CN105888697A - 一种跨断层隧道变形协调式支护结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨断层隧道变形协调式支护结构及其施工方法，其特征在于：在左侧变形协调拱、右侧变形协调拱与支护拱之间设置弹性变形控制体、竖向限位刚体、散体材料填充体；左侧变形协调拱和右侧变形协调拱的上表面设置排水沟槽、竖向限位刚体限位凹槽，相接处呈台阶形并设置弹性接触层、竖向封闭体、后注胶孔；在支护拱的拱脚处设刚性加筋体，拱肩处设斜向加筋体，拱顶外侧设拱顶加筋层、弹性垫层；沿支护结构的外侧设置防水隔离层。本发明不但可以提升隧道支护结构抵抗断层部位差异变形的能力，而且可以改善支护结构的受力性能。本发明还公开了上述跨断层隧道变形协调式支护结构的施工方法。

Description

一种跨断层隧道变形协调式支护结构及其施工方法

技术领域

本发明属于地下工程与隧道工程领域，适用于对变形控制要求高的斜跨断层隧道支护工程，具体涉及一种可有效降低断层对隧道支护结构影响的跨断层隧道变形协调式支护结构及施工方法。

背景技术

山岭隧道工程施工过程中，常出现隧道与地下工程位于断层影响范围内的情况。尽管隧道结构通常被认为是抗震性能优越的工程建筑，然而，受断层部位剪应力集中现象明显，加之断层中泥、水和高地应力等因素的影响，易引起隧道支护结构发生灾难性的破坏。

已有一种减小隧道衬砌结构内力的结构及其施工方法，该结构包括两侧导坑初期支护、拱部初期支护、仰拱初期支护和仰拱回填，两侧导坑初期支护上分别设有小导管、后边墙衬砌，两侧厚边墙衬砌中分别预埋有钢板和锚固钢筋，锚固钢筋固定在预埋钢板上，拱部拱架两端的端面上分别固定有钢垫板，两钢垫板分别和两预埋钢板连接。该结构对支护拱不同部位强度进行了有针对性的增强，但所述支护拱结构仍为刚性支撑，抵抗震动变形、差异变形的能力较弱，无法消减局部集中应力的影响

一种用于大变形地层的隧道支护结构的施工工法，在其初期支护和二次衬砌之间设置有内层初期支护；其施工工法，当初期支护变形量达到可控变形量时，施作内层初期支护，否则不施作内层初期支护，并根据初期支护或内层初期支护的实际内轮廓施作二次衬砌。该施工工法对支护结构施作时间提出了具体的控制方式，但未涉及隧道支护结构改善问题，难以解决隧道支护结构在较大差异变形时的集中应力破坏问题。

综上所述，现有的隧道支护结构和施工方法虽在适宜的工况下取得了较好的工程效果，但结构在如何控制断层部位差异变形影响、提升结构抗震性能等方面尚存可改进之处。鉴于此，基于当前工程的实际需要，目前亟待发明一种不但可以有效协调隧道断层部位的差异变形，而且可以降低震动荷载影响，还可以防控隧道结构水损破坏的跨断层隧道变形协调式支护结构及施工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不但可以有效协调隧道断层部位的差异变形，而且可以降低震动荷载影响，还可以防控隧道结构水损破坏的跨断层隧道变形协调式支护结构及施工方法。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：

一种跨断层隧道变形协调式支护结构，其特征在于：在左侧变形协调拱、右侧变形协调拱与支护拱之间设置弹性变形控制体、竖向限位刚体、散体材料填充体；左侧变形协调拱和右侧变形协调拱的上表面设置排水沟槽、竖向限位刚体限位凹槽，相接处呈台阶形并设置弹性接触层、竖向封闭体、后注胶孔；在竖向限位刚体的上表面设弹性减震层和竖向封闭带，下表面设弹性减震层；在支护拱的拱脚处设刚性加筋体，拱肩处设斜向加筋体，拱顶外侧设拱顶加筋层、弹性垫层；沿支护结构的外侧设置防水隔离层。

所述弹性变形控制体包括外层腔壁、内层腔壁、腔壁连接体；外层腔壁和内层腔壁形状相同，呈圆球形或椭圆柱形或圆柱形；在内层腔壁的侧壁上设置两个腔体连接槽；在腔体连接槽上设封闭盖板、盖板限位槽、弹性拉结筋、弹性封闭体、连接转轴；弹性拉结筋采用弹簧材料制成，弹簧弹性模量根据内层腔壁与外层腔壁的允许压力差确定，且不大于腔体连接槽的弹性模量。

所述左侧变形协调拱和右侧变形协调拱采用钢筋混凝土结构，内侧壁与支护拱平行；左侧变形协调拱和右侧变形协调拱通过对弹性接触层注胶连接。

所述竖向限位刚体横断面呈“工字”形，采用钢板焊接而成；竖向限位刚体与弹性减震层、竖向封闭带粘贴连接；弹性减震层采用橡胶板切割而成，竖向封闭带采用橡胶皮或土工膜；竖向限位刚体表面粘贴弹性减震层后的外轮廓高度小于左侧变形协调拱、右侧变形协调拱与支护拱之间的距离。

所述刚性加筋体、拱顶加筋层分别与支护拱的拱脚内侧壁、拱顶外侧壁通过螺栓连接或粘贴连接。

所述防水隔离层沿支护拱、左侧变形协调拱、右侧变形协调拱的外侧呈环形密闭铺设，防水隔离层采用防水土工膜或橡胶皮。

一种跨断层隧道变形协调式支护结构的施工方法，包括以下施工步骤：

1)、构件预制：根据隧道开挖断面尺寸和设计要求，在预制厂预制支护拱、左侧变形协调拱、右侧变形协调拱；

2)、隧道断面开挖：根据地层情况确定合理的隧道开挖施工工艺，先开挖隧道断面上部土体，并打设斜向加筋体，然后进行喷浆稳固，再进行隧道下部土体挖除；

3)、防水隔离层铺设：沿隧道开挖面喷浆完成后，在喷浆面外侧均匀喷洒粘结剂，再全断面铺设防水隔离层，并在断层部位预留变形长度；

4)、左侧变形协调拱和右侧变形协调拱安装：在底部防水隔离层的上表面铺设左侧变形协调拱和右侧变形协调拱，在左侧变形协调拱和右侧变形协调拱的接缝部位通过后注胶孔对弹性接触层、竖向封闭体的接缝间隙注胶；

5)、弹性变形控制体和竖向限位刚体安装：在左侧变形协调拱和右侧变形协调拱的上表面安装弹性变形控制体和竖向限位刚体，使弹性变形控制体的外侧标高高于竖向限位刚体的顶标高；

6)、散体材料填充体填充：在左侧变形协调拱和右侧变形协调拱的上表面空隙内填充散体材料填充体，并适当震动密实；

7)、支护拱吊装；先在支护拱的拱顶部位依次粘贴拱顶加筋层和弹性垫层28；再分段吊装支护拱，使支护拱的底部与弹性变形控制体和散体材料填充体充分接触；

8)、径向排水管安装：在支护拱与左侧变形协调拱和右侧变形协调拱的顶部相接处设置径向排水管；

9)、刚性加筋体安装：在支护拱内侧拱脚部位布设刚性加筋体；

10)、隧道内部结构施工：上述施工完成后，进行支护拱内部标高及稳定性测试，再进行其他隧道内部结构施工。

本发明具有以下的特点和有益效果：(1)左侧变形协调拱与右侧变形协调拱接缝位于断层影响区域，可有效降低断层两侧差异变形引起的局部应力。(2)弹性变形控制体可根据内层腔与外层腔的压力差，动态控制支护拱的空间位置，并借助竖向限位刚体限制支护拱的最大变形范围。(3)根据支护拱的受力情况，对拱脚、拱肩、拱顶进行了补强设计，有助于提升结构的适用性和耐久性。(4)在支护结构外侧设置防水隔离层，在左侧变形协调拱与右侧变形协调拱上表面设置排水沟槽，可增强结构的隔、排水性能。

附图说明

图1是本发明一种跨断层隧道变形协调式支护结构示意图；

图2是图1弹性变形控制体横断面示意图；

图3是一种跨断层隧道变形协调式支护结构施工流程图。

图中：1-支护拱；2-左侧变形协调拱；3-右侧变形协调拱；4-弹性变形控制体；5-竖向限位刚体；6-散体材料填充体；7-排水沟槽；8-竖向限位刚体限位凹槽；9-弹性接触层；10-竖向封闭体；11-后注胶孔；12-弹性减震层；13-竖向封闭带；14-刚性加筋体；15-斜向加筋体；16-拱顶加筋层；17-防水隔离层；18-径向排水管；19-外层腔壁；20-内层腔壁；21-腔壁连接体；22-腔体连接槽；23-封闭盖板；24-盖板限位槽；25-弹性拉结筋；26-弹性封闭体；27-连接转轴；28-弹性垫层；29-断裂带；30-隧道穿越土层；31-隧道下部土层。

具体实施例

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

支护拱的设计及施工技术要求、左侧变形协调拱与右侧变形协调拱的设计及施工技术要求、散体材料填充体施工技术要求、隧道开挖施工技术要求等，本实施方式中不再赘述，重点阐述本发明涉及结构的实施方式。

图1是本发明一种跨断层隧道变形协调式支护结构示意图，图2是图1弹性变形控制体横断面示意图。参照图1～图2所示，一种跨断层隧道变形协调式支护结构，在左侧变形协调拱2、右侧变形协调拱3与支护拱1之间设置弹性变形控制体4、竖向限位刚体5、散体材料填充体6；左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3的上表面设置排水沟槽7、竖向限位刚体限位凹槽8，相接处呈台阶形并设置弹性接触层9、竖向封闭体10、后注胶孔11；在竖向限位刚体5的上表面设弹性减震层12和竖向封闭带13，下表面设弹性减震层12；在支护拱1的拱脚处设刚性加筋体14，拱肩处设斜向加筋体15，拱顶外侧设拱顶加筋层16、弹性垫层28；沿支护结构的外侧设置防水隔离层17。

支护拱1采用钢筋混凝土结构，混凝土强度C40，拱圈内径25m、壁厚40cm；支护拱1拱脚处的刚性加筋体14采用厚2cm的钢板轧制而成，钢板强度等级为Q235，刚性加筋体14与支护拱1通过粘贴连接；支护拱1拱肩处的斜向加筋体15采用全粘结锚杆，锚杆直径25mm；支护拱1顶部的拱顶加筋层16采用厚2cm的钢板轧制而成，钢板强度等级为Q235；在拱顶加筋层16的外侧粘贴弹性垫层28；弹性垫层28采用厚6mm的橡胶板。

左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3采用钢筋混凝土结构，内侧壁与支护拱平行，混凝土强度等级为C40；左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3相接处设置台阶，台阶宽40cm、高15cm；相接处的弹性接触层9、竖向封闭体10均采用厚10cm的弹性橡胶板；相接处的后注胶孔11直径2cm；左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3上表面的排水沟槽7横断面呈矩形，顶宽20cm、高5cm；竖向限位钢体限位凹槽宽25cm、深5cm。

弹性变形控制体4包括外层腔壁19、内层腔壁20、腔壁连接体21；外层腔壁19和内层腔壁20形状相同，呈圆柱形，外层腔壁19的直径为40cm，内层腔壁的直径为30cm，采用厚4mm的橡胶板；在内层腔壁20的侧壁设置两个腔体连接槽22，腔体连接槽22呈圆柱形，直径5cm，高5cm，采用厚2cm的橡胶板制成；在腔体连接槽22上设封闭盖板23、盖板限位槽24、弹性拉结筋25、弹性封闭体26、连接转轴27；封闭盖板23采用厚2cm的橡胶板，直径6cm；盖板限位槽24呈圆环形，槽高2cm、宽2.5cm，采用厚1cm的橡胶板制成；弹性拉结筋25采用高强度弹簧材料制成，弹性模量为20MPa；弹性封闭体26采用天然橡胶膜，厚2mm；连接转轴27采用直径1cm的轴承转轴。

竖向限位刚体5横断面呈“工字”形，采用钢板焊接而成，高30cm、宽25cm，钢材强度等级为Q235；竖向限位刚体5与弹性减震层12、竖向封闭带10粘贴连接；弹性减震层12采用厚2cm的橡胶板切割而成，竖向封闭带13采用厚2mm的土工膜。

散体材料填充体6采用洁净的砾砂。

防水隔离层17沿支护拱1、左侧变形协调拱2、右侧变形协调拱3的外侧呈环形密闭铺设，防水隔离层17采用厚1mm的防水土工膜制成。

径向排水管18采用直径110mm的排水软管，径向排水管的端部伸至防水隔离层17的外侧。

断裂带29影响区域宽10cm；隧道穿越土层30为弱风化砂岩；隧道下部土层31为弱风化花岗岩地层。

图3是一种跨断层隧道变形协调式支护结构施工流程图。如图3所示一种跨断层隧道变形协调式支护结构的施工方法，包括以下施工步骤：

1)、构件预制：根据隧道开挖断面尺寸和设计要求，在预制厂预制支护拱1、左侧变形协调拱2、右侧变形协调拱3；

2)、隧道断面开挖：根据地层情况确定合理的隧道开挖施工工艺，先开挖隧道断面上部土体，并打设斜向加筋体15，然后进行喷浆稳固，再进行隧道下部土体挖除；

3)、防水隔离层17铺设：沿隧道开挖面喷浆完成后，在喷浆面外侧均匀喷洒粘结剂，再全断面铺设防水隔离层17，并在断层部位预留变形长度；

4)、左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3安装：在底部防水隔离层17的上表面铺设左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3，在左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3的接缝部位通过后注胶孔11对弹性接触层9、竖向封闭体10的接缝间隙注胶；

5)、弹性变形控制体4和竖向限位刚体5安装：在左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3的上表面安装弹性变形控制体4和竖向限位刚体5，使弹性变形控制体4的外侧标高高于竖向限位刚体5的顶标高；

6)、散体材料填充体6填充：在左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3的上表面空隙内填充散体材料填充体6，并适当震动密实；

7)、支护拱1吊装；先在支护拱1的拱顶部位依次粘贴拱顶加筋层16和弹性垫层28；再分段吊装支护拱1，使支护拱1的底部与弹性变形控制体4和散体材料填充体6充分接触；

8)、径向排水管18安装：在支护拱1与左侧变形协调拱2和右侧变形协调拱3的顶部相接处设置径向排水管18；

9)、刚性加筋体14安装：在支护拱1内侧拱脚部位布设刚性加筋体14；

10)、隧道内部结构施工：上述施工完成后，进行支护拱1内部标高及稳定性测试，再进行其他隧道内部结构施工。

Claims (7)

1.一种跨断层隧道变形协调式支护结构，其特征在于：在左侧变形协调拱(2)、右侧变形协调拱(3)与支护拱(1)之间设置弹性变形控制体(4)、竖向限位刚体(5)、散体材料填充体(6)；左侧变形协调拱(2)和右侧变形协调拱(3)的上表面设置排水沟槽(7)、竖向限位刚体限位凹槽(8)，相接处呈台阶形并设置弹性接触层(9)、竖向封闭体(10)、后注胶孔(11)；在竖向限位刚体(5)的上表面设弹性减震层(12)和竖向封闭带(13)，下表面设弹性减震层(12)；在支护拱(1)的拱脚处设刚性加筋体(14)，拱肩处设斜向加筋体(15)，拱顶外侧设拱顶加筋层(16)、弹性垫层28；沿支护结构的外侧设置防水隔离层(17)。

2.根据权利要求1所述的一种跨断层隧道变形协调式支护结构，其特征在于：所述弹性变形控制体(4)包括外层腔壁(19)、内层腔壁(20)、腔壁连接体(21)；外层腔壁(19)和内层腔壁(20)形状相同，呈圆球形或椭圆柱形或圆柱形；在内层腔壁(20)的侧壁上设置两个腔体连接槽(22)；在腔体连接槽(22)上设封闭盖板(23)、盖板限位槽(24)、弹性拉结筋(25)、弹性封闭体(26)、连接转轴(27)；弹性拉结筋(25)采用弹簧材料制成，弹簧弹性模量根据内层腔壁(20)与外层腔壁(19)的允许压力差确定，且不大于腔体连接槽(22)的弹性模量。

3.根据权利要求1所述的一种跨断层隧道变形协调式支护结构，其特征在于：所述左侧变形协调拱(2)和右侧变形协调拱(3)采用钢筋混凝土结构，内侧壁与支护拱(1)平行；左侧变形协调拱(2)和右侧变形协调拱(3)通过对弹性接触层(9)注胶连接。

4.根据权利要求1所述的一种跨断层隧道变形协调式支护结构，其特征在于：所述竖向限位刚体(5)横断面呈“工字”形，采用钢板焊接而成；竖向限位刚体(5)与弹性减震层(12)、竖向封闭带(10)粘贴连接；弹性减震层(12)采用橡胶板切割而成，竖向封闭带(13)采用橡胶皮或土工膜；竖向限位刚体(5)表面粘贴弹性减震层(12)后的外轮廓高度小于左侧变形协调拱(2)、右侧变形协调拱(3)与支护拱(1)之间的距离。

5.根据权利要求1所述的一种跨断层隧道变形协调式支护结构，其特征在于：所述刚性加筋体(14)、拱顶加筋层(16)分别与支护拱(1)的拱脚内侧壁、拱顶外侧壁通过螺栓连接或粘贴连接。

6.根据权利要求1所述的一种跨断层隧道变形协调式支护结构，其特征在于：所述防水隔离层(17)沿支护拱(1)、左侧变形协调拱(2)、右侧变形协调拱(3)的外侧呈环形密闭铺设，防水隔离层(17)采用防水土工膜或橡胶皮。

7.一种跨断层隧道变形协调式支护结构的施工方法，其特征在于包括以下施工步骤：

1)、构件预制：根据隧道开挖断面尺寸和设计要求，在预制厂预制支护拱(1)、左侧变形协调拱(2)、右侧变形协调拱(3)；

2)、隧道断面开挖：根据地层情况确定合理的隧道开挖施工工艺，先开挖隧道断面上部土体，并打设斜向加筋体(15)，然后进行喷浆稳固，再进行隧道下部土体挖除；

3)、防水隔离层(17)铺设：沿隧道开挖面喷浆完成后，在喷浆面外侧均匀喷洒粘结剂，再全断面铺设防水隔离层(17)，并在断层部位预留变形长度；

4)、左侧变形协调拱(2)和右侧变形协调拱(3)安装：在底部防水隔离层(17)的上表面铺设左侧变形协调拱(2)和右侧变形协调拱(3)，在左侧变形协调拱(2)和右侧变形协调拱(3)的接缝部位通过后注胶孔(11)对弹性接触层(9)、竖向封闭体(10)的接缝间隙注胶；

5)、弹性变形控制体(4)和竖向限位刚体(5)安装：在左侧变形协调拱(2)和右侧变形协调拱(3)的上表面安装弹性变形控制体(4)和竖向限位刚体(5)，使弹性变形控制体(4)的外侧标高高于竖向限位刚体(5)的顶标高；

6)、散体材料填充体(6)填充：在左侧变形协调拱(2)和右侧变形协调拱(3)的上表面空隙内填充散体材料填充体(6)，并适当震动密实；

7)、支护拱(1)吊装；先在支护拱(1)的拱顶部位依次粘贴拱顶加筋层(16)和弹性垫层(28)；再分段吊装支护拱(1)，使支护拱(1)的底部与弹性变形控制体(4)和散体材料填充体(6)充分接触；

8)、径向排水管(18)安装：在支护拱(1)与左侧变形协调拱(2)和右侧变形协调拱(3)的顶部相接处设置径向排水管(18)；

9)、刚性加筋体(14)安装：在支护拱(1)内侧拱脚部位布设刚性加筋体(14)；

10)、隧道内部结构施工：上述施工完成后，进行支护拱(1)内部标高及稳定性测试，再进行其他隧道内部结构施工。