CN113356880A - 一种跨活断层隧道的抗断错结构 - Google Patents

Abstract

一种跨活断层隧道的抗断错结构，涉及隧道工程技术领域，包括沿隧道径向设置的外层支护和内层支护，外层支护和内层支护之间通过连接组件连接，连接组件包括第一锚杆和液压千斤顶，第一锚杆的一端与内层支护固定连接、另一端穿过外层支护伸向外部围岩，液压千斤顶的两端分别与外层支护和内层支护固定连接，第一锚杆和液压千斤顶分别设置于内层支护的相对两侧。该跨活断层隧道的抗断错结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

Description

一种跨活断层隧道的抗断错结构

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抗断错结构。

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。随着经济与科技的快速发展，我国大力修建隧道，遇到活断层地段时，以避让为主，但受到选线制约，大量隧道仍不可避免的须穿越活断层。活断层有两种基本活动方式：蠕滑型及黏滑型，蠕滑型相较黏滑型而言，不直接产生地震，但其持续滑动引发的永久位移难以抵抗，随着错动距离的逐渐加大，隧道衬砌产生裂隙并不断扩展，最后发生剪切破坏，对隧道造成大面积破坏，损害隧道结构且难以修复，危害交通安全与人民生命安全。如何有效防控断层蠕滑对隧道的危害是亟需解决的难题之一。

针对穿越蠕滑错动断层的隧道工程，目前采用较多的是设置剪切缝引导隧道破坏位置，避免集中破坏，例如美国Claremont输水隧洞、土耳其Bolu隧道等。另外还会采用局部加固、设置减震层等手段来增强隧道抵抗变形和震动的能力。但是，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，遇到突发错动时也难以具有优良的抗断错效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跨活断层隧道的抗断错结构，具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例提供一种跨活断层隧道的抗断错结构，包括沿隧道径向设置的外层支护和内层支护，所述外层支护和所述内层支护之间通过连接组件连接，所述连接组件包括第一锚杆和液压千斤顶，所述第一锚杆的一端与所述内层支护固定连接、另一端穿过所述外层支护伸向外部围岩，所述液压千斤顶的两端分别与所述外层支护和所述内层支护固定连接，所述第一锚杆和所述液压千斤顶分别设置于所述内层支护的相对两侧。该跨活断层隧道的抗断错结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

可选地，所述第一锚杆位于在活断层作用下所述内层支护相对外部围岩运动时受到拉力的一侧，所述液压千斤顶位于在活断层作用下所述内层支护相对外部围岩运动时受到压力的一侧。

可选地，所述第一锚杆的数量为多个，所述液压千斤顶的数量为至少一个。

可选地，所述连接组件还包括支撑平台，所述支撑平台位于在重力作用下所述内层支护相对外部围岩运动时受到压力的一侧，所述支撑平台沿在活断层和重力作用下所述内层支护相对外部围岩的运动轨迹延伸。

可选地，所述支撑平台采用混凝土浇筑制得。

可选地，所述第一锚杆包括负泊松比锚杆。

可选地，所述外层支护包括初期支护以及多个沿隧道径向呈放射状设置的第二锚杆，所述初期支护沿隧道的开挖轮廓线设置，所述第二锚杆的一端固定于所述初期支护、另一端伸向外部围岩。

可选地，所述第二锚杆的延伸方向垂直于所述初期支护。

可选地，所述内层支护包括沿隧道轴向设置的第一管道以及套设于所述第一管道外的第二管道，所述第一管道与所述第二管道之间填充有混凝土。

可选地，所述内层支护沿隧道轴向设置有多个检修通道，所述检修通道沿隧道径向依次贯穿所述第一管道、所述混凝土和所述第二管道。

本发明实施例的有益效果包括：

该跨活断层隧道的抗断错结构包括沿隧道径向设置的外层支护和内层支护，由于外层支护和内层支护为相互独立且间隔设置的两个部分，因此，当活断层发生错动时，处于断层错动区域内的外层支护和内层支护会沿断层错动方向产生一定程度的相对位移。其中，该跨活断层隧道的减震结构通过外层支护和内层支护之间通过连接组件连接，连接组件包括第一锚杆和液压千斤顶，第一锚杆的一端与内层支护固定连接、另一端穿过外层支护伸向外部围岩，液压千斤顶的两端分别与外层支护和内层支护固定连接，第一锚杆和液压千斤顶分别设置于内层支护的相对两侧，以通过第一锚杆和液压千斤顶相互配合共同起到悬吊固定隧道整体的作用。在断层蠕滑的情况下，第一锚杆和液压千斤顶可以根据围岩位移及地应力自动调整应力与位移，从而达到一种隧道整体与外部围岩自适应的效果，进而确保内层支护几乎不会出现破坏，洞内通车不会受到影响，隧道工程只需定期进行检修即可。该跨活断层隧道的抗断错结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

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为本发明实施例提供的跨活断层隧道的抗断错结构的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的跨活断层隧道的抗断错结构的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的跨活断层隧道的抗断错结构的结构示意图之三；

图4为本发明实施例提供的跨活断层隧道的抗断错结构的结构示意图之四；

图5为本发明实施例提供的跨活断层隧道的抗断错结构的结构示意图之五；

图6为本发明实施例提供的跨活断层隧道的抗断错结构的结构示意图之六；

图7为本发明实施例提供的跨活断层隧道的抗断错结构的结构示意图之七；

图8为本发明实施例提供的跨活断层隧道的抗断错结构的结构示意图之八。

图标：10-外层支护；11-初期支护；12-第二锚杆；20-连接组件；21-第一锚杆；22-液压千斤顶；23-支撑平台；30-内层支护；31-第一管道；32-第二管道；33-混凝土；40-检修通道；200-围岩；a-隧道初始位置；b-隧道相对围岩错动后位置。

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。

请结合参照图1至图3，本实施例提供一种跨活断层隧道的抗断错结构，包括沿隧道径向设置的外层支护10和内层支护30，外层支护10和内层支护30之间通过连接组件20连接，连接组件20包括第一锚杆21和液压千斤顶22，第一锚杆21的一端与内层支护30固定连接、另一端穿过外层支护10伸向外部围岩200，液压千斤顶22的两端分别与外层支护10和内层支护30固定连接，第一锚杆21和液压千斤顶22分别设置于内层支护30的相对两侧。该跨活断层隧道的抗断错结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

需要说明的是，第一，如图1至图3所示，该跨活断层隧道的抗断错结构包括外层支护10和内层支护30，且外层支护10和内层支护30沿隧道径向由外向内设置。其中，上述的外层支护10和内层支护30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外层支护10和内层支护30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，上述的外层支护10和内层支护30为相互独立且间隔设置的两个部分，换句话说，外层支护10和内层支护30之间具有空腔，因此，当活断层发生错动时，处于断层错动区域内的外层支护10和内层支护30会沿断层错动方向产生一定程度的相对位移，此时，空腔能够为断层蠕滑错动情况下的隧道整体与外部围岩200之间预留相对位移的移动空间，从而保障无论外部围岩200如何发生缓慢移动，隧道整体的位置、受力、形态都能够基本保持不变，减少隧道整体受到的影响。

第三，该跨活断层隧道的抗断错结构通过连接组件20分别与外层支护10和内层支护30连接，如图1和图3所示，连接组件20包括第一锚杆21和液压千斤顶22，第一锚杆21的一端与内层支护30固定连接、另一端穿过外层支护10伸向外部围岩200，液压千斤顶22的两端分别与外层支护10和内层支护30固定连接，第一锚杆21和液压千斤顶22分别设置于内层支护30的相对两侧，以通过第一锚杆21和液压千斤顶22相互配合共同起到悬吊固定隧道整体的作用。

实际施工过程中，本领域技术人员应当能够根据断层蠕滑方向判断第一锚杆21和液压千斤顶22分别处于受拉状态还是处于受压状态，若是第一锚杆21处于受拉状态，而液压千斤顶22处于受压状态，则选用抗拉能力强的锚杆，若是第一锚杆21处于受压状态，而液压千斤顶22处于受拉状态，则选用让压锚杆。而液压千斤顶22由于既可以承担压力，又可以承担拉力，因此，这里对选型不作具体限制。

另外，根据围岩200应力与围岩200变形关系选择第一锚杆21的杆体强度、间排距等基本参数。在断层蠕滑的情况下，第一锚杆21和液压千斤顶22可以根据围岩200位移及地应力自动调整应力与位移，从而达到一种隧道整体与外部围岩200自适应的效果，进而确保内层支护30几乎不会出现破坏，洞内通车不会受到影响，隧道工程只需定期进行检修即可。

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，更需要通过上述的支撑结构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上述的支撑结构连接外层支护10和内层支护30。

此外，沿隧道径向，空腔的半径可以根据断层蠕滑方向、速率、设计检修年限进行合理的选择和设计，这里不做具体限制；沿隧道轴向，空腔的半径可以根据活断层的位移模式分段确定，即根据活断层的位移模式将岩体进行分区，分为较小位移区、中位移区、较大位移区，然后再分段确定扩挖的空腔的半径，通过采用渐进开挖的方式以控制经济成本。

如上所述，该跨活断层隧道的抗断错结构包括沿隧道径向设置的外层支护10和内层支护30，由于外层支护10和内层支护30为相互独立且间隔设置的两个部分，因此，当活断层发生错动时，处于断层错动区域内的外层支护10和内层支护30会沿断层错动方向产生一定程度的相对位移。其中，该跨活断层隧道的减震结构通过外层支护10和内层支护30之间通过连接组件20连接，连接组件20包括第一锚杆21和液压千斤顶22，第一锚杆21的一端与内层支护30固定连接、另一端穿过外层支护10伸向外部围岩200，液压千斤顶22的两端分别与外层支护10和内层支护30固定连接，第一锚杆21和液压千斤顶22分别设置于内层支护30的相对两侧，以通过第一锚杆21和液压千斤顶22相互配合共同起到悬吊固定隧道整体的作用。在断层蠕滑的情况下，第一锚杆21和液压千斤顶22可以根据围岩200位移及地应力自动调整应力与位移，从而达到一种隧道整体与外部围岩200自适应的效果，进而确保内层支护30几乎不会出现破坏，洞内通车不会受到影响，隧道工程只需定期进行检修即可。该跨活断层隧道的抗断错结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

在本实施例中，第一锚杆21位于在活断层作用下内层支护30相对外部围岩200运动时受到拉力的一侧，液压千斤顶22位于在活断层作用下内层支护30相对外部围岩200运动时受到压力的一侧，此时，第一锚杆21可以选用抗拉能力强的锚杆，示例地，第一锚杆21可以选用负泊松比锚杆，液压千斤顶22可以选用让压千斤顶。

需要说明的是，负泊松比(Negative Poisson’s Ratio，NPR)锚杆受到单轴拉伸时会发生侧向膨胀，当外荷载超过设计恒阻力时，恒阻体沿着恒阻套管内壁(螺纹状)产生摩擦滑移来抵御围岩200大变形对锚杆产生的破断效应，因此，与一般锚杆相比，负泊松比锚杆的抗剪切、抗冲击以及吸收能量方面都具有更加优异的性能。

如图1至图3所示，可选地，第一锚杆21的数量为多个，液压千斤顶22的数量为至少一个。关于第一锚杆21和液压千斤顶22的数量，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制，只需使得在第一锚杆21和液压千斤顶22的共同作用下，隧道整体与外部围岩200能够达到自适应的效果即可。

请再结合参照图4至图6，在本实施例中，连接组件20还包括支撑平台23，支撑平台23位于在重力作用下内层支护30相对外部围岩200运动时受到压力的一侧，支撑平台23沿在活断层和重力作用下内层支护30相对外部围岩200的运动轨迹延伸。其中，支撑平台23采用混凝土33浇筑制得。

需要说明的是，本领域技术人员应当能够根据监测结果及其他手段确定断层蠕滑的方向，同时，内层支护30相对外部围岩200运动的轨迹也可以大致确定。具体地，如图5和图6所示，沿隧道径向，每个隧道截面在几何上都能够根据隧道初始位置a和隧道相对围岩200错动后位置b确定一个特定的滑动面，将所有隧道截面上的滑动面连接起来，即为内层支护30相对外部围岩200运动的轨迹，如图4所示，以此为基础，通过浇筑混凝土33即可制得支撑平台23，从而通过支撑平台23承担内层支护30及其内设施和车辆等的总重量。

在实际施工过程中，施工工人可以先完成外层支护10，再将混凝土33直接浇筑在外层支护10的预设位置形成支撑平台23，待浇筑完毕后再装配内层支护30，然后沿平行基准面方向通过第一锚杆21和液压千斤顶22分别连接外层支护10和内层支护30。其中，沿平行基准面方向设置第一锚杆21和液压千斤顶22是为了最大可能地减少剪切应力。

请再结合参照图7，在本实施例中，外层支护10包括初期支护11以及多个沿隧道径向呈放射状设置的第二锚杆12，初期支护11沿隧道的开挖轮廓线设置，第二锚杆12的一端固定于初期支护11、另一端伸向外部围岩200。

需要说明的是，外层支护10包括初期支护11和多个锚杆，多个锚杆沿隧道径向设置，且多个锚杆呈放射状排布，初期支护11沿隧道的开挖轮廓线设置，一般地断层围岩200较为破碎，开挖后可以先喷射混凝土33作为初期支护11，锚杆的一端固定于初期支护11、另一端伸向外部围岩200，以通过初期支护11和锚杆相互配合增大围岩200强度，在断层非剧烈活动时，允许围岩200发生一定变形，保证围岩200稳定性。

当然，在其他实施例中，外层支护10还可以采用其他支护措施，例如注浆锚杆支护、钢拱架和喷射混凝土33联合支护等，本领域技术人员可以依据现场围岩200的完整程度和施工情况进行合理的判断和选择，以使隧道外层围岩200在断层蠕滑或者小地震时不会发生大范围垮塌。

其中，如图7所示，在本实施例中，锚杆的延伸方向垂直于初期支护11。在实际施工过程中，施工工人可以先测放锚杆的实际位置，随后在初期支护11上钻孔，再将锚杆沿垂直初期支护11(或者说隧道的开挖轮廓线)的方向打入外部围岩200内部，然后注浆封口。

请再结合参照图8，在本实施例中，内层支护30包括沿隧道轴向设置的第一管道31以及套设于第一管道31外的第二管道32，第一管道31与第二管道32之间填充有混凝土33。

需要说明的是，第一，内层支护30包括第一管道31和第二管道32，第一管道31和第二管道32均沿隧道轴向设置，其中，第一管道31的内壁面沿隧道净空设置，换句话说，第一管道31内部即为隧道内部，第二管道32套设于第一管道31外，且第一管道31的外壁面与第二管道32的内壁面之间填充有混凝土33，以通过混凝土33使得第一管道31和第二管道32共同形成稳定坚固的整体封闭结构，从而提高隧道整体的抗压能力、抗弯能力、抗震性和抗渗性，进而提高隧道整体在外部围岩200发生小规模垮塌时的承受能力。

第二，为了进一步增强内层支护30的坚固程度，在本实施例中，第一管道31和第二管道32的材质均为钢铁，以使第一管道31、混凝土33和第二管道32能够形成强度非常大的内层支护30，以在断层蠕滑错动的情况下保障隧道结构的完整性。

如图8所示，在本实施例中，内层支护30沿隧道轴向设置有多个检修通道40，检修通道40沿隧道径向依次贯穿第一管道31、混凝土33和第二管道32，以通过预留检修通道40方便隧道结构的定期检查和维修。

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抗断错结构，其特征在于，包括沿隧道径向设置的外层支护和内层支护，所述外层支护和所述内层支护之间通过连接组件连接，所述连接组件包括第一锚杆和液压千斤顶，所述第一锚杆的一端与所述内层支护固定连接、另一端穿过所述外层支护伸向外部围岩，所述液压千斤顶的两端分别与所述外层支护和所述内层支护固定连接，所述第一锚杆和所述液压千斤顶分别设置于所述内层支护的相对两侧。

2.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的抗断错结构，其特征在于，所述第一锚杆位于在活断层作用下所述内层支护相对外部围岩运动时受到拉力的一侧，所述液压千斤顶位于在活断层作用下所述内层支护相对外部围岩运动时受到压力的一侧。

3.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的抗断错结构，其特征在于，所述第一锚杆的数量为多个，所述液压千斤顶的数量为至少一个。

4.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的抗断错结构，其特征在于，所述连接组件还包括支撑平台，所述支撑平台位于在重力作用下所述内层支护相对外部围岩运动时受到压力的一侧，所述支撑平台沿在活断层和重力作用下所述内层支护相对外部围岩的运动轨迹延伸。

5.根据权利要求4所述的跨活断层隧道的抗断错结构，其特征在于，所述支撑平台采用混凝土浇筑制得。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的跨活断层隧道的抗断错结构，其特征在于，所述第一锚杆包括负泊松比锚杆。

7.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的抗断错结构，其特征在于，所述外层支护包括初期支护以及多个沿隧道径向呈放射状设置的第二锚杆，所述初期支护沿隧道的开挖轮廓线设置，所述第二锚杆的一端固定于所述初期支护、另一端伸向外部围岩。

8.根据权利要求7所述的跨活断层隧道的抗断错结构，其特征在于，所述第二锚杆的延伸方向垂直于所述初期支护。

9.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的抗断错结构，其特征在于，所述内层支护包括沿隧道轴向设置的第一管道以及套设于所述第一管道外的第二管道，所述第一管道与所述第二管道之间填充有混凝土。

10.根据权利要求9所述的跨活断层隧道的抗断错结构，其特征在于，所述内层支护沿隧道轴向设置有多个检修通道，所述检修通道沿隧道径向依次贯穿所述第一管道、所述混凝土和所述第二管道。

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