一种跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌

技术领域

本发明属于隧道设计技术领域，具体地，涉及一种跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌。

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张应变，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。现有技术有关穿越活动断层隧道的工程案例和文献资料，地下隧道(洞)工程的抗震设计方法为传统的加大结构断面、提高混凝土标号加强结构强度和刚度、增加厚度、提高配筋率等“硬抗”地震。

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，在该区段会受到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。

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，一般影响段也会发生隧道衬砌开裂、掉块等严重震害。

本专利为一般影响段提供一种跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌形式，减小强震影响，同时便于震后快速拆换修复。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌，其能够对破损部位快速修复，减小地震损失。

根据本发明，提供了一种跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌，包括：

围岩加固层；

设置在所述围岩加固层内侧的找平层；

设置在所述找平层内侧的减隔震层；

设置在所述减隔震层内侧的防水层；

以及设置在所述防水层内侧的衬砌结构层，所述衬砌结构层包括钢波纹板，在所述防水秤内通过植筋的方式预留用于安装所述钢波纹板的螺栓孔，钢波纹板作为隧道的最内侧结构，被震动损坏之后能够直接修复。

在一个优选的实施例中，所述衬砌结构层还包括泡沫混凝土层，所述钢波纹板设置在所述泡沫混凝土层的内侧。

在一个优选的实施例中，所述泡沫混凝土层的外侧设置为平面，与所述防水层接触，所述泡沫混凝土层的形状与所述钢波纹板的波纹形状相适配，所述钢波纹板间隙式设置在所述防水层的内侧，在所述钢波纹板和所述防水层之间的间隙内注入泡沫混凝土，从而形成所述泡沫混凝土层。

在一个优选的实施例中，所述衬砌结构层的厚度为20～30cm。

在一个优选的实施例中，所述钢波纹板的施工工艺包括：

植筋施工，在所述防水层内采用植筋的方式预留用于安装所述钢波纹板的螺栓孔；

拼装钢波纹板，将所述钢波纹板通过预留的螺栓孔依次与所述防水层连接，在所述钢波纹板与所述防水层之间留有空隙；

板后注浆，在所述钢波纹板和所述防水层之间注入泡沫混凝土，从而形成泡沫混凝土层，在钢波纹板预留注浆孔，连接注浆软管，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，对钢波纹板和防水层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。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

在一个优选的实施例中，所述减隔震层采用速度相关性材料制成。

在一个优选的实施例中，所述减隔震层采用橡胶减隔震材料制成，所述减隔震层厚度为6～10cm。

在一个优选的实施例中，所述减隔震层采用负泊松比材料制成。

在一个优选的实施例中，所述围岩加固层包括系统锚管和注浆加固圈。

在一个优选的实施例中，所述找平层包括钢拱架和高韧性混凝土层。

与现有技术相比，本申请的优点之处在于：

本发明采用钢波纹板作为隧道的衬砌结构层，具有强度高、变形适应能力强、整体稳定性好的特点。本发明的钢波纹板设置在隧道的最内侧，也就是说，钢波纹板是裸露在外的，在这种设置下，若钢波纹板在震后被损坏，可以直接快速对钢波纹板进行更换，降低维修成本，降低隧道的整体损失。

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跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌的一种实施例的示意图；

图2显示了图1中A部分的放大示意图；

图3显示了根据本发明的钢波纹板的施工工艺流程图；

图4显示了本发明的相邻钢波纹板重叠部分的示意图。

图中：1、围岩加固层；2、找平层；3、减隔震层；4、防水层；5、衬砌结构层；51、钢波纹板；52、泡沫混凝土层；100、隧道钢结构衬砌型式。

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。

图1显示了根据本发明的跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌100的结构。如图1所示，跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌100包括从外到内依次设置的围岩加固层1、找平层2、减隔震层3、防水层4和衬砌结构层5。围岩加固层1为跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌100的最外层，找平层2设置在围岩加固层1的内侧，减隔震层3设置在找平层2的内侧，防水层4设置在减隔震层3的内侧，衬砌结构层5设置在防水层4的内侧。

根据本发明，衬砌结构层5包括钢波纹板51。也就是说，钢波纹板51设置在隧道100的最内侧，钢波纹板51处于裸露的状态。钢波纹板具有强度高、变形适应能力强、整体稳定性好的特点，并且，本发明的钢波纹板51裸露在外，若钢波纹板51由于震动发生破损之后，能够快速更换，节省维修成本，降低隧道100的损失。

如图2所示，衬砌结构层5还包括泡沫混凝土层52。泡沫混凝土层52的外侧设置为平面，与防水层4接触。泡沫混凝土层52的内侧形状与钢波纹板51的波纹形状相适配。

在本实施例中，由钢波纹板51和泡沫混凝土层52构造成的衬砌结构层5的厚度为20～30cm。在同等结构强度下，现有技术中的常规隧道复合式衬砌结构厚度需要45～65cm。因此，本发明的衬砌结构层5相比于现有技术中的常规隧道结构复合式衬砌结构厚度大幅度降低。通过这种设置，一方面能够减少隧道建造过程中的用料，降低隧道成本；另一方面，施工方便，能够节省施工时间。

具体地，多个钢波纹板51依次排列，通过铺设的方式设置在泡沫混凝土层52上。这种施工方式相比于现有技术中的复合式衬砌结构的施工方式简单，施工时间短。

在现有技术中，跨活动断裂带的隧道结构多采用加厚处理的方式，通过加强隧道结构来低于强烈地震作用，但是，根据事实统计表明，现有技术中的隧道结构在跨活动断裂带的一般影响段仍然会因强烈地震发生隧道衬砌开裂、掉块等严重震害，很难抵御强烈地震作用。

本发明采用钢波纹板51和泡沫混凝土层52作为衬砌结构层5，衬砌结构层5能够在具备与现有技术中常规复合式衬砌结构同等强度的基础上，具备更薄的厚度，节省用料。并且，本发明采用多块钢波纹板51均匀铺设在泡沫混凝土层52上，一旦衬砌结构层5在震后开裂、掉块等，只需要将其中开裂的几块钢波纹板51去除，再通过混凝土铺设新的钢波纹板51即可，能够在震后快速修复。

在一个对比例中，常规复合式衬砌结构在震后破损之后，需要三个月左右的修复时间。而本发明的衬砌结构层5在同等强度的震后破损之后，仅需要一个月左右的修复时间。

根据本发明，在一个优选的实施例中，减隔震层3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，从而提高跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌100的减隔震能力。

在另一个优选的实施例中，减隔震层3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减隔震层3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，能够增强跨活动断裂带的隧道钢结构衬砌100的减隔震能力。

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，找平层2采用混凝土制成，进一步地，采用钢拱架和高韧性混凝土加固形成。

在一个具体的实施例中，防水层4包括防水板。

隧道的施工过程如下：在围岩加固层1的内侧设置钢拱架，并喷射高性能混凝土形成找平层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；在找平层2的内侧设置速度相关性材料或者负泊松比材料形成减隔震层3；在减隔震层3的内侧铺设防水板形成防水层4；在防水层4的内侧设置钢波纹板51，钢波纹板51与防水层4之间存在空隙；在防水层4和钢波纹板51的空隙之间注入泡沫混凝土，形成泡沫混凝土层52。

本发明采用钢波纹板51和泡沫混凝土层52作为衬砌结构层5，不再增加钢筋混凝土作二衬。

在一个具体的实施例中，铺设钢波纹板51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51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51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51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51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51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51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防水层4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51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51脚部进行固定；最后，对钢波纹板51全环进行植筋作业。采用φ32锚杆将钢波纹板51与防水层4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51：分片拼装钢波纹板51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51的板缝和螺栓孔处渗水，在相邻钢波纹板51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51与开挖线之间注浆充实防水。安装钢波纹板51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51和防水层4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52。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。