CN111501789B - 滑坡及断层区多向复合型衬砌抗震结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滑坡及断层区多向复合型衬砌抗震结构及其施工方法，抗震结构包括之间有空隙的初次支护和二次衬砌，该空隙内等间距安装有多个阻尼器并设有填充层。隧道开挖过程中，在需要设置衬砌的地段按照要求建造初次支护和二次衬砌，敷设止水层，在初次支护和二次衬砌之间安装多个阻尼器，喷入混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土凝，固后，形成填充层，建成滑坡及断层区多向复合型衬砌抗震结构。该衬砌抗震结构具有较轻的重量和较大的刚度，尽量保证在地震作用下隧道衬砌结构本体的稳定性；同时，具有缓冲吸能作用，可以承受滑坡区段内围岩对TMD阻尼器各个方向的力，并将所受到的力进行分解和消散，保护衬砌结构在滑坡区段不受破坏。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种适用于滑坡区和断层区破碎带的隧道衬砌多向复合型TMD阻尼衬砌抗震结构，主要应用于一些常见滑坡等地质灾害的隧道衬砌工程。
背景技术
随着我国交通运输系统的不断完善，一些铁路和公路的建设必不可少的需要以隧道的形式穿越地形复杂、地质不良的山岭地区，因此就不可避免的受到这些地质灾害的影响。目前，山岭地区的隧道常遇到的地质灾害主要是滑坡和地震，这些对于隧道结构的影响主要是破坏隧道的衬砌结构。TMD阻尼器由于构造简单，造价低廉，易于维护等优点常用于高层建筑和桥梁的抗震减震设计中，利用TMD结构所具有的这些优点来提高隧道衬砌在地震作用下的抗震性能。因此本专利针对这种情况下的隧道衬砌破坏研发了一种适用于滑坡及断层区的多向复合型TMD阻尼式衬砌抗震结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于滑坡及断层区的多向复合型衬砌抗震结构，以解决隧道在地震作用下穿越滑坡和断层等复杂地区时隧道衬砌结构出现破坏的问题。
本发明的另一个目的是提供一种上述抗震结构的施工方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种滑坡及断层区多向复合型衬砌抗震结构，包括初次支护和二次衬砌，初次支护和二次衬砌之间有空隙，沿二次衬砌的轴线方向、该空隙内等间距安装有多个阻尼器；初次支护朝向二次衬砌的侧壁上敷设有第一止水层，二次衬砌朝向初次支护的侧壁上敷设与第二止水层，二次衬砌背离初次支护的侧壁上敷设有第三止水层；第一止水层和第二止水层之间设有填充层；
所述的阻尼器包括筒形的套筒，套筒的两端分别固接有上连接件和下连接件，下连接件上竖直安装有多根轴向连接弹簧，轴向连接弹簧的下端与下连接件固接，所有轴向连接弹簧的上端均与阻尼元件的底面固接，阻尼元件通过第一连接杆与球形的第二质量块相连，阻尼元件通过四根第二连接杆分别与四个球形的第一质量块相连，第一连接杆的上端和四个第二连接杆的上端均伸出上连接件外，且第二质量块和所有的第一质量块均位于上连接件上方，第二质量块的高度位置高于所有第一质量块的高度位置，所有第一质量块的高度位置等高；所有第一质量块的平面投影均布于同一个圆的圆周上，第二质量块的投影位于该圆的圆心；第二连接杆通过径向连接弹簧与第一连接杆相连；阻尼元件、所有的轴向连接弹簧和所有的径向连接弹簧均位于套筒内；第二质量块与第一止水层相接触。
本发明所采用的另一个技术方案是：一种上述抗震结构的施工方法，具体为：
1）在隧道开挖过程中，在需要设置衬砌的地段按照要求，用轻骨型材料建造初次支护，用纤维型混凝土建造二次衬砌，初次支护和二次衬砌之间有空隙，在初次支护朝向二次衬砌的侧壁上敷设止水带，形成第一止水层，在二次衬砌朝向初次支护的侧壁上敷设止水带，形成第二止水层，在二次衬砌背离初次支护的侧壁上敷设止水带，形成第三止水层；
2）沿二次衬砌的轴线方向、将多个阻尼器等间距安装于初次支护和二次衬砌之间；上连接件与初次支护固接，下连接件与二次衬砌固接，第二质量块与第一止水层相接触；
3）利将混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土喷射在初次支护、二次衬砌和多个阻尼器围成的空间内，凝固后，形成填充层，建成滑坡及断层区多向复合型衬砌抗震结构。
本发明抗震结构由设置于隧道内侧的初次支护、位于初次支护内侧的二次衬砌、设置于滑坡区段初次支护衬和二次衬砌衬之间的多向复合型TMD阻尼器、混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土和止水带等组成；初次支护采用轻骨型材料制成，以减少衬砌的重量；二次衬砌采用纤维型混凝土制成，以提高衬砌的刚度，从而尽量保证在地震作用下隧道衬砌结构本体的稳定性。阻尼器中的质量块为球形，由于球体具有各向同性的性质，因此球形质量块不仅可以调频，还可以将承受到的多个方向的力进行消散，达到缓冲吸能、减震抗震效果。位于周边的四个球形质量块与位于中间的球形质量块通过弹簧连接，能够抵消来自别的方向的力。调解阻尼元件的自振频率与衬砌结构的自振频率一致（阻尼器调频主要是通过改变质量或者刚度的大小来调整子结构的自振频率将 TMD的自振频率设计成非常接近主体结构的主要自振频率；频率的测定主要通过无源测频法、有源测频法及电子计数法三种方法测定），可以将施加于衬砌结构上的地震波频通过阻尼器分散（阻尼器的工作原理主要是由阻尼器结构本身决定的，TMD是一种附加在结构上的减震子结构、由弹簧、阻尼器和质量块组成，质块一般通过弹簧和阻尼器支撑或者悬挂在主结构上当结构受到外部荷载作用产生振动时，子结构通过连接装置与结构一起振动，由此产生的能量会通过惯性力反作用于主结构，以及部分被阻尼器所消耗，实现减震）。弹簧系统本身具有一定的刚度，不仅可以为TMD阻尼器提供必要的刚度，也具有缓冲吸能作用，球形多向复合型的TMD阻尼式结构可以承受滑坡区段内围岩对TMD阻尼器各个方向的力，并将所受到的力进行分解和消散，保护衬砌结构在滑坡区段不受破坏。
附图说明
图1是本发明衬砌抗震结构的示意图。
图2是本发明衬砌抗震结构中止水层的敷设示意图。
图3是本发明衬砌抗震结构中阻尼器的示意图。
图4是图3所示阻尼器中质量块的平面布置示意图。
图5是本发明衬砌抗震结构在山岭地区内部的布设图。
图中：1.初次支护，2.二次衬砌，3.阻尼器，4.填充层，5.第一止水层，6.第二止水层，7.第三止水层，8.上连接件，9.套筒，10.下连接件，11.轴向连接弹簧，12.阻尼结构，13.第一质量块，14.第二质量块，15.第一连接杆，16.第二连接杆，17.径向连接弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细阐述。
如图1所示，本发明衬砌结构，包括同轴设置的初次支护1和二次衬砌2，初次支护1和二次衬砌2之间有空隙，沿二次衬砌2的轴线方向、该空隙内等间距安装有多个阻尼器3，所有阻尼器3均位于二次衬砌2的拱顶位置；初次支护1朝向二次衬砌2的侧壁上敷设有第一止水层5，二次衬砌2朝向初次支护1的侧壁上敷设与第二止水层6，二次衬砌2背离初次支护1的侧壁上敷设有第三止水层7，如图2；第一止水层5和第二止水层6之间设有填充层4，所有的阻尼器3均位于填充层4内。
第一止水层5、第二止水层6和第三止水层7均采用具有防隔水作用和隔震缓冲作用的止水带制成。
填充层4采用混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土制成。
在隧道修建过程中，初次支护1采用轻骨型材料进行建造，以减少衬砌重量，二次衬砌2采用纤维型混凝土修建，来提高衬砌的刚度。为避免初次支护1在后期漏水以及初次支护1和二次衬砌2之间填筑的混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土中的水分渗入隧道结构，利用止水带在荷载作用下可以产生弹性变形，从而起到坚固密封有效地防止建筑构造漏水、渗水及减震缓冲的功能，在初次支护1的朝向二次衬砌2的侧壁上敷设第一止水层5，在二次衬砌2朝向初次支护1的侧壁上敷设第二止水层6，在二次衬砌2背离初次支护1的侧壁上敷设第三止水层7。
如图3和图4所示，本发明衬砌结构中的阻尼器3，包括筒形的套筒9，套筒9的两端分别固接有上连接件8和下连接件10，下连接件10上竖直安装有多根轴向连接弹簧11，轴向连接弹簧11的下端与下连接件10固接，所有轴向连接弹簧11的上端均与阻尼元件12的底面固接，阻尼元件12通过第一连接杆15球形的第二质量块14相连，阻尼元件12通过四根第二连接杆16分别与四个球形的第一质量块13相连，第一连接杆15的上端和四个第二连接杆16的上端均伸出上连接件8外，且第二质量块14和所有的第一质量块13均位于上连接件8上方，第二质量块14的高度位置高于所有第一质量块13的高度位置，所有第一质量块13的高度位置等高；所有第一质量块13的平面投影均布于同一个圆的圆周上，第二质量块14的投影位于该圆的圆心；第二连接杆16通过径向连接弹簧17与第一连接杆15相连。
阻尼元件12、所有的轴向连接弹簧11和所有的径向连接弹簧17均位于套筒9内。
阻尼器3为多向复合型调谐质量阻尼器。
上连接件8和下连接件10均采用不锈钢板制成。
本发明还提供了一种上述衬砌抗震结构的施工方法，具体按以下步骤进行：
1）在隧道开挖过程中，在需要设置衬砌的地段按照相应要求建造初次支护1和二次衬砌2，初次支护1和二次衬砌2之间有空隙，然后，在初次支护1朝向二次衬砌2的侧壁上敷设止水带，形成第一止水层5，在二次衬砌2朝向初次支护1的侧壁上敷设止水带，形成第二止水层6，在二次衬砌2背离初次支护1的侧壁上敷设止水带，形成第三止水层7；
2）沿二次衬砌2的轴线方向、将多个阻尼器3等间距安装于初次支护1和二次衬砌2之间，如图5；上连接件8与初次支护1固接，下连接件10与二次衬砌2固接，阻尼器3位于二次衬砌2的拱顶位置，第二质量块14与第一止水层5相接触；
3）利用湿喷机将混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土喷射在初次支护1、二次衬砌2和多个阻尼器3围成的空间内，凝固后，形成填充层4，建成滑坡及断层区多向复合型衬砌抗震结构。
套筒9不影响阻尼器3的正常运营，同时还能避免所喷射的混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土进入阻尼器3，影响阻尼器3的正常运营。
混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土这样制得：按质量比132︰420︰527︰1296︰11.68︰5.0，分别取水、水泥、砂、粗骨料、橡胶颗粒和减水剂，放入搅拌机中，搅拌均匀，制得混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土。
水泥采用P·042.5R水 泥。砂为普通河砂(中砂)，连续级配，细度模数2.5，表观密度2.54g/cm3。粗骨料为粒径10～40mm的花岗岩碎石，表观密度2.58g/cm3。橡胶颗粒为80目(0.180 ram)橡胶粉，密度1.06g/cm3。外加剂为 L-5萘系高效减水剂，质量分数30%，减水率达到20%(质量分数)。
填充层4中的橡胶颗粒具有缓冲作用，多孔隙混凝土具有吸能作用，而且多孔隙混凝土具有一定的刚度可以对隧道衬砌结构起到保护作用。
止水层能够防止初次支护1在后期漏水，同时还能防止初次支护1和二次衬砌2之间填筑的混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土中的水分渗入隧道结构。
在初次支护1和二次衬砌2之间布设多向复合型TMD阻尼器和混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土。该抗震结构中，多孔隙混凝土具有吸能减震的作用，可以将地震波中的一部分能量进行吸收。多向复合型TMD阻尼器除了可以将自振频率调节至与衬砌结构自振频率一致，从而承担一部分地震力外，由于该阻尼器中的质量块为球形，而球体具有各向均质的特性，使该阻尼器可以达到近乎360°的多方向减震控制效果，可以将来自不同方向的初次支护1的剪切力进行分散。在地震作用下，若二次衬砌2在上部岩土体重力作用下有向下破坏的趋势，多孔隙混凝土和TMD阻尼器由于具有一定的缓冲性可以容许二次衬砌2有较小的变形破坏，在地震过后衬砌结构不会出现较大的变形破坏，从而解决了在地震作用下，隧道衬砌出现结构破坏的问题。
由于所有的质量块都位于上连接件8的上方，而上连接块8为平板，阻尼器3安装于初次支护1和二次衬砌2之间时，上连接板8与初次支护1轴线相平行的两个侧边与初次支护1紧密接触，上连接板8和初次支护1的穹拱之间有空间，该空间内能容纳所有的球形的质量块，阻尼器3安装完成后，用钢板封闭上连接板8与初次支护1轴线相垂直的两个边与初次支护1之间的间隙，使所有的质量处于一个密闭的腔室内，在喷射混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土时，避免混凝土填满质量块之间的空隙，在受到初次支护1的压力下，上连接板8可上下移动，保证阻尼器3正常使用。
Claims (2)
1.一种滑坡及断层区多向复合型衬砌抗震结构，其特征在于，包括初次支护（1）和二次衬砌（2），初次支护（1）和二次衬砌（2）之间有空隙，沿二次衬砌（2）的轴线方向、该空隙内等间距安装有多个阻尼器（3）；初次支护（1）朝向二次衬砌（2）的侧壁上敷设有第一止水层（5），二次衬砌（2）朝向初次支护（1）的侧壁上敷设与第二止水层（6），二次衬砌（2）背离初次支护（1）的侧壁上敷设有第三止水层（7）；第一止水层（5）和第二止水层（6）之间设有填充层（4）；填充层（4）采用混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土制成；
所述的阻尼器（3）包括筒形的套筒（9），套筒（9）的两端分别固接有上连接件（8）和下连接件（10），下连接件（10）上竖直安装有多根轴向连接弹簧（11），轴向连接弹簧（11）的下端与下连接件（10）固接，所有轴向连接弹簧（11）的上端均与阻尼元件（12）的底面固接，阻尼元件（12）通过第一连接杆（15）与球形的第二质量块（14）相连，阻尼元件（12）通过四根第二连接杆（16）分别与四个球形的第一质量块（13）相连，第一连接杆（15）的上端和四个第二连接杆（16）的上端均伸出上连接件（8）外，且第二质量块（14）和所有的第一质量块（13）均位于上连接件（8）上方，第二质量块（14）的高度位置高于所有第一质量块（13）的高度位置，所有第一质量块（13）的高度位置等高；所有第一质量块（13）的平面投影均布于同一个圆的圆周上，第二质量块（14）的投影位于该圆的圆心；第二连接杆（16）通过径向连接弹簧（17）与第一连接杆（15）相连；阻尼元件（12）、所有的轴向连接弹簧（11）和所有的径向连接弹簧（17）均位于套筒（9）内；第二质量块（14）与第一止水层（5）相接触。
2.一种权利要求1所述滑坡及断层区多向复合型衬砌抗震结构的施工方法，其特征在于，该施工方法具体按以下步骤进行：
1）在隧道开挖过程中，在需要设置衬砌的地段按照要求，用轻骨型材料建造初次支护（1），用纤维型混凝土建造二次衬砌（2），初次支护（1）和二次衬砌（2）之间有空隙，在初次支护（1）朝向二次衬砌（2）的侧壁上敷设止水带，形成第一止水层（5），在二次衬砌（2）朝向初次支护（1）的侧壁上敷设止水带，形成第二止水层（6），在二次衬砌（2）背离初次支护（1）的侧壁上敷设止水带，形成第三止水层（7）；
2）沿二次衬砌（2）的轴线方向、将多个阻尼器（3）等间距安装于初次支护（1）和二次衬砌（2）之间；上连接件（8）与初次支护（1）固接，下连接件（10）与二次衬砌（2）固接，第二质量块（14）与第一止水层（5）相接触；
3）将混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土喷射在初次支护（1）、二次衬砌（2）和多个阻尼器（3）围成的空间内，凝固后，形成填充层（4），建成滑坡及断层区多向复合型衬砌抗震结构。
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