防止在液化土中发生地震隧道浮起现象：对张力桩系统的数值研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Preventing seismic tunnel flotation in liquefiable soil: a numerical Investigation of a tension pile system

地下结构在液化土壤中对抗震上浮的防护研究|抗拔桩|二维动态数值模型|液化土|隧道抗震设计

　　

何正尧|戈帕尔·S.P. 马达布希|包晓华|陈向生

英国剑桥大学斯科菲尔德中心

摘要

建在液化土壤中的地下结构极易受到地震引起的上浮影响。传统的地基加固方法，如土壤压实或置换，通常需要在隧道沿线进行大规模的土方工程，这不仅成本高昂，而且具有破坏性。最近，张力桩作为一种实用且经济高效的替代方案，被用于防止地震事件中的隧道浮起。本研究提出了一种二维（2D）动态数值建模方法，用于评估支撑液化土壤中埋设隧道的张力桩的拉力需求。与三维（3D）分析相比，该模型能够以显著减少的计算时间提供可靠的上浮阻力估算。通过两次动态离心试验验证了数值框架，结果表明2D模型能够捕捉到地震荷载下桩体张力响应和土壤行为的关键趋势。尽管两个张力桩的液化模拟结果存在细微差异，但所提出的2D分析与观察到的动态土-结构相互作用结果吻合良好。研究结果表明，该2D模型对于初步设计应用足够可靠，并可作为详细设计阶段后续3D动态模拟的有效参考。

引言

在大地震中，地下结构多次遭受损坏，这揭示了它们对地震荷载的敏感性（Hashash等人，2001年；Tsinidis等人，2020年）。此外，迫切需要进一步研究现有地下结构的抗震韧性，特别是在拥挤的城市区域（Bao等人，2019年；Tao等人，2026年）。当这些设施建在液化土壤中时，它们特别容易受到地震过程中有效应力丧失引起的浮力上浮的影响。典型的案例包括2011年基督城（McLachlan等人，2013年）和东北日本（Tokimatsu等人，2012年）地震中观察到的管道和公用设施导管的上浮，以及2023年土耳其-叙利亚地震（Taftsoglou等人，2023年）和2024年能登地震（Inagaki等人，2025年）中观察到的液化引起的损坏。还进行了研究，以调查其他关键基础设施在液化土壤中的动态响应，例如单桩和桩群上的海上风力涡轮机（Asgari和Sorkhi，2025年；Asgari等人，2025年）。特别是，还研究了地震与波浪通过非线性弹簧对土-单桩相互作用的影响（Akbarzadeh等人，2026年）。

尽管大规模的交通隧道上浮现象尚未得到广泛记录，但现场证据和实验研究表明，对于浅埋基础设施来说，这种风险不容忽视（Koseki等人，1997年；Chian和Madabhushi，2012年；He等人，2025年；Watanabe等人，2016年）。这些生命线的韧性对于地震后的恢复至关重要，因此防止上浮是未来抗震地下设计的一个关键方面。

先前的研究表明，隧道对液化引起的上浮的敏感性和风险主要取决于其埋设深度和相关的上覆土抵抗力。Chian和Madabhushi（2012年）证明，更深的埋设深度可以增强围压和垂直约束，从而降低浮起的潜力。然而，在高度城市化的环境中，由于现有基础、公用设施和车站几何形状的空间限制，通常无法修改隧道路线或埋设深度。因此，人们传统上将注意力转向地基加固作为主要的缓解策略。采用了诸如土壤压实、排水增强或高渗透性土壤置换等技术来加速多余孔隙压力的消散并提高隧道周围的土壤刚度。实际中的显著例子包括对现有的乔治·马西隧道和BART跨海隧道进行的改造项目（Adalier等人，2003年；Chou等人，2011年），这些项目表明改善排水性能可以减轻上浮潜力。类似的发现也通过数值模拟（Madabhushi和Madabhushi，2015年）和非圆形隧道的动态物理建模（Watanabe等人，2016年；Taylor和Madabhushi，2020年；He等人，2025年）得到了证实。然而，这种大规模的地基改造工作往往成本高昂、物流复杂，并且会对周围的城市基础设施造成干扰，限制了其在密集城市环境中的实际应用。

为应对这些挑战，最近的研究探讨了使用张力桩作为替代的上浮缓解方法。通过将桩锚固在密实的沙层或基岩中，可以沿桩孔 mobilize 拉力抵抗来抵消作用在地下结构上的浮力。1-g振动台试验和动态离心试验表明，这样的系统能够有效抑制埋设的公用设施和隧道结构的上浮（Zhang和Chian，2021年；Nokande等人，2023年；He和Madabhushi，2026年）。与传统地基加固方法相比，张力桩提供了一种侵入性更小且更经济的解决方案，同时有助于提高承载稳定性和抗震韧性。

He和Madabhushi（2026年）进行了一系列动态离心实验，研究了在液化沙中由张力桩锚固的矩形隧道的上浮行为。他们的结果阐明了多余孔隙压力生成、桩体张力发展与隧道上浮响应之间的相互作用，为设计提供了宝贵的物理基础。然而，尽管离心试验提供了关于机制层面的关键见解，但其应用于设计仍受到实验成本的限制，以及无法高效探索广泛参数变化的能力。

为了解决这个问题，本研究开发并验证了一种用于地震荷载下隧道-桩系统动态分析的二维（2D）数值建模框架。目的是评估2D动态模拟是否可以提供可靠的桩体拉力需求和隧道上浮行为估算，同时所需的计算时间远少于详细的三维（3D）模型。模型验证使用了He和Madabhushi（2026年）报告的离心数据。研究结果表明，所提出的2D方法能够以良好的准确性捕捉到关键的土-结构相互作用机制，为初步隧道抗震设计和指导详细项目阶段的后续3D分析提供了实用且高效的工具。这项工作的主要创新在于开发并验证了一种高度经济高效、专门为液化土壤中隧道-张力桩系统的初步设计量身定制的2D动态数值框架。主要贡献包括：（1）使用简化建模方法对桩体拉力需求和隧道上浮抑制能力进行定量评估，并通过离心试验数据进行了验证；（2）系统地识别可以在2D框架内可靠捕捉的响应量，以及那些需要更高级三维建模才能准确评估的响应量。

部分摘录

离心试验概述

岩土工程离心建模长期以来被认为是在真实应力条件下研究动态土-结构相互作用的有效手段（Madabhushi，2014年）。本研究中使用的实验数据来自在剑桥大学斯科菲尔德中心进行的Turner Beam离心机上进行的一系列动态试验。关于该设施和相关缩放定律的详细描述可以在Schofield（1980年）和Madabhushi（2014年）中找到。

试验

数值建模

本文介绍了使用基于二维广义塑性的有限元代码SWANDYNE进行的数值分析，该代码由Chan（1988年）开发。SWANDYNE代码的功能细节由Madabhushi和Zeng（1998年）以及Madabhushi（1991年）全面描述。该代码的公式基于无条件稳定的广义Newmark方法，用于求解两相介质的完全耦合Biot方程（Biot，1941年）。

抗浮力

张力桩提供的抗浮力主要来自两个部分：沿桩身 mobilized 的皮肤摩擦力和在下方密实层或基岩中发展的孔隙阻力。在强烈的地震震动过程中，由于多余孔隙水压的积累，周围土壤的剪切强度显著降低。因此，在液化区域内的桩身摩擦力的贡献减小，

动态土壤响应

远场土壤响应为评估隧道-桩系统内的土-结构相互作用效应提供了有用的基准。图8比较了从离心试验和数值模拟中获得的隧道运行深度处的水平加速度时间历史。数值模型很好地再现了大约两个加载周期后的循环土壤放大衰减，尽管衰减率略低于实际观察到的

抗拉阻力

图14展示了在有无张力桩的情况下，隧道动态响应的比较。张力桩的有效加入有效地防止了隧道浮起，将最大上浮限制在大约100毫米以内。与孤立隧道情况相比，通过张力桩与地面连接的隧道表现出较低的动态衰减，这从隧道水平加速度的更高循环幅度中可以看出。

结论

本研究开发并验证了一种二维（2D）动态有限元模型，用于研究张力桩在防止液化土壤中隧道上浮方面的有效性。所提出的建模框架成功捕捉到了物理试验中观察到的关键动态土-结构相互作用机制，包括自由场动态土壤响应、多余孔隙压力生成、隧道上浮抑制以及沿桩身的拉力发展。尽管存在一些

CRediT作者贡献声明

何正尧：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据整理。戈帕尔·S.P. 马达布希：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念化。包晓华：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理。陈向生：验证、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。