CN108798716A - 一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，包括贯穿活动断裂带的扩挖段隧洞，还包括设置在扩挖段隧洞内的扩挖段明管，扩挖段明管上间隔串连有波纹管伸缩节和套管伸缩节，扩挖段明管由波纹管伸缩节和套管伸缩节分隔为各个明管段，聚四氟乙烯双向滑动支座和球形铰支座间隔交替设置在各个明管段上。本发明衬砌分节，节间设置铜止水片，以保证在断裂带错动时，内部净空可以容纳明管；套筒伸缩节吸收沿隧洞轴向位移，而波纹管伸缩节可以吸收轴向位移、横向位移和角位移的组合位移，采用聚四氟乙烯双向滑动支座和球形铰支座交替布置，聚四氟乙烯双向滑动支座可以沿任意方向滑动，球形铰支座使明管沿隧洞轴向转动。

Description

一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构

技术领域

本发明涉及输水隧洞领域，具体涉及一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构。

背景技术

我国人均水资源紧缺，且水资源在时间和空间上分布不均匀，水资源供需矛盾尖锐。跨流域输水工程是解决部分地区水资源严重短缺问题、合理配置全国水资源的有效举措。在我国西部强震区兴建的大型水利工程中，输水隧洞常不可避免地横跨多条区域性活动断裂，活动断裂带地质条件复杂，地震及地基沉降多发、沉降量大且伴有较大水平位移发生，使输水隧洞面临着严重的错断威胁。断裂带活动方式主要为蠕滑和粘滑两种运动。蠕滑错动是断裂破碎带随着时间推移产生的断裂区域的缓慢滑动过程，是一种缓慢且有时间积累效应的运动形式；粘滑错动是一种在地震时断裂快速产生的破裂运动，是一种突发剧烈的运动形式。这两种断裂活动形式对于隧洞结构带来的影响主要表现为：活动断裂因粘滑运动引发地震时断裂沿线产生位错进而带来的输水隧洞抗剪断问题，与活动断裂蠕滑产生的累积位移对隧洞结构的破坏作用。活动断裂带错动，使隧洞直接承受围岩破裂时强大的挤压或拉扯，导致隧道的线性构造发生剪切变形而发生难以修复的破坏。因此，针对深埋输水隧洞，提出跨活动断裂隧洞抗错断措施，是保障我国重大生命线工程安全运营的重要前提。

明管结构是输水隧洞典型结构之一，输水管道裸露，在断裂错动较小的情况下具有一定适应性与抗震性。但是，深大活动性断裂带的宽度常达百米以上，具有错动速度大，不均匀沉陷大，及持续变化等特点，其在工程有效期内的活动规律和变形特征对工程稳定性和安全性影响较大，简单且无外部结构包裹的明管不具备适应潜在活动断裂较大错动位移的能力。超挖设计、铰接设计是目前隧洞工程抗错断防护设计的常用手段，同时，与明管串联的伸缩节及在明管上布置的支座，在断裂带错动时适应变形的能力较强。所以，在超挖和铰接设计的基础上，将伸缩节和支座结构应用于隧洞明管结构中，提高明管结构自身吸收变形的能力，从而提出一种新型深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，显得迫切而有必要。

发明内容

本发明的目的是针对现有隧洞结构存在的上述问题，提供一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构。克服以往隧洞明管结构存在的缺点和不足，结合伸缩节与支座，对隧洞明管结构进行合理的完善，提高其在活动断裂带错动条件下抵制变形的能力，提高隧洞抗错断性能，具有广泛的应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，包括贯穿活动断裂带的扩挖段隧洞，还包括设置在扩挖段隧洞内的扩挖段明管，扩挖段明管上间隔串连有波纹管伸缩节和套管伸缩节，扩挖段明管由波纹管伸缩节和套管伸缩节分隔为各个明管段，聚四氟乙烯双向滑动支座和球形铰支座间隔交替设置在各个明管段上。

如上所述的扩挖段隧洞的内壁上依次设置有隧洞初期支护层、纵向盲沟排水和隧洞二次衬砌层。

如上所述的隧洞初期支护层沿扩挖段隧洞纵向分为若干个隧道初级支护层节段，各个隧道初级支护层节段之间设置有初级支护层节段缝隙，初级支护层节段缝隙内设置有铜止水片。

如上所述的隧洞二次衬砌层沿扩挖段隧洞纵向分为若干个隧洞二次衬砌层节段，各个隧洞二次衬砌层节段之间设置有隧洞二次衬砌层缝隙，隧洞二次衬砌层缝隙内设置有铜止水片。

在隧洞二次衬砌层节段内设置有若干个环向箍筋组，每个环向箍筋组包括若干个沿隧洞二次衬砌层节段纵向分布的环向箍筋，相同环向箍筋组的各个环向箍筋的直径相同，不同环向箍筋组的环向箍筋的直径不相同，沿隧洞二次衬砌层节段的纵向方向设置有若干个纵向箍筋，纵向箍筋箍设在设定纵向长度内的所有环向箍筋组的环向箍筋上，相邻的纵向箍筋之间的部分为可错断横缝，可错断横缝处设置有纵向连接筋，纵向连接筋的两端分别延伸至相邻的纵向箍筋侧部。

如上所述的聚四氟乙烯双向滑动支座和球形铰支座均设置在对应的明管段的中部，相邻的聚四氟乙烯双向滑动支座和球形铰支座的间距为10米；相邻的波纹管伸缩节和套管伸缩节的间距为10米。

如上所述的初级支护层节段缝隙的宽度、二次衬砌节段缝隙的宽度、铜止水片的厚度均为0.1米。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、隧洞在活动断裂带扩挖，扩挖段隧洞在扩挖段以明管的结构形式通过，隧洞初期支护层和隧洞二次衬砌层分节，节间设置铜止水片，以保证在断裂带错动时，内部净空可以容纳明管；

2、与明管串联的伸缩节包括波纹管伸缩节和套筒伸缩节，用以承受介质压力，吸收位移，其中套筒伸缩节吸收沿隧洞轴向位移，而波纹管伸缩节可以吸收轴向位移、横向位移和角位移的组合位移；

3、明管支座采用聚四氟乙烯双向滑动支座和球形铰支座交替布置，聚四氟乙烯双向滑动支座可以沿任意方向滑动，球形铰支座使明管沿隧洞轴向转动。

附图说明

图1为本发明的平面结构示意图；

图2为聚四氟乙烯双向滑动支座连接处的剖面结构示意图；

图3为球形铰支座连接处的剖面结构示意图；

图4为隧洞初期支护层、纵向盲沟排水、隧洞二次衬砌层的剖面示意图；

图5为各个明管段之间的连接结构示意图；

图6为波纹管伸缩节侧视结构示意图；

图7为波纹管伸缩节结构剖面结构示意图；

图8为套管伸缩节的侧视结构示意图；

图9为套管伸缩节的剖面结构示意图。

其中：1-活动断裂带；101-活动断裂带与岩体交界；1001-岩体；2-铜止水片；3-隧洞初期支护层；301-隧道初级支护层节段；302-初级支护层节段缝隙；4-纵向盲沟排水；5-隧洞二次衬砌层；501-隧洞二次衬砌层节段；502-隧洞二次衬砌层缝隙；6-纵向箍筋；7-环向箍筋；8-可错断横缝；9-纵向连接筋；10-供错断滑移的空腔；11-内部流水；12-扩挖段明管；13-聚四氟乙烯双向滑动支座；14-球形铰支座；15-伸缩节中的阻尼器；16-波纹管伸缩节；17-套管伸缩节；18-扩挖段隧洞，19-明管段。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～9所示，一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，包括贯穿活动断裂带1的扩挖段隧洞18，还包括设置在扩挖段隧洞18内的扩挖段明管12，扩挖段明管12上间隔串连有波纹管伸缩节16和套管伸缩节17，扩挖段明管12由波纹管伸缩节16和套管伸缩节17分隔为各个明管段19，聚四氟乙烯双向滑动支座13和球形铰支座14间隔交替设置在各个明管段19上。

扩挖段隧洞18的内壁上依次设置有隧洞初期支护层3、纵向盲沟排水4和隧洞二次衬砌层5。

隧洞初期支护层3沿扩挖段隧洞18纵向分为若干个隧道初级支护层节段301，各个隧道初级支护层节段301之间设置有初级支护层节段缝隙302，初级支护层节段缝隙302内设置有铜止水片2。

隧洞二次衬砌层5沿扩挖段隧洞18纵向分为若干个隧洞二次衬砌层节段501，各个隧洞二次衬砌层节段501之间设置有隧洞二次衬砌层缝隙502，隧洞二次衬砌层缝隙502内设置有铜止水片2。

在隧洞二次衬砌层节段501内设置有若干个环向箍筋组，每个环向箍筋组包括若干个沿隧洞二次衬砌层节段501纵向分布的环向箍筋7，相同环向箍筋组的各个环向箍筋7的直径相同，不同环向箍筋组的环向箍筋7的直径不相同，沿隧洞二次衬砌层节段501的纵向方向设置有若干个纵向箍筋6，纵向箍筋6箍设在设定纵向长度内的所有环向箍筋组的环向箍筋7上，相邻的纵向箍筋6之间的部分为可错断横缝8，可错断横缝8处设置有纵向连接筋9，纵向连接筋9的两端分别延伸至相邻的纵向箍筋6侧部。

聚四氟乙烯双向滑动支座13和球形铰支座14均设置在对应的明管段19的中部，相邻的聚四氟乙烯双向滑动支座13和球形铰支座14的间距为10米；相邻的波纹管伸缩节16和套管伸缩节17的间距为10米。

初级支护层节段缝隙302的宽度、二次衬砌节段缝隙502的宽度、铜止水片2的厚度均为0.1米。

扩挖段明管12裸露，外部无材质包裹；隧洞采用波纹管伸缩节16、套管伸缩节17以补偿不均匀变位的设计方式，其中，套管伸缩节17主要吸收纵向位移，而适应变形能力较强的波纹管伸缩节16可以吸收轴向位移、横向位移和角位移的组合位移，因此，整个结构形成以柔性体，可适应隧洞断层带内可发生的变形；明管支座采用聚四氟乙烯双向滑动支座13与球形铰支座14交替布置的方式，聚四氟乙烯双向滑动支座13可以在固定平面上任意滑动，球形铰支座14限制扩挖段明管12只能沿隧洞轴线方向转动。

扩挖段隧洞18穿越活动断裂带1，从岩体1001距离活动断裂带1约0.5倍断裂带宽度处开始逐渐扩大隧洞断面，穿越活动断裂带与岩体交界101时隧洞断面扩大完成，即穿越活动断裂带的隧洞结构都为扩挖的明管段，扩挖段隧洞18最内部具有供错断滑移的空腔10；衬砌结构从外到内依次包括：初期支护层3、纵向盲沟排水4和二次衬砌层5，在隧洞二次衬砌层5内布置有可错断横缝8，在本实施例中，可错断横缝8处布置有内外两层纵向连接筋9，两个可错断横缝8之间为一个隧洞二次衬砌层节段，隧洞二次衬砌层节段内布置有纵向箍筋6及环向钢筋7，隧洞初期支护层3、隧洞二次衬砌层5进行分节，节间设置铜止水片2，衬砌结构的变形，以保证在断层带错动时，内部净空仍可容纳明管。

当活动断裂发生错动时，整个衬砌表现为柔性，分节的隧洞初期支护层3、隧洞二次衬砌层5及节间设置的铜止水片2可以吸收一定的变形，隧洞二次衬砌层5上布置的可错断横缝8，通过纵向箍筋6使剪切刚度减弱，可错断横缝8处布置的纵向连接筋9可保证横缝在发生剪切错动时具有一定的延性，抵制变形破坏。扩挖段供错断滑移的空腔容纳并保护隧洞明管结构12，使得明管不被围岩挤压损坏。当断裂带继续错动，剪切作用发生在明洞结构上时，波纹管伸缩节16首先适应变形，抵制隧洞结构的转动，而套管伸缩节17主要吸收明管纵向变形，吸收隧洞因活动断裂带的错动而发生的纵向位移，伸缩节的设置优化扩挖段明管12，从扩挖段明管12自身结构角度提高隧洞抗错断能力。聚四氟乙烯双向滑动支座13可以吸收隧洞在错断作用下固定平面内任意方向内的位移，限制扩挖段明管12沿隧洞轴线转动的球形铰支座14在为隧洞提供支持的同时，也抵制了隧洞错断作用下的变形，保证了隧洞完整并保障其输水工作的正常运行。

本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本发明适用性和原理的情况下本产品还可以作出适当的改进与完善，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，包括贯穿活动断裂带（1）的扩挖段隧洞（18），其特征在于，还包括设置在扩挖段隧洞（18）内的扩挖段明管（12），扩挖段明管（12）上间隔串连有波纹管伸缩节（16）和套管伸缩节（17），扩挖段明管（12）由波纹管伸缩节（16）和套管伸缩节（17）分隔为各个明管段（19），聚四氟乙烯双向滑动支座（13）和球形铰支座（14）间隔交替设置在各个明管段（19）上。

2.根据权利要求1所述的一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，其特征在于，所述的扩挖段隧洞（18）的内壁上依次设置有隧洞初期支护层（3）、纵向盲沟排水（4）和隧洞二次衬砌层（5）。

3.根据权利要求2所述的一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，其特征在于，所述的隧洞初期支护层（3）沿扩挖段隧洞（18）纵向分为若干个隧道初级支护层节段（301），各个隧道初级支护层节段（301）之间设置有初级支护层节段缝隙（302），初级支护层节段缝隙（302）内设置有铜止水片（2）。

4.根据权利要求3所述的一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，其特征在于，所述的隧洞二次衬砌层（5）沿扩挖段隧洞（18）纵向分为若干个隧洞二次衬砌层节段（501），各个隧洞二次衬砌层节段（501）之间设置有隧洞二次衬砌层缝隙（502），隧洞二次衬砌层缝隙（502）内设置有铜止水片（2）。

5.根据权利要求4所述的一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，其特征在于，在隧洞二次衬砌层节段（501）内设置有若干个环向箍筋组，每个环向箍筋组包括若干个沿隧洞二次衬砌层节段（501）纵向分布的环向箍筋（7），相同环向箍筋组的各个环向箍筋（7）的直径相同，不同环向箍筋组的环向箍筋（7）的直径不相同，沿隧洞二次衬砌层节段（501）的纵向方向设置有若干个纵向箍筋（6），纵向箍筋（6）箍设在设定纵向长度内的所有环向箍筋组的环向箍筋（7）上，相邻的纵向箍筋（6）之间的部分为可错断横缝（8），可错断横缝（8）处设置有纵向连接筋（9），纵向连接筋（9）的两端分别延伸至相邻的纵向箍筋（6）侧部。

6.根据权利要求4所述的一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，其特征在于，所述的聚四氟乙烯双向滑动支座（13）和球形铰支座（14）均设置在对应的明管段（19）的中部，相邻的聚四氟乙烯双向滑动支座（13）和球形铰支座（14）的间距为10米；相邻的波纹管伸缩节（16）和套管伸缩节（17）的间距为10米。

7.根据权利要求4所述的一种深埋输水隧洞的抗震抗错断适应性明管结构，其特征在于，所述的初级支护层节段缝隙（302）的宽度、二次衬砌节段缝隙（502）的宽度、铜止水片（2）的厚度均为0.1米。