CN112096418A - 一种跨活断层隧道的减震结构及隧道衬砌结构 - Google Patents

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朱勇
徐福通
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Abstract

一种跨活断层隧道的减震结构及隧道衬砌结构，涉及隧道工程技术领域，包括沿隧道径向依次设置的初期支护、第一减震层、防水层和二次衬砌，第一减震层包括液压千斤顶，液压千斤顶的两端分别与初期支护和防水层固定连接。该跨活断层隧道的减震结构及隧道衬砌结构能够显著改善跨活断层隧道的减震效果。

Description

一种跨活断层隧道的减震结构及隧道衬砌结构
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，具体而言，涉及一种跨活断层隧道的减震结构及隧道衬砌结构。
背景技术
我国处于亚欧板块、印度洋板块与环太平洋板块之间，受板块运动影响，广泛分布着各种规模的活断层。受选线制约，许多拟建或在建隧道铁路相关工程不得不穿越过断层地段。活断层有两种基本活动方式：蠕滑型及黏滑型，多数活动断层通过连续缓慢滑动积累应变能，到达极限后突然错动，甚至引发地震，这种蠕滑-黏滑的过程会造成围岩与隧道剪切变形，破坏隧道结构。如何减少上下盘错动与地面震动对跨活断层隧道的影响是我国仍在探索的难题之一。
目前，我国在穿越活断层的隧道工程规范中并未提出具体措施，只是定性要求需要进行抗震设防以及满足隧道净空要求。工程中常采用的措施有：设置柔性连接段、局部加固、扩挖、设置减震层等。其中，减震层一般采用泡沫混凝土，泡沫混凝土层具有一定的压缩性，但在长期持续性的断层蠕滑中难以保障隧道内轨道运行的平顺性，遇到突发地震时也难以具有优良的减震效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨活断层隧道的减震结构及隧道衬砌结构，能够显著改善跨活断层隧道的减震效果。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例的一方面，提供一种跨活断层隧道的减震结构，包括沿隧道径向依次设置的初期支护、第一减震层、防水层和二次衬砌，所述第一减震层包括液压千斤顶，所述液压千斤顶的两端分别与所述初期支护和所述防水层固定连接。该跨活断层隧道的减震结构能够显著改善跨活断层隧道的减震效果。
可选地，在本发明较佳的实施例中，还包括控制器和传感器，所述控制器分别与所述传感器和所述液压千斤顶电连接，所述传感器设置于所述液压千斤顶的缸筒内，用于检测所述液压千斤顶受到的作用力，所述控制器根据所述传感器测得的受力信号控制所述液压千斤顶的油泵的开启和关闭。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述液压千斤顶的伸缩方向与所述初期支护和所述防水层均相互垂直。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述液压千斤顶包括多个，多个所述液压千斤顶沿隧道径向呈放射状排布。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述第一减震层的厚度为设计年限内的断层错动量。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述第一减震层内填充有柔性填充材料，所述柔性填充材料包覆于所述液压千斤顶外。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述柔性填充材料为粘性树脂。
可选地，在本发明较佳的实施例中，还包括沿隧道径向设置的第二减震层，所述第二减震层位于所述初期支护远离所述第一减震层的一侧，所述第二减震层内填充有竹纤维混凝土。
可选地，在本发明较佳的实施例中，所述第二减震层的截面形状为圆形或椭圆形。
本发明实施例的另一方面，提供一种隧道衬砌结构，包括上述的跨活断层隧道的减震结构。该跨活断层隧道的减震结构能够显著改善跨活断层隧道的减震效果。
本发明实施例的有益效果包括：
该跨活断层隧道的减震结构包括沿隧道径向依次设置的初期支护、第一减震层、防水层和二次衬砌，其中，上述的初期支护和防水层为相互独立且间隔设置的两个部分，当活断层发生错动时，处于断层错动区域内的初期支护和防水层会沿断层错动方向产生一定程度的相对位移。因此，第一减震层包括液压千斤顶，液压千斤顶的两端分别与初期支护和防水层固定连接，以通过液压千斤顶将处于断层错动区域内的初期支护和防水层的初期支护和防水层连接起来。又由于液压千斤顶的行程范围较广，且具有良好的调控压力与拉力的能力，因此，该跨活断层隧道的减震结构能够通过液压千斤顶承受大范围变化的位移与力，当断层错动时，初期支护和防水层之间沿断层错动方向产生一定程度的相对位移，此时，液压千斤顶作为连接件能够自适应调控处于断层错动区域内的初期支护和防水层所受的力，从而显著改善跨活断层隧道的减震效果，进而保证隧道衬砌结构的安全，减小活断层对隧道结构的危害。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之一；
图2为本发明第一实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之二；
图3为本发明第一实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之三；
图4为本发明第二实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之一；
图5为本发明第二实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之二；
图6为本发明第二实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之三。
图标：10-初期支护；20-第一减震层；21-液压千斤顶；22- 柔性填充材料；30-防水层；40-二次衬砌；50-第二减震层；60- 隧道开挖轮廓线；70-控制器；80-传感器；200-围岩；a-断层错动较小区域；b-断层错动较大区域。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请结合参照图1和图2，本实施例提供一种跨活断层隧道的减震结构，包括沿隧道径向依次设置的初期支护10、第一减震层20、防水层30和二次衬砌40，第一减震层20包括液压千斤顶21，液压千斤顶21的两端分别与初期支护10和防水层30固定连接。该跨活断层隧道的减震结构能够显著改善跨活断层隧道的减震效果。
需要说明的是，第一，如图1和图2所示，该跨活断层隧道的减震结构包括初期支护10、第一减震层20、防水层30和二次衬砌40，且初期支护10、第一减震层20、防水层30和二次衬砌40沿隧道径向由外向内依次设置。其中，上述的初期支护10、防水层30和二次衬砌40的具体结构和施工方式，本领域技术人员应当能够根据现有技术中的隧道衬砌结构中的初期支护、防水层和二次衬砌的具体结构和施工方式进行合理的选择和设计，这里不做具体限制。另外，图示中的围岩200仅用于便于理解隧道衬砌结构，并不包括在隧道衬砌结构内。
第二，上述的初期支护10和防水层30为相互独立且间隔设置的两个部分，当活断层发生错动时，处于断层错动区域内的初期支护10和防水层30会沿断层错动方向产生一定程度的相对位移，因此，第一减震层20包括液压千斤顶21，且液压千斤顶21的两端分别与初期支护10和防水层30固定连接，以通过液压千斤顶21将处于断层错动区域内的初期支护10和防水层30的初期支护10和防水层30连接起来。
值得注意的是，处于断层错动区域内的隧道衬砌结构与处于其他区域内的隧道衬砌结构相比，更需要通过包括多个液压千斤顶21的第一减震层20减少上下盘错动与地面震动对跨活断层隧道的影响，但这并不意味着处于其他区域内的隧道衬砌结构不能采用上述的方式进行施工作业，即只要在不影响隧道衬砌结构的前提下，处于其他区域内的隧道衬砌结构也可以采用液压千斤顶21连接初期支护10和防水层30。
第三，由于液压千斤顶21可承担压力或拉力，假设液压千斤顶21的两端之间的初始距离为L，当液压千斤顶21受到压力作用时，液压千斤顶21的两端之间的实际距离小于L，当液压千斤顶21受到拉力作用时，液压千斤顶21的两端之间的实际距离大于L。因此，随着活断层发生错动，初期支护10和防水层30分别将力传递给液压千斤顶21，根据初期支护10和防水层30的靠近或远离，液压千斤顶21会承受不同大小的压力或拉力，当液压千斤顶21承受的压力增大或拉力减小时，液压千斤顶21的两端之间相互位移减小，当液压千斤顶21承受压力减小或拉力增大时，液压千斤顶21的两端之间的相对位移增大。在上述断层错动的过程中，液压千斤顶21会抵抗部分位移，也会承担大部分初期支护10和防水层30之间的相互作用力。
由于液压千斤顶21的行程范围较广，且具有良好的调控压力与拉力的能力，因此，该跨活断层隧道的减震结构能够通过液压千斤顶21承受大范围变化的位移与力，当断层错动时，初期支护10和防水层30之间沿断层错动方向产生一定程度的相对位移，此时，液压千斤顶21作为连接件能够自适应调控处于断层错动区域内的初期支护10和防水层30所受的力，从而显著改善跨活断层隧道的减震效果，进而保证隧道衬砌结构的安全，减小活断层对隧道结构的危害。
如上所述，该跨活断层隧道的减震结构包括沿隧道径向依次设置的初期支护10、第一减震层20、防水层30和二次衬砌 40，其中，上述的初期支护10和防水层30为相互独立且间隔设置的两个部分，当活断层发生错动时，处于断层错动区域内的初期支护10和防水层30会沿断层错动方向产生一定程度的相对位移。因此，第一减震层20包括液压千斤顶21，液压千斤顶21的两端分别与初期支护10和防水层30固定连接，以通过液压千斤顶21将处于断层错动区域内的初期支护10和防水层 30的初期支护10和防水层30连接起来。又由于液压千斤顶21 的行程范围较广，且具有良好的调控压力与拉力的能力，因此，该跨活断层隧道的减震结构能够通过液压千斤顶21承受大范围变化的位移与力，当断层错动时，初期支护10和防水层30之间沿断层错动方向产生一定程度的相对位移，此时，液压千斤顶21作为连接件能够自适应调控处于断层错动区域内的初期支护10和防水层30所受的力，从而显著改善跨活断层隧道的减震效果，进而保证隧道衬砌结构的安全，减小活断层对隧道结构的危害。
请再结合参照图3，在本实施例中，该跨活断层隧道的减震结构还包括控制器70和传感器80，控制器70分别与传感器80 和液压千斤顶21电连接，传感器80设置于液压千斤顶21的缸筒内，用于检测液压千斤顶21受到的作用力，控制器70根据传感器80测得的受力信号控制液压千斤顶21的油泵的开启和关闭。其中，传感器80可以为压力传感器80。
需要说明的是，传感器80设置于液压千斤顶21的缸筒内，用于检测液压千斤顶21的油压，从而获取液压千斤顶21受到的作用力，其中，该作用力包括压力和拉力，传感器80还将测得的受力信号发送给控制器70，控制器70根据传感器80测得的受力信号控制液压千斤顶21的油泵的开启和关闭，从而控制液压千斤顶21的动作，实现液压千斤顶21的自动控制。
如图1和图2所示，在本实施例中，液压千斤顶21的伸缩方向与初期支护10和防水层30均相互垂直，以使液压千斤顶 21受到的初期支护10和防水层30的作用力尽可能相同。
如图1所示，在本实施例中，液压千斤顶21包括多个，多个液压千斤顶21沿隧道径向呈放射状排布。其中，本领域技术人员应当能够根据施工现场的实际受力特征对液压千斤顶21的数量进行合理的选择和设计，这里不做具体限制。
需要说明的是，多个液压千斤顶21沿隧道径向呈放射状排布，这里的放射状排布可以是均匀排布，也可以是不均匀排布，本领域技术人员应当能够根据施工现场的实际受力特征对液压千斤顶21的排布进行合理的选择和设计，这里不做具体限制，只要能够使得每个液压千斤顶21受到的作用力尽可能相同即可。
在本实施例中，第一减震层20的厚度为设计年限内的断层错动量。因此，关于液压千斤顶21的类型和型号的选择，本领域技术人员应当能够根据设计年限内的断层错动量进行合理的选择和设计，这里不做具体限制。
在本实施例中，第一减震层20内填充有柔性填充材料22，柔性填充材料22包覆于液压千斤顶21外，以通过柔性填充材料22率先吸收断层错动产生的能量。
可选地，柔性填充材料22为粘性树脂，以通过粘性树脂具有的高弹性与高压缩性的特点，从而使得地震波的能量衰减进而，减少隧道的震动破坏。当然，在其他实施例中，柔性填充材料22还可以为泡沫混凝土，以通过泡沫混凝土内含的大量的微小孔泡，起到吸收能量、减轻震动的作用。
上述的跨活断层隧道的减震结构在实际施工过程中，包括以下步骤：
S110.确定活断层影响段内的开挖半径(即隧道开挖轮廓线 60所处的位置)后，对隧道进行开挖及支护。
其中，开挖半径等于隧道净空半径和超挖距离之和，超挖距离等于初期支护10的厚度、第一减震层20的厚度、防水层 30的厚度和二次衬砌40的厚度之和，第一减震层20的厚度为设计年限内的断层错动量。
示例地，先开挖隧道上部洞体，并进行锚喷支护；后开挖隧道下部洞体，并进行锚喷支护。二者及时封闭成环，以确保初期支护10安全，控制围岩200变形。当然，在其他实施例中，初期支护10还可以采用其他支护方式。
S120.施做第一减震层20和防水层30。沿初期支护10环向布设好液压千斤顶21，填充柔性填充材料22以形成第一减震层20，再铺设防水板以形成防水层30。
S130.施做二次衬砌40。
其中，二次衬砌40可以采用环形结构设计，以使二次衬砌 40的受力结构为统一、完整的承载环结构。
第二实施例
请再结合参照图4至图6，本实施例提供一种跨活断层隧道的减震结构，与前述实施例不同的是，在本实施例中，该跨活断层隧道的减震结构还包括沿隧道径向设置的第二减震层50，第二减震层50位于初期支护10远离第一减震层20的一侧，第二减震层50内填充有竹纤维混凝土。
需要说明的是，第一，处于断层错动较大区域b内的隧道衬砌结构与处于断层错动较小区域a内的隧道衬砌结构，受到上下盘错动与地面震动的影响更大，因此，为了更进一步地改善跨活断层隧道的减震效果，进而保证隧道衬砌结构的安全，减小活断层对隧道结构的危害，在本实施例中，该跨活断层隧道的减震结构还包括沿隧道径向设置的第二减震层50，第二减震层50位于初期支护10远离第一减震层20的一侧，第二减震层 50内填充有竹纤维混凝土。
第二，竹纤维混凝土是将竹纤维作为增强材料，与水泥、砂、石和水共同组成的水泥基复合材料。竹纤维从竹材中提取，绿色环保，天然经济，并且横向与纵向都有较高强度与断裂延伸率。由于竹纤维掺入混凝土中可有效抑制裂隙开展，能够提高混凝土的冲击韧性，具有良好的减震效果。因此，第二减震层50能够在初期支护10远离第一减震层20的一侧对断层带附近的软弱围岩200提供支护，即第二减震层50能够在发生地震时提供吸能减震的作用，还能够在隧道出现局部塌陷或损坏时有效阻止围岩200、地下水或淤泥进入隧道，节省修复成本。
可选地，第二减震层50的截面形状为圆形、椭圆形或其他受力稳定且易施工的形状。值得注意的是，图3至图6中示出的第二减震层50的截面形状为示意形状，不应当用来第二减震层50的实际截面形状，本领域技术人员应当能够根据实际情况对第二减震层50的截面形状进行合理设计和选择，这里对第二减震层50的截面形状不作限制。
上述的跨活断层隧道的减震结构在实际施工过程中，包括以下步骤：
S210.开挖椭圆形旁侧导洞，锚喷支护，并回填竹纤维混凝土以形成第二减震层50。
其中，第二减震层50能够在施工上保持两侧围岩200的稳定性，使后续开挖隧道不易坍塌，还可以在运营时避免断层错动过程中潜在的围岩200或地下水侵入隧道内部。
S220.确定活断层影响段内的开挖半径(即隧道开挖轮廓线 60所处的位置)后，对隧道进行开挖及支护。
其中，开挖半径等于隧道净空半径和超挖距离之和，超挖距离等于初期支护10的厚度、第一减震层20的厚度、防水层30的厚度和二次衬砌40的厚度之和，第一减震层20的厚度为设计年限内的断层错动量。
示例地，先开挖隧道上部洞体，并进行锚喷支护；后开挖隧道下部洞体，并进行锚喷支护。二者及时封闭成环，以确保初期支护10安全，控制围岩200变形。当然，在其他实施例中，初期支护10还可以采用其他支护方式。
S230.施做第一减震层20和防水层30。沿初期支护10环向布设好液压千斤顶21，填充柔性填充材料22以形成第一减震层 20，再铺设防水板以形成防水层30。
S240.施做二次衬砌40。
其中，二次衬砌40可以采用环形结构设计，以使二次衬砌 40的受力结构为统一、完整的承载环结构。
第三实施例
请结合参照图1至图6，本实施例提供一种隧道衬砌结构，包括上述任意一实施例中的跨活断层隧道的减震结构。因此，本实施例所提供的隧道衬砌结构包括上述任意一实施例中的跨活断层隧道的减震结构的全部技术特征，从而具备上述任意一实施例中的跨活断层隧道的减震结构的全部有益效果，由于上述任意一实施例中的跨活断层隧道的减震结构的技术特征和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种跨活断层隧道的减震结构，其特征在于，包括沿隧道径向依次设置的初期支护、第一减震层、防水层和二次衬砌，所述第一减震层包括液压千斤顶，所述液压千斤顶的两端分别与所述初期支护和所述防水层固定连接。
2.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的减震结构，其特征在于，还包括控制器和传感器，所述控制器分别与所述传感器和所述液压千斤顶电连接，所述传感器设置于所述液压千斤顶的缸筒内，用于检测所述液压千斤顶受到的作用力，所述控制器根据所述传感器测得的受力信号控制所述液压千斤顶的油泵的开启和关闭。
3.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的减震结构，其特征在于，所述液压千斤顶的伸缩方向与所述初期支护和所述防水层均相互垂直。
4.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的减震结构，其特征在于，所述液压千斤顶包括多个，多个所述液压千斤顶沿隧道径向呈放射状排布。
5.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的减震结构，其特征在于，所述第一减震层的厚度为设计年限内的断层错动量。
6.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的减震结构，其特征在于，所述第一减震层内填充有柔性填充材料，所述柔性填充材料包覆于所述液压千斤顶外。
7.根据权利要求6所述的跨活断层隧道的减震结构，其特征在于，所述柔性填充材料为粘性树脂。
8.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的减震结构，其特征在于，还包括沿隧道径向设置的第二减震层，所述第二减震层位于所述初期支护远离所述第一减震层的一侧，所述第二减震层内填充有竹纤维混凝土。
9.根据权利要求8所述的跨活断层隧道的减震结构，其特征在于，所述第二减震层的截面形状为圆形或椭圆形。
10.一种隧道衬砌结构，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的跨活断层隧道的减震结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113107546A (zh) * 2021-05-28 2021-07-13 广州大学 一种适用于跨地质断层的双层钢-砼组合衬砌盾构隧道及其施工方法
CN113187508A (zh) * 2021-05-28 2021-07-30 广州大学 一种适用于跨地质断层的双层衬砌盾构隧道
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CN114279827A (zh) * 2021-11-16 2022-04-05 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种隧道减震层材料获取方法

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