CN110159306A - 用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置及施工方方法，包括多个高强弹簧、限位装置以及柔性套筒；每个所述的弹簧的两端分别伸入到前、后二次衬砌节段，与二次衬砌内的纵向钢筋焊接在一起，且弹簧的轴线方向与隧道的轴向方向平行；所述的限位装置由限位槽与砼凸榫组成，限位槽与砼凸榫分别位于两个二次衬砌节段内，且限位槽与砼凸榫协同发挥作用，柔性套筒安装在高强弹簧以及限位装置的孔洞外缘，柔性套筒能够作为受力构件。

Description

用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种适用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置及施工方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

我国已成为目前世界上隧道施工规模最大、施工难度最高的国家之一，已建成的隧道数目越来越多。我国已经建成以及正处在规划设计或施工阶段的隧道绝大多数都穿越断层破碎带。近几十年的工程经验表明，隧道穿越断层尤其是活断层将要面临围岩失稳塌方、突水突泥、隧道结构剪切错动等一系列问题，隧道穿越断层破碎带衬砌结构的优化已经成为无法回避的问题。

研究表明，活断层的活动形式包括缓慢移动(蠕滑)与突然、快速的移动(粘滑)，此外，活断层随时间的移动也是构造地震产生的原因之一。活断层的移动，将使隧道衬砌结构处于包括张拉、剪切、弯曲、扭转在内的复杂受力状态。目前一般隧道衬砌结构均属于刚性结构，在随周围移动岩土体产生强制位移后，产生极大的内力，最终发生材料破坏，丧失其原有功能。

目前防止衬砌结构产生过量位移的一个设计思路是通过设置减震缓冲层来减小隧道衬砌结构的位移，从而保证衬砌结构的安全，但是发明人发现该方法会造成隧道断面的超挖，超挖量按照断层位移预估量设计，难以估计；同时超挖也造成了施工难度、工程量的增大和工期的延长，可能会在断面变化处以及超挖段产生其它安全问题(例如应力集中、不均匀沉降、塌方等)，如何对施工过程中的隧道衬砌结构进行优化，减小活断层对隧道的危害是目前亟需解决的一个技术难题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的不足，提供了一种用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置及施工方法。本方法具有施工简单、调节方便的优点。

本发明的第一发明目的是提供一种用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，包括多个弹簧、限位装置和柔性套筒；

每个所述的弹簧的两端分别伸入到前、后二次衬砌节段，与二次衬砌内的纵向钢筋焊接在一起，且弹簧的轴线方向与隧道的轴向方向平行；

所述的限位装置由限位槽与砼凸榫组成，限位槽与砼凸榫分别位于两个二次衬砌节段内，且限位槽与砼凸榫配合；

所述的限位装置和弹簧在断层的拱形截面上间隔设置；

在所述弹簧以及限位装置的孔洞外缘安装所述的柔性套筒。

上述的高强弹簧能够防止二次衬砌两相邻节段沿隧道轴向产生过量相对位移而导致隧道结构失稳或突水突泥等问题；所述限位装置能够防止二次衬砌两相邻节段沿隧道横断面产生过量相对位移而导致隧道结构失稳或突水突泥等问题。

作为进一步的技术方案，在二次衬砌的横向截面上设置多个所述的弹簧和限位装置；

作为进一步的技术方案，所述柔性接头装置在活断层及其两侧50m范围内修建；

作为进一步的技术方案，所述柔性接头装置可布置在隧道变形缝处，或者沿着隧道的轴线方向，每间隔设定的距离布置一圈柔性接头装置；且柔性接头装置布置位置处二次衬砌完全断开，形成两个独立的节段，通过高强弹簧相连的两衬砌节段可以相对进行三维移动。

作为进一步的技术方案，所述高强弹簧的数目根据二次衬砌两相邻节段沿隧道轴向产生过量相对位移时隧道结构失稳进行验算。

作为进一步的技术方案，所述限位槽和砼凸榫均为一立方体凹槽，横截面为正方形；砼凸榫在隧道横断面内长或宽＝(限位槽的长或宽-两相邻节段在隧道横断面内横向或竖向允许产生的最大相对位移)/2，砼凸榫沿隧道轴向尺寸＝限位槽沿隧道轴向尺寸；两相邻节段在隧道横断面内横向或竖向允许产生的最大相对位移根据二者产生过量相对位移时隧道结构失稳进行验算。

作为进一步的技术方案，所述砼凸榫与限位槽的几何中心连线在两相邻节段未发生相对位移时与隧道轴向一致。

作为进一步的技术方案，所述砼凸榫指向隧道前进方向，即砼凸榫位于节段靠近前方开挖工作面的断面。

作为进一步的技术方案，在弹簧以及限位装置的孔洞外缘安装柔性套筒，柔性套筒能够作为受力构件，承担沿隧道横断面的剪切力以及沿隧道纵向的拉伸与压缩。

作为进一步的技术方案，所述柔性套筒在浇筑后二次衬砌段混凝土时，可以起到模板的作用，简化模板安装工作。

作为进一步的技术方案，所述柔性套筒能够兼作防水结构，在隧道防水相对薄弱的高强弹簧及限位装置孔洞处起到防水作用。

作为进一步的技术方案，所述柔性套筒与二次衬砌混凝土直接接触，二者组成一个整体，柔性套筒两端沿隧道纵向分别深入衬砌节段20cm，相当于一个柔性骨架，能够将隧道承受的剪切力分散至更大的截面范围，起到减小隧道剪切错动段应力的作用，保证结构安全。

本发明的第二发明目的是提供一种基于上述用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：绑扎二次衬砌钢筋时，将高强弹簧按照设计位置与两端的纵向钢筋焊接好,同时按照预留孔径安装柔性套筒，柔性套筒安装于高强弹簧以及限位装置的孔洞外缘，并封堵好套筒两端，防止浇筑时堵塞高强弹簧预留空洞；

步骤2：浇筑二次衬砌混凝土时，每隔一定的距离留一道缝隙，该处隧道二次衬砌完全断开，在浇筑前二次衬砌段时，按照砼凸榫尺寸及设计位置安装堵头模板，浇筑后二次衬砌段时，按照限位凹槽的设计位置尺寸在安装堵头模板并做好封堵，注意使限位槽及砼凸榫几何中心的连线与隧道轴向保持一致；

步骤3：养护规定时间，拆模即得；在拆模时，柔性套筒均不再拆除；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明将柔性连接与限位装置相结合，允许断层错动区隧道节段间发生一定量的相对位移，对围岩起到卸荷作用，从而保证衬砌结构的内力满足材料强度要求不发生破坏，相比较传统方式一味加固隧道结构本身，具有节省材料、显著降低衬砌结构内力的优点；同时限位装置能够保证隧道二次衬砌节段在一定范围内位移，不产生过量位移使衬砌结构发生整体失稳破坏或突水突泥等问题。

2.本发明中通过高强弹簧相连的二次衬砌节段能够产生相对的三维位移，因此可以在隧道承受剪切、扭转、纵向拉压等复杂受力状态下发挥作用，适应各种不同方向的断层错动情况。

3.本发明中，柔性套筒柔性套筒能够作为受力构件，承担沿隧道横断面的剪切力以及沿隧道纵向的拉伸与压缩，因此可作为柔性接头的一部分，同时，柔性套筒包裹限位装置，也可以在隧道节段产生过量位移时起到协助限位装置，吸收变形能量的作用；在隧道防水相对薄弱的高强弹簧及限位装置孔洞处，柔性套筒能够兼作防水结构，起到防水作用；柔性套筒与二次衬砌混凝土直接接触，二者组成一个整体，柔性套筒两端沿隧道纵向分别深入衬砌节段20cm(该延伸长度可根据实际情况自由调节)，相当于一个柔性骨架，能够将隧道承受的剪切力分散至更大的截面范围，起到减小隧道剪切错动段应力的作用，保证结构安全。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例的隧道二次衬砌节段处横断面图；

图2为两衬砌节段间高强弹簧示意图；

图3为两衬砌节段间限位装置示意图。

其中，1.前二次衬砌段，2.高强弹簧，3.限位装置，4.钢筋，5.限位槽，6.砼凸榫，7后二次衬砌段，8.柔性套筒。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中目前防止衬砌结构产生过量位移的一个设计思路是通过设置减震缓冲层来减小隧道衬砌结构的位移，从而保证衬砌结构的安全，但是发明人发现该方法会造成隧道断面的超挖，超挖量按照断层位移预估量设计，难以估计；同时超挖也造成了施工难度、工程量的增大和工期的延长，可能会在断面变化处以及超挖段产生其它安全问题(例如应力集中、不均匀沉降、塌方等)，如何对施工过程中的隧道衬砌结构进行优化，减小活断层对隧道的危害是目前亟需解决的一个技术难题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置及施工方法。

实施例1

如图1所示，一种适用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，包括高强弹簧2、限位装置3以及柔性套筒8，整个装置安装于隧道二次衬砌内部；其一般在活断层及其两侧50m范围内修建；

具体的，柔性接头装置可布置在隧道变形缝处，也可沿着隧道轴线方向设置，例如，每间隔6-8m布置一圈柔性接头装置，在布置柔性接头装置的位置处前、后二次衬砌完全断开，形成两个独立的节段，两节段间距离可取为2cm；当然不难理解的，这个距离值也可以选择其他值，不限于该实施例中的2cm，具体的根据隧道的大小、变形情况等进行设计；

此外，在隧道二次衬砌的横向截面上，高强弹簧2和限位装置3的布置方式和布置个数也可以变形情况、隧道横截面的大小以及具体的施工要求等进行设置；在图1中所示的横向截面上，高强弹簧2均匀的设置在相邻的限位装置3之间，限位装置3设置四个，四个限位装置3二次衬砌横向截面上均匀设置；在每相邻的两个限位装置3之间设置3个高强弹簧2，且3个高强弹簧2均匀设置。

如图2所示，高强弹簧2沿隧道轴向方向布置，一端伸入前二次衬砌段1混凝土中，另外一端延伸到后二次衬砌段7中，其与衬砌内的纵向钢筋4焊接在一起，前二次衬砌段1和后二次衬砌段7为独立的节段，活断层发生错动时，两相邻二次衬砌节段能够沿任意方向产生一定量的相对位移；且在高强弹簧所在的位置，前二次衬砌段1向前凹陷形成凹槽，后二次衬砌段7向后凹陷形成凹槽，两个凹槽组合在一起形成弹簧的安装空间。

如图3所示，所述限位装置由限位槽与砼凸榫组成，限位槽与砼凸榫分别位于前二次衬砌节段和后二次衬砌节段内；

限位槽5及砼凸榫6均为立方体结构，能够防止二次衬砌相邻节段沿隧道横断面产生过量相对位移而导致隧道结构失稳或突水突泥等问题，在二次衬砌相邻节段未产生相对位移时，二者几何中心的连线与隧道轴向保持一致，以保证相邻节段的正常相对位移。

具体的，所述限位槽和砼凸榫均为一立方体凹槽，横截面为正方形；砼凸榫在隧道横断面内长或宽＝(限位槽的长或宽-两相邻节段在隧道横断面内横向或竖向允许产生的最大相对位移)/2，砼凸榫沿隧道轴向尺寸＝限位槽沿隧道轴向尺寸；两相邻节段在隧道横断面内横向或竖向允许产生的最大相对位移根据二者产生过量相对位移时隧道结构失稳进行验算。

例如，限位槽5为一立方体凹槽，在隧道横断面内尺寸为20cm×20cm，沿隧道纵向尺寸为10cm；

砼凸榫6与限位槽5相对，在隧道横断面内尺寸取长宽一致，尺寸根据以下关系确定：砼凸榫6在隧道横断面内尺寸＝(20cm-两相邻节段在隧道横断面内横向或竖向允许产生的最大相对位移)/2，砼凸榫沿隧道轴向尺寸为10cm；

两相邻节段在隧道横断面内横向或竖向允许产生的最大相对位移根据二者产生过量相对位移时隧道结构失稳进行验算。

实施例2

本实施例基于实施例1中公开的适用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，提出了以具体的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：绑扎二次衬砌钢筋时，将高强弹簧2按照设计位置与两端的纵向钢筋4焊接好,同时按照预留孔径安装柔性套筒，柔性套筒8安装于高强弹簧2以及限位装置的孔洞外缘，并封堵好柔性套筒8两端，防止浇筑时堵塞高强弹簧2预留空洞；

步骤2：浇筑二次衬砌混凝土时，每隔一定的距离留一道缝隙，该处隧道二次衬砌1完全断开，在浇筑前二次衬砌段1时，按照砼凸榫6尺寸及设计位置安装堵头模板以及柔性套筒8并做好封堵，浇筑后二次衬砌段7时，按照限位凹槽5的设计位置尺寸在安装堵头模板并做好封堵，注意使限位槽5及砼凸榫6几何中心的连线与隧道轴向保持一致；

步骤3：养护规定时间，拆模即得，在拆模时，柔性套筒均不再拆除。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，包括多个弹簧、限位装置和柔性套筒；

每个所述的弹簧的两端分别伸入到前、后二次衬砌节段，与二次衬砌内的纵向钢筋焊接在一起，且弹簧的轴线方向与隧道的轴向方向平行；

所述的限位装置由限位槽与砼凸榫组成，限位槽与砼凸榫分别位于两个二次衬砌节段内，且限位槽与砼凸榫配合；

所述的限位装置和弹簧在断层的拱形截面上间隔设置；

在所述弹簧以及限位装置的孔洞外缘安装所述的柔性套筒。

2.如权利要求1所述的用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，在二次衬砌的横向截面上设置多个所述的弹簧、限位装置和柔性套筒。

3.如权利要求2所述的用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，所述弹簧的数目根据二次衬砌两相邻节段沿隧道轴向产生过量相对位移时隧道结构失稳进行验算。

4.如权利要求1所述的用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，所述柔性套筒与二次衬砌混凝土直接接触，二者组成一个整体，柔性套筒两端沿隧道纵向分别深入衬砌节段一段距离，相当于一个柔性骨架。

5.如权利要求1所述的用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，所述柔性接头装置设置在活断层及其两侧50m范围内。

6.如权利要求1所述的用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，所述柔性接头装置可布置在隧道变形缝处。

7.如权利要求1所述的用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，沿着隧道的轴线方向，每间隔设定的距离布置一圈柔性接头装置；且柔性接头装置布置位置处二次衬砌完全断开，形成两个独立的节段。

8.如权利要求1所述的用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，所述限位槽和砼凸榫均为一立方体凹槽，横截面为正方形；

砼凸榫在隧道横断面内长或宽＝(限位槽的长或宽-两相邻节段在隧道横断面内横向或竖向允许产生的最大相对位移)/2，砼凸榫沿隧道轴向尺寸＝限位槽沿隧道轴向尺寸；两相邻节段在隧道横断面内横向或竖向允许产生的最大相对位移根据二者产生过量相对位移时隧道结构失稳进行验算。

9.如权利要求1所述的用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，所述砼凸榫与限位槽的几何中心连线在两相邻节段未发生相对位移时与隧道轴向一致；所述砼凸榫指向隧道前进方向，即砼凸榫位于节段靠近前方开挖工作面的断面。

10.如权利要求1所述的用于隧道穿越活断层的二次衬砌柔性接头装置，其特征在于，

步骤1：绑扎二次衬砌钢筋时，将弹簧按照设计位置与两端的纵向钢筋焊接好,同时按照预留孔径安装柔性套筒，柔性套筒安装于高强弹簧以及限位装置的孔洞外缘，并封堵好套筒两端，防止浇筑时堵塞高强弹簧预留空洞；

步骤2：浇筑二次衬砌段混凝土时，每隔一定的距离留一道缝隙，该处隧道二次衬砌完全断开，在浇筑前二次衬砌段时，按照砼凸榫尺寸及设计位置安装堵头模板，浇筑后二次衬砌段时，按照限位凹槽的设计位置尺寸在安装堵头模板并做好封堵，注意使限位槽及砼凸榫几何中心的连线与隧道轴向保持一致；

步骤3：养护规定时间，拆模即得；在拆模时，柔性套筒均不再拆除。