CN111577326B - 适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构及其施工方法，抗震结构包括之间有空隙的初期支护和二次衬砌；沿二次衬砌的轴线方向、该空隙内等间距安装有多个减震器组；每个减震器组均由至少五个阻尼器组成；初期支护、二次衬砌和所有阻尼器围成的空间内填充有混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土。在需要设置衬砌的地段按要求建造初次支护和二次衬砌，敷设止水层，初次支护和二次衬砌之间安装阻尼器，喷射混入橡胶颗粒的多孔隙混凝土，建成适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构。该抗震结构具有一定的缓冲性，可以容许二次衬砌有较小的变形破坏，地震过后衬砌结构不会出现较大的变形破坏，解决了地震作用下隧道衬砌出现结构破坏的问题。

Description

适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构及其施工方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种适用于高烈度地震区隧道衬砌的TMD阻尼抗震结构，主要应用于一些地震频发区域的隧道衬砌工程。本发明还涉及一种该抗震结构的施工方法。

背景技术

由于我国地域辽阔，地形复杂，因此在交通设施建设过程中，隧道成为穿越山岭等复杂地区的必要方式，据不完全统计，我国目前正在建设和已建隧道里程已经超过10000km。然而由于受设计、施工、地形及地震等自然灾害的影响作用，容易导致隧道出现衬砌结构破坏、隧道渗漏水、道床破坏等现象，进而影响隧道结构的正常使用。其中，隧道衬砌结构破坏是造成隧道病害的主要原因之一。在地震作用下，隧道的衬砌结构与围岩之间会存在相互作用，致使隧道衬砌出现结构破坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构，解决穿越山岭等复杂地区的隧道在地震作用下出现的隧道衬砌出现结构破坏的问题。

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，本发明采用如下技术方案：一种适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构，包括初期支护和二次衬砌，初期支护和二次衬砌之间有空隙，初期支护背离二次衬砌的侧壁上敷设有第一止水层，初期支护朝向二次衬砌的侧壁上敷设有第二止水层，二次衬砌背离初期支护的侧壁上敷设有第三止水层；沿二次衬砌的轴线方向、该空隙内等间距安装有多个减震器组；每个减震器组均由至少五个阻尼器组成，同一减震器组中的所有阻尼器均布于同一圆周上；初期支护、二次衬砌和所有阻尼器围成的空间内填充有混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土，该多孔隙混凝土形成填充层。

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，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和二次衬砌，在每一段衬砌的初期支护朝向二次衬砌的侧壁上敷设止水带，形成第二止水层，在初期支护背离二次衬砌的侧壁上敷设止水带，形成第一止水带，在二次衬砌背离初期支护的侧壁上敷设止水带，形成第三止水层；

2）取阻尼器，将阻尼器安装在设计的位置，使阻尼器固定在初次支护和二次衬砌之间，并分别与初期支护和二次衬砌固接；

3）将混入橡胶颗粒的多孔隙混凝土喷射在初次支护、二次衬砌和阻尼器围成的空间内，形成填充层，建造完成适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构。

本发明抗震结构是在初次支护和二次衬砌之间布设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，调节使TMD阻尼器的频率与衬砌结构的自振频率一致，从而承担一部分地震力。此外在地震作用下，若二次衬砌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。

附图说明

图1是本发明抗震结构的示意图。

图2是本发明抗震结构中止水层的敷设示意图。

图3是本发明抗震结构中阻尼器的示意图。

图4是本发明抗震结构中保护套筒的示意图。

图中：1.初期支护，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.质量块，10.阻尼元件，11.弹簧，12.下连接件，13.保护套筒，14.弹性层，15.上套筒，16.下套筒。

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，本发明抗震结构，包括同轴设置的初期支护1和二次衬砌2，初期支护1和二次衬砌2之间有空隙，初期支护1背离二次衬砌2的侧壁上敷设有第一止水层5，初期支护1朝向二次衬砌2的侧壁上敷设有第二止水层6，二次衬砌2背离初期支护1的侧壁上敷设有第三止水层7，如图2；沿二次衬砌2的轴线方向、该空隙内等间距安装有多个减震器组；每个减震器组均由至少五个阻尼器3组成，同一减震器组中的所有阻尼器3均布于同一圆周上，所有减震器组中阻尼器3的数量相同；初期支护1、二次衬砌2和所有阻尼器3围成的空间内填充有混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土，该多孔隙混凝土形成填充层4。

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10～40 mm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；减水剂采用 L-5萘系高效减水剂，质量分数30%，减水率达到20%(质量分数)。

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。

如图3所示，本发明抗震结构中的阻尼器3，包括上下设置的上连接件8和下连接件12，上连接件8和下连接件12之间安装有保护套筒13，下连接件12上竖直固接有阻尼元件10和多个弹簧11，多个弹簧11位于同一圆周上，阻尼元件10位于多个弹簧11围成的区域内，阻尼元件10的下端和所有弹簧11的下端均与下连接件12固接，阻尼元件10的上端和所有弹簧11的上端均与质量块9固接；质量块9、阻尼元件10和所有弹簧11均位于保护套筒13内。

保护套筒13由筒形的上套筒15和筒形的下套筒16组成，如图4；下套筒16的外径大于上套筒15的外径，下套筒16朝向上套筒15一端的内径与上套筒15的外径相适配，上套筒15可沿自身轴线上下移动；上连接板8与下套筒16之间的上套筒15的侧壁上包裹有软质材料（如：橡胶膜），该软质材料形成弹性层14。

阻尼器3为调谐质量阻尼器（TMD）：由质量块、弹簧与阻尼系统组成，可以将其振动频率调整至主结构振动频率相近，改变结构共振特性，以达到减震作用。上连接件8与初期支护1朝向二次衬砌2的侧壁固接，下连接件12与二次衬砌2朝向初期支护1的侧壁固接。上套筒14的上端与上连接件8固接，下套筒15的下端与下连接件12固接。

上连接件8和下连接件12均采用钢板。

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，以提高衬砌的刚度，从而尽量保证隧道在地震作用下衬砌结构本体的稳定性。为避免初期支护1在后期漏水以及初期支护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的特性，在初期支护1的朝向二次衬砌2的侧壁和初期支护1背离二次衬砌2的侧壁上均敷设止水带，在二次衬砌2背离初期支护1的侧壁上敷设止水带，起到坚固密封，有效防止建筑构造漏水、渗水及减震缓冲的作用。

本发明还提供了一种上述抗震结构的施工方法，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，在每一段衬砌的初期支护1朝向二次衬砌2的侧壁上敷设止水带，形成第二止水层6，在初期支护1背离二次衬砌2的侧壁上敷设止水带，形成第一止水带4，在二次衬砌2背离初期支护1的侧壁上敷设止水带，形成第三止水层7；

2）取阻尼器3，将阻尼器3安装在设计的位置，安装时，将上连接件8与初期支护1固接，将下连接件12与二次衬砌2固接，使阻尼器3固定在初次支护1和二次衬砌2之间；

3）用湿喷机将混入橡胶颗粒的多孔隙混凝土喷射在初次支护1、二次衬砌2和所有阻尼器3围成的空间内，该多孔隙混凝土填充初次支护1、二次衬砌2和所有阻尼器3围成的空间，形成填充层4，建造完成适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构。

上连接件8和初期支护1连接在一起保持固定不变，上套筒15与上连接件8固定，在地震发生时，初期支护1向二次衬砌2移动过程中，上连接件8带动上套筒15向二次衬砌2方向移动，通过质量块9给弹簧11施加压力，弹簧11压缩，储存弹性能，起到缓冲吸能的作用。

阻尼器3中采用保护套筒13，在注入多孔隙混凝土过程中，能够避免混凝土进入阻尼器，保证TMD阻尼器正常使用。其主要作用：一、不影响TMD阻尼器的正常运营，二、避免所喷射的混入橡胶颗粒的多孔隙混凝土进入TMD阻尼器，影响阻尼器的正常运营，且制作简易，成本较低。

上套筒15外边布设了一层材质较软的弹性层14（如：橡胶膜），该弹性层14的作用是避免混入橡胶颗粒的多孔隙混凝土凝固时阻塞上套筒15的移动，保证上套筒15可以沿轴线正常向下移动，并且在移动后可以恢复原样。

在安装阻尼器3前，调节阻尼器3中阻尼元件10的自振频率，使阻尼元件10的自振频率与阻尼器3所处衬砌结构的自振频率一致。两个频率一致是为了受到地震波冲击时，阻尼器3能更好的承担一部分衬砌结构所受到的地震力，避免衬砌结构产生受力过大产生变形破坏，起到一定的减震作用。当发生地震时，施加于衬砌结构上的地震波频通过阻尼器3分散，而阻尼器3中的多个弹簧11组成的弹簧系统本身具有一定的刚度，不仅可以为阻尼器3提供必要的刚度，也具有缓冲吸能作用；同时，填充层4中的橡胶颗粒具有缓冲作用，多孔隙具有吸能作用，混凝土结构具有一定的刚度可以对隧道衬砌结构起到保护作用。因此，本发明抗震结构适用于高烈度地震区隧道衬砌，避免衬砌结构在地震作用下产生较大的变形破坏。

调节阻尼元件频率的目的是为了保证阻尼器的频率与当地衬砌结构的自振频率一致，从而帮助衬砌结构更好的承担地震力，而这个自振频率是可以测得的。

Claims (2)

1.一种适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构，其特征在于，包括初期支护（1）和二次衬砌（2），初期支护（1）和二次衬砌（2）之间有空隙，初期支护（1）背离二次衬砌（2）的侧壁上敷设有第一止水层（5），初期支护（1）朝向二次衬砌（2）的侧壁上敷设有第二止水层（6），二次衬砌（2）背离初期支护（1）的侧壁上敷设有第三止水层（7）；沿二次衬砌（2）的轴线方向、该空隙内等间距安装有多个减震器组；每个减震器组均由至少五个阻尼器（3）组成，同一减震器组中的所有阻尼器（3）均布于同一圆周上；初期支护（1）、二次衬砌（2）和所有阻尼器（3）围成的空间内填充有混有橡胶颗粒的多孔隙混凝土，该多孔隙混凝土形成填充层（4）；

所述的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；

所述的阻尼器（3），包括上下设置的上连接件（8）和下连接件（12），上连接件（8）和下连接件（12）之间安装有保护套筒（13），下连接件（12）上竖直固接有阻尼元件（10）和多个弹簧（11），多个弹簧（11）位于同一圆周上，阻尼元件（10）位于多个弹簧（11）围成的区域内，阻尼元件（10）的下端和所有弹簧（11）的下端均与下连接件（12）固接，阻尼元件（10）的上端和所有弹簧（11）的上端均与质量块（9）固接；质量块（9）、阻尼元件（10）和所有弹簧（11）均位于保护套筒（13）内；保护套筒（13）由筒形的上套筒（15）和筒形的下套筒（16）组成；下套筒（16）朝向上套筒（15）一端的内径与上套筒（15）的外径相适配，上套筒（15）可沿自身轴线上下移动；上连接件（8）与初期支护（1）朝向二次衬砌（2）的侧壁固接，下连接件（12）与二次衬砌（2）朝向初期支护（1）的侧壁固接；上套筒（15）的上端与上连接件（8）固接，下套筒（16）的下端与下连接件（12）固接；

上连接件（8）与下套筒（16）之间的上套筒（15）的侧壁上包裹有软质材料形成的弹性层（14）。

2.一种权利要求1所述适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构的施工方法，其特征在于，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期支护（1）和二次衬砌（2），在每一段衬砌的初期支护（1）朝向二次衬砌（2）的侧壁上敷设止水带，形成第二止水层（6），在初期支护（1）背离二次衬砌（2）的侧壁上敷设止水带，形成第一止水层（5），在二次衬砌（2）背离初期支护（1）的侧壁上敷设止水带，形成第三止水层（7）；

2）取阻尼器（3），将阻尼器（3）安装在设计的位置，使阻尼器（3）固定在初期支护（1）和二次衬砌（2）之间，并分别与初期支护（1）和二次衬砌（2）固接；

3）将混入橡胶颗粒的多孔隙混凝土喷射在初期支护（1）、二次衬砌（2）和阻尼器（3）围成的空间内，形成填充层（4），建造完成适用于高烈度地震区隧道衬砌的抗震结构。

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