CN107120125B - 一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系 - Google Patents
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Abstract
一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系，涉及隧道支护领域，包括普通支护段、注浆过渡段和抗震支护段，普通支护段与抗震支护段通过注浆过渡段衔接，抗震支护段包括顶拱抗震结构和底拱抗震结构，其中，顶拱抗震结构包括初支抗震层、二衬抗震外层、钢板模具、减震弹簧、橡胶垫层和二衬抗震内层，初支抗震层和二衬抗震外层依次设置在围岩内侧，橡胶垫层镶嵌在二衬抗震外层内侧的中部，钢板模具和减震弹簧设置在二衬抗震外层和二衬抗震内层之间的两端。本发明解决了较大断层错动位移对支护结构内力的影响，进一步提高隧道的抗震性能，还能根据实际情况选择采用多个单元体进行组合。
Description
技术领域
本发明涉及隧道支护领域，具体涉及一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系。
背景技术
近年来，随着地下结构数量的增多和世界范围内强震频发，地下结构抗震问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视，在一些大型隧道工程不可避免的要通过活动断层或高烈度地震区，特别是山岭隧道在近场作用下穿越或平行断层施工的情况尚无明确的指南和规范指导，目前高烈度地震区山岭隧道跨活动断层或软弱破碎带施工时，主要有以下几种支护形式：
(1)、预加固结构，穿越较小的软弱破碎带时，隧道结构抗震性能可以得到一定程度提高，但隧道穿越大型活动断裂带时，衬砌结构的抗震性能提升不大。
(2)、设置减震层，由于减震层厚度具有限制，不能很好的解决断层错动位移对结构内力的影响，尤其是在错动量较大的断层区还是会使结构在断层处的横向剪应力急剧增加而发生破坏。
(3)、设置减震缝，由于减震缝长度较短(2～3cm)的原因，只能发挥很局限的作用，不适合在错动量较大的断层区使用。
(4)、断面扩挖结构，在断层带宽度较小的情况下，扩挖是最简单有效的抗断防护方式，但如果隧道通过大型的断层带区域，则扩大隧道横断面方法将会显著增加开挖面积和工程造价，延长隧道建设工期。同时，隧道扩挖段增加了结构形状的突变，围岩与结构出现刚度不匹配现象，强震发生时易发生结构损伤或明塌。
对此，2015年西南交通大学提供一种“跨大型活动断裂带隧道抗震型结构”，该发明申请号为2015103326252，其包括隧道初期支护层、减震层、防水层和二次衬砌层，减震层为多孔材料，减震层中纵向分布有钢筋，在活动断层面处减震层和二次衬砌层设置伸缩接头，在伸缩接头处减震层内钢筋由无缝钢管连接，连接处由沥青固定，二次衬砌层内设置"一"字型减震缝。该发明利用减震缝、扩挖和减震层多种技术结合，并且在活动断层设置的可沿隧道纵向伸缩的"T"字型减震缝和"一"字型减震缝，采用多种抗减震措施相结合以达到较好的抗减震效果，但其没有根本性解决跨大型活动断裂带支护问题，而且还需大幅度扩挖隧道断面，在断层处施工安全风险进一步的提高。
发明内容
乌兹别克斯坦安格连(Angren)～琶布(Pap)电气化铁路隧道工程通过库拉米山施工经验，该区域属于MSK9°地震烈度区，地质条件复杂，构造运动频繁，地震烈度和震害风险高，工程共穿越7道断层，针对背景技术中的问题，结合上述工程的特性，现提出一种能有效运用在跨断层高烈度地区的隧道抗震结构，也为国内类似工程提供借鉴和参考，具体方案如下所述：
一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系，包括普通支护段、注浆过渡段和抗震支护段，所述普通支护段与所述抗震支护段通过所述注浆过渡段衔接，所述抗震支护段包括顶拱抗震结构和底拱抗震结构；
所述顶拱抗震结构包括初支抗震层、二衬抗震外层、钢板模具、减震弹簧、橡胶垫层和二衬抗震内层，所述初支抗震层和所述二衬抗震外层依次设置在围岩内侧，所述橡胶垫层镶嵌在所述二衬抗震外层内侧的中部，所述钢板模具和所述减震弹簧设置在所述二衬抗震外层和所述二衬抗震内层之间的两端，所述橡胶垫层内表面与所述二衬抗震内层内表面齐平，所述钢板模具包括外层钢板和内层钢板，所述减震弹簧两端分别嵌入所述外层钢板和所述内层钢板内，所述钢板模具包括外层钢板和内层钢板，所述减震弹簧两端分别嵌入所述外层钢板和所述内层钢板内，所述外层钢板紧贴所述二衬抗震外层，所述内层钢板紧贴所述二衬抗震内层，所述橡胶垫层两端与所述减震弹簧分别通过位于所述钢板模具内的泡沫砼填充柱封闭；
所述底拱抗震结构由外至内依次包括初支抗震层、二衬抗震外层、砂卵石缓冲层和二衬抗震内层，所述砂卵石缓冲层两端分别通过所述泡沫砼填充柱封闭。
本发明是这样实现的：
抗震支护段中减震弹簧在地震发生时能有效满足隧道结构在横向一定范围内的变形，减少断层错动对衬砌变形及内力的影响，控制由于围岩动力响应而造成的衬砌错台甚至垮塌现象；
泡沫砼填充柱不仅能使减震弹簧处于密闭状态，更主要的作用是能有效吸收地震波能量，一方面可以适应断层的地震变形，另一方面可以使地震破坏局部化，避免结构发生整体破坏；
砂卵石缓冲层能适应衬砌之间的水平剪切位移，削弱衬砌底部剪切变形影响，从而减小衬砌所承受的水平横向剪切力；
橡胶垫层可吸收隧道纵向挤压变形，进一步提高跨断层隧道的抗震性能。
为更好的实现本发明，进一步地，所述普通支护段包括初支普通层和二衬普通层，所述初支普通层和所述二衬普通层依次设置在围岩内侧。
进一步地，所述注浆过渡段包括顶拱注浆过渡结构和底拱注浆过渡结构，所述顶拱注浆过渡结构由外至内依次包括初支过渡层、注浆层和二衬过渡层，所述初支过渡层两端分别与所述初支普通层和所述初支抗震层衔接，所述注浆层的厚度沿所述普通支护段至所述抗震支护段方向逐渐增厚，且其横、纵截面均为三角形，所述二衬过渡层两端分别与所述二衬普通层和所述二衬抗震内层内衔接；
所述底拱注浆过渡结构由外至内依次包括初支过渡层、泡沫砼衬砌区和二衬过渡层，所述泡沫砼衬砌区与所述砂卵石缓冲层通过所述泡沫砼填充柱连接。
顶拱部分的二衬过渡层与二衬普通层厚度及支护形式一致相同，但在底拱部分二衬过渡层则适应初支横向宽度变化而变化，同时二衬过渡层也起到分割顶拱注浆层和底拱泡沫砼衬砌区的作用。
泡沫砼衬砌区对应初支过渡层与套接内二衬过渡层的底拱区空洞部分，直接在初支过渡层上施工，这样防止衬砌脱空影响隧道整体结构强度，也提高了隧道耐久度；
进一步地，所述二衬过渡层顶拱部在环向均匀设置注浆孔，所述注浆孔与所述注浆层相配合设置，通过预留的注浆孔对注浆层进行注浆填充处理。
进一步地，所述减震弹簧至少为一个，且均匀嵌入所述外层钢板和所述内层钢板之间。
与现有技术相比，本发明的优点如下:
(1)、本发明设计一种能有效运用在跨断层高烈度地区的隧道抗震结构，解决了较大断层错动位移对支护结构内力的影响，进一步提高隧道的抗震性能，还能根据实际情况选择采用多个单元体进行组合，扩大了本抗震结构的适用范围，为跨断层抗震提供了一种全新的思路。
(2)、在抗震支护段顶拱采用钢板模具配合减震弹簧、泡沫砼填充柱、橡胶垫层相结合的减震方式，可有效的吸收地震波能量，最大范围的适应隧道横向、纵向挤压变形，避免了整体结构发生破坏，抗震支护段底拱部砂卵石缓冲层能适应衬砌之间的水平剪切位移，削弱衬砌底部剪切变形的影响，从而减小衬砌所承受的水平横向剪切力，因此，该结构具有良好的抗震效果。
附图说明
图1为本抗震结构中总体结构框图；
图2为本抗震结构中单元体组成示意图；
图3为本抗震结构中单元体抗震结构段横断面图；
图4为本抗震结构中单元体三维A-A剖面图；
图5为本抗震结构中单元体平面A-A剖面图；
图6为本抗震结构中单元体平面B-B剖面图；
图7为本抗震结构中钢板模具三维结构图；
图8为本抗震结构中钢板模具内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：如图1和图2所示：一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系，隧道横截面形式有普通支护断面和抗震扩大断面，两者通过抗震结构一小一大交错套接成单元体，单元体可以循环组合形成多元结构以适应不同环境条件中的抗震需求，每个隧道抗震支护体系包括普通支护段1、注浆过渡段2和抗震支护段3，普通支护段1与抗震支护段3通过注浆过渡段2衔接。
如图4和图5所示，普通支护段1包括初支普通层11和二衬普通层12，初支普通层11和二衬普通层12依次设置在围岩内侧，普通段顶拱和底拱支护结构一致。
如图4至图6所示，注浆过渡段2包括顶拱注浆过渡结构21和底拱注浆过渡结构22，顶拱注浆过渡结构21由外至内依次包括初支过渡层211、注浆层212和二衬过渡层213，初支过渡层211与初支普通层11衔接，注浆层212的厚度沿普通支护段1至抗震支护段3方向逐渐增厚，且其横、纵截面均为三角形，二衬过渡层213与二衬普通层12衔接，在二衬过渡层213顶拱在环向均匀设置5个注浆孔214，其中顶部一个，两侧各两个，该注浆孔214半径取30mm-40mm，用于对注浆层212进行充填。
底拱注浆过渡结构22由外至内依次包括初支过渡层211、泡沫砼衬砌区221和二衬过渡层213，泡沫砼衬砌区221与砂卵石缓冲层321通过泡沫砼填充柱317连接。
如图3至图6所示，抗震支护段3包括顶拱抗震结构31和底拱抗震结构32，其中，顶拱抗震结构31包括初支抗震层311、二衬抗震外层312、钢板模具313、减震弹簧314、橡胶垫层315和二衬抗震内层316，初支抗震层311和二衬抗震外层312依次设置在围岩内侧，橡胶垫层315镶嵌在二衬抗震外层312内侧的中部，钢板模具313和减震弹簧314设置在二衬抗震外层312和二衬抗震内层316之间的两端，橡胶垫层315内表面与二衬抗震内层316内表面齐平，橡胶垫层315两端与减震弹簧314分别通过位于钢板模具313内的泡沫砼填充柱317封闭。
如图3、图7及图8所示，钢板模具313包括外层钢板3131和内层钢板3132，减震弹簧314为多个，且均匀嵌入外层钢板3131和内层钢板3132之间。外层钢板3131紧贴二衬抗震外层312，内层钢板3132紧贴二衬抗震内层316。
如图4至图6所示，底拱抗震结构32由外至内依次包括初支抗震层311、二衬抗震外层312、砂卵石缓冲层321和二衬抗震内层316，砂卵石缓冲层321两端分别通过泡沫砼填充柱317封闭。
本发明施工过程：
(1)、施做初支普通层11、初支过渡层211和初支抗震层311，待初支强度达到规定要求后，分别在普通支护段1施做二衬普通层12，在注浆过渡段2施做泡沫砼衬砌区221和在抗震支护段3施做二衬抗震外层312。
(2)、待二衬普通层12、泡沫砼衬砌区221和二衬抗震外层312强度达到规定要求后，施做底拱两端泡沫砼填充柱317，并将砂卵石均匀、密实地填充在相应砂卵石缓冲层321内，施做抗震支护段3底拱部分二衬抗震内层316。
(3)、待底拱达到规定强度后，在施工顶拱，首先将钢板模具313安置好，之后将减震弹簧314两端用泡沫砼填充柱317封闭，再将外层钢板3131固定在二衬抗震外层312内侧。钢板模具313固定好后在内层钢板3132内侧绑扎钢筋，施做二衬抗震内层316上半部分，待二衬抗震内层316达到规定强度后，将橡胶垫层315嵌入抗震支护段中部空隙，最后注浆填充二衬过渡层213与初支过渡层211之间注浆层212后，施工完成。
其中：抗震支护段3二衬抗震内层316均需要加大配筋以适应抗震结构传递的地震应力，抗震支护段3长度一般取5m，橡胶垫层315长度段建议取0.5m，减震弹簧314长度段建议取0.5m，注浆过渡段2和抗震支护段3需进行相应横断面设计以预留给减震弹簧314空间，二衬抗震内层316的外侧与二衬抗震外层312的内侧间距应与减震弹簧314长度相等，底拱部分填充的砂卵石密实度一般需达到95％。注浆过渡段2长度建议取1m。单元体可以无限制循环，单元体长度、数量及以上结构参数可根据实际情况进行调整，以适应不同的抗震性能需求。
本发明是这样工作的：减震弹簧314在地震发生时能有效满足隧道结构径向一定范围内的变形，减少断层错动对衬砌变形及内力的影响，控制由于围岩动力响应而造成的衬砌错台甚至垮塌现象；
泡沫砼填充柱317不仅能使减震弹簧314处于密闭状态，更主要的作用是能有效吸收地震波能量，一方面可以适应断层的地震变形，另一方面可以使地震破坏局部化，避免结构发生整体破坏；
砂卵石缓冲层321能适应衬砌之间的水平剪切位移，削弱衬砌底部剪切变形响应，从而减小衬砌所承受的水平横向剪切力；
橡胶垫层315可以吸收隧道纵向挤压变形，进一步提高跨断层隧道的抗震性能。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系，包括普通支护段(1)，其特征在于：还包括注浆过渡段(2)和抗震支护段(3)，所述普通支护段(1)与所述抗震支护段(3)通过所述注浆过渡段(2)衔接，所述抗震支护段(3)包括顶拱抗震结构(31)和底拱抗震结构(32)；
所述顶拱抗震结构(31)包括初支抗震层(311)、二衬抗震外层(312)、钢板模具(313)、减震弹簧(314)、橡胶垫层(315)和二衬抗震内层(316)，所述初支抗震层(311)和所述二衬抗震外层(312)依次设置在围岩内侧，所述橡胶垫层(315)镶嵌在所述二衬抗震外层(312)内侧的中部，所述钢板模具(313)和所述减震弹簧(314)设置在所述二衬抗震外层(312)和所述二衬抗震内层(316)之间的两端，所述橡胶垫层(315)内表面与所述二衬抗震内层(316)内表面齐平，所述钢板模具(313)包括外层钢板(3131)和内层钢板(3132)，所述减震弹簧(314)两端分别嵌入所述外层钢板(3131)和所述内层钢板(3132)内，所述外层钢板(3131)紧贴所述二衬抗震外层(312)，所述内层钢板(3132)紧贴所述二衬抗震内层(316)，所述橡胶垫层(315)两端与所述减震弹簧(314)分别通过位于所述钢板模具(313)内的泡沫砼填充柱(317)封闭；
所述底拱抗震结构(32)由外至内依次包括初支抗震层(311)、二衬抗震外层(312)、砂卵石缓冲层(321)和二衬抗震内层(316)，所述砂卵石缓冲层(321)两端分别通过所述泡沫砼填充柱(317)封闭。
2.根据权利要求1所述一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系，其特征在于：所述普通支护段(1)包括初支普通层(11)和二衬普通层(12)，所述初支普通层(11)和所述二衬普通层(12)依次设置在围岩内侧。
3.根据权利要求2所述一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系，其特征在于：所述注浆过渡段(2)包括顶拱注浆过渡结构(21)和底拱注浆过渡结构(22)，所述顶拱注浆过渡结构(21)由外至内依次包括初支过渡层(211)、注浆层(212)和二衬过渡层(213)，所述初支过渡层(211)两端分别与所述初支普通层(11)和所述初支抗震层(311)衔接，所述注浆层(212)的厚度沿所述普通支护段(1)至所述抗震支护段(3)方向逐渐增厚，且其横、纵截面均为三角形，所述二衬过渡层(213)两端分别与所述二衬普通层(12)和所述二衬抗震内层(316)衔接；
所述底拱注浆过渡结构(22)由外至内依次包括初支过渡层(211)、泡沫砼衬砌区(221)和二衬过渡层(213)，所述泡沫砼衬砌区(221)与所述砂卵石缓冲层(321)通过所述泡沫砼填充柱(317)连接。
4.根据权利要求3所述一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系，其特征在于：所述二衬过渡层(213)顶拱在环向均匀设置注浆孔(214)，所述注浆孔(214)与所述注浆层(212)相配合设置。
5.根据权利要求1所述一种适用于高烈度地区跨断层的隧道抗震支护体系，其特征在于：所述减震弹簧(314)至少为一个，且均匀嵌入所述外层钢板(3131)和所述内层钢板(3132)之间。
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