CN108915723A - 一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，该管片结构包括位于活动断层(1)的特殊段管片(8)和位于其余软弱地层的普通段管片(7)，所述特殊段管片(8)的连接处设置限位凹凸榫(9)和抗拉抗剪螺栓(10)，所述限位凹凸榫(9)包括凹榫(901)和凸榫(902)，当垂直位错发生时，所述凸榫(902)可沿所述凹榫(901)的凹槽空隙沿垂直方向移动；本发明的管片结构中，所述特殊段管片(8)具有环间限位功能，环间限位变形量(5)依次叠加抵消了活动断层位错量(4)，因此减小了盾构隧道纵向承担的内力，在不过分加大盾构隧道净空的前提下，既保证了盾构隧道穿越垂直位错活动断层时的结构安全，又具有良好的经济性。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，更具体地，涉及一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构。
背景技术
隧道穿越活动断层，线位选择上一般采取绕避方案，无法绕避的情况下一般采用大角度穿越。国内外已有多例隧道穿越活动断层案例，穿越的活动断层既有突发错动型也有蠕滑型，位错量30～50cm不等，但都采用矿山法通过。对于活动断层位错的设计思路有如图6和图7所示“超挖”式、如图8和图9所示的“铰接”式、如图10和图11所示的“隔离消能”式共三大类形式。工程应用中，采用其中一种或两种组合甚至三种全用的方式，而“超挖”和“铰接”应用相对较多。穿越活动断层矿山法设计中，“超挖”设计的超挖量一般等于活动断层位错量；“铰接”设计一般通过设置多道抗震缝(缝间距4～6m)来使隧道逐节错动达到设计错动量；“隔离消能”设计一般在初期支护与二次衬砌之间充填多孔材料(如泡沫混凝土)来防止二次衬砌破坏，填充层厚度应大于断层位错量。
盾构隧道穿越地震活动断层国内尚未有实施先例，国外的案例也很少，代表性案例为土耳其的博斯普鲁斯海峡隧道，其处理措施为设置大变形钢管片衬砌环。大变形钢管片衬砌环的优点是构造较为简单，缺点是结构错动后在大变形环处隧道净空出现突变，造成大变形环两端局部地段的隧道净空高度减少甚至可能侵入建筑限界，需要预先加大隧道净空(类似于超挖)，而由于盾构隧道全程采用相同的断面，因此当位错量较大时，隧道直径增加较大，影响经济性。
穿越垂直位错活动断层的盾构隧道，在穿过活动断层区间，一般采用采用“超挖”设计，使得整个盾构段需全部扩大断面，在技术性和经济性上均不合理，盾构隧道穿越垂直位错的活动断层时，在不过分加大隧道净空以保证经济性的前提下，如何防止隧道被“剪断”并保证接缝防水有效仍然是摆在工程设计人员面前的一大难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，其目的在于解决盾构隧道穿越垂直位错的活动断层时，不过分加大盾构隧道净空，并能有效防止盾构隧道被“剪断”的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，该结构包括位于活动断层区间的特殊段管片和位于其余软弱地层的普通段管片；其中，
所述普通段管片为传统盾构法施工隧道管片，其管片由钢筋混凝土制成，所述特殊段管片为钢结构，且其管片的环宽小于所述普通段管片的环宽；
所述特殊段管片的每环环缝连接处设置限位凹凸榫和抗拉抗剪螺栓，所述限位凹凸榫环向均匀布置于所述特殊段管片的圆环形断面最大直径与最小直径之间，所述抗拉抗剪螺栓在所述圆环形断面上环向均匀布置两圈，其中大圈靠近所述圆环形断面最大直径，小圈靠近所述圆环形断面最小直径；
所述限位凹凸榫允许发生垂直方向的限位位移，包括凹榫和凸榫，所述凹榫的凹槽沿垂直方向，且所述凸榫插入所述凹榫，并在所述凹榫上方或下方留有移动空隙，用于当垂直位错发生时所述凸榫可沿所述凹榫的凹槽空隙沿垂直方向移动；且，
所述抗拉抗剪螺栓用于在垂直位错发生时由原始水平状态变化为倾斜状态，且倾斜方向与两侧管片的相对位移方向相同。
进一步地，所述特殊段管片之间设置相同的环间限位变形量。
进一步地，所述活动断层将所述软弱地层分为活动断层上盘与活动断层下盘，且所述活动断层发生位错后，所述活动断层上盘与所述活动断层下盘相对于所述活动断层在垂直方向发生位错产生活动断层位错量。
进一步地，所述活动断层上盘相对所述活动断层下盘下降为正断层，相反则为逆断层。
进一步地，以正断层为例，由于所述活动断层上盘一侧的管片相对于所述活动断层下盘一侧的管片发生位错，则所述限位凹凸榫的限位空隙设置在下方，对应的，逆断层情况下所述限位凹凸榫的限位空隙应设置在上方。
进一步地，所述活动断层上盘一侧的管片相对于所述活动断层下盘一侧的管片下降产生位错，则所述限位凹凸榫的限位空隙设于其下方。
进一步地，所述活动断层上盘一侧的管片相对于所述活动断层下盘一侧的管片上升产生位错，则所述限位凹凸榫的限位空隙设于其上方。
进一步地，所述抗拉抗剪螺栓的直径、强度与数量均高于所述普通段管片上的螺栓的直径、强度与数量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，当活动断层发生正断层垂直位错时，相邻管片连接处产生位错，在特殊段管片之间设置相同的环间限位变形量，由于特殊段管片具有环间限位功能，环间限位变形量依次叠加抵消活动断层位错量，因此减小了盾构隧道纵向承担的因活动断层位错引起的内力，相对于传统的“超挖”设计，在不过分加大盾构隧道净空的前提下，保证了盾构隧道在软弱地层中穿越垂直位错活动断层时的结构安全，具有良好的经济性。
(2)本发明的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，特殊段管片的每环环缝连接处设置限位凹凸榫和抗拉抗剪螺栓，限位凹凸榫环向均匀布置于特殊段管片的圆环形断面最大直径与最小直径中间，抗拉抗剪螺栓在圆环形断面上环向均匀布置两圈，其中大圈靠近圆环形断面最大直径，小圈靠近圆环形断面最小直径，起到隧道管片的连接作用与允许管片的位错作用。
(3)本发明的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，限位凹凸榫包括凹榫和凸榫，凹榫的凹槽沿垂直方向，且凸榫可插入凹榫，并在凹榫上方或下方留有移动空隙，当垂直位错发生时，凸榫可沿凹榫的凹槽空隙沿垂直方向移动，通过简单的凹凸榫结构，使特殊段管片可以实现限位位移，并减小了盾构隧道纵向受力，有效防止隧道被断层应力“剪断”。
(4)本发明的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，正断层垂直位错发生时，活动断层上盘相对活动下盘下降，活动断层上盘一侧的管片相对于活动断层下盘一侧的管片发生竖直向下的位错，此时将限位凹凸榫的限位空隙设置在下方，使凸榫可沿凹榫凹槽垂直向下移动，得到允许的环间限位变形量；同时抗拉抗剪螺栓由原始水平状态变化为倾斜状态，且倾斜方向与两侧管片的相对位移方向相同，抗拉抗剪螺栓承担全部的弯矩与轴向拉力，抗拉抗剪螺栓与限位凹凸榫共同承担全部的剪力，特殊段管片可以沿着隧道纵向依次按照设计限位变形，从而实现隧道纵向的渐变式变形且极大减小盾构隧道纵向受力，提高了隧道修建技术水平。
附图说明
图1为本发明实施例一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构的正断层垂直位错示意图；
图2为本发明实施例一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构的横截面示意图；
图3为本发明实施例一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构的横截面凹凸榫局部示意图；
图4为本发明实施例一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构的纵剖面凹凸榫正断层位错前示意图；
图5为本发明实施例一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构的纵剖面凹凸榫正断层位错后示意图。
图6为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错前超挖状态示意图；
图7为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错后超挖状态示意图；
图8为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错前铰接状态示意图；
图9为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错后铰接状态示意图；
图10为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错前隔离消能状态示意图；
图11为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错后隔离消能状态示意图；
图1～图11中，同一个附图标记表示相同的结构与零件，其中：1-活动断层、2-活动断层上盘，3-活动断层下盘、4-活动断层位错量、5-环间限位变形量、6-脱空区间、7-普通段管片、8-特殊段管片、9-限位凹凸榫、901-凹榫、902凸榫、10、抗拉抗剪螺栓。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构的正断层垂直位错示意图，如图1所示，本结构包括位于活动断层1区间的特殊段管片8和位于其余软弱地层的普通段管片7。其中，所述普通段管片7为传统盾构法施工隧道管片，其管片宽一般1至2米，且由钢筋混凝土制成，所述特殊段管片8材质一般采用钢结构，其管片环宽比所述普通段管片7环宽小；当活动断层发生正断层垂直位错时，相邻管片连接处产生位错，在所述特殊段管片8之间设置相同的环间限位变形量5，同时所述特殊管片8下方产生脱空区间6，由于所述特殊段管片8具有环间限位功能，所述环间限位变形量5依次叠加抵消所述活动断层位错量4，因此减小了盾构隧道纵向承担的因所述活动断层1位错引起的内力，相对于传统的“超挖”设计，在不过分加大盾构隧道净空的前提下，保证了盾构隧道在软弱地层中穿越垂直位错活动断层时的结构安全，具有良好的经济性。
如图1所示，盾构隧道穿过软弱地层的所述活动断层1，且所述活动断层1将软弱地层分为活动断层上盘2与活动断层下盘3，当垂直位错发生后，所述活动断层2与所述活动断层3相对于所述活动断层1在垂直方向发生位错，产生活动断层位错量4，所述活动断层1的性质由垂直位错方向决定，所述活动断层上盘2相对所述活动下盘3下降则为正断层，相反则为逆断层。
如图2与图1所示，所述特殊段管片8的每环环缝连接处设置限位凹凸榫9和抗拉抗剪螺栓10，所述限位凹凸榫9环向均匀布置于所述特殊段管片8的圆环形断面最大直径与最小直径中间，所述抗拉抗剪螺栓10在所述圆环形断面上环向均匀布置两圈，其中大圈靠近所述圆环形断面最大直径，小圈靠近所述圆环形断面最小直径；所述抗拉抗剪螺栓10的直径、强度与数量均高于所述普通段管片7上的螺栓，所述限位凹凸榫9允许所述特殊管片8发生垂直方向的限位位移。
本发明的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，所述特殊段管片8的每环环缝连接处设置限位凹凸榫9和抗拉抗剪螺栓10，所述限位凹凸榫9环向均匀布置于所述特殊段管片8的圆环形断面最大直径与最小直径中间，所述抗拉抗剪螺栓10在所述圆环形断面上环向均匀布置两圈，其中大圈靠近所述圆环形断面最大直径，小圈靠近所述圆环形断面最小直径，起到隧道管片的连接作用与允许管片的位错作用。
如图3所示，所述限位凹凸榫9包括凹榫901和凸榫902，所述凹榫901的凹槽沿垂直方向，且所述凸榫902可插入所述凹榫901，并在所述凹榫901上方或下方留有移动空隙，当垂直位错发生时，所述凸榫902可沿所述凹榫901的凹槽空隙沿垂直方向移动，通过简单的凹凸榫结构，使所述特殊段管片8可以实现限位位移，并减小了盾构隧道纵向受力，有效防止隧道被断层应力“剪断”。
如图3、图4和图5所示，正断层垂直位错发生时，所述活动断层上盘2相对所述活动下盘3下降，所述活动断层上盘2一侧的管片相对于所述活动断层下盘3一侧的管片发生竖直向下的位错，此时将所述限位凹凸榫9的限位空隙设置在下方，使所述凸榫902可沿所述凹榫901凹槽垂直向下移动，得到允许的所述环间限位变形量5；同时，所述抗拉抗剪螺栓10由原始水平状态变化为倾斜状态，且倾斜方向与两侧管片的相对位移方向相同。
本发明的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，在正断层垂直位错发生时，位于所述特殊段管片8上的所述抗拉抗剪螺栓10承担全部的弯矩与轴向拉力，所述抗拉抗剪螺栓10与所述限位凹凸榫9共同承担全部的剪力，所述特殊段管片8可以沿着隧道纵向依次按照设计限位变形，从而实现隧道纵向的渐变式变形且极大减小盾构隧道纵向受力，提高了隧道修建技术水平。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，其特征在于，该结构包括位于活动断层区间的特殊段管片(8)和位于其余软弱地层的普通段管片(7)；其中，
所述普通段管片(7)为传统盾构法施工隧道管片，其管片由钢筋混凝土制成，所述特殊段管片(8)为钢结构，且其管片的环宽小于所述普通段管片(7)的环宽；
所述特殊段管片(8)的每环环缝连接处设置限位凹凸榫(9)和抗拉抗剪螺栓(10)，所述限位凹凸榫(9)环向均匀布置于所述特殊段管片(8)的圆环形断面最大直径与最小直径之间，所述抗拉抗剪螺栓(10)在所述圆环形断面上环向均匀布置两圈，其中大圈靠近所述圆环形断面最大直径，小圈靠近所述圆环形断面最小直径；
所述限位凹凸榫(9)允许发生垂直方向的限位位移，包括凹榫(901)和凸榫(902)，所述凹榫(901)的凹槽沿垂直方向，且所述凸榫(902)插入所述凹榫(901)，并在所述凹榫(901)上方或下方留有移动空隙，用于当垂直位错发生时所述凸榫(902)可沿所述凹榫(901)的凹槽空隙沿垂直方向移动；且，
所述抗拉抗剪螺栓(10)用于在垂直位错发生时由原始水平状态变化为倾斜状态，且倾斜方向与两侧管片的相对位移方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述特殊段管片(8)之间设置相同的环间限位变形量(5)。
3.根据权利要求1所述的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述活动断层(1)将所述软弱地层分为活动断层上盘(2)与活动断层下盘(3)，且所述活动断层(1)发生位错后，所述活动断层上盘(2)与所述活动断层下盘(3)相对于所述活动断层(1)在垂直方向发生位错产生活动断层位错量(4)。
4.根据权利要求3所述的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述活动断层上盘(2)相对所述活动断层下盘(3)下降为正断层，相反则为逆断层。
5.根据权利要求4所述的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，其特征在于，以正断层为例，由于所述活动断层上盘(2)一侧的管片相对于所述活动断层下盘(3)一侧的管片发生位错，则所述限位凹凸榫(9)的限位空隙设置在下方，对应的，逆断层情况下所述限位凹凸榫(9)的限位空隙应设置在上方。
6.根据权利要求3所述的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述活动断层上盘(2)一侧的管片相对于所述活动断层下盘(3)一侧的管片下降产生位错，则所述限位凹凸榫(9)的限位空隙设于其下方。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述活动断层上盘(2)一侧的管片相对于所述活动断层下盘(3)一侧的管片上升产生位错，则所述限位凹凸榫(9)的限位空隙设于其上方。
8.根据权利要求1所述的一种穿越垂直位错活动断层的盾构隧道管片结构，其特征在于，所述抗拉抗剪螺栓(10)的直径、强度与数量均高于所述普通段管片(7)上的螺栓的直径、强度与数量。
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