液化场地地铁区间隧道抗震设计研究

安军海，李晓霖，索新爱，陶连金

(北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124)

液化场地地铁区间隧道抗震设计研究

安军海，李晓霖，索新爱，陶连金

(北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124)

借鉴建筑结构抗震设计理念及以往工程实践，总结了液化场地条件下地铁隧道抗震概念设计和构造设计的原则，并基于有限差分程序FLAC3D研究了地铁隧道与液化层处于不同相对位置关系时结构的动力反应，从而提出地铁隧道计算设计的抗液化处理原则。研究结果表明:当液化层位于地铁隧道拱顶附近及以上时，如不影响施工，可以不对液化层进行处理;液化层位于隧道拱腰及以上时，地层液化对结构内力及变形将产生一定影响，建议对该部分液化层进行加固处理;隧道周边土体全部为液化层时，地震时结构的内力和地层变形会大幅增加，必须对液化层进行加固处理。不论地铁隧道与液化层相对位置关系怎样，一般均应进行抗浮验算。

液化场地 地铁隧道结构 抗震设计 地震反应 概念设计

随着我国地下空间开发规模的不断扩大，某些区间隧道将不可避免地临近或穿越液化土层，使其面临地基液化引起结构上浮及衬砌强度破坏的危险，给工程结构的抗震设计带来很大困难［1-3］。所以，探索液化地层中地铁隧道的地震响应规律及如何有效指导工程设计的研究，成了地下结构抗震领域亟待解决的重点问题。

目前，考虑液化场地条件下地铁区间隧道地震响应的研究还很少，相关的研究成果还远不足以指导工程设计，对土层液化的处理措施也往往基于以往的工程经验［4-5］。本文基于实际工程，在总结以往抗震设计的基础上，从地铁隧道抗震设计实用的角度出发，提出适用于液化场地条件下隧道工程概念设计—计算设计—构造设计之间相互协调的抗震设计理念，并研究液化层和区间结构处于不同的相对位置关系时，地铁区间隧道的地震响应规律，从而提出相应的抗液化处理原则，为液化场地中地铁区间隧道的抗震设计提供参考。

1 地铁隧道抗液化概念设计

液化场地条件下的地铁区间隧道抗震设计宜基于饱和砂土的液化机理，借鉴地面结构抗震设计的理念，从概念设计、计算设计、构造设计等方面综合考虑，保证三者之间相互协调与配合。

隧道抗震概念设计［6］是基于掌握隧道使用功能、场地条件、结构受力体系及以往震害现象等资料的前提下，选择隧道结构抗震整体的综合评价及抗震方案，为隧道抗震初步设计提供正确的思路。液化场地条件下的隧道抗震概念设计宜着眼于液化地基及结构的总体地震反应，灵活运用抗震设计准则，既要满足抵抗砂土液化给结构带来的不利影响，又要兼顾施工和造价方面的要求，结合理论分析、工程类比及以往地下结构实际震害经验，从抑制砂土液化和加强结构的角度完成其概念设计。

1.1 控制结构埋深

根据地震液化的影响因素分析，结构的覆土埋深是激发地震液化的重要方面，适当加大隧道的覆土埋深，可以增大基底以下土层的竖向限制压力，土层需要更大的孔隙水压力才能产生砂(粉)土液化。埋深的增加可以减少地铁地下结构由于土体液化所导致的结构上浮，同时，地下结构地震作用所导致的结构附加内力随着埋深的增加而上升较小。因此，加大结构埋深，穿越液化层的区间结构应作为抵抗地震液化灾害的主要措施和手段。

1.2 对液化层进行处理

根据液化层的埋深、厚度、施工方法及造价等方面的条件，综合考虑以往研究成果和工程实践，总结出对液化层的处理方案，主要包括:液化土围封处理、换填处理、加固处理、加密处理。

1.3 加强结构自身抗浮能力

饱和土地震液化后可能会导致结构的上浮，这主要是因为地震作用下，地下水位升高，液化土层的孔隙水压力大幅上升。处于液化层中的地铁隧道结构宜采取有效措施加强结构的抗浮能力，以避免发生严重震害，进行地铁隧道的概念设计时，可使结构具有更好的整体性和连续性，成为多次超静定结构。因其整体刚度大，构件间变形协调，吸收更多的振动能量，可以最大程度消除局部的严重破坏。

2 地铁隧道抗液化计算设计

2.1 计算模型简介

研究对象为太原市某处穿越液化层中的区间隧道，采用盾构法施工，该隧道结构埋深为9 m，属于浅埋地下结构。此区间段液化层呈连续片状分布，埋深为2～8 m，厚大约6～10 m，液化等级为中等～严重，对地下结构影响较大。

采用有限差分软件FLAC3D建立平面应变模型，模型横向取60 m，向上取至地表，向下取至40 m埋深处，地面超载取为20 kPa。岩土体采用实体单元模拟，选用Mohr-Coulomb屈服准则，隧道结构采用壳单元模拟，选用弹性模型。各土层及盾构管片物理力学性质及本构模型参数见表1，数值分析模型及监测点位置如图1、图2所示。

表1 土—结构力学性质及Byrne模型参数

图1 数值计算模型

图2 隧道截面形式及控制点布置

2.2 输入地震动

假定输入地震动为基岩面竖直向上传播的SH波，选用1995年日本阪神地震Kobe波，调整加速度峰值为2.0 m/s2，其原始的加速度时程及傅里叶谱如图3所示。

2.3 静力与动力计算概述

静力计算时，首先对模型在自重应力场下进行平衡计算，地应力场稳定后，对盾构范围内土体进行开挖，并对周围土层设定0.2的应力释放系数，此步骤平衡后，激活盾构管片，开挖范围周边土层应力全部释放。在得到初始应力场后，进入动力计算。动力计算中，土层计算区域两侧采用自由场边界，液化层采用Byrne模型。

图3 Kobe波加速度时程及其傅里叶谱

表2 地震动力响应分析工况

3 计算结果及分析

3.1 水平速度分析

基于反应位移法的基本原理，引发结构的内力和变形的主要原因是周围土体的变形，而并非结构自身的惯性力，因而周围土体的速度可以较好地反映地下结构的动力特性。表3给出了盾构隧道典型监测点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

从表3可以看出:不论土层是否发生液化，盾构隧道结构最大水平速度值从拱底到拱顶均趋于增大;对于非液化工况的速度反应，不论液化层处于哪个位置，其地震作用下的速度峰值变化不大;液化工况下的各监测点的速度反应与非液化工况相比有较明显的增加，且越临近液化层，结构的速度响应增加越多，其中结构上半部分的速度增幅较下半部分大。

3.2 内力分析

1)液化层位于隧道拱顶及其以上

在地震激振力作用下，结构内力发生一定幅度的波动，以静力状态下结构内力作为初始状态，不同工况下结构各部位的最大弯矩及其增量如表4所示。

表4 液化层位于拱顶及其以上时各位置最大弯矩及其增量 kN·m

根据表4可看出，盾构隧道的结构内力状态有以下规律:

①在地震作用下，无论土层是否发生液化作用，结构弯矩均随地震波发生一定的波动作用，其中部位置增幅达到45%以上，拱底13%左右，拱顶增加量较小。②发生液化后结构内力波动幅度较静力状态又增加了1%左右发生在隧道中部，对比差异微弱，可认为该工况下结构设计可不独立考虑液化层存在的影响。故对于该部分液化层，如不影响施工，可不做任何处理。

[6]詹姆斯·费伦：《作为修辞的叙事:技巧/读者/伦理/意识形态》，北京：北京大学出版社，2002年，第24页。

2)液化层位于隧道中部及其以上

当液化层的位置处于隧道中部及其以上时，在水平地震作用下结构各位置的弯矩及变化如表5所示。

根据表5可看出:①工况3，4在地震激励下的盾构隧道弯矩值较静力时均产生一定的放大作用，中部位置增幅分别达到25%及40%以上，其他部位的增幅也达到10%～25%;②与不发生液化作用相比，液化后结构弯矩波动幅度又增大了5% ～20%，其弯矩波动幅值对结构的配筋可能会起到一定影响，故该工况下液化层对结构设计的影响需引起足够的重视。

3)隧道周边土体均为液化层

当整个隧道高度及上覆土层均为液化层时，对液化及不发生液化两种条件下的隧道结构的弯矩及其增量进行对比分析，如表6所示。

表5 液化层位于隧道中部及其以上时各位置最大弯矩及其增量 kN·m

表6 隧道周边土体均为液化层时各位置最大弯矩及其增量 kN·m

从表6可看出:①对于液化层覆盖盾构隧道全断面高度的情况，在地震作用下，无论地层是否发生液化作用，结构弯矩值都有很大的增加，其中隧道中部的弯矩增幅最大;②土层液化后中部位置弯矩较初始状态大，最大增量达到116.4%，较非液化工况弯矩也有很大提升，达到58.4%，且结构断面的弯矩最值甚至已从拱顶位置转移到中部位置，内力值的大幅增加及最值发生位置的转移使得结构设计必须要考虑液化的影响。

3.3 隧道结构上浮验算

场地地震液化可能导致浅埋隧道的上浮，给结构带来不利影响甚至破坏。图4给出了液化层分别在拱顶以上、拱中部以上及拱底以上时地铁隧道在地震作用下的竖向位移变形曲线。从图中可以看出:

图4 不同工况下地铁隧道上浮值

1)由于隧道本身质量较小，不论其与液化层相对位置关系怎样，隧道均发生了不同程度的上浮，且液化层厚度及埋深越大，结构的上浮量越大。

2)不同工况下的地铁隧道上浮时程曲线中，初始时都是平缓上升，然后出现一个急剧上升段，最后趋于平缓，甚至有下降的趋势。剧烈上浮段与输入地震波的特性有关，平缓下降段是因为地震趋于结束时土层稳定后，会出现少量固结沉降。

3)液化层在拱顶及其以上时，结构的最大上浮量为2.96 cm，可能会对结构产生影响;液化层位于隧道中部以上时，结构的最大上浮量为7.52 cm，将会对结构产生一定的不利影响，结构设计时应予以消除;液化层覆盖整个隧道时，结构的最大上浮量为16.53 cm，远大于规范规定的限值，影响结构的正常使用，甚至造成薄弱环节的破坏，结构设计时必须采取有效手段消除其不利影响。

图5给出了不同计算工况下的地层变形情况。从图中可以看出:液化层在拱顶以上时，土层变形不是很明显，对结构的变形影响不大，而液化层扩大至拱腰附近时，土层网格有了更显著的变形，且隧道附近的土层也出现了一定的变形，对结构产生影响;当液化层扩大至拱底及以下时，整体土层网格都出现了畸变，地铁隧道侧边土体有明显的带动隧道变形的趋势，对结构的内力和变形影响很大。

图5 震后变形网格

3.4 区间隧道抗液化处理的原则

根据以上分析，结合液化层和区间结构位置关系，并参照具体工程实际，综合评价后提出基于计算设计的隧道结构抗液化处理原则:

1)液化层位于盾构区间结构顶板附近及以上时，可以不对液化层进行处理，但结构设计中需考虑发生液化时，验算结构的抗浮安全系数是否满足要求，以保证其抗浮稳定性。

2)液化层位于盾构区间结构拱腰及以上时，地层发生液化时对结构内力及变形影响较大，建议对该部分液化层进行加固处理，若受到围护结构的隔离，可以不对液化层进行加固处理。

3)隧道周边土体全部为液化层时，必须对液化层进行加固处理。

4 地铁隧道抗液化构造设计

基于太原地铁区间隧道的抗震构造设计实践，结合以往研究成果，对临近或处于液化地层中的地铁隧道，提出几项抗液化构造措施:

1)在隧道底部设置仰拱，加强抗浮能力和整体性。

2)围岩支护中使用钢筋网，加大衬砌结构的柔性。

3)在隧道敞开段的结构底板设置抗拔桩。

4)可按设计配置较大膨胀倍率的橡胶垫，以适应隧道可能产生的较大纵向弯曲。

5)盾构隧道的管片宜错缝拼装，并加深接头榫槽的深度，以增强纵向整体性。

6)严格设置宽度及构造皆满足要求的抗震缝。

实践证明这些措施都是非常实用的，但是这些措施还不是很完善，有待于进一步补充修正。

5 结论

1)提出液化场地下地铁隧道概念设计—计算设计—构造设计的抗震设计理念，分别归纳总结出其抗液化原则和措施的适用条件。

2)对于结构的内力计算，液化层处于隧道拱顶以上时，可以不对液化层进行处理;液化层位于隧道拱腰及以上时，建议对部分液化层进行加固处理;隧道周边土体全部为液化层时，必须对液化层进行加固处理。

3)地铁隧道结构会因饱和土层液化发生明显上浮，结构设计时应对结构进行抗浮验算。

［1］陈国兴．岩土地震工程学［M］．北京:科学出版社，2007．

［2］佘芳涛，邵生俊，杨素新．可液化地层隧道围岩的动力响应及液化区发展分析［J］．地震工程与工程振动，2011，31 (3):11-17．

［3］庄海洋，龙慧，陈国兴，等．可液化地基中地铁车站周围场地地震反应分析［J］．岩土工程学报，2012，34(1):81-88．

［4］刘华北，宋二祥．可液化土中地铁结构的地震响应［J］．岩土力学，2005，26(3):381-391．

［5］郑晓，陈春雷，刘胜群．地震荷载作用下坝基砂土液化有限元分析［J］．铁道建筑，2009(10):72-74．

［6］赵真，谢礼立．浅析传统结构抗震概念设计思想形成的一般规律［J］．地震工程与工程振动，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

(责任审编 孟庆伶)

2014-12-20;

:2015-03-08

国家自然科学基金项目(90715035，41272337)

安军海(1987— )，男，河北邯郸人，博士研究生。

1003-1995(2015)08-0080-05