局部液化地层范围及埋深对隧道地震上浮的影响研究

于伦超，钟小春，张露露

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)

杭州地铁4号线1期工程甬江路站—锦江站区间盾构隧道施工时需要穿越超过1 000 m长的可液化粉细砂地层。通过对阪神大地震的研究[1]，发现在可液化地层中，饱和砂土在地震荷载作用下液化后对地下结构的破坏较为严重，可液化砂土地层在地震作用下可能导致隧道破坏的问题需要引起重视。纵观国内外盾构地铁隧道发展历史，几乎没有类似杭州地铁这种长距离穿越可液化地层的工程先例，中长距离穿越可液化地层的地铁工程也不多见，因此需对该工程中可液化砂土地层导致的隧道上浮风险进行预估。

目前，关于盾构隧道结构横断面的地震响应问题，国内外已有不少研究。耿萍等[2]在晏启祥等[3-5]研究的基础上，考虑了P波和S波两种不同波速以及地层与隧道结构发生滑移或不发生滑移[6]的两种工况，对比分析拟静力数值求解法与解析公式法在计算过程中及计算结果的差异性，给出深埋盾构隧道的内力求解的建议方法。蒋英礼等[7]采用反应位移法对盾构隧道的横向抗震问题进行研究，将衬砌结构受到的力分为非地震荷载作用下的内力和地震荷载作用下的内力增量两部分，据此进行抗震计算，得出同一横截面上弯矩、轴力的大小分布情况。郑代靖等[8]采用理论分析和数值模拟等方法对正弦地震波不同振幅、频率和地震持续时间作用下的饱和砂土地层中盾构隧道动力响应进行了分析。另外，国内外学者还对可液化砂土地层盾构隧道的结构力学行为及液化地基的处理等方面进行了一些研究。刘光磊等[9]利用DIANA SWANDYNE-Ⅱ对可液化砂土地层中地铁隧道结构的地震响应进行了模拟，并与动力离心模型试验结果进行了对比。刘洋等[10]利用有限差分数值模拟软件FLAC2D在可液化砂土中对区间隧道的地震响应进行了分析，主要研究了衬砌混凝土等级、密度、厚度、隧道埋深等因素的影响。段亚刚等[11]分析了地震作用下液化砂层对隧道的影响，并提出了抗液化砂层的处理原则。安军海等[12-14]通过振动台模型试验研究可液化地基土的地震响应问题并提出相应的抗震措施。周军等[15]采用ANSYS开展了对可液化砂土地层盾构隧道在横向地震波激励下的动力响应和地层加固减震效果进行量化研究，认为盾构隧道范围内的地基加固有利于减少隧道的横向位移。

尽管目前对于盾构隧道结构的地震响应问题已有不少研究，但大多是在非液化土层中展开，针对液化土层的研究较少，即使针对可液化土层但是考虑隧道上浮问题的研究则更少。仅有的可液化土层中隧道上浮问题的研究[16-19]也主要是开展理论研究，几乎没有针对工程中隧道周围液化土层范围对隧道地震上浮影响的研究。因此，本文依托杭州地铁4号线甬江路站—锦江站区间为工程背景，利用有限差分数值模拟软件FLAC3D与振动台试验相结合，重点研究盾构隧道非全部处于液化土层时液化土层范围对隧道地震上浮的影响，以期为实际工程应用提供参考价值。

1 杭州地铁4号线工程背景

杭州地铁4号线一期工程线路长度约11.22 km，地下区间采用盾构法施工工艺，为双线单圆盾构隧道，其中甬江路站—锦江站区间沿富春路布展，西起闻潮路以西100 m，东至望潮路以东110 m，起点里程桩号为K12+557.621，终点里程桩号为K13+348.162，且沿线地层中存在超过1 000 m长的可液化砂质粉土地层。隧道外径6.2 m，埋深为7～16 m。

根据地勘资料，隧道所处断面地层从上到下依次有人工填土、砂质粉土及粉砂、淤泥质粉质粘土，隧道位置如图1(a)所示。最初选线的盾构区间隧道穿越全断面的可液化的砂质粉土。考虑到地震液化可能的上浮对隧道存在较大的危害，设计院决定加大隧道埋深，向下调整2.5 m，调整后的隧道位置如图1(b)所示，调整后的隧道埋深9.5～18.5 m，调整后的隧道下半部处于非液化地层中。但是这种液化和非液化土组合的地层对于盾构隧道地震作用下的影响是否不利，目前缺乏相关理论支持，其作用机理也不甚明确。

图1 隧道位置地勘图Fig.1 Geological Survey of tunnel location

2 数值模型的建立及验证

2.1 模型的建立

根据杭州地铁4号线1期工程实际情况，隧道直径为6.2 m，砂质粉土的实测标准贯入锤击数N取为5，建立FLAC3D数值计算模型如图2所示。模型尺寸大小为80 m×50 m，动力分析过程中模型边界设定为自由场边界，模型底部设定为静态边界，采用局部阻尼的形式。有限元模拟中，砂质粉土层采用Finn孔压增长模型，其他土层采用摩尔-库仑模型，管片采用线弹性材料，隧道衬砌采用shell结构单元，隧道周围土体所处地层从上到下依次有人工填土、砂质粉土及粉砂、淤泥质粉质粘土，土体及管片衬砌材料参数见表1所示。

图2 计算模型示意图Fig.2 Schematic diagram of calculation model

表1 材料参数

地震波的传播方向沿模型底部向上，振动为横向振动，杭州市地铁隧道属于重要工程，提高一度设防，地震设防烈度为7度，选取峰值加速度0.15 g地震波作为输入地震波，加速度时程线如图3所示。

图3 加速度时程曲线Fig.3 Acceleration time history curve

2.2 数值计算过程

计算时，将各地层设置为摩尔库伦模型，进行静力阶段自重平衡计算，位移清零；模型初始应力求解完成后，对砂质粉土采用Finn液化模型，在模型底部输入地震波，进行模型的动力响应计算。Finn孔压增长模型可以较好地反映在地震荷载作用下孔隙水压力增长规律[20-21]，从而可以研究隧道在地震荷载作用下的上浮规律。

2.3 数值模型的验证

数值模拟过程中力学阻尼的设定方式、边界条件的设定方式、模型参数输入值等变量对数值计算结果有着较大的影响，因此需要对数值计算的精度进行校核，利用振动台模型试验结果对数值模拟计算的结果进行验证，试验装置如图4所示。本次试验所使用的振动台系统由苏试试验仪器有限公司生产，试验采用叠层柔性模型箱，采用有机透明材料及部分铝合金钢材制成，箱体尺寸500 mm×300 mm×400 mm。隧道模型选用与原型相同的土体材料，将模型尺寸缩小为原型的1/100，隧道模型纵向尺寸30 cm，直径6 cm。振动试验中测试数据包括：隧道顶部和底部孔压、隧道上浮量等。试验过程中地震峰值加速度设为0.15 g。

图4 试验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of test apparatus

本文所研究的问题为隧道周边土体液化导致隧道发生上浮破坏，而隧道上浮破坏研究需要更多地关注土体所达到的液化程度，即周边土体达到的超静孔压比峰值。所以，本次对于模型试验结果的校核应该参考土体的超静孔压比峰值差距，选取隧道上下部位土体的超静孔压比数据进行分析，将实验结果与数值分析中监测点位处的超静孔压比数据相比较，分别绘制图5(a)、(b)所示的隧道顶部和底部的超静孔压比时程曲线。根据图5可知，对完全处于液化地层中的盾构隧道施加0.15 g峰值加速度的地震作用，模型试验结果和数值计算结果在超静孔压比上升阶段规律比较一致，表明所建立的计算模型满足开展液化层中盾构隧道动力响应研究的要求。

图5 数值模拟与模型试验超静孔压对比图Fig.5 Contrast figure of overstatic pore pressure in numerical simulation and model test

3 计算结果及讨论

3.1 数值计算结果

盾构隧道围岩中的液化地层厚度不同时，其地震响应应该有明显不同。为此，分别假定隧道顶部以下0、1、2、3、4、5、6 m范围内分布的土体为液化土，液化范围土体考虑为孔压增长模式的Finn模型，在修正标贯击数N=5条件下进行动力计算分析，其他参数如隧道埋深14 m(隧道顶部与地面的距离)、地下水位埋深在地面以下1.5 m、隧道直径6.2 m和地震设防烈度7度(地震峰值加速0.15 g)保持不变，计算得到隧道处于不同液化土范围时上浮位移的变化，上浮位移如图6所示，隧道上部3 m地基液化时隧道周围孔压云图如图7所示。分析图6可知，隧道上浮位移随着隧道所处液化土范围的减小而减小，但隧道处地基不发生液化时隧道仍然发生了部分上浮。

图6 隧道埋深14 m时隧道上浮位移随地震历时的变化Fig.6 Variation of uplift displacement with earthquake duration when the tunnel is 14 meters deep

3.2 讨论

3.2.1 隧道上浮位移的分析

地基液化所产生的隧道上浮是由于隧道底部所受到的浮力大于隧道自重与隧道顶部的压力之和，隧道产生上浮力，从而隧道发生上浮。分析图7可知隧道埋深14 m时，隧道局部地基发生液化的隧道底部孔压小于隧道顶部孔压，从受力分析角度来说，隧道底部基本不产生上浮力，也就是说，隧道应该基本不发生上浮，但从图6中可以看出，隧道仍然发生了上浮。

图7 地层液化时隧道周围孔压云图Fig.7 Hole pressure cloud map around tunnel during formation liquefaction

图8为地震时地下管线的上浮现象，由于发生管线上浮的农田并非为可液化的砂土地基，所以该现象的发生事实上并不是地基液化导致的。假定隧道完全处于非液化地层，进行数值计算可以得到如图9所示的隧道上浮位移，很显然这部分上浮位移并非由超静孔隙水压力上升导致。根据地震中观察到相对密度较轻的物体在地震作用下存在上浮现象，可以认为这部分隧道上浮是由于地震动剪切变形引起的。因此，考虑地震时地基液化时隧道上浮位移应含两部分：液化引起的上浮位移和地震动剪切变形引起的上浮位移。在埋深相差不大的情况下地震动剪切变形引起的隧道上浮属于均匀变形，对隧道结构的损害较小。因此，下面的分析和讨论主要是针对液化引起的上浮位移开展的，地层液化引起的上浮位移等于隧道总上浮位移减去地震动剪切变形引起的上浮位移。记地层液化引起的上浮位移为S，当S≤2 cm时，属于轻微上浮；当2 cm5 cm时，属于严重上浮。

图8 地震时非液化地基中管线的上浮Fig.8 The uplift displacement of pipelines in a non-liquefied foundation during an earthquake

3.2.2 液化土范围对隧道上浮的影响分析

图10为隧道处于不同液化土范围时隧道上浮位移的变化。分析图10可知，隧道的上浮位移与隧道所处液化土范围有关，随着液化范围增大，隧道上浮位移基本呈线性增大。当隧道埋深大于10 m、隧道上部处于液化土范围小于3 m时，隧道的上浮量较小，基本小于5 cm，属于中等上浮；在隧道埋深大于14 m情况下，当隧道上部处于液化土范围小于3 m时，隧道的上浮量很小，小于2 cm，属于轻微上浮，提高了隧道结构抗震安全性。

3.2.3 隧道埋深对隧道上浮的影响分析

分析图11可以看出，随着隧道埋深的增加，隧道的上浮位移呈线性降低。此时，隧道上浮位移受隧道所处液化土范围和隧道埋深的共同影响，且由计算分析图10、图11可知，隧道所处液化土范围对隧道上浮位移的影响更大；当埋深超过14 m时，埋深对隧道上浮的影响逐渐减小，此时，隧道上浮主要受隧道所处液化土范围的影响。隧道的埋深增加，隧道周边地基土体单元的超静孔压比降低，隧道埋深越大，隧道周围地基土体应力较大，地基土越不容易发生液化。

图11 隧道上浮位移随隧道埋深的变化Fig.11 Variation of tunnel floating displacement with tunnel buried depth

4 杭州地铁工程案例分析

杭州地铁4号线1期工程甬江路站—锦江站区间在隧道位置调整前，隧道埋深约7～16 m，隧道全部处于砂质粉土地层中，属于可液化地层，根据数值模拟计算结果，由砂土液化引起的隧道上浮位移基本大于5 cm，属于严重上浮。隧道下调了2.5 m，调整后隧道埋深约9.5～18.5 m，隧道底部大约2.5～4 m范围处于非液化地层中，调整后隧道埋深增加了且隧道处于可液化地层的范围减少了。根据本文计算结果，隧道上浮位移基本小于5 cm，且大部分小于2 cm，也就是说隧道大部分只发生轻微上浮，上浮情况缓和了很多，同时，小部分上浮位移较大的地方，还可以通过注浆加固来减少液化产生的影响，从而达到轻微上浮的标准。杭州地铁4号线1期工程甬江路站—锦江站区间在对隧道位置进行调整后，有效地减小了隧道的上浮位移，隧道基本上只发生轻微上浮，提高了隧道结构的抗震安全性。

5 结论

1)隧道局部处于液化地层时，液化地层范围越小，隧道上浮位移越小；当埋深大于14 m、隧道结构超过一半的范围处于非液化土层时，隧道只发生轻微上浮，对隧道结构安全较为有利。

2)在地震作用下隧道发生的上浮位移可以分为两部分：一是由地震地基剪切变形引起的隧道上浮；二是由于地层液化产生的上浮力引起隧道上浮。在隧道埋深基本一致的情况下，地基剪切变形引起的隧道上浮位移基本上是均匀的，对隧道结构影响较小。

3)隧道的埋深越大，隧道上浮位移越小。当埋深小于14 m时，隧道埋深对隧道上浮的影响较大；当埋深大于14 m时，埋深对隧道上浮的影响逐渐减小，此时隧道上浮主要受隧道所处液化土范围的影响。

4)基于杭州地铁4号线工程案例的经验，隧道设计时应尽量避免使隧道完全处于可液化地层中，可采取液化与非液化地层组合或增大埋深的方式，减小隧道的地震上浮位移，提高隧道的抗震安全性能。