一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，特别是涉及一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构。

背景技术

近年来，随着我国城市化进程的加速和基础设施建设的不断推进，地下隧道的建设也呈现出了井喷式的增长。但随之而来的是隧道工程中地震灾害的风险不断增大，特别是地震引发的逆断层错动对隧道工程的影响不容忽视。

目前，我国的市域铁路隧道主要采用盾构法施工，该技术已经得到广泛应用。但是，在地震突发时，引起逆断层的剧烈错动使得隧道的位置和结构状态难以控制，隧道结构的稳定性容易受到破坏，造成人员伤亡和巨额财产损失。因此，如何保障隧道结构在逆断层错动事件发生时的稳定性成为了当前隧道建设中亟待解决的问题。

传统的保护措施主要采用加固措施，如钢筋混凝土加固、钢框架加固等。这些方法可以增强隧道结构的承载能力和抗震能力，但加固后的隧道结构整体性差，隧道断面减小，对于车辆通行和运输等使用效率较低。而且，加固措施所需时间和费用也较高。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供了一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构，解决了传统的隧道保护措施，存在加固后的隧道结构整体性差和隧道断面减小的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供了一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构，其包括第一滑移块组和第二滑移块组，第一滑移块组和第二滑移块组分别设置于隧道长度方向的两侧；第一滑移块组和第二滑移块组相互平行设置；第一滑移块组和第二滑移块组的顶部与地表面平齐，第一滑移块组和第二滑移块组的底部嵌入地层中；

第一滑移块组和第二滑移块组相对于地表面倾斜设置；第一滑移块组和第二滑移块组均包括两块相互滑动连接的滑移块。

本发明中逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构的基本原理为：通过在隧道长度方向的两侧分别设置有第一滑移块组和第二滑移块组，当隧道周围的土层发生逆断层错动时，通过土体的挤压作用，第一滑移块组和第二滑移块组中的两块滑移块可以发生相对位移，进而吸收逆断层错动释放的能量，避免能量传递至隧道上，保护隧道结构不发生失稳现象，而且第一滑移块组和第二滑移块组是相对于地表面倾斜设置的，使得第一滑移块组和第二滑移块组也具有横向和竖向的分量，可以从水平和竖直两个方向释放断层错动产生的位移和能量，从而保护隧道。由于逆断层错动在实际工程中产生位置的不确定性，设置两个相互平行的滑移块组可解决断层位置不确定性的问题。

由于本发明中的第一滑移块组和第二滑移块组是设置于隧道外部的，在对保护隧道结构不发生失稳的基础上，不会改变隧道的整体结构和不会减小隧道断面，解决了传统的隧道保护措施，存在加固后的隧道结构整体性差和隧道断面减小的问题。

进一步地，作为第一滑移块组和第二滑移块组中两块滑移块滑动连接的具体设置方式，第一滑移块组和第二滑移块组中的两块滑移块均通过啮合钢齿滑动连接，滑动方向为第一滑移块组和第二滑移块组的宽度方向。

进一步地，作为滑移块的具体设置方式，每块滑移块的材质均为呈矩形结构的刚性钢片；每块滑移块的长度方向均与隧道的长度方向同向；每块滑移块的宽度方向相对于地表面倾斜设置；第一滑移块组和第二滑移块组中的两块滑移块之间均设置有啮合钢齿。

进一步地，作为啮合钢齿的具体设置方式，啮合钢齿包括多个间隔均匀设置的突出钢齿，相邻两个突出钢齿之间形成内凹齿槽；第一滑移块组和第二滑移块组中的两块滑移块的内侧面上均设置有多个突出钢齿，每个突出钢齿的长度方向与第一滑移块组和第二滑移块组的宽度方向同向；

第一滑移块组和第二滑移块组中的两块滑移块配合时，突出钢齿嵌合设置于内凹齿槽内部。

进一步地，每个突出钢齿的顶部均倒圆角设置，每个内凹齿槽的内部为直角设置，这样设置的目的在于，当突出钢齿嵌合于内凹齿槽内部时，使两块滑移块产生间隙，便于注入润滑剂，减小每个滑移块组中的两块滑移块之间的摩擦力，便于通过两块滑移块之间的相对移动，实现吸收逆断层错动释放的能量，保护隧道结构不发生失稳现象。

进一步地，每块滑移块上均设置有从顶部延伸至底部的注浆孔。具体地，注浆孔与每块滑移块的外侧壁相接，在将第一滑移块组和第二滑移块组嵌入地层中后，向注浆孔内注浆，浆液将每块滑移块的外侧壁和地层中的土体结合，增加每块滑移块的外侧壁与地层中的土体之间的摩擦力，使得每块滑移块的外侧壁与地层中的土体之间的摩擦力大于第一滑移块组和第二滑移块组中两块滑移块之间的摩擦力，让两块滑移块可以发生更加明显的相对滑动。

进一步地，每块滑移块内均内置有一个位移传感器，每个位移传感器与后端处理器电性连接。位移传感器可以记录每块滑移块自身的位移量并将其上传至后端处理器。也可以通过第一滑移块组和第二滑移块组中的两个位移传感器的协同作用，可以获得逆断层错动过程中每组滑移块组内两个滑移块的相对位移，进而采取相应的工程措施。

进一步地，第一滑移块组和第二滑移块组的底部均为尖端朝下的锥形结构。在施工过程中，向地层中插入第一滑移块组和第二滑移块组时，可以有效降低第一滑移块组和第二滑移块组与土体之间的动摩擦力，在后期逆断层错动发生时，可以增强第一滑移块组和第二滑移块组底部的锚固效应。

进一步地，第一滑移块组和第二滑移块组的顶部均设置有用于封堵多个注浆孔和两块滑移块之间间隙的防水橡胶板；防水橡胶板通过螺栓固定在第一滑移块组和第二滑移块组的顶部，密封第一滑移块组和第二滑移块组的顶部，防止结构施工过程中因为雨水灌入发生渗漏的风险，其特点为可以随时安装、拆卸。由于防水橡胶板的强度较低，其在逆断层错动的时候会自动断裂，从而不影响每个滑移块组中的两块滑移板的相对滑动。

第一滑移块组和第二滑移块组的底部均设置有内嵌式橡胶套，内嵌式橡胶套位于每组滑移块组的两块滑移块之间。用于防止地下水的渗入，从而避免第一滑移块组和第二滑移块组中的两块滑移板间积水，提高此结构的安全性与耐久性。

进一步地，隧道的埋深为H

第二滑移块组设置于隧道长度方向的右侧；第二滑移块组的左侧侧壁与隧道外壁之间的最短水平间距为W

第一滑移块组和第二滑移块组的底部与地表面之间的竖直间距均为H

第一滑移块组和第二滑移块组与地表面之间的夹角均为θ，夹角θ的取值为：θ＝α+15°。在设计用于逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构时，应遵循设计参数的规定，以达到更稳定的抗错动组合结构。

本发明的有益效果为：本发明中一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构，通过在隧道长度方向的两侧设置第一滑移块组和第二滑移块组，第一滑移块组和第二滑移块组吸收逆断层错动释放的能量，避免能量传递至隧道上，保护隧道结构不发生失稳现象，第一滑移块组和第二滑移块组是设置于隧道外部的，在对保护隧道结构不发生失稳的基础上，不会改变隧道的整体结构和不会减小隧道断面，解决了传统的隧道保护措施，存在加固后的隧道结构整体性差和隧道断面减小的问题。

附图说明

图1为一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构的结构示意图。

图2为一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构与地层的相对位置关系的平面正视图。

图3为啮合钢齿的俯视结构示意图。

图4为单组滑移块组的正视结构示意图。

图5为单组滑移块组的三维拆解结构示意图。

图6为一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构的尺寸标注图。

图7为一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构的施工流程图。

其中，1、第一滑移块组；2、第二滑移块组；3、左上滑移块；4、左下滑移块；5、右上滑移块；6、右下滑移块；7、隧道；8、地表面；9、逆断层破裂面；9A、在第一滑移块组左侧的逆断层破裂面；9B、在隧道右侧且在第二滑移块组左侧的逆断层破裂面；9C、在第二滑移块组右侧的逆断层破裂面；10、啮合钢齿；11、锥形结构；12、内凹齿槽；13、突出钢齿；14、注浆孔；15、螺栓；16、防水橡胶板；17、内嵌式橡胶条；18、位移传感器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～2所示，本发明提供了一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构，其包括第一滑移块组1和第二滑移块组2，第一滑移块组1和第二滑移块组2分别设置于隧道7长度方向的两侧；第一滑移块组1和第二滑移块组2相互平行设置；第一滑移块组1和第二滑移块组2的顶部与地表面8平齐，第一滑移块组1和第二滑移块组2的底部嵌入地层中；第一滑移块组1和第二滑移块组2相对于地表面8倾斜设置；第一滑移块组1和第二滑移块组2均包括两块相互滑动连接的滑移块。

具体地，第一滑移块组1设置于隧道7长度方向的左侧，第一滑移块组1中的两块滑移块分别为左上滑移块3和左下滑移块4两块滑移块；第二滑移块组2设置于隧道7长度方向的右侧，第二滑移块组2中的两块滑移块分别为右上滑移块5和右下滑移块6两块滑移块，其中左上滑移块3和右上滑移块5的结构构造相同，左下滑移块4和右下滑移块6的结构构造相同。左上滑移块3和左下滑移块4、右上滑移块5和右下滑移块6通过啮合钢齿面10组合。啮合钢齿面10的设置使得左上滑移块3和左下滑移块4之间、右上滑移块5和右下滑移块6之间的滑动方向均为第一滑移块组1和第二滑移块组2的宽度方向。

当隧道7周围的土层发生逆断层错动时，通过土体的挤压作用，第一滑移块组1和第二滑移块组2中的两块滑移块可以发生相对位移，进而吸收逆断层错动释放的能量，避免能量传递至隧道7上，保护隧道7结构不发生失稳现象，而且第一滑移块组1和第二滑移块组2是相对于地表面8倾斜设置的，使得第一滑移块组1和第二滑移块组2也具有横向和竖向的分量，可以从水平和竖直两个方向释放断层错动产生的位移和能量，从而保护隧道7。由于逆断层错动在实际工程中产生位置的不确定性，设置两个相互平行的滑移块组可解决断层位置不确定性的问题。

具体地，如图2所示，逆断层错动产生的破裂型式分为：在第一滑移块组左侧的逆断层破裂面9A、在隧道右侧且在第二滑移块组左侧的逆断层破裂面9B和在第二滑移块组右侧的逆断层破裂面9C三种破裂面型式，对于在第一滑移块组左侧的逆断层破裂面9A，主要是第一滑移块组1发挥作用。第一滑移块组1左侧的土体因为逆断层错动向上运动，通过土体与第一滑移块组1中的左上滑移块3左侧面的动摩擦力，推动左上滑移块3向上运动，并使其与左下滑移块4产生相对位移，从而释放逆断层错动产生的能量，减少隧道7发生的位移。对于在隧道右侧且在第二滑移块组左侧的逆断层破裂面9B，通过第二滑移块组2中的右上滑移块5左侧面的动摩擦力，推动右上滑移块5向上运动，并使其与右下滑移块6产生相对位移，从而释放逆断层错动产生的能量。同时，由于第一滑移块组1周围的土体的密度因为逆断层错动而下降，第一滑移块组1也会发生相对滑动，从而释放逆断层错动产生的能量。对于在第二滑移块组右侧的逆断层破裂面9C，土体的逆断层错动作用会使第一滑移块组1、第二滑移块组2和隧道7三者一起随着断层上盘一起运动。上盘侧的土体发生密度变化，左上滑移块3、左下滑移块4、右上滑移块5和右下滑移块6都将发生小幅度的相对滑动，进而释放逆断层错动产生的会使隧道7发生扰动的能力，最终保护隧道7的结构不发生破坏。

具体地，左上滑移块3、左下滑移块4、右上滑移块5和右下滑移块6的材质均为呈矩形结构的刚性钢片；每块滑移块的长度方向均与隧道7的长度方向同向；每块滑移块的宽度方向相对于地表面8倾斜设置；所述第一滑移块组1和第二滑移块组2中的两块滑移块之间均设置有所述啮合钢齿面10。

优选但不局限地，如图1和图3所示，作为啮合钢齿面10的具体设置方式，啮合钢齿面10包括多个间隔均匀设置的突出钢齿13，相邻两个突出钢齿13之间形成内凹齿槽12；第一滑移块组1和第二滑移块组2中的两块滑移块的内侧面上均设置有多个突出钢齿13，每个突出钢齿13的长度方向与第一滑移块组1和第二滑移块组2的宽度方向同向。第一滑移块组1和第二滑移块组2中的两块滑移块配合时，突出钢齿13嵌合设置于内凹齿槽12内部。

同时每个突出钢齿13的顶部均倒圆角设置，每个内凹齿槽12的内部为直角设置，这样设置的目的在于，当突出钢齿13嵌合于内凹齿槽12内部时，使两块滑移块产生间隙，便于注入润滑剂，减小每个滑移块组中的两块滑移块之间的摩擦力，便于通过两块滑移块之间的相对移动，实现吸收逆断层错动释放的能量，保护隧道7结构不发生失稳现象。

如图3所示，每块滑移块上均设置有从顶部延伸至底部的注浆孔14。具体地，注浆孔14与每块滑移块的外侧壁相接，在将第一滑移块组1和第二滑移块组2嵌入地层中后，向注浆孔14内注浆，浆液将每块滑移块的外侧壁和地层中的土体结合，增加每块滑移块的外侧壁与地层中的土体之间的摩擦力，使得每块滑移块的外侧壁与地层中的土体之间的摩擦力大于第一滑移块组1和第二滑移块组2中两块滑移块之间的摩擦力，让两块滑移块可以发生更加明显的相对滑动。

如图4和图5所示，每块滑移块内均内置有一个位移传感器18，每个位移传感器18与后端处理器电性连接。位移传感器18可以记录每块滑移块自身的位移量并上传将其至后端处理器。也可以通过第一滑移块组1和第二滑移块组2中的两个位移传感器18的协同作用，可以获得逆断层错动过程中每组滑移块组内两个滑移块的相对位移，进而采取相应的工程措施。

第一滑移块组1和第二滑移块组2的底部均为尖端朝下的锥形结构11。在施工过程中，向地层中插入第一滑移块组1和第二滑移块组2时，可以有效降低第一滑移块组1和第二滑移块组2与土体之间的动摩擦力，在后期逆断层错动发生时，可以增强第一滑移块组1和第二滑移块组2底部的锚固效应。

第一滑移块组1和第二滑移块组2的顶部均设置有用于封堵多个注浆孔14和两块滑移块之间间隙的防水橡胶板16；防水橡胶板16通过螺栓15固定在第一滑移块组1和第二滑移块组2的顶部，密封第一滑移块组1和第二滑移块组2的顶部，防止结构施工过程中因为雨水灌入发生渗漏的风险，其特点为可以随时安装、拆卸。由于防水橡胶板16的强度较低，其在逆断层错动的时候会自动断裂，从而不影响每个滑移块组中的两块滑移板的相对滑动。

第一滑移块组1和第二滑移块组2的底部均设置有内嵌式橡胶套，内嵌式橡胶套位于每组滑移块组的两块滑移块之间。用于防止地下水的渗入，从而避免第一滑移块组1和第二滑移块组2中的两块滑移板间积水，提高此结构的安全性与耐久性。

第一滑移块组1和第二滑移块组2的底部均设置有内嵌式橡胶套17，内嵌式橡胶套17位于每组滑移块组的两块滑移块之间。用于防止地下水的渗入，从而避免第一滑移块组1和第二滑移块组2中的两块滑移板间积水，提高此结构的安全性与耐久性。

如图6所示，隧道7的埋深为H

第二滑移块组2设置于隧道7长度方向的右侧；第二滑移块组2的左侧侧壁与隧道7外壁之间的最短水平间距为W

第一滑移块组1和第二滑移块组2的底部与地表面8之间的竖直间距均为H

第一滑移块组1和第二滑移块组2与地表面8之间的夹角均为θ，夹角θ的取值为：θ＝α+15°。在设计用于逆断层中保护隧道7的倾斜式刚性可滑移结构时，应遵循设计参数的规定，以达到更稳定的抗错动组合结构。

综上所述，本发明中一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构，通过在隧道7长度方向的两侧设置第一滑移块组1和第二滑移块组2，第一滑移块组1和第二滑移块组2吸收逆断层错动释放的能量，避免能量传递至隧道7上，保护隧道7结构不发生失稳现象，第一滑移块组1和第二滑移块组2是设置于隧道7外部的，在对保护隧道7结构不发生失稳的基础上，不会改变隧道7的整体结构和不会减小隧道7断面，解决了传统的隧道7保护措施，存在加固后的隧道7结构整体性差和隧道7断面减小的问题。

本发明还提供一种逆断层中保护隧道的倾斜式刚性可滑移结构的施工方法，包括(a)：在隧道7上侧开挖基坑。(b)：利用打桩机将第一滑移块组1和第二滑移块组2的下半部分按照预设角度插入土体。(c)在预插入第二滑移块组2位置的右侧填入土方，以对第二滑移块组2形成右侧支撑。(d)安装第二滑移块组2的上半部分。在预插入第一滑移块组1位置的右侧(第二滑移块组2的左侧)填入土方，以对第一滑移块组1形成右侧支撑。(e)安装第一滑移块组1的上半部分。(f)在第一滑移块组1位置的左侧填入土方并压实。此种施工方法可以减少开挖的土方量以减小对隧道7的扰动，提高滑移块组插入土体的效率，保证施工过程的安全性和高效性。