軟弱及液化地層條件下地下結構的設計探析

1、軟弱及液化地層條件下地下結構的設計探析 摘要：以佛山軌道三號線為例，分析軟弱地層及液化砂層對地鐵車站和盾構區(qū)間隧道的不利影響，提出采取加強圍護結構設計、洞內同步注漿加固等措施，有效解決了地鐵線路通過軟弱地層及液化砂層下地鐵車站和盾構區(qū)間的問題。 關鍵詞：軟弱地層；液化砂層；地鐵車站；盾構區(qū)間 abstract： taking foshan metro line three as an example， this paper analyzes the unfavorable influence of soft layer and liquefying sand layer of metro st

2、ation and shield zone， put forward to strengthen design of enclosure structure， adopt tunnel synchronous to grout reinforcement and so on， effectively solves the problems of metro station and shield zone under the condition of soft layer and liquefying sand layer. keywords： soft layer； liquefying sa

3、nd layer； metro station； shield zone 1 工程概況 佛山市城市軌道交通三號線工程為貫通佛山市中心組團的南北主干線，與佛山已建地鐵及其他城市地鐵相比，佛山三號線工程地質的特點如下1： 1.1 沿線分布非常軟弱的深厚淤泥及淤泥質土層 沿線分布的軟弱土層為第四系海陸交互相淤泥、淤泥質土層，主要分布在順德段，淤泥、淤泥質土層具有含水量高，孔隙比大，壓縮性高，抗剪強度低，靈敏度高的特點。 1.2 沿線分布易液化的淤泥質粉細砂層 沿線分布海陸交互相淤泥質粉細砂層、海陸交互相淤泥質中粗砂層和沖洪積粉細砂層、沖洪積中粗砂，分布全線絕大部分地段（南海北段除外），采用標準貫入試

4、驗方法對砂層進行液化判別，沿線砂層會產生地震液化，液化等級多為“中等嚴重”。 1.3 沿線地層分布差異性較大 沿線從上至下分布主要有：人工填土層、第四系海陸交互相淤泥、淤泥質土層、海陸交互相淤泥質粉細砂層、海陸交互相沉積淤泥質中粗砂層、海陸交互相粉質粘土層、沖洪積粉細砂層、沖洪積中粗砂層、沖洪積粗礫砂層、沖洪積卵石土層、沖積洪積粉質粘土層、河湖相淤泥質土層、可塑或稍密狀殘積土層、硬塑或中密狀殘積土層、全風化巖、強風化巖、中風化巖、微風化巖。本工程巖面起伏非常大，總體來說，順德段巖面較深，南海段巖面較淺。而同樣在順德段，巖面也是起伏不定，呈波浪起伏狀。 2 軟弱地層及液化砂層對地鐵車站和盾構區(qū)間

5、隧道的不利影響 2.1 盾構隧道在施工過程中引起周邊建構筑沉降 盾構法施工引起土體變形和地面沉降，會導致四周一定范圍內建筑物和管線的沉降，這是盾構法施工的主要風險2。 2.2 盾構隧道在施工過程中的不利影響 盾構隧道在施工過程中，管片脫出盾尾后，由于隧道所處軟弱地層含水量大，管片收到浮力而產生上浮。如上浮超過100mm，則襯砌結構侵入建筑限界。另外由于施工過程中，盾構機操作不當，糾偏過激，容易出現(xiàn)蛇形隧道3。 2.3 盾構隧道周邊的土體擾動下引起隧道的平移或收斂變形 盾構區(qū)間隧道建成后，由于受到周邊地塊的開挖，進行基坑開挖，會對盾構隧道產生較大的影響，特別是在欠固結地層，基坑開挖對盾構隧道的影

6、響更大。另一種情況，區(qū)間隧道上方進行堆載，也會產生很大的影響。上述兩種情況均會對盾構隧道造成平移、橢變、管片開裂等不利影響。 2.4 地震中飽和砂土地層的液化，對地鐵結構可能產生襯砌震害、底板開裂與仰拱起鼓、初期支護震害、地震洞內坍方等不利影響4。 3 軟弱地層及液化砂層條件下工程設計存在的主要問題 3.1 深厚極軟地層基坑圍護方案和變形控制措施 地鐵車站結構和箱型結構隧道施工一般采用明挖法施作。沿線穿越極軟的淤泥質土層和淤泥質粉細砂層，土體強度低、壓縮性高、穩(wěn)定性差，深、長基坑穩(wěn)定性和變形控制是深厚極軟地層施工控制的重點和難點。根據(jù)基坑周邊環(huán)境的保護要求，結合極軟地層工程風險、施工難度和作業(yè)

7、可靠性，選取經濟合理的基坑圍護結構和支撐形式、設計必要的變形控制方案（地基加固）成為本工程的技術難點之一。 3.2 深厚極軟地層地鐵區(qū)間結構合理形式和輔助措施 一般軟土地層地鐵區(qū)間隧道常采用工期短、成本小且機械化程度較高的盾構工法。但與盾構工法相匹配的預制分塊管片襯砌由于接頭連接方式的存在，業(yè)界普遍認為盾構隧道結構為橫、縱向剛度相對較小的柔性結構5。本工程區(qū)間建設大范圍、大深度遭遇最低40kpa的極軟土和外荷載下易液化土，一般的單層預制管片襯砌設計能否滿足設計和使用要求亟待研究，且沿線既有建（構）筑物、后續(xù)開發(fā)和地鐵營運自身附加荷載會進一步加劇滿足設計和使用要求的難度，故在設計階段聯(lián)合考慮地層

8、、周邊環(huán)境和后期結構養(yǎng)護維修，明確地鐵區(qū)間隧道結構合理形式是本工程遇到的難題之一。 3.3 易液化地層處理措施 佛山三號線工程存在可液化的砂層，主要為淤泥質粉細砂層，由于環(huán)境及建構筑物原因，盾構區(qū)間不可能全部從地面進行加固。而盾構區(qū)間一般埋深較大，應研究確定可液化砂層處理的深度與盾構沉降的關系，確?？梢夯皩釉谶M行處理后結構不會發(fā)生較大的沉降，影響行車安全。 4 佛山三號線砂性土層的液化情況和處理措施 根據(jù)工可勘察報告，采用標準貫入試驗方法對砂層進行液化判別，表明海陸交互相粉細砂層會產生“中等嚴重”液化，局部“輕微”，沖積-洪積砂層、砂層一般不會產生液化。工可勘察共計162個鉆孔，有96個鉆孔

9、進行了液化判別，其中嚴重液化有個47鉆孔，中等液化有個20鉆孔，輕微液化有個15鉆孔，不液化有23個鉆孔。液化砂層分布在大部分地段。本文針對佛山三號線液化土層廣泛分布分的特點，從以下幾個方面提出措施來控制地震液化對于地鐵結構的不利影響： 4.1 控制結構埋深 根據(jù)地震液化的影響因素分析，結構的覆土埋深是激發(fā)地震液化的重要方面，適當?shù)募哟筌囌炯八淼赖母餐谅裆?，可以增大基底以下土層的豎向限制壓力，液化土層需要更大的孔隙水壓力才能產生砂土液化，液化難度增大。埋深的增加也可以減少地鐵地下結構由于土體液化所導致的結構上浮。 對于區(qū)間結構而言，加大結構埋深，避開液化土層，應作為區(qū)間結構抵抗地震液化災害的主

10、要措施和手段，施工階段，覆土深度加大，有利于盾構施工的地面沉降控制。 4.2 坑底存在液化層的車站基坑采用地下連續(xù)墻 工程實踐表明，主體結構外側設置截斷地下水的連續(xù)墻對抑制飽和砂土的地震液化，降低地下結構地震液化上浮有明顯效果。地下連續(xù)墻整體剛度較大，抗?jié)B性能較好，施工工藝成熟，能夠有效地隔斷液化土層，切斷基坑內外水力聯(lián)系，有效地控制基坑安全風險。同時，由于地下連續(xù)墻穿越液化土層，并嵌入其下不透水層一定的深度，可以利用地下連續(xù)墻于車站頂板上方設置壓頂梁，根本上解決結構抗浮問題。 4.3 加強結構抗浮能力 飽和土地震液化對于地下結構主要不利影響之一即為導致結構上浮，這主要是因為地震作用下，地下水

11、位升高，液化土層的孔隙水壓力大幅上升。急劇上升的水浮力將破壞地鐵主體結構，導致地鐵結構發(fā)生不均勻變形，結構構件開裂，結構滲漏水，嚴重地影響地鐵主體結構安全以及行車運營安全。因此地鐵結構的抗浮設計應為結構抗液化設計中重要組成部分。 加強結構抗浮措施較多，加大結構埋深，采取地下連續(xù)墻隔斷液化土層均能很好的控制結構上浮。作為承擔結構抗浮主要能力的地下連續(xù)墻錨固體，應嵌入非液化土層一定的深度，保證墻體錨固能力。同時，設置壓頂梁、壓底梁、抗拔樁等措施也能較好地增強結構的抗浮能力。 4.4 一定的加固措施 對于明挖車站結構而言，若大幅增加結構埋深來避開液化土層，則帶來明挖基坑深度增加，圍護結構增長，基坑深

12、度增加，基坑安全風險及施工難度、施工周期、工程投資都大幅增大等問題，因此在采用截斷墻隔絕液化層水力聯(lián)系的情況下，地下結構底板可不穿越液化土層，適當?shù)谋Ａ艋滓欢ㄉ疃鹊囊夯翆樱捎眠m當措施加固基底局部軟弱土層，通過這種方式，可以在控制明挖結構埋深、控制施工安全風險、控制工程投資的同時，有效地降低地震液化的不利影響。 對盾構區(qū)間，由于其施工的特殊性，采取振沖加密、擠密砂樁、直接振密和爆炸加密等方法很難實現(xiàn)。因此，可考慮在盾構區(qū)間穿越液土層時，加強同步注漿和二次注漿，來提高土體的抗液化強度，達到消除液化的目的，對水泥的摻入量則通過實驗確定。 5 結論 5.1車站設計措施 5.1.1 加強圍護結構設

13、計 （1）軟土地區(qū)優(yōu)先采用剛度較大的連續(xù)墻作為圍護結構，第一道支撐支撐采用混凝土支撐，以下的支撐采用雙拼鋼支撐，并采用倒換鋼支撐，減小支撐的豎向間距，同時可減小連續(xù)墻的變形。同時要求連續(xù)墻進入軟弱土層以下較好的土層或巖層，達到增強圍護結構穩(wěn)定性及變形控制的目的。對車站的鉆孔圖揭露未進入巖層（仍在砂層范圍），下一階段應根據(jù)初勘的成果進行調整。如地面以下50米能進入巖層或較好的土層，優(yōu)先采用連續(xù)墻封閉的方案，否則可考慮對車站進行滿堂加固止水方案?，F(xiàn)階段暫按滿堂加固的方案進行計算。 （2）標準車站不設置鋼立柱，采用雙拼鋼支撐，可增加施工速度。 （3）對粉細砂厚度較大的區(qū)域，連續(xù)墻考慮在墻縫交接處預埋

14、注漿管，防止基坑發(fā)生涌砂涌水情況。連續(xù)墻較深時考慮在墻縫處加設旋噴樁止水措施。 5.1.2 車站基底加固設計 優(yōu)先采用裙邊+抽條三軸攪拌樁加固方式進行加固，裙邊寬度為3米，抽條寬度及間距均為3米。攪拌樁直徑為850mm，間距為600mm，加固深度為基底以下5米，基底以上部分為空樁，摻入一定量的水泥，以方便基坑的開挖。 5.2 盾構區(qū)間隧道的設計措施 （1）通過對盾構隧道洞內注漿加固處理，減少施工過程中周邊建筑物的沉降，同時也減小運營后期沉降的不利影響。 （2）通過對同步注漿漿液的調配和注漿系統(tǒng)的改造，加強同步注漿，減少施工過程中周邊建筑物的沉降，同時有效控制隧道的上浮等不利影響。 （3）通過加

15、大盾構隧道的內徑，給隧道后期運營過程中的較大沉降預留處理空間。 （4）應對佛山市軌道交通三號線的地鐵保護予以重視。地鐵隧道位于軟弱地層范圍，應加強地鐵與周邊地塊的銜接以及與周邊規(guī)劃的銜接，必要時可適當改變工法，減少后期由于地塊開發(fā)造成的地鐵隧道變形、開裂等不利影響。在運營階段，地鐵保護部門應重視對周邊環(huán)境（基坑開挖、堆載等）的改變對盾構隧道的不利影響。 參考文獻： 1 建材廣州地質工程勘察院. 佛山市城市軌道交通三號線工程可行性研究階段沿線地址選線巖土工程勘察報告. 佛山，2013. 1 building materials and geological engineering investi

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