一种斜拉式隧道抗错断体系

技术领域

本发明涉及隧道建设技术领域，尤其涉及一种斜拉式隧道抗错断体系。

背景技术

我国正处在环太平洋地震带和欧亚地震带之间，活动断层广泛分布，而随着我国隧道建设的不断发展，新建隧道规模越来越大，从而新建隧道不可避免地要穿越活动断层。断层的错动将导致隧道产生裂缝、过大变形以至破坏，严重影响隧道结构的安全以及后期安全运营。因此在隧道穿越活断层时设计必要的抗错断结构体系，增强隧道的抗错断能力尤为重要。

现有技术中隧道穿越活断层时主要采用的方式以及缺点有：

第一，能绕则绕，在前期地质勘测后，隧道选线时尽量避开这些断层(宋玉香,刘勇,主编.隧道工程.北京:中国建筑工业出版社.2018:34-36.)，但受地理条件的限制，此种方式仅适用于部分工程建设；

第二，通过刚性防护措施加强隧道自身的刚度(例如：增加材料的强度、锚喷支护等)，从而抵抗由于断层的错动对结构施加的附加荷载(邓忠富.断层错动下节段式隧道设计参数及安全性分析[J].西部交通科技,2021,No.162(01):126-130.)，但是此方法将大大增加建设成本，并且实践证明此方法效果并不显著；

第三，设置柔性连接段，在错断层附近隧道采用一些较为柔性的材料或结构使隧道能够随着断层的错动产生变形，从而达到降低断层错动产生的附加内力(李国良,张景,刘国庆,等.隧道穿越活动断层的连接结构[P].陕西省：CN111810189B,2022-03-18.)，但是此方法受断层错动的影响将产生较大的变形，不能满足某些用途隧道对变形的要求(例如：高速铁路隧道等)；

第四，超挖设计，通过扩大隧道断面满足错动时的正常使用功能，扩大量根据断层的错动量确定(蒋树屏,李鹏,林志.穿越活动断层区隧道的抗断设计对策[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2008,27(06):1034-1036+1041.)；但是此方法仍无法避免隧道结构在断层位置产生错动，需要定期的修护。

因此，设计一种断层错动时，能够断层上盘与断层下盘中隧道结构的变形，维持隧道结构的稳定，以达到抗错断的目的结构体系实有必要。

发明内容

本发明提供一种斜拉式隧道抗错断体系，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种斜拉式隧道抗错断体系，包括隧道结构、位移空间、若干斜拉索、索塔、固定装置以及横向约束铰链；

所述隧道结构穿设于活动断层，活动断层错位时，向下移动的围岩为下盘围岩，所述位移空间设于所述隧道结构与所述下盘围岩之间，所述索塔设于上盘围岩地表，所述固定装置设于所述索塔下侧，且固定装置底部插设于所述上盘围岩内，将所述索塔竖向固定在上盘围岩地表；

所述斜拉索一端与所述索塔连接，另一端与所述隧道结构连接；当活动断层错动时，所述下盘围岩向下移动，所述斜拉索、所述索塔以及所述固定装置为所述隧道结构提供竖向的支撑力，防止隧道结构在竖向方向上位置移动；横向约束铰链设于所述位移空间内，横向约束铰链两端分别与下盘围岩内壁以及隧道结构连接，用于在活动断层错动时为所述隧道结构提供横向支撑力以及横向位移约束。

进一步的，所述固定装置包括承台和若干桩基础，所述承台设于所述上盘围岩地表，所述承台下侧与设于上盘围岩内部的顶帽结构连接，所述顶帽下侧与桩基础连接。

进一步的，所述斜拉索包括若干第一斜拉索和若干第二斜拉索，第一斜拉索和第二斜拉索由下至上依次斜向设置；第二斜拉索上部设于地表与所述索塔连接，下部设于所述下层围岩内与所述隧道结构顶部外壁连接；第一斜拉索上部设于地表与所述索塔连接，下部穿过活动断层设于上层围岩以及下层围岩内与所述隧道结构顶部外壁连接。

进一步的，所述位移空间的横断面形状为圆形或椭圆形。

进一步的，所述位移空间的纵剖面内壁轮廓为S形曲线，所述S形曲线纵向长度L满足下述公式(1)：

式中：f为断层错动量，tanθ为隧道设计容许最大误差坡度。

进一步的，所述隧道结构外壁顶部沿隧道结构设置方向间隔设置有若干连接构件，所述斜拉索的下端与所述连接构件连接。

进一步的，所述连接构件包括叉式支架和构造吊钩，所述叉式支架与斜拉索的下端固定连接，所述构造吊钩设于所述隧道结构顶部外壁上，且构造吊钩顶部设于叉式支架的两个支腿之间，所述构造吊钩上设有连接孔，叉式支架的支腿上设有销孔，销栓穿过连接孔和销孔使所述叉式支架与构造吊钩铰接。

进一步的，若干所述桩基础分别设于所述隧道结构的两侧。

进一步的，所述隧道结构包括公路隧道、铁路隧道、引水隧洞或管廊。

本发明的有益效果是：

本发明中公开的一种斜拉式隧道抗错断体系，通过位移空间将隧道结构与错动的下盘围岩进行分离，为隧道结构抵消断层错动量预留了移动空间，将下盘围岩中原本由围岩提供的横向支撑力由横向约束铰链支撑，对隧道结构的横向位移进行约束，将下盘围岩中原本由围岩提供的竖向支撑力由索塔、斜拉索以及固定装置支撑，使下盘围岩中的隧道结构相对于上盘围岩保持位置不变，进而消除或基本消除断层错动对隧道结构的影响，实现隧道抗错断的目的，同时维持了隧道纵向方向上位置的平稳，对于公路和铁路隧道保证了行车的舒适与安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中公开的一种斜拉式隧道抗错断体系结构示意图；

图2为图1中A-A方向的剖视图；

图3为图1中B-B方向的剖视图；

图4为本发明实施例中公开的一种斜拉式隧道抗错断体系结构第一斜拉索穿设于围岩的结构示意图；

图5为本发明实施例中公开的一种斜拉式隧道抗错断体系结构第二斜拉索穿设于围岩的结构示意图；

图6为本发明实施例中公开的一种斜拉式隧道抗错断体系结构连接构件结构示意图。

图中：1、隧道结构；2、位移空间；3、斜拉索；31、第一斜拉索；32、第二斜拉索；4、索塔；5、固定装置；51、承台；52、桩基础；53、顶帽；6、活动断层；7、上盘围岩；8、横向约束铰链；9、连接构件；91、叉式支架；92、构造吊钩；93、销栓；10、第二布设空间；11、第一布设空间；12、第三布设空间；13、下盘围岩。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示为本实施例提供的一种斜拉式隧道抗错断体系，包括隧道结构1、位移空间2、若干斜拉索3、索塔4、固定装置5以及横向约束铰链8；

所述隧道结构1穿设于活动断层6，活动断层6错位时，向下移动的围岩为下盘围岩13，所述位移空间2设于所述隧道结构1与所述下盘围岩13之间，所述索塔设于上盘围岩7地表，所述固定装置5设于所述索塔下侧，且固定装置底部插设于所述上盘围岩内，将所述索塔4竖向固定在上盘围岩7地表；

所述斜拉索一端与所述索塔4(靠近下盘围岩一侧)连接，另一端与所述隧道结构1连接；当活动断层错动时，所述下盘围岩13向下移动，索塔4设于地表且相对上盘围岩位置不变，所述斜拉索3、所述索塔4以及所述固定装置5为所述隧道结构1提供竖向的支撑力，防止隧道结构1在竖向方向上位置移动；横向约束铰链8设于所述位移空间2内，横向约束铰链8两端分别与下盘围岩内壁以及隧道结构1连接，用于在活动断层错动时为所述隧道结构提供横向支撑力以及横向位移约束；

隧道结构1包括初衬、二衬以及相应配筋；所述位移空间2设于隧道结构1的上侧以及两侧，位移空间2是为隧道结构1抵消断层错动量而预留的移动空间；

本发明中公开的一种斜拉式隧道抗错断体系，通过位移空间将隧道结构与错动的下盘围岩进行分离，为隧道结构抵消断层错动量预留了移动空间，将下盘围岩中原本由围岩提供的横向支撑力由横向约束铰链支撑，对隧道结构的横向位移进行约束，将下盘围岩中原本由围岩提供的竖向支撑力由索塔、斜拉索以及固定装置支撑，使下盘围岩中的隧道结构相对于上盘围岩保持位置不变，进而消除或基本消除断层错动对隧道结构的影响，实现隧道抗错断的目的，同时维持了隧道纵向方向上位置的平稳，对于公路和铁路隧道保证了行车的舒适与安全。

在具体实施中，所述固定装置5包括承台51和若干桩基础52，所述承台51设于所述上盘围岩7地表，所述承台51下侧与设于上盘围岩7内部的顶帽53结构连接，所述顶帽53下侧与桩基础52连接；索塔位于上述承台的上方，其下端与承台连接为一体；为了在地表通过现浇混凝土形成承台5将所有桩基础的上端连接为一体，提高桩基础的整体性以及承载能力；桩基础52设于上盘围岩内，上端通过现浇混凝土组成承台将多个桩基础连接为一体，按照承载能力确定桩基础的数量和布设形式；当断层发生错动时，设于下盘围岩内的隧道结构的竖向支撑力由斜拉索传递至索塔，进而索塔通过承台和桩基础向上盘围岩深部传递，防止隧道结构在竖直方向上产生位移，保证隧道结构位置的稳定。

在具体实施中，所述斜拉索3包括若干第一斜拉索31和若干第二斜拉索32，第一斜拉索31和第二斜拉索32由下至上依次斜向设置；第二斜拉索32上部设于地表与所述索塔连接，下部设于所述下层围岩内与所述隧道结构顶部外壁连接；第一斜拉索31上部设于地表与所述索塔连接，下部穿过活动断层6设于上层围岩7以及下层围岩13内与所述隧道结构1顶部外壁连接；如图4、图5所示，下盘围岩设有第二布设空间10和第一布设空间11，所述上盘围岩内设有与第一布设空间11连通的第三布设空间12，第二斜拉索32下部设于所述第二布设空间10内，第一斜拉索的下部设于第三布设空间12以及第一布设空间11内，所述第二布设空间10以及第一布设空间11做出超挖，超挖深度d按下述公式(2)进行计算：

d＝ksin(α+β)(2)

式中：k为断层的错动量；α为斜拉索的倾角，β为断层的倾角；

第一布设空间、第二布设空间以及第三布设空间的横断面均为圆形，且第一布设空间、第三布设空间的横断面直径大于第一斜拉索外径，第二布设空间的横断面直径大于第二斜拉索外径；位于下盘围岩13中的第一斜拉索和第二斜拉索的上方预均留了超挖空间，因此断层错动后斜拉索仍然避免了与围岩的接触，从而避免了断层错动对第一斜拉索和第二斜拉索的影响；

当断层错动时，下盘围岩13相对于上盘围岩7沿活动断层6向下错动，隧道结构1受到的载荷通过第一斜拉索31和第二斜拉索32传递至位于上盘围岩7上方地表的索塔4，并依次经过承台51、顶帽53和桩基础52向上盘围岩7深部传递，在整个过程中索塔4和上盘围岩7的相对位置保持不变；断层错动时，由于位移空间2将隧道结构1与移动的下盘围岩13分离，以及隧道结构1在上方第一斜拉索31、第二斜拉索32以及两侧横向约束铰链8的支撑下，隧道结构1相对于上盘围岩7保持或基本保持相对位置不变，从而维持了隧道结构的受力和变形的稳定，实现抗错断的目的。

在具体实施中，所述位移空间2的横断面形状为圆形或椭圆形；

优选的，所述位移空间2的纵剖面内壁轮廓为S形曲线，所述S形曲线纵向长度L满足下述公式(1)：

式中：f为断层错动量，tanθ为隧道设计容许最大误差坡度。位移空间的尺寸形状根据隧道结构的变形控制标准确定，纵向截面的内壁轮廓以及横向截面的形状可设置为其他形状能够在断层错断时隧道的位移提供充分的横向空间和竖向空间，防止存在隧道与围岩接触的可能；在本实施例中，如图3所示，位移空间2横向截面的形状设置为椭圆形。

在具体实施中，所述隧道结构1外壁顶部沿隧道结构1设置方向间隔设置有若干连接构件9，所述斜拉索3的下端与所述连接构件9连接。

在具体实施中，如图6所示，所述连接构件9包括叉式支架91和构造吊钩92，所述叉式支架与斜拉索3的下端固定连接，所述构造吊钩92设于所述隧道结构1顶部外壁上，且构造吊钩92顶部设于叉式支架91的两个支腿之间，所述构造吊钩92上设有连接孔，叉式支架91的支腿上设有销孔，销栓93穿过连接孔和销孔使所述叉式支架91与构造吊钩92铰接；构造吊钩与隧道结构内的配筋为一体设计，组成配筋网络，保证连接的可靠性；叉式支架可绕构造吊钩92转动，用以消除上方斜拉索中的弯矩，连接构件9的设置便于隧道结构1和上方斜拉索连接。

在具体实施中，若干所述桩基础52分别设于所述隧道结构1的两侧，以避免发生位置干涉，并能够保证桩基础受力平衡。

在具体实施中，所述隧道结构1包括公路隧道、铁路隧道、引水隧洞或各种管廊(如干线综合管廊、支线综合管廊及缆线管廊等)，本体系能够应用于多种隧道以及管廊中，适用性强。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。