局部液化地層范圍及埋深對隧道地震上浮的影響研究

于倫超，鐘小春，張露露

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

杭州地鐵4號線1期工程甬江路站—錦江站區間盾構隧道施工時需要穿越超過1 000 m長的可液化粉細砂地層。通過對阪神大地震的研究[1]，發現在可液化地層中，飽和砂土在地震荷載作用下液化后對地下結構的破壞較為嚴重，可液化砂土地層在地震作用下可能導致隧道破壞的問題需要引起重視?？v觀國內外盾構地鐵隧道發展歷史，幾乎沒有類似杭州地鐵這種長距離穿越可液化地層的工程先例，中長距離穿越可液化地層的地鐵工程也不多見，因此需對該工程中可液化砂土地層導致的隧道上浮風險進行預估。

目前，關于盾構隧道結構橫斷面的地震響應問題，國內外已有不少研究。耿萍等[2]在晏啟祥等[3-5]研究的基礎上，考慮了P波和S波兩種不同波速以及地層與隧道結構發生滑移或不發生滑移[6]的兩種工況，對比分析擬靜力數值求解法與解析公式法在計算過程中及計算結果的差異性，給出深埋盾構隧道的內力求解的建議方法。蔣英禮等[7]采用反應位移法對盾構隧道的橫向抗震問題進行研究，將襯砌結構受到的力分為非地震荷載作用下的內力和地震荷載作用下的內力增量兩部分，據此進行抗震計算，得出同一橫截面上彎矩、軸力的大小分布情況。鄭代靖等[8]采用理論分析和數值模擬等方法對正弦地震波不同振幅、頻率和地震持續時間作用下的飽和砂土地層中盾構隧道動力響應進行了分析。另外，國內外學者還對可液化砂土地層盾構隧道的結構力學行為及液化地基的處理等方面進行了一些研究。劉光磊等[9]利用DIANA SWANDYNE-Ⅱ對可液化砂土地層中地鐵隧道結構的地震響應進行了模擬，并與動力離心模型試驗結果進行了對比。劉洋等[10]利用有限差分數值模擬軟件FLAC2D在可液化砂土中對區間隧道的地震響應進行了分析，主要研究了襯砌混凝土等級、密度、厚度、隧道埋深等因素的影響。段亞剛等[11]分析了地震作用下液化砂層對隧道的影響，并提出了抗液化砂層的處理原則。安軍海等[12-14]通過振動臺模型試驗研究可液化地基土的地震響應問題并提出相應的抗震措施。周軍等[15]采用ANSYS開展了對可液化砂土地層盾構隧道在橫向地震波激勵下的動力響應和地層加固減震效果進行量化研究，認為盾構隧道范圍內的地基加固有利于減少隧道的橫向位移。

盡管目前對于盾構隧道結構的地震響應問題已有不少研究，但大多是在非液化土層中展開，針對液化土層的研究較少，即使針對可液化土層但是考慮隧道上浮問題的研究則更少。僅有的可液化土層中隧道上浮問題的研究[16-19]也主要是開展理論研究，幾乎沒有針對工程中隧道周圍液化土層范圍對隧道地震上浮影響的研究。因此，本文依托杭州地鐵4號線甬江路站—錦江站區間為工程背景，利用有限差分數值模擬軟件FLAC3D與振動臺試驗相結合，重點研究盾構隧道非全部處于液化土層時液化土層范圍對隧道地震上浮的影響，以期為實際工程應用提供參考價值。

1 杭州地鐵4號線工程背景

杭州地鐵4號線一期工程線路長度約11.22 km，地下區間采用盾構法施工工藝，為雙線單圓盾構隧道，其中甬江路站—錦江站區間沿富春路布展，西起聞潮路以西100 m，東至望潮路以東110 m，起點里程樁號為K12+557.621，終點里程樁號為K13+348.162，且沿線地層中存在超過1 000 m長的可液化砂質粉土地層。隧道外徑6.2 m，埋深為7～16 m。

根據地勘資料，隧道所處斷面地層從上到下依次有人工填土、砂質粉土及粉砂、淤泥質粉質粘土，隧道位置如圖1(a)所示。最初選線的盾構區間隧道穿越全斷面的可液化的砂質粉土?？紤]到地震液化可能的上浮對隧道存在較大的危害，設計院決定加大隧道埋深，向下調整2.5 m，調整后的隧道位置如圖1(b)所示，調整后的隧道埋深9.5～18.5 m，調整后的隧道下半部處于非液化地層中。但是這種液化和非液化土組合的地層對于盾構隧道地震作用下的影響是否不利，目前缺乏相關理論支持，其作用機理也不甚明確。

圖1 隧道位置地勘圖Fig.1 Geological Survey of tunnel location

2 數值模型的建立及驗證

2.1 模型的建立

根據杭州地鐵4號線1期工程實際情況，隧道直徑為6.2 m，砂質粉土的實測標準貫入錘擊數N取為5，建立FLAC3D數值計算模型如圖2所示。模型尺寸大小為80 m×50 m，動力分析過程中模型邊界設定為自由場邊界，模型底部設定為靜態邊界，采用局部阻尼的形式。有限元模擬中，砂質粉土層采用Finn孔壓增長模型，其他土層采用摩爾-庫侖模型，管片采用線彈性材料，隧道襯砌采用shell結構單元，隧道周圍土體所處地層從上到下依次有人工填土、砂質粉土及粉砂、淤泥質粉質粘土，土體及管片襯砌材料參數見表1所示。

圖2 計算模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation model

表1 材料參數

地震波的傳播方向沿模型底部向上，振動為橫向振動，杭州市地鐵隧道屬于重要工程，提高一度設防，地震設防烈度為7度，選取峰值加速度0.15 g地震波作為輸入地震波，加速度時程線如圖3所示。

圖3 加速度時程曲線Fig.3 Acceleration time history curve

2.2 數值計算過程

計算時，將各地層設置為摩爾庫倫模型，進行靜力階段自重平衡計算，位移清零；模型初始應力求解完成后，對砂質粉土采用Finn液化模型，在模型底部輸入地震波，進行模型的動力響應計算。Finn孔壓增長模型可以較好地反映在地震荷載作用下孔隙水壓力增長規律[20-21]，從而可以研究隧道在地震荷載作用下的上浮規律。

2.3 數值模型的驗證

數值模擬過程中力學阻尼的設定方式、邊界條件的設定方式、模型參數輸入值等變量對數值計算結果有著較大的影響，因此需要對數值計算的精度進行校核，利用振動臺模型試驗結果對數值模擬計算的結果進行驗證，試驗裝置如圖4所示。本次試驗所使用的振動臺系統由蘇試試驗儀器有限公司生產，試驗采用疊層柔性模型箱，采用有機透明材料及部分鋁合金鋼材制成，箱體尺寸500 mm×300 mm×400 mm。隧道模型選用與原型相同的土體材料，將模型尺寸縮小為原型的1/100，隧道模型縱向尺寸30 cm，直徑6 cm。振動試驗中測試數據包括：隧道頂部和底部孔壓、隧道上浮量等。試驗過程中地震峰值加速度設為0.15 g。

圖4 試驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of test apparatus

本文所研究的問題為隧道周邊土體液化導致隧道發生上浮破壞，而隧道上浮破壞研究需要更多地關注土體所達到的液化程度，即周邊土體達到的超靜孔壓比峰值。所以，本次對于模型試驗結果的校核應該參考土體的超靜孔壓比峰值差距，選取隧道上下部位土體的超靜孔壓比數據進行分析，將實驗結果與數值分析中監測點位處的超靜孔壓比數據相比較，分別繪制圖5(a)、(b)所示的隧道頂部和底部的超靜孔壓比時程曲線。根據圖5可知，對完全處于液化地層中的盾構隧道施加0.15 g峰值加速度的地震作用，模型試驗結果和數值計算結果在超靜孔壓比上升階段規律比較一致，表明所建立的計算模型滿足開展液化層中盾構隧道動力響應研究的要求。

圖5 數值模擬與模型試驗超靜孔壓對比圖Fig.5 Contrast figure of overstatic pore pressure in numerical simulation and model test

3 計算結果及討論

3.1 數值計算結果

盾構隧道圍巖中的液化地層厚度不同時，其地震響應應該有明顯不同。為此，分別假定隧道頂部以下0、1、2、3、4、5、6 m范圍內分布的土體為液化土，液化范圍土體考慮為孔壓增長模式的Finn模型，在修正標貫擊數N=5條件下進行動力計算分析，其他參數如隧道埋深14 m(隧道頂部與地面的距離)、地下水位埋深在地面以下1.5 m、隧道直徑6.2 m和地震設防烈度7度(地震峰值加速0.15 g)保持不變，計算得到隧道處于不同液化土范圍時上浮位移的變化，上浮位移如圖6所示，隧道上部3 m地基液化時隧道周圍孔壓云圖如圖7所示。分析圖6可知，隧道上浮位移隨著隧道所處液化土范圍的減小而減小，但隧道處地基不發生液化時隧道仍然發生了部分上浮。

圖6 隧道埋深14 m時隧道上浮位移隨地震歷時的變化Fig.6 Variation of uplift displacement with earthquake duration when the tunnel is 14 meters deep

3.2 討論

3.2.1 隧道上浮位移的分析

地基液化所產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與隧道頂部的壓力之和，隧道產生上浮力，從而隧道發生上浮。分析圖7可知隧道埋深14 m時，隧道局部地基發生液化的隧道底部孔壓小于隧道頂部孔壓，從受力分析角度來說，隧道底部基本不產生上浮力，也就是說，隧道應該基本不發生上浮，但從圖6中可以看出，隧道仍然發生了上浮。

圖7 地層液化時隧道周圍孔壓云圖Fig.7 Hole pressure cloud map around tunnel during formation liquefaction

圖8為地震時地下管線的上浮現象，由于發生管線上浮的農田并非為可液化的砂土地基，所以該現象的發生事實上并不是地基液化導致的。假定隧道完全處于非液化地層，進行數值計算可以得到如圖9所示的隧道上浮位移，很顯然這部分上浮位移并非由超靜孔隙水壓力上升導致。根據地震中觀察到相對密度較輕的物體在地震作用下存在上浮現象，可以認為這部分隧道上浮是由于地震動剪切變形引起的。因此，考慮地震時地基液化時隧道上浮位移應含兩部分：液化引起的上浮位移和地震動剪切變形引起的上浮位移。在埋深相差不大的情況下地震動剪切變形引起的隧道上浮屬于均勻變形，對隧道結構的損害較小。因此，下面的分析和討論主要是針對液化引起的上浮位移開展的，地層液化引起的上浮位移等于隧道總上浮位移減去地震動剪切變形引起的上浮位移。記地層液化引起的上浮位移為S，當S≤2 cm時，屬于輕微上??；當2 cm5 cm時，屬于嚴重上浮。

圖8 地震時非液化地基中管線的上浮Fig.8 The uplift displacement of pipelines in a non-liquefied foundation during an earthquake

3.2.2 液化土范圍對隧道上浮的影響分析

圖10為隧道處于不同液化土范圍時隧道上浮位移的變化。分析圖10可知，隧道的上浮位移與隧道所處液化土范圍有關，隨著液化范圍增大，隧道上浮位移基本呈線性增大。當隧道埋深大于10 m、隧道上部處于液化土范圍小于3 m時，隧道的上浮量較小，基本小于5 cm，屬于中等上??；在隧道埋深大于14 m情況下，當隧道上部處于液化土范圍小于3 m時，隧道的上浮量很小，小于2 cm，屬于輕微上浮，提高了隧道結構抗震安全性。

3.2.3 隧道埋深對隧道上浮的影響分析

分析圖11可以看出，隨著隧道埋深的增加，隧道的上浮位移呈線性降低。此時，隧道上浮位移受隧道所處液化土范圍和隧道埋深的共同影響，且由計算分析圖10、圖11可知，隧道所處液化土范圍對隧道上浮位移的影響更大；當埋深超過14 m時，埋深對隧道上浮的影響逐漸減小，此時，隧道上浮主要受隧道所處液化土范圍的影響。隧道的埋深增加，隧道周邊地基土體單元的超靜孔壓比降低，隧道埋深越大，隧道周圍地基土體應力較大，地基土越不容易發生液化。

圖11 隧道上浮位移隨隧道埋深的變化Fig.11 Variation of tunnel floating displacement with tunnel buried depth

4 杭州地鐵工程案例分析

杭州地鐵4號線1期工程甬江路站—錦江站區間在隧道位置調整前，隧道埋深約7～16 m，隧道全部處于砂質粉土地層中，屬于可液化地層，根據數值模擬計算結果，由砂土液化引起的隧道上浮位移基本大于5 cm，屬于嚴重上浮。隧道下調了2.5 m，調整后隧道埋深約9.5～18.5 m，隧道底部大約2.5～4 m范圍處于非液化地層中，調整后隧道埋深增加了且隧道處于可液化地層的范圍減少了。根據本文計算結果，隧道上浮位移基本小于5 cm，且大部分小于2 cm，也就是說隧道大部分只發生輕微上浮，上浮情況緩和了很多，同時，小部分上浮位移較大的地方，還可以通過注漿加固來減少液化產生的影響，從而達到輕微上浮的標準。杭州地鐵4號線1期工程甬江路站—錦江站區間在對隧道位置進行調整后，有效地減小了隧道的上浮位移，隧道基本上只發生輕微上浮，提高了隧道結構的抗震安全性。

5 結論

1)隧道局部處于液化地層時，液化地層范圍越小，隧道上浮位移越??；當埋深大于14 m、隧道結構超過一半的范圍處于非液化土層時，隧道只發生輕微上浮，對隧道結構安全較為有利。

2)在地震作用下隧道發生的上浮位移可以分為兩部分：一是由地震地基剪切變形引起的隧道上??；二是由于地層液化產生的上浮力引起隧道上浮。在隧道埋深基本一致的情況下，地基剪切變形引起的隧道上浮位移基本上是均勻的，對隧道結構影響較小。

3)隧道的埋深越大，隧道上浮位移越小。當埋深小于14 m時，隧道埋深對隧道上浮的影響較大；當埋深大于14 m時，埋深對隧道上浮的影響逐漸減小，此時隧道上浮主要受隧道所處液化土范圍的影響。

4)基于杭州地鐵4號線工程案例的經驗，隧道設計時應盡量避免使隧道完全處于可液化地層中，可采取液化與非液化地層組合或增大埋深的方式，減小隧道的地震上浮位移，提高隧道的抗震安全性能。