顶管穿越大厚度液化层处理措施研究

摘 要：土体液化是指在外力作用下，饱和状态的砂土或粉土中土体颗粒之间发生相对位移，颗粒间的孔隙水来不及排泄，孔隙水压力短时间内急剧上升，当孔隙水压力上升到与土颗粒所受到总的正压力接近时，土颗粒之间因摩擦产生的抗剪力接近零，使土粒在孔隙水中悬浮，土层颗粒的承载力顿时会被水给取代，土体结构内部会变成像液体一样可以流动的现象。液化现象能造成场地的整体性失稳，危害极大，已引起国内外工程界的普遍重视，成为工程抗震设计的重要内容之一。目前国内针对顶管穿越大厚度液化层研究较少，该文以太原地区某出入口为例，分析和总结相关液化处理措施，可为类似的顶管工程提供借鉴参考。

关键词：顶管；液化层；出入口；水平注浆；处理措施

中图分类号：U455.43 文献标志码：A 文章编号：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

随着地铁建设规模的快速发展，车站出入口周边环境越来越复杂，位于城市重要街道的出入口交通疏解和管线迁改难度越来越大，顶管法越来越多应用于地铁出入口建设。出入口的位置由于受规划空间和水文地质条件的限制，不可避免地会穿越液化地层[1-2]。郑刚等[2]、钟小春等[3]、刘光磊等[4]针对处于液化地层中的隧道进行了上浮机理研究，提出了地震液化时隧道上浮判断方法和临界条件，以及土体液化时结构产生的附加内力变化规律。段亚刚[5]针对太原地铁2号线液化处理措施进行了研究总结。本文以太原地铁1号线桃园路站A1、A2号出入口顶管通道为例，针对大厚度严重液化地层提出了处理措施。

1 工程概况

1.1 出入口工程概况

桃园路站位于迎泽大街与桃园路交叉口，沿迎泽大街南侧东西向敷设。A1、A2号出入口为T形出入口，位于车站北侧，在A1号出入口人防段内设置顶管始发井，分别向车站主体结构（过迎泽大街）与A2号出入口（过桃园北路）顶进。顶管管节长度1.5 m，厚度0.45 m，结构净尺寸为4 m×6 m，混凝土采用C50，P10。过街通道采用4.9 m×6.9 m大刀盘土压平衡式矩形顶管机进行掘进施工。过迎泽大街顶管通道底板埋深约12.4 m，覆土约4.5 m，过桃园北路顶管通道底板埋深约12.4 m，覆土约4.0 m。顶管管节主要位于2-4-1粉细砂与2-5-1中砂层。根据勘察报告提供的液化判定成果，液化指数为28.26～51.98，液化等级为中等～严重。出入口平面示意图如图1所示。

1.2 工程水文地质情况

1.2.1 地质概况

2座顶管通道主要地层从上至下分别为1-2素填土、2-4-1粉细砂、2-5-1中砂和2-5-2中砂。

1-2素填土：杂色，广泛分布，填料以粉土、黏性土为主，局部夹少量角砾，一般粒径0.5～2.0 cm，迎泽大街下方为现状道路的路基土，经多年运营，路基土稳定，结构密实，堆填年限20年以上，渗透系数3×10-5 cm/s，孔隙比为0.507，饱和度为100%。

2-4-1粉细砂：灰色～灰黄色，场地内广泛分布，呈松散～稍密状态，具中压缩性；土质不均，局部夹薄层黏性土，渗透系数3×10-3 cm/s，孔隙比为0.563，饱和度为86%。

2-5-1中砂：灰色～灰黄色，场地内广泛分布，呈稍密状态，具中压缩性；土质不均，偶见角砾，夹薄层黏性土，渗透系数5×10-3 cm/s，孔隙比为0.498，饱和度为87%。

2-5-2中砂：灰色～灰黄色，场地内广泛分布，呈中密状态，具中～低压缩性；土质不均，偶见角砾，一般粒径0.5～2.0 cm，含量约占3%，夹薄层黏性土，渗透系数4.5×10-3 cm/s，孔隙比为0.475，饱和度为88%。

1.2.2 水文概况

地下水为松散层孔隙潜水，因粉性土、砂性土以及碎石土层相互贯通，故无承压水，潜水主要赋存于冲、洪积相砂类土、粉土中，拟建场地实测潜水稳定水位埋深2.3～3.5 m。顶管通道地质剖面图如图2、图3所示。

1.2.3 地震动参数及场地类别

本工程位于太原市迎泽区，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）规定，拟选场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20 g，设计地震分组为第二组。

根据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》对等效剪切波速进行计算，场地地面下20 m深度范围内等效剪切波速vse为214.4～236.2 m/s，平均值为221.7 m/s；场地土类型属中软土。场地类别为Ⅲ类。

2 土层液化相关特性及破坏机理

2.1 土层液化相关特性

液化是指固态的土壤变成液态，或变成黏稠的流质。土层液化是一个复杂的过程，饱和的砂土与粉土外力反复震荡下有变密的趋势。影响液化的因素：土的类型、土的初始状态、土的物理性质、地震荷载的强度与持续时间等[6]。黏性土由于土颗粒间结合力较强，不易被地震荷载破坏成单个颗粒从而不会呈现“漂浮”状态，因而不易发生液化。无黏性土中颗粒级配均匀的粉细砂最易发生液化。

饱和砂土是否发生液化及发生液化程度与砂土的自身物理属性和环境有关，如地下水的埋藏条件，排水渗透性能以及土的粒径、密度、粘粒含量、土层形成年代及饱和程度等。当孔隙比e越小，相对密度Dr越大，越不易液化；饱和度Sr越小，越不易液化；标贯值N越大，强度越高，越不易液化；渗透系数K越大，孔隙水压越难聚集，越不易液化；土的初始限制压力越大，使得土体发生液化时需要的超孔隙水压力变高，越不易发生液化[7]。

2.2 液化破坏机理

土体液化对结构的破坏主要归结于2点：①地基失效引发结构不均匀沉陷；②结构上浮。相关试验[8]已证明位于基础下的土比自由场地难液化，地基液化的危害常来自基础外侧，因为这区域土体率先出现的液化使基础失去侧边土压力的支撑，由此导致结构发生不均匀沉降。结构上浮一是底部地基土的孔隙水压力急剧上升（超孔隙水压）引起的附加浮力；二是侧向土体液化而引起侧向土体对结构侧壁的摩阻力减小；三是结构两侧地基土有向结构底部运动挤压的趋势，也是促使结构上浮的重要原因。

根据陈韧韧[9]研究表明，当液化层处于结构顶板以上时和当可液化层位于结构中部至地表时以及液化层处于与结构等深处时，结构上浮量很小或几乎不发生上浮，重点预防结构发生横断面内水平剪切内力变化；当液化层处于结构底部时和可液化层位于结构中部至底部时以及结构全部浸没与可液化土层，结构上浮明显，重点应对地震上浮破坏以及预防水平剪切内力的变化。

3 液化地层处理措施

3.1 地铁工程常用的液化处理措施

在实际工程中，针对液化场地有多种处理措施，根据防治原理可分为：①击实（如挤密砂桩工法、振冲法）；②孔隙水压力消散（碎石排水法、排水桩法、倒滤层等其他排水系统）；③加固（如水泥搅拌桩法、旋喷桩、注浆）；④置换（换填液化土层）；⑤降低地下水位（井点法）；⑥抑制剪切变形（地下连续墙工法）；⑦结构措施处理（桩基础、板桩）等。归结为2种设计思想：一是阻止孔隙水压力的产生和发展；二是控制液化产生的过大变形。各个处理措施优缺点见表1。

3.2 本工程采用的液化处理措施

依据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》，出入口顶管结构按标准设防类与严重液化等级对顶管通道进行部分消除液化沉陷且对结构和基础进行处理。结合本出入口通道顶管工法特点、周边条件可实施性以及经济性，顶管通道选择注浆对结构周边土体进行加固。

注浆可以改变土的孔隙比、相对密度以及标贯值，使得顶管下部不再具备形成超孔隙水压的土特性；加固底板两侧范围土体，避免两侧土体液化导致基础两侧失去土体的支撑，同时抑制两侧液化土向结构底部运动挤压的趋势，避免结构上浮；提高地基承载力强度，避免地震工况结构发生不均匀沉降。同时适当增加顶管配筋，加强结构刚度。

注浆从顶管通道始发井和接收井洞门处采用钻杆后退式注浆，注浆加固范围为顶管通道左右两侧3 m，顶管顶板以上2 m，顶管底板以下5 m，加固后地基液化指数小于5。注浆开孔间距0.5 m，单个洞门共计开孔96个。扩散半径按照0.4 m考虑，注浆量为0.15 m3/m，注浆压力控制在0.3～1.0 MPa。注浆加固断面图如图4所示。

考虑到富水砂层特性，最外侧两排注浆孔采用双液浆速凝材料，快速形成封闭层，避免浆液流失，其余范围采用水泥砂浆。加固后的土体具有良好的均匀性、自立性、密封性，掌子面不得有明显渗水，以保证矩形通道施工时洞门打开的安全。注浆效果检查，以取芯孔法为主，取芯检测芯样无侧限抗压强度大于0.5 MPa，抗渗系数小于等于10-7 cm/s。

双液浆中水泥浆液∶水玻璃为1∶0.6～1∶1（体积比），水玻璃模数2.6～2.8，浓度30～40 Be。水泥浆采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为1.0，为提高浆液均匀性和稳定性，掺入水泥用量5%的膨润土，同时加入水泥重量20%的粉煤灰以增加浆液的可灌注性和浆液凝固的胶结性。

3.3 结构有限元分析

采用Midas GTS分别对地震工况下加固前、加固后结构内力及变形进行分析，土体以DP模型模拟，管片衬砌以弹性材料模拟，地震工况下的土层抗剪强度取0，侧压力系数取1。计算结果如图5至图8所示。

经计算分析，地震工况下，加固前结构最大内力为430 kN·m，最大变形为12.67 mm；加固后结构最大内力为329 kN·m，最大变形为9.55 mm；对管片四周的土体进行加固后，管片结构的内力与变形得到了改善。

4 结束语

顶管工程从始发和接收井进行深孔注浆处理液化土层，可避免地面加固管线迁改和交通疏解问题，注浆加固可以有效抑制结构上浮、减小不均匀沉降及改善结构内力。桃园路站A1、A2号出入口于2023年7月全部施工完毕，经取芯检测，注浆加固达到了设计效果，本顶管的顺利实施，积累了顶管穿越大厚度严重液化地层处理经验，可为类似的顶管工程提供借鉴和参考。

参考文献：

[1] 狄明世.河漫滩可液化地层土压平衡盾构施工技术[J].铁道建筑技术，2022（3）：166－170.

[2] 郑刚，杨鹏博，周海祚，等.可液化地层中矩形隧道的上浮响应分析[J].土木工程学报，2019，51（S1）：257－264.

[3] 钟小春，易斌斌，竺维彬，等.可液化土层地震液化引起盾构隧道上浮位移模式[J].长安大学学报（自然科学版），2024，44（1）：80-90.

[4] 刘光磊，宋二祥，刘华北，等.饱和砂土地层中隧道结构动力离心模型试验[J].岩土力学，2008，29（8）：2070-2076.

[5] 段亚刚.大范围地震液化条件下地下结构设计研究[J].铁道工程学报，2014（10）：49-53.

[6] 王文章.地震作用下可液化土层动力响应与地下结构抗浮措施研究[D].上海：上海交通大学学，2019.

[7] 蒋清国.液化地层下地铁工程抗地震液化措施研究[J].震灾防御技术，2015，10（1）：95-107.

[8] 邹德高，孔宪京，LING H.I.，等.地震时饱和砂土地基中管线上浮机理及抗震措施试验研究[J].岩土工程学报，2002（3）：323-326.

[9] 陈韧韧.可液化地层中地下结构地震响应的基本规律与分析方法[D].北京：清华大学，2018.