强震作用穿越不同位置粉土地层盾构隧道液化特性研究

朱双燕

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

美国土木工程岩土工程分会将液化定义为“任何物质转变为液态的过程”[1]，日本对液化的理解则是“地基土中孔隙水压力的增长使土体有效应力减小和抗剪能力消失的过程”[2]，而我国将液化定义为：“土体有效应力变为零，孔隙水压力等于土体有效应力，失去其承载能力，转变为液体的过程”[3]。

地下结构处于围岩中，学者们普遍认为地下结构具有良好的抗震性能，但日本阪神地震导致地铁车站和区间隧道因土体发生液化受到了严重的破坏[4-5]，之后的土耳其地震以及2008年的汶川地震等多地在强震作用下发生了大规模液化现象，工程结构受到了巨大的破坏[6]。为了解土体发生液化的机理，国内外众多学者和机构进行了大量的研究。

YOUD[7]、PAPADOPOULOU A[8]等发现粉土中细粒含量对土体抗液化能力影响较大，细粒含量越高，粉土越易液化。景立平等[9]通过动三轴试验发现，土体抗液化能力和密度、结构性以及固结度等密切相关，并以粉土孔压增长模型来判别粉土是否液化。陈国兴等[10]通过模型箱试验对粉土地层地铁结构的液化特性进行了分析，得到了液化土体的加速度增长效应和孔压消散规律。张焕强[11]通过数值软件对穿越饱和粉土地层的隧道结构进行了计算，分析了粉土地基发生液化时隧道衬砌结构厚度和强度的影响规律。蒋清国[12]依托天津地铁5号线工程，分析了粉土液化机理，提出了穿越粉土层地下结构的处置措施，并通过数值模拟和现场试验两种手段进行了验证。邹佑学等[13-14]采用FLAC3D软件对地震动力作用下可液化场地碎石桩复合地基进行三维数值分析，得到碎石桩的加密作用可以显著降低超静孔隙水压力的结论。

上述很多学者的工作主要集中在液化机理、特性和措施等方面，对于地下结构和可液化土层位置关系的研究较少。因此，通过数值模拟的手段分析可液化地层位于地下结构不同位置处的动力响应特性，为穿越可液化土层的地下结构加固措施提供新的思路。

1 工程概况

以天津地铁5号线金钟河大街站—建昌道站盾构区间为工程依托，区间长度为941.296 m，场地平面如图1所示。盾构隧道外径为6.0 m，管片厚度为35 cm，材料采用C50混凝土，管片采用错缝拼装，管片结构示意如图2所示。

图1 金钟河大街站—建昌道站场地平面

图2 盾构管片结构示意

该地区盾构隧道穿越的土层主要为饱和粉土层和黏土层，地下水位埋深维持在0.50～1.50 m，典型液化区段纵断面如图3所示。根据中国地震动参数区划图显示天津地区为Ⅷ度设防区。

图3 典型液化区段纵断面示意

2 数值计算

2.1 计算模型建立

为了去除边界效应对计算结果的影响，本次计算模型选取的长度为100 m，高度为43 m，沿隧道方向长度为50 m，隧道埋深为10 m。盾构隧道外径为6.0 m，管片厚度为35 cm。计算模型如图4所示。

图4 数值计算模型(单位：m)

2.2 计算参数

计算模型中，土体在静力计算中采用摩尔-库伦模型，动力计算中粉土地层采用Finn本构模型[15]，管片材料为C50混凝土，采用弹性本构模型。模型土体及结构基本计算参数如表1所示，流体及动力参数如表2所示。

表1 土体及结构计算参数

表2 土体流体及动力计算参数

计算开始前，首先对初始地应力和渗流进行平衡，然后进行动力计算，动力计算中模型边界四周及底部采用自由边界场，临界阻尼系数为0.417[16]。

2.3 地震波输入

选择输入的地震波为天津波，记录天津波地震作用时长为19.9 s，峰值加速度为10 m/s2，天津波加速度时程及傅里叶谱值分别如图5、图6所示。经过基线校正和过滤处理，计算时选取能量剧烈的5～13 s的8 s地震波，并将加速度波转换为应力波从模型底部输入，如图7所示。考虑天津实际条件，输入的应力波乘0.3的折减系数，即峰值加速度PGA=0.3g。

图5 天津波加速度时程曲线

图6 天津波傅里叶谱

图7 地震波输入

2.4 监测点布置

为去除边界效应的影响，模型监测点设置在模型轴向中部位置处，即X=0，Y=25 m处，隧道结构的监测点位置如图8所示，管片结构监测点坐标见表3。

图8 监测点位置布置示意

表3 盾构管片监测点位置坐标

2.5 计算工况

盾构管片埋深10 m，为探究可液化粉土地层位于管片结构不同位置的影响，本文计算工况如图9所示。

图9 计算工况示意

3 计算结果分析

3.1 粉土地层动力响应特性

文献[17]通过动三轴试验表明当超孔压比超过0.65后，土体即发生液化现象，因此以超孔压比大于0.65(包括0.65)作为粉土液化的评判标准。图10为粉土地层相对隧道不同位置时超孔压比分布云图。从图10和表4可以看出，随着粉土埋深增加，最大超孔压比逐渐减少。当粉土层位于地表以下6 m时，粉土层基本处于液化状态，最大超孔压比达到0.97；当粉土层位于隧道拱顶上方6 m时，最大超孔压比为0.70；当隧道仅上半部分位于粉土层，下半部分位于黏土层时，此时粉土层最大超孔压比为0.53，粉土虽未达到液化临界值(0.65)，但富余量较少；当隧道处于粉土层的包围中，最大超孔压比仅为0.36，继续增大粉土层埋深，粉土已不再发生液化。

图10 粉土层相对隧道不同位置时超孔压比云图

表4 不同工况超孔压比最大值

3.2 隧道结构动力响应特性

图11～图14分别是不同工况下隧道结构S1、S1′、S2及S2′监测点竖向位移时程曲线，表5是不同工况隧道结构最大竖向位移值。从图11～图14可以看出，当地震波输入2.5 s左右时，隧道结构竖向位移开始急剧增加，地震波输入4～8 s内，隧道结构位移缓慢增加。计算结束后，隧道结构竖向位移工况3>工况2>工况1>工况5>工况6>工况7，说明在强震作用下，隧道结构上方存在粉土地层隧道结构受到影响相比结构下方存在粉土产生的影响大。

图11 不同工况隧道结构S1监测点竖向位移时程曲线

图12 不同工况隧道结构S1′监测点竖向位移时程曲线

图13 不同工况隧道结构S2监测点竖向位移时程曲线

图14 不同工况隧道结构S2′监测点竖向位移时程曲线

从表5可以看出，隧道结构竖向位移S2′>S1>S1′>S2，隧道结构呈现顺时针扭转趋势。隧道结构最大竖向位移出现在工况3 S2′处(27.4 mm)，此时隧道结构上半部分位于粉土层，下半部分位于黏土层。当粉土层位于隧道结构下方时，隧道结构竖向最大位移为9.8 mm，出现在工况5 S2′处，此时隧道结构仅下半部分位于粉土层内。

表5 不同工况隧道结构最大竖向位移值 mm

4 结论

以天津地铁5号线盾构隧道典型液化区段为工程依托，采用动力时程分析法，开展了盾构隧道穿越不同位置饱和粉土地层的动力响应特性研究，得到如下结论。

(1)在地震作用下，饱和粉土层的液化程度随着埋深的增大而减小，隧道结构与粉土层的位置关系对饱和粉土液化程度影响不明显。

(2)在地震作用下，隧道结构位移整体呈现隆起状态；随着饱和粉土层埋深的增加，隧道结构的整体位移呈现减小的趋势；从整体趋势上看，隧道结构竖向位移S2′>S1>S1′>S2，隧道结构呈现顺时针扭转的趋势。

(3)当饱和粉土层位于隧道结构上方时产生的隧道结构位移大于饱和粉土层位于隧道结构下方时，且饱和粉土层距离隧道结构越近，隧道结构产生的位移越大；隧道结构最大隆起位移出现在隧道结构仅上半部位于粉土层的工况处(工况3 S2′)，隧道结构位移最大(27.4 mm)。

(4)在线路设计中，隧道结构应尽可能远离可液化土层，且应当将隧道结构置于可液化土层之上，同时避免仅部分隧道结构穿越可液化土层的情况。