隧道穿越活动断层自调节结构体系

技术领域

本发明涉及隧道建设技术领域，尤其涉及隧道穿越活动断层自调节结构体系。

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，隧道能够根据断层的错动量自动调节，达到抗错断的目的自调节结构体系实有必要。

发明内容

本发明提供隧道穿越活动断层自调节结构体系，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种隧道穿越活动断层自调节结构体系，包括隧道、位移空间、竖向调节机构以及横向约束铰链机构；

所述隧道穿设于活动断层内，活动断层错动时向下移动的围岩为下盘围岩，设于下盘围岩内的隧道与下盘围岩之间设有所述位移空间，所述竖向调节机构和所述横向约束铰链机构均设于所述位移空间内；

所述竖向调节机构包括设于所述隧道两侧的且竖向设置的齿轮装置，所述齿轮装置分别与所述位移空间内壁和所述隧道外壁连接；当活动断层错动后，下盘围岩向下移动，上盘围岩能够对所述隧道进行夹持，所述隧道相对下盘围岩向上移动，齿轮装置具有制动功能，能够为设于下盘围岩内的所述隧道提供竖向的支撑力，并能够防止设于隧道相对上盘围岩向下移动，保持隧道竖向方向的位置不变；所述隧道的两侧均设有所述横向约束铰链机构，所述横向约束铰链机构的两端分别与所述位移空间内壁与所述隧道外壁连接，为所述隧道提供横向位移约束。

进一步的，所述齿轮装置包括制动双联齿轮结构、若干变向齿轮结构、承力履带以及锚杆；

所述锚杆固定在所述位移空间内壁上，且制动双联齿轮结构和变向齿轮结构均与所述锚杆连接；

所述制动双联齿轮结构设于所述位移空间上部，若干所述变向齿轮结构设于所述位移空间的侧部和下部；所述承力履带穿过所述制动双联齿轮结构和所述变向齿轮结构，所述承力履带的两端分别与所述隧道的同侧的上部外壁以及下部外壁固定连接；

所述制动双联齿轮结构包括第二转动齿轮、与第二转动齿轮同轴连接的制动齿轮以及设于所述制动齿轮上侧的制动舌，第二转动齿轮、制动齿轮以及制动舌均可转动的安装于和所述锚杆连接的第二叉式支架上，制动齿轮受力向远离隧道方向转动时，制动舌的自由端搭接于所述制动齿轮的齿牙上，所述制动齿轮在受到使其向靠近所述隧道方向转动的力时，所述制动舌的自由端插设于制动齿轮相邻齿牙之间，防止制动齿轮反向转动；

所述变向齿轮结构包括第一转动齿轮和第一叉式支架；第一转动齿轮可转动的安装于和所述锚杆连接的第一叉式支架上，所述承力履带绕于所述第一转动齿轮以及第二转动齿轮上，且与所述第一转动齿轮以及第二转动齿轮齿合；

当活动断层错动时，下盘围岩下移，上盘围岩夹持隧道，隧道相对于下盘围岩向上移动，第一转动齿轮、制动齿轮以及第二转动齿轮向远离隧道的方向转动，承力履带远离所述隧道的一侧向下运动，活动断层错动后，制动舌的自由端插设于所述制动齿轮相邻的齿牙之间，防止制动齿轮、第一转动齿轮、第二转动齿轮向靠近隧道的方向转动。

进一步的，所述制动舌的自由端设于远离所述隧道的一侧，所述制动舌的连接端设于靠近所述隧道的一侧。

进一步的，所述制动双联齿轮结构还包括第二转轴和第三转轴，所述第二叉式支架的一端通过所述锚杆固定在所述位移空间的内壁上，另一端设有所述第二转轴，所述第二转动齿轮和所述制动齿轮沿所述第二转轴的轴向方向依次可转动的安装于所述第二转轴上，所述第三转轴安装于所述第二叉式支架上，且设于所述制动齿轮上侧，所述第三转轴与所述第二转轴平行设置，所述制动舌的连接端与所述第三转轴可转动连接，所述制动舌的自由端的高度低于所述制动舌的连接端的高度；

所述变向齿轮结构还包括第一转轴，所述第一叉式支架的一端与所述锚杆的一端固定连接，另一端设有所述第一转轴，所述第一转动齿轮可转动的安装于所述第一转轴上。

进一步的，所述横向约束铰链机构包括若干沿水平方向设置且由下至上依次排列的链杆，所述链杆的一端与所述位移空间的内壁固定连接，另一端与所述隧道的外壁固定连接，所述链杆具有对所述隧道横向的约束力。

进一步的，所述隧道外壁上侧和下侧均设有固定结构，所述承力履带通过所述固定结构与所述隧道连接，所述固定结构包括插销和固定在所述隧道外壁上的一对间隔设置的连接耳，所述连接耳上设有所述插销孔，所述承力履带的端部设有连接孔，所述承力履带的端部设于一对所述连接耳之间，所述插销穿过所述连接耳上的插销孔和所述承力履带上的连接孔，使所述承力履带与所述连接耳铰接。

进一步的，所述制动齿轮的直径大于所述第二转动齿轮的直径。

进一步的，所述位移空间纵向截面的内壁轮廓为S形曲线；

所述位移空间横向截面的形状为圆形或椭圆形。

进一步的，所述横向约束铰链机构与所述竖向调节机构交错布设。

进一步的，所述隧道包括公路隧道、铁路隧道、引水隧洞或管廊。

本发明的有益效果是：

本发明中公开的隧道穿越活动断层自调节结构体系，通过位移空间将原本直接接触的活动断层下盘围岩和隧道进行分离，将下盘中原本由围岩提供的竖向拉力由齿轮装置承担，原本由围岩提供的横向支撑力由横向约束铰链承担；本发明的齿轮装置具有制动功能，当断层下盘围岩向下错动时，隧道结构在上盘围岩的挟持作用下相对于位移空间向上移动，齿轮装置能够为设于下盘围岩内的隧道提供竖向的支撑力，当断层错动后，齿轮装置能够防止隧道相对上盘围岩向下移动，能够保持隧道竖向方向的位置不变，横向约束铰链机构在以上过程中为隧道提供横向约束；本发明具有根据断层错动量实现自身调节的功能，使断层的错动量合理地分配到设计的隧道段，消除或基本消除断层错动对隧道结构的影响，保持隧道结构稳定；而且，断层位置隧道在竖向上维持平整，维持公路和铁路隧道等结构的稳定性，保证行车的舒适与安全。

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隧道穿越活动断层自调节结构体系横断面示意图；

图2为本发明实施例中公开的隧道穿越活动断层自调节结构体系横向铰链约束机构横断面示意图；

图3为本发明实施例中公开的隧道穿越活动断层自调节结构体系位移空间纵剖面示意图；

图4为本发明实施例中公开的隧道穿越活动断层自调节结构体系制动双联齿轮结构示意图；

图5为本发明实施例中公开的隧道穿越活动断层自调节结构体系变向齿轮结构示意图；

图6为本发明实施例中公开的隧道穿越活动断层自调节结构体系固定结构示意图。

图中：1、隧道；2、位移空间；3、竖向调节机构；4、横向约束铰链机构；41、链杆；5、活动断层；6、下盘围岩；7、上盘围岩；8、制动双联齿轮结构；81、第二转动齿轮；82、制动齿轮；83、制动舌；84、第二叉式支架；85、第二转轴；86、第三转轴；9、变向齿轮结构；91、第一转动齿轮；92、第一叉式支架；93、第一转轴；10、承力履带；11、固定结构；111、插销；112、连接耳；12、锚杆；13、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隧道穿越活动断层自调节结构体系，包括隧道1、位移空间2、竖向调节机构3以及横向约束铰链机构4；

所述隧道1穿设于活动断层5内，活动断层5错动时向下移动的围岩为下盘围岩6，设于下盘围岩6内的隧道1与下盘围岩之间设有所述位移空间2，所述竖向调节机构和所述横向约束铰链机构均设于所述位移空间2内；

所述竖向调节机构3包括设于所述隧道两侧的且竖向设置的齿轮装置，所述齿轮装置分别与所述位移空间2内壁和所述隧道外壁连接；当活动断层错动后，下盘围岩6向下移动，上盘围岩7能够对所述隧道1进行夹持，所述隧道1相对下盘围岩6向上移动，齿轮装置具有制动功能，能够为设于下盘围岩6内的所述隧道1提供竖向的支撑力，并能够防止设于隧道1相对上盘围岩7向下移动，保持隧道1竖向方向的位置不变；所述隧道1的两侧均设有所述横向约束铰链机构4，所述横向约束铰链机构4的两端分别与所述位移空间2内壁与所述隧道1外壁连接，为所述隧道1提供横向位移约束。

本发明中公开的隧道穿越活动断层自调节结构体系，通过位移空间将原本直接接触的活动断层下盘围岩和隧道进行分离，将下盘中原本由围岩提供的竖向拉力由齿轮装置承担，原本由围岩提供的横向支撑力由横向约束铰链承担；本发明的齿轮装置具有制动功能，当断层下盘围岩向下错动时，隧道结构在上盘围岩的挟持作用下相对于位移空间向上移动，齿轮装置能够为设于下盘围岩内的隧道提供竖向的支撑力，当断层错动后，齿轮装置能够防止隧道相对上盘围岩向下移动，能够保持隧道竖向方向的位置不变，横向约束铰链机构在以上过程中为隧道提供横向约束；本发明具有根据断层错动量实现自身调节的功能，使断层的错动量合理地分配到设计的隧道段，消除或基本消除断层错动对隧道结构的影响；而且，断层位置隧道在竖向上维持平整，对于公路和铁路隧道保证了行车的舒适与安全。

在具体实施例中，所述齿轮装置包括制动双联齿轮结构8、若干变向齿轮结构9、承力履带10以及锚杆12；

所述锚杆12固定在所述位移空间2内壁上，即围岩13上，且制动双联齿轮结构和变向齿轮结构均与所述锚杆12连接；

所述制动双联齿轮结构8设于所述位移空间上部，若干所述变向齿轮结构设于所述位移空间的侧部和下部；所述承力履带穿过所述制动双联齿轮结构和所述变向齿轮结构，所述承力履带的两端分别与所述隧道的同侧的上部外壁以及下部外壁固定连接；承力履带与隧道顶部和隧道底部连接段均为竖直布设，从而保证隧道的竖向可移动性；

如图4所示，所述制动双联齿轮结构8包括第二转动齿轮81、与第二转动齿轮同轴连接的制动齿轮82以及设于所述制动齿轮82上侧的制动舌83，第二转动齿轮81、制动齿轮82以及制动舌83均可转动的安装于和所述锚杆连接的第二叉式支架84上，制动齿轮82受力向远离隧道1方向转动时，制动舌83的自由端搭接于所述制动齿轮82的齿牙上，所述制动齿轮82在受到使其向靠近所述隧道1方向转动的力时，所述制动舌83的自由端插设于制动齿轮82相邻齿牙之间，防止制动齿轮82反向转动；

如图5所示，所述变向齿轮结构9包括第一转动齿轮91和第一叉式支架92；第一转动齿轮91可转动的安装于和所述锚杆连接的第一叉式支架92上，所述承力履带10绕于所述第一转动齿轮91以及第二转动齿轮81上，且与所述第一转动齿轮91以及第二转动齿轮81齿合；

当活动断层5错动时，下盘围岩6下移，上盘围岩7夹持隧道，隧道1相对于下盘围岩6向上移动，承力履带10向下的受力减小，第一转动齿轮91、制动齿轮82以及第二转动齿轮81向远离隧道1的方向转动，承力履带10远离所述隧道的一侧向下运动，活动断层5错动后，制动舌83的自由端插设于所述制动齿轮82相邻的齿牙之间，防止制动齿轮82、第一转动齿轮91、第二转动齿轮81向靠近隧道1的方向转动。

优选的，所述制动双联齿轮结构8还包括第二转轴85和第三转轴86，所述第二叉式支架84的一端通过所述锚杆12固定在所述位移空间2的内壁上(下层围岩上)，另一端设有所述第二转轴85，所述第二转动齿轮81和所述制动齿轮82沿所述第二转轴85的轴向方向依次可转动的安装于所述第二转轴85上，所述第三转轴86安装于所述第二叉式支架84上，且设于所述制动齿轮82上侧，所述第三转轴86与所述第二转轴85平行设置，所述制动舌83的连接端与所述第三转轴86可转动连接，所述制动舌83的自由端的高度低于所述制动舌83的连接端的高度；

所述变向齿轮结构9还包括第一转轴93，所述第一叉式支架92的一端与所述锚杆12的一端固定连接，另一端设有所述第一转轴93，所述第一转动齿轮91可转动的安装于所述第一转轴93上；第一转动齿轮91设于位移空间的侧部以及底部，与承力履带10齿合，并保持同步转动；所述第二转动齿轮81设于位移空间内部顶部，与承力履带10齿合，第二转动齿轮81、制动齿轮82和承力履带10保持同步转动和同步制动；当断层错位时，下层围岩下移，在上层围岩的夹持下，隧道相对于下层围岩向上移动，制动齿轮82向远离隧道的方向转动(图1中箭头所示方向)，即向制动舌83的自由端方向转动，制动舌83设置在制动齿轮上侧，制动舌83的自由端搭接在制动齿轮82上，制动舌83在制动齿轮82的驱动下绕第三转轴86小幅转动，从而不影响制动齿轮82以及通过第二转轴与制动齿轮82同轴连接的第二转动齿轮的转动，因此不影响承力履带10的转动；相反地，当制动齿轮82受到朝反方向，即靠近隧道的方向转动的力时，制动舌83的自由端插设于所述制动齿轮82相邻的齿牙之间，制动舌83能够与制动齿轮82的齿轮咬合，从而阻止制动齿轮82的转动，达到制动的目的，即制动齿轮82不能朝靠近隧道的方向转动，实现承力履带10的制动，防止断层错动后隧道在竖向方向上移位，保证隧道竖向方向位置的稳定性；当断层错动后，制动齿轮82以及制动舌83(制动齿轮的单向转动性)继续为隧道提供竖向方向的支撑力；本体系能够实现根据错动量进行隧道受力调节的功能，进而消除或基本消除断层错动对隧道结构的影响。

在具体实施例中，所述制动舌83的自由端设于远离所述隧道1的一侧，所述制动舌83的连接端与第三转轴86连接，并设于靠近所述隧道1的一侧，承力履带设于隧道两侧的位移空间内，当断层错动时，承力履带10的远离隧道，即绕过位移空间顶部的第二转动齿轮81的承力履带10的一侧向下移动，第二转动齿轮81上部向远离隧道方向转动，制动舌的自由端设于远离隧道的一侧，并搭接在第二转动齿轮81上，第二转动齿轮81转动时，能够驱动制动舌83的自由端，使其绕第三转轴86小幅转动，当断层错动后，第二转动齿轮受到驱动其上部向靠近隧道方向转动的力，此时，制动齿轮82也受到同向转动的驱动力，由于制动舌83的自由端插设于制动齿轮82的相邻齿牙之间，与制动齿轮的齿牙配合，实现齿轮以及承力履带的制动。

在具体实施例中，所述横向约束铰链机构4包括若干沿水平方向设置且由下至上依次排列的链杆41，所述链杆41的一端与所述位移空间2的内壁固定连接，另一端与所述隧道1的外壁固定连接，每根链杆设置为不可伸缩，所述链杆41具有对所述隧道1横向的约束力。

在具体实施例中，所述隧道1外壁上侧和下侧均设有固定结构11，所述承力履带10通过所述固定结构11与所述隧道1连接，如图6所示，所述固定结构11包括插销111和固定在所述隧道外壁上的一对间隔设置的连接耳112，所述连接耳112上设有所述插销孔，所述承力履带10的端部设有连接孔，所述承力履带10的端部设于一对所述连接耳112之间，所述插销111穿过所述连接耳112上的插销孔和所述承力履带10上的连接孔，使所述承力履带10与所述连接耳112铰接。当承力履带10安装有些许角度偏差以及振动时，承力履带10可绕插销111进行转动调节。

在具体实施例中，所述制动齿轮82的直径大于所述第二转动齿轮81的直径。制动齿轮82与第二转动齿轮81同轴设置，旋转角度一致，大直径的制动齿轮外周转动周长大于第二转动齿轮81外周转动周长，更便于制动舌与制动齿轮配合迅速制动，实现承力履带和齿轮制动的快速实现，为断层错动后的隧道及时提供竖向的支撑力，并提高制动能力，防止隧道竖向方向位移。

在具体实施例中，所述位移空间2纵向截面的内壁轮廓为S形曲线；

所述位移空间2横向截面的形状为圆形或椭圆形。

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1所示，位移空间2横向截面的形状设置为圆形。

在具体实施例中，所述横向约束铰链机构4与所述竖向调节机构3交错布设，避免空间位置干涉，互不干扰实现其各自功能。

在具体实施例中，所述隧道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。