一种穿越活动断裂带的新型隧道抗震与抗错结构

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体地，涉及一种穿越活动断裂带的新型隧道抗震与抗错结构。

背景技术

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道、军事隧道。

活动断裂带对隧道的致灾模式分为断层错动直接破坏隧道结构、地震引起隧道振动破坏和地震诱发地质灾害链。断层错动使围岩直接产生剪切位移，剪切变形通常被限制在活动断层周围一个狭小的范围内，但这种突然的变位方式引起的隧道破坏是灾难性的，结构难以抵御，造成隧道主体破坏。地震波引起隧道衬砌结构剧烈振动或摆动，产生循环交替的压应变和拉应变，叠加在隧道衬砌原有的应变上。当叠加后的应变超过隧道衬砌所能承受的极限应变时隧道结构破坏，即隧道震害。地震、地下水、高地温等外力耦合作用下还可诱发活动断裂带区域一系列浅层和深埋隧道区段地质灾害链。

目前，穿越活动断层的隧道设计均是以避让为主，并满足一定的避让距离。线路无法避让必须通过时，给出的多为原则性规定和建议，如在断裂带较窄处以大角度通过，或者在穿越活动断裂带的隧道采用铰链设计为节段结构和变形缝，但这些只能小幅度减小断层错动和地震震动的损害。

穿越活动断裂段隧道结构分为强烈影响段和一般影响段。强烈影响段是指是指断裂带及从断裂带边缘向两侧受到严重震害的区段，在该区段既受活动断裂带断层错动位移和强地震力共同作用。一般影响段是指从活动断裂带错断强烈影响段边缘向外受到震害影响逐渐降低的区段，该区段主要受强地震力作用。

历次震害，例如发生在2022年1月8日青海门源6.9级地震大梁隧道震害，统计表明，断层错动是造成隧道结构变形破坏的主要因素，极严重破坏也主要集中在断层错动处，即强烈影响段。

本发明为强烈影响段提供一种穿越活动断裂带的新型隧道抗震与抗错结构，可有效减小断层错动量或使断层错动量沿长度方向均匀分散。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种穿越活动断裂带的新型隧道抗震与抗错结构，其能够有效减小断层错动量或使断层错动量沿长度方向均匀分散。

根据本发明，提供了一种穿越活动断裂带的新型隧道抗震与抗错结构，在隧道的外侧沿周向设置多个抗剪结构件，所述抗剪结构件沿轴向穿越活动断裂带。

在根据本发明提供的一个优选的实施例中，所述抗剪结构件包括设置在所述隧道外侧的抗剪洞，所述抗剪洞沿轴向穿越活动断裂带，在所述抗剪洞内设置连贯的钢结构。

在根据本发明提供的一个优选的实施例中，所述钢结构为钢筋混凝土。

在根据本发明提供的一个优选的实施例中，所述钢结构为实心钢棒。

在根据本发明提供的一个优选的实施例中，位于活动断裂带的所述隧道设置为节段结构。

在根据本发明提供的一个优选的实施例中，位于活动断裂带的所述隧道位置设置有变形缝。

在根据本发明提供的一个优选的实施例中，所述隧道包括从内到外依次设置的二次衬砌、防水层、钢混复合结构件、初期支护层和围岩加固层。

在根据本发明提供的一个优选的实施例中，所述抗剪结构件设置在所述围岩加固层的外侧。

在根据本发明提供的一个优选的实施例中，所述钢混复合结构件包括钢波纹板和弹性垫层，所述弹性垫层设置在所述钢波纹板的外侧，

所述弹性垫层的外侧设置为平面，与所述防水层接触，

所述弹性垫层的内侧设置为与所述钢波纹板相适配的波纹形状。

在根据本发明提供的一个优选的实施例中，所述钢混复合结构件还包括泡沫混凝土层，所述泡沫混凝土层设置在所述初期支护层和所述钢波纹板之间。

与现有技术相比，本申请的优点如下。

本发明在隧道的外侧设置多个抗剪结构件，能够增强隧道的抗错断能力。具体地，本发明的抗剪结构件包括设置在隧道外侧的抗剪洞，在抗剪洞的内部采用连贯钢筋混凝土填充密实，或者设置连贯的实心钢棒，相当于在断层内增加较大强度、较好韧性的锁固点，能够有效抵抗或减小地震对隧道产生的影响，可有效减小断层错动量或使断层错动量沿长度方向均匀分散。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的穿越活动断裂带的新型隧道抗震与抗错结构的一种实施例的示意图；

图2显示了根据本发明的隧道的截面示意图；

图3显示了图2中的A部分的放大结构示意图；

图4显示了本发明的相邻钢波纹板重叠部分的示意图；

图5显示了根据本发明的钢波纹板的施工工艺流程图。

图中：

1、围岩加固层；2、初期支护层；3、减隔震层；30、钢混复合结构件；31、钢波纹板；32、弹性垫层；33、泡沫混凝土层；4、防水层；5、二次衬砌；6、抗剪结构件；61、抗剪洞；7、强烈影响段；100、隧道。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

需要说明的是，在本发明中，方位名词“内”或类似用于指的是隧道100的靠近中间通道的方向，方位名词“外”或类似用于指的是隧道100的远离中间通道的方向。

本发明提供了一种穿越活动断裂带的新型隧道抗震与抗错结构，如图1所示，在隧道100的外侧沿周向设置多个抗剪结构件6，抗剪结构件6沿轴向(即隧道100的长度方向)穿越活动断裂带。具体地，抗剪结构件6穿越活动断裂带的强烈影响段7。抗剪结构件6具备抗剪能力，当隧道100受到地震影响时，抗剪结构件6能够有效降低地震对隧道100的影响，有效减小断层错动量或使断层错动量沿长度方向均匀分散。

在一个具体的实施例中，抗剪结构件6包括设置在所述隧道外侧的抗剪洞61，多个抗剪洞61沿着隧道100的周向均匀分布，在抗剪洞61内设置有连贯的钢结构。

在本实施例中，抗剪洞61沿隧道100的长度方向穿越强烈影响段7，抗剪洞61的两端沿长度方向超出强烈影响段7的距离为40～60m。

在一个优选的实施例中，抗剪洞61的两端沿长度方向超出强烈影响段7的距离为50m。

根据本发明，抗剪洞61的长度方向与活动断裂带的走向的夹角范围为30～90°。在一个优选的实施例中，抗剪洞61的长度方向与活动断裂带的走向相互垂直。

在一个优选的实施例中，抗剪洞61的直径气质范围为30～100cm。进一步地，抗剪洞61的直径与隧道100的大小没有绝对关系，只与活动断裂带百年预测错位量有关系，活动断裂带的预测位错量越大，抗剪洞61的直径越大。

在一个优选的实施例中，抗剪洞61沿隧道100的拱腰以下均匀分布。抗剪洞61的数量没有严格要求，一般取9个以上。

在根据本发明提供的一个实施例中，钢结构设置为钢筋混凝土结构。具体地，在挖设好的抗剪洞61内设置连贯的钢筋，即整根钢筋穿过抗剪洞61，一个抗剪洞61内可以设置多根钢筋，每根钢筋的长度均大于等于抗剪洞61的长度。然后在抗剪洞61内灌注混凝土，从而在抗剪洞61内形成钢筋混凝土结构。通过这种设置，相当于在断层带内增加较大强度、较好韧性的锁固点，能够有效抵抗地震，或者降低地震带来的影响。

在根据本发明提供的另一个实施例中，钢结构设置为实心钢棒。具体地，在挖设好的抗剪洞61内设置连贯的实心钢棒，实心钢棒的长度大于等于抗剪洞61的长度。通过这种设置，相当于在断层带内增加较大强度、较好韧性的锁固点，能够有效抵抗地震，或者降低地震带来的影响，可有效减小断层错动量或使断层错动量沿长度方向均匀分散。

根据本发明，在一个优选的实施例中，位于活动断裂带的隧道100设置为节段结构。具体地，隧道100采用铰接设计，从而形成节段结构。铰接设计的具体结构为现有技术，不是本发明的技术要点，在此不再赘述。

根据本发明，在一个优选的实施例中，位于活动断裂带的所述隧道位置设置有变形缝。变形缝的具体结构为现有技术，不是本发明的技术要点，在此不再赘述。

图2显示了根据本发明的新型减隔震隧道100的结构。如图2所示，新型减隔震隧道100包括从外到内依次设置的围岩加固层1、初期支护层2、减隔震层3、防水层4和二次衬砌5。围岩加固层1为新型减隔震隧道100的最外层，初期支护层2设置在围岩加固层1的内侧，减隔震层3设置在初期支护层2的内侧，防水层4设置在减隔震层3的内侧，二次衬砌5设置在防水层4的内侧。

根据本发明，减隔震层3设置为钢混复合结构件30。具体地，钢混复合结构件30包括钢波纹板31和弹性垫层32，弹性垫层32设置在钢波纹板31的外侧。

如图3所示，弹性垫层32的外侧设置为平面，与防水层4接触。弹性垫层32的内侧设置为与钢波纹板31相适配的波纹形状，从而使弹性垫层32的内侧与钢波纹板31的外侧紧密贴合。

在一个优选的实施例中，弹性垫层32采用速度相关性材料制成，比如橡胶减隔震材料。橡胶减隔震材料能够吸收部分地震变形和能量，从而提高新型减隔震隧道100的减隔震能力。橡胶减隔震材料制成的弹性垫层32与钢波纹板31结合形成的钢混复合结构30能够综合钢波纹板31强度高、变形自适应能力强以及橡胶减隔震材料能够吸收部分地震变形和能量的特点，同时钢混复合结构30的减隔震承受极限又远远超过橡胶减隔震材料和钢波纹板31的性能叠加。

在另一个优选的实施例中，弹性垫层32采用负泊松比材料制成。负泊松比材料对外界施加的应变会表现出特异的力学响应：对其施加纵向拉伸/压缩应变，会在横向发生膨胀/收缩。一般而言，当材料处于拉伸状态时，弹性模量随体积压缩比的增大而减小；当材料处于压缩状态时，弹性模量随体积压缩比的增大而增大。本实施了例中的负泊松比材料制成的弹性垫层32受压时，材料向内部聚集，瞬时密度增大，外部表现出较高的刚度，能够增强新型减隔震隧道100的减隔震能力。

根据本发明，在一个具体的实施例中，钢混复合结构件30还包括泡沫混凝土层33，泡沫混凝土层33设置在初期支护层2和钢波纹板31之间。

如图3所示，泡沫混凝土层33的外侧设置为平面，用于与初期支护层2接触。泡沫混凝土层33的内侧形状与钢波纹板31的波纹形状相适配，从而使泡沫混凝土层33的内侧能够与钢波纹板31的外侧紧密连接。

在一个具体的实施例中，围岩加固层1包括系统锚管和注浆加固圈，也就是说，采用围岩注浆并增设锚管的方式加固围岩。

在一个具体的实施例中，初期支护层2采用混凝土制成。

在一个具体的实施例中，防水层4包括防排水板。

在一个具体的实施例中，二次衬砌5采用钢筋混凝土制成。

隧道的施工过程如下：在围岩加固层1的内侧喷射混凝土形成初期支护层2；在挖设的隧道内壁采用围岩注浆并增设锚管的方式加固围岩，形成围岩加固层1；在初期支护层2的内侧设置钢波纹板31，并且钢波纹板31和初期支护层2之间预留空隙；在钢波纹板31和初期支护层2之间的空隙内注入泡沫混凝土形成泡沫混凝土层33；在钢波纹板31的内侧铺设弹性垫层32；在弹性垫层32的内侧铺设防排水板形成防水层4；在防水层4的内侧设置钢筋混凝土形成二次衬砌5。

在一个具体的实施例中，铺设钢波纹板31的具体施工工艺如下。

1、施工前准备：备齐安装工具，安装所需配件，套筒扳手，定扭电动扳手，定扭扳手，钢绞线，缆绳，备足脚手，跳板，电源等设备。检验拼装钢波纹板31是否符合工点位置，同时设安装指挥一名，负责指挥起吊及施工人员现场操作。

2、定位放线：依据实测断面，确定钢波纹板31底部标高，控制波纹板与隧道轮廓的间距，保证其间距满足要求。

3、植筋施工：根据钢波纹板31的板材受力特征在不同标高位置植筋用于后期拼装钢波纹板31吊装使用，植筋深度不小于20cm，单根植筋抗拔力不小于5.0kN。植筋施工的具体工艺：为保证钢波纹板31与既有隧道结构成为整体受力结构，利用纵向与环向预留螺栓孔将隧道与钢波纹板31进行连接，连接方式主要采用植筋，植筋按照梅花形布置，环向间距1.8m，纵向间距1m，植筋深度为进入既有初期支护层2不小于20cm，且单根植筋拉拔力不小于2.0kN。

另外，拱脚部位的约束对其自身内力有较大的影响，为了使其受力更加合理，应考虑在封闭成环之前在拱脚部位施作锁脚锚杆以增强拱脚部位约束，同时在该部位进行适当加强。锁脚锚杆施作具体工艺：首先，核实钢波纹板31主要控制点尺寸；其次，待主要控制点尺寸核实无误后，施打锁脚锚杆，对钢波纹板31脚部进行固定；最后，对钢波纹板31全环进行植筋作业。采用φ32锚杆将钢波纹板31与初期支护层2进行连接，沿隧道纵向线路方向锚杆间距0.4m，锚杆锚固深度大于0.5m，单根锚杆抗拔力不小于50kN。

4、拼装钢波纹板31：分片拼装钢波纹板31时，依据施工能力及施工安全要求，确定合理的拼装顺序。一般采用顺时针搭接方式进行拼装，必要时采用撬棍进行校正，确保螺栓孔位准确对位。也可以采用分台阶施工，此时应尽量缩减波纹板尺寸长度，不能组成环圈时，应在环向分段安装分段锚杆固定。

5、螺母紧固：拼装全部完成后，应先检查隧道线性，若满足要求，再用定扭电动扳手按预定扭矩紧固所有螺栓，保证钢结构衬砌重叠部分紧密嵌套在一起，如图4所示。每个螺母的初拧扭矩不得小于187N·m，施工扭矩不小于374N·m，用机动扳手时拧扳时间应持续2～5s，此后以此方式依次连接。

其中，螺栓拧紧并符合要求后，为防止相邻钢波纹板31的板缝和螺栓孔处渗水，在相邻钢波纹板31的板缝和螺栓孔处采用专用密封材料密封，以防止钢结构衬砌连接处渗水。

6、板后注浆：在钢波纹板31与开挖线之间注浆充实防水。安装钢波纹板31预留注浆孔，安装0.5m长的φ42注浆软管，注入水料比为0.18～0.25的泡沫混凝土，注浆压力为0.1～0.2MPa，对钢波纹板31和初期支护层2之间预留的空隙注浆完毕后，用速凝水泥封孔，从而形成泡沫混凝土层33。泡沫混凝土是在普通混凝土中加入一定比例的发泡剂搅拌均匀，浇筑成型。泡沫混凝土密度在250～1600kg/m

板后注浆施工要求，注浆顺序按照边墙、拱腰、拱顶的顺序，即先下后上的次序进行；注浆前应进行压水试验，检验机械设备是否正常，管路连接是否正确，为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆(每次2～3根)，注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。

单孔结束标准为注浆压力逐渐升高至设计终压，并稳定10～15min，或注浆量不小于设计注浆量的80％，或进浆速度为开始进浆速度的1/4。

全段结束标准为所有注浆/锚杆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象；浆液有效注入范围大于设计值。

7、质量检验、验收：为保证达到螺栓扭矩的要求，在背后注浆前随机抽取结构上纵缝的2％螺栓，用定扭扳手，定预紧力442N·m±70N·m进行抽检试验。如果有任意一试验值超过了给定的扭矩范围，则应抽检纵向和环向接缝所有螺栓的5％。如果上述试验90％以上满足要求，则认定安装是合格的，否则应重新复核，以确定扭矩是否满足要求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。