，地基液化的危害常來(lái)自基礎(chǔ)外側(cè)，因?yàn)檫@區(qū)域土體率先出現(xiàn)的液化使基礎(chǔ)失去側(cè)邊土壓力的支撐，由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降。結(jié)構(gòu)上浮一是底部地基土的孔隙水壓力急劇上升（超孔隙水壓）引起的附加浮力；二是側(cè)向土體液化而引起側(cè)向土體對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)壁的摩阻力減??；三是結(jié)構(gòu)兩側(cè)地基土有向結(jié)構(gòu)底部運(yùn)動(dòng)擠壓的趨勢(shì)，也是促使結(jié)構(gòu)上浮的重要原因。

根據(jù)陳韌韌[9]研究表明，當(dāng)液化層處于結(jié)構(gòu)頂板以上時(shí)和當(dāng)可液化層位于結(jié)構(gòu)中部至地表時(shí)以及液化層處于與結(jié)構(gòu)等深處時(shí)，結(jié)構(gòu)上浮量很小或幾乎不發(fā)生上浮，重點(diǎn)預(yù)防結(jié)構(gòu)發(fā)生橫斷面內(nèi)水平剪切內(nèi)力變化；當(dāng)液化層處于結(jié)構(gòu)底部時(shí)和可液化層位于結(jié)構(gòu)中部至底部時(shí)以及結(jié)構(gòu)全部浸沒(méi)與可液化土層，結(jié)構(gòu)上浮明顯，重點(diǎn)應(yīng)對(duì)地震上浮破壞以及預(yù)防水平剪切內(nèi)力的變化。

3 液化地層處理措施

3.1 地鐵工程常用的液化處理措施

在實(shí)際工程中，針對(duì)液化場(chǎng)地有多種處理措施，根據(jù)防治原理可分為：①擊實(shí)（如擠密砂樁工法、振沖法）；②孔隙水壓力消散（碎石排水法、排水樁法、倒濾層等其他排水系統(tǒng)）；③加固（如水泥攪拌樁法、旋噴樁、注漿）；④置換（換填液化土層）；⑤降低地下水位（井點(diǎn)法）；⑥抑制剪切變形（地下連續(xù)墻工法）；⑦結(jié)構(gòu)措施處理（樁基礎(chǔ)、板樁）等。歸結(jié)為2種設(shè)計(jì)思想：一是阻止孔隙水壓力的產(chǎn)生和發(fā)展；二是控制液化產(chǎn)生的過(guò)大變形。各個(gè)處理措施優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

3.2 本工程采用的液化處理措施

依據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，出入口頂管結(jié)構(gòu)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)與嚴(yán)重液化等級(jí)對(duì)頂管通道進(jìn)行部分消除液化沉陷且對(duì)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)進(jìn)行處理。結(jié)合本出入口通道頂管工法特點(diǎn)、周邊條件可實(shí)施性以及經(jīng)濟(jì)性，頂管通道選擇注漿對(duì)結(jié)構(gòu)周邊土體進(jìn)行加固。

注漿可以改變土的孔隙比、相對(duì)密度以及標(biāo)貫值，使得頂管下部不再具備形成超孔隙水壓的土特性；加固底板兩側(cè)范圍土體，避免兩側(cè)土體液化導(dǎo)致基礎(chǔ)兩側(cè)失去土體的支撐，同時(shí)抑制兩側(cè)液化土向結(jié)構(gòu)底部運(yùn)動(dòng)擠壓的趨勢(shì)，避免結(jié)構(gòu)上??；提高地基承載力強(qiáng)度，避免地震工況結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降。同時(shí)適當(dāng)增加頂管配筋，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。

注漿從頂管通道始發(fā)井和接收井洞門(mén)處采用鉆桿后退式注漿，注漿加固范圍為頂管通道左右兩側(cè)3 m，頂管頂板以上2 m，頂管底板以下5 m，加固后地基液化指數(shù)小于5。注漿開(kāi)孔間距0.5 m，單個(gè)洞門(mén)共計(jì)開(kāi)孔96個(gè)。擴(kuò)散半徑按照0.4 m考慮，注漿量為0.15 m3/m，注漿壓力控制在0.3～1.0 MPa。注漿加固斷面圖如圖4所示。

考慮到富水砂層特性，最外側(cè)兩排注漿孔采用雙液漿速凝材料，快速形成封閉層，避免漿液流失，其余范圍采用水泥砂漿。加固后的土體具有良好的均勻性、自立性、密封性，掌子面不得有明顯滲水，以保證矩形通道施工時(shí)洞門(mén)打開(kāi)的安全。注漿效果檢查，以取芯孔法為主，取芯檢測(cè)芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.5 MPa，抗?jié)B系數(shù)小于等于10-7 cm/s。

雙液漿中水泥漿液∶水玻璃為1∶0.6～1∶1（體積比），水玻璃模數(shù)2.6～2.8，濃度30～40 Be。水泥漿采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比為1.0，為提高漿液均勻性和穩(wěn)定性，摻入水泥用量5%的膨潤(rùn)土，同時(shí)加入水泥重量20%的粉煤灰以增加漿液的可灌注性和漿液凝固的膠結(jié)性。

3.3 結(jié)構(gòu)有限元分析

采用Midas GTS分別對(duì)地震工況下加固前、加固后結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形進(jìn)行分析，土體以DP模型模擬，管片襯砌以彈性材料模擬，地震工況下的土層抗剪強(qiáng)度取0，側(cè)壓力系數(shù)取1。計(jì)算結(jié)果如圖5至圖8所示。

經(jīng)計(jì)算分析，地震工況下，加固前結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力為430 kN·m，最大變形為12.67 mm；加固后結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力為329 kN·m，最大變形為9.55 mm；對(duì)管片四周的土體進(jìn)行加固后，管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形得到了改善。

4 結(jié)束語(yǔ)

頂管工程從始發(fā)和接收井進(jìn)行深孔注漿處理液化土層，可避免地面加固管線遷改和交通疏解問(wèn)題，注漿加固可以有效抑制結(jié)構(gòu)上浮、減小不均勻沉降及改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力。桃園路站A1、A2號(hào)出入口于2023年7月全部施工完畢，經(jīng)取芯檢測(cè)，注漿加固達(dá)到了設(shè)計(jì)效果，本頂管的順利實(shí)施，積累了頂管穿越大厚度嚴(yán)重液化地層處理經(jīng)驗(yàn)，可為類(lèi)似的頂管工程提供借鑒和參考。

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