CN113565527B - 一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，涉及隧道工程施工技术领域，包括至少一个防护单元，多个防护单元沿隧道轴向依次相接分布，防护单元包括用于固定设置在衬砌结构和围岩之间且沿隧道轴向分布的径向防护圈和两个轴向防护圈；径向防护圈包括沿隧道径向依次套设的多个径向缓冲耗能层，沿隧道径向由外向内的各径向缓冲耗能层的径向缓冲性能递增且径向耗能性能递减；轴向防护圈包括沿隧道轴向依次固定连接的多个轴向缓冲耗能层，沿隧道轴向由外向内的各轴向缓冲耗能层的轴向缓冲性能递增且轴向耗能性能递减。本发明提供的隧道防护结构适用于跨越活动断裂和高地应力的环境条件，保障了隧道工程安全稳定性。

Description

一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构

技术领域

本发明涉及隧道工程施工技术领域，特别是涉及一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构。

背景技术

川藏铁路交通廊道地质条件复杂，活动断裂密集，地应力普遍较高，活动断裂和高地应力同时作用于铁路隧道工程围岩，使围岩产生严重的径向变形和轴向变形并积聚高应变能，极易诱发构造地震灾害及隧道工程建（构）筑物错断、岩爆、大变形等工程灾害，严重威胁川藏铁路的建设运维。研发适用于跨越活动断裂和高地应力环境条件的隧道工程防护措施是决定隧道工程成败的关键。

针对隧道工程跨越活动断裂的防护方面，公开号为CN111287756A的专利仅为单一的保护结构形式，其在正断层、逆断层和走滑断层的断裂活动性方面针对性不强，抗错动效果未知；公开号为CN110159315A的专利中隧道装配式结构材料的物料成本较高，且施工要求和标准均较高；公开号为CN108547633A的专利中抗震结构材料成本较高，且采用压注的方式修建减震圈对于抗震结构的成型和抗错动效果具有较大的不确定性。同时，上述发明均无法兼顾高地应力环境对隧道工程的不良影响。

因此，市场亟需一种高地应力环境条件下抵抗活动断裂错断且成本低的隧道防护结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，以解决现有技术存在的问题，适用于跨越活动断裂和高地应力环境条件，保障了隧道工程安全稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，包括至少一个防护单元，多个所述防护单元沿隧道轴向依次相接分布，所述防护单元包括用于固定设置在衬砌结构和围岩之间且沿隧道轴向分布且固定连接的径向防护圈和两个轴向防护圈，两个所述轴向防护圈分别设置在所述径向防护圈的两侧；所述径向防护圈包括沿所述隧道径向依次套设的多个径向缓冲耗能层，各所述径向缓冲耗能层具有径向缓冲性能和径向耗能性能，沿所述隧道径向由外向内的各所述径向缓冲耗能层的径向缓冲性能递增且径向耗能性能递减；所述轴向防护圈包括沿所述隧道轴向依次固定连接的多个轴向缓冲耗能层，各所述轴向缓冲耗能层具有轴向缓冲性能和轴向耗能性能，沿所述隧道轴向由外向内的各所述轴向缓冲耗能层的轴向缓冲性能递增且轴向耗能性能递减。

优选的，各所述径向缓冲耗能层包括绕所述隧道轴线依次固定连接的多个径向轮胎层，各所述径向轮胎层包括多个绕所述隧道轴向环形分布且依次固定连接的多个径向轮胎，各所述径向轮胎的轴线与所述隧道的轴线平行；各所述轴向缓冲耗能层包括沿所述隧道径向依次套设的多个轴向轮胎层，各所述轴向轮胎层包括多个绕所述隧道轴线环形分布且依次固定连接的多个轴向轮胎，各所述轴向轮胎的轴线与所述隧道的轴线垂直；各所述径向轮胎内和各所述轴向轮胎内均填充有缓冲耗能材料，沿所述隧道径向由外向内的所述径向轮胎内填充的所述缓冲耗能材料的缓冲性能递增且耗能性能递减，沿所述隧道轴向由外向内的所述轴向轮胎内填充的所述缓冲耗能材料的缓冲性能递增且耗能性能递减。

优选的，各所述径向轮胎的直径和厚度沿所述隧道径向由内向外递增且各所述径向缓冲耗能层沿所述隧道轴向的厚度相同，各所述径向轮胎能够与其相邻所述缓冲耗能层中的至少两个相邻所述径向轮胎相抵。

优选的，各相邻所述径向轮胎、各相邻所述轴向轮胎、相邻所述径向轮胎和所述轴向轮胎之间的间隙中均填充有所述缓冲耗能材料。

优选的，所述径向轮胎和所述轴向轮胎均为废旧轮胎。

优选的，各相邻所述径向轮胎层粘接固定。

优选的，使用第一锚杆将同一所述径向轮胎层中的所述径向轮胎的中心依次连接，位于最外层的所述径向轮胎层为外向轮胎层，所述外向轮胎层的厚度为位于所述外向轮胎层与所述隧道之间的各所述径向轮胎层的厚度整数倍，所述径向缓冲耗能层中的沿所述隧道轴向分布的若干所述径向轮胎构成径向轮胎部，所述径向轮胎部的厚度与所述外向轮胎层的厚度相同，使用第二锚杆将相邻的两个所述径向缓冲耗能层中相邻的两个所述径向轮胎部的中心相连接。

优选的，使用第三锚杆分别将最外层的所述轴向轮胎层的所述轴向轮胎、最内层的所述轴向轮胎层的所述轴向轮胎绕所述隧道轴线依次连接，使用第四锚杆依次将相邻的位于不同所述轴向轮胎层的所述轴向轮胎的接触点固定连接。

优选的，使用第五锚杆将相邻的所述径向轮胎和所述轴向轮胎的接触位置固定连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供了一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，当围岩产生严重变形时，首先，外层的径向缓冲耗能层和轴向缓冲耗能层分别对径向大变形和轴向大变形进行耗能，在围岩变形过程中，迅速削减径向高应变能和轴向高应变能，然后内层的径向缓冲耗能层和轴向缓冲耗能层分别对径向大变形和轴向大变形进行缓冲，避免围岩的径向变形传递至隧道，对隧道进行破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明提供的适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构的结构示意图；

图2为本发明提供的适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构的沿隧道轴向截面的剖面图；

图3为本发明提供的径向防护结构沿隧道径向截面的剖面图；

图4为本发明提供的径向防护结构沿隧道轴向截面的剖面图；

图5为本发明提供的轴向防护结构沿隧道径向截面的剖面图；

图6为本发明提供的轴向防护结构沿隧道轴向截面的剖面图。

附图标记说明：1、隧道轴向；2、轴向防护圈；21、轴向轮胎；22、轴向缓冲耗能层；23、轴向轮胎层；24、第四锚杆；3、径向防护圈；31、径向轮胎；32、第一锚杆；33、第二锚杆；34、径向轮胎层；35、径向轮胎部；100、适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构；200、围岩；300、衬砌结构；400、防护单元。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的目的是提供一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，以解决现有技术存在的问题，适用于跨越活动断裂和高地应力环境条件，保障了隧道工程安全稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供了一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构100，如图1-6所示，包括至少一个防护单元400，多个防护单元400沿隧道轴向1依次相接分布，优选的，相邻防护单元相接触且固定连接，防护单元400包括用于固定设置在衬砌结构300和围岩200之间且沿隧道轴向1分布且固定连接的径向防护圈3和两个轴向防护圈2，两个轴向防护圈2分别设置在径向防护圈3的两侧；径向防护圈3包括沿隧道径向依次套设的多个径向缓冲耗能层，具体的，径向为与轴向垂直的方向，各径向缓冲耗能层具有径向缓冲性能和径向耗能性能，沿隧道径向由外向内的各径向缓冲耗能层的径向缓冲性能递增且径向耗能性能递减；轴向防护圈2包括沿隧道轴向1依次固定连接的多个轴向缓冲耗能层22，各轴向缓冲耗能层22具有轴向缓冲性能和轴向耗能性能，沿隧道轴向1由外向内的各轴向缓冲耗能层22的轴向缓冲性能递增且轴向耗能性能递减。

当围岩200产生严重变形时，首先，外层的径向缓冲耗能层和轴向缓冲耗能层22分别对径向大变形和轴向大变形进行耗能，在围岩200变形过程中，迅速削减径向高应变能和轴向高应变能，然后内层的径向缓冲耗能层和轴向缓冲耗能层22分别对径向大变形和轴向大变形进行缓冲，避免围岩200的径向变形传递至隧道，对隧道进行破坏。

进一步的，各径向缓冲耗能层包括绕隧道轴线依次固定连接的多个径向轮胎层34，各径向轮胎层34包括多个绕隧道轴向1环形分布且依次固定连接的多个径向轮胎31，各径向轮胎31的轴线与隧道的轴线平行；各轴向缓冲耗能层22包括沿隧道径向依次套设的多个轴向轮胎层23，各轴向轮胎层23包括多个绕隧道轴线环形分布且依次固定连接的多个轴向轮胎21，各轴向轮胎21的轴线与隧道的轴线垂直；各径向轮胎31内和各轴向轮胎21内均填充有缓冲耗能材料，沿隧道径向由外向内的径向轮胎31内填充的缓冲耗能材料的缓冲性能递增且耗能性能递减，沿隧道轴向1由外向内的轴向轮胎21内填充的缓冲耗能材料的缓冲性能递增且耗能性能递减。轴向轮胎21和径向轮胎31本身均具有缓冲作用，而且轴向轮胎21与径向轮胎31结合缓冲耗能材料共同抵抗围岩大变形。

进一步的，径向缓冲耗能层和轴向缓冲耗能层22均为三层，最外层的径向轮胎31和轴向轮胎21充填由混凝土块、碎石块、砖瓦碎块、渣土等建筑垃圾和煤矸石组成的耗能材料，细度模数为“大”，密实度为“稍密”，级配形式为“间断”级配形式；中层的径向轮胎31和轴向轮胎21充填由煤矸石和钢渣等组成的耗能材料，细度模数为“中”，密实度为“中密”，级配形式为“连续开”级配形式；内层的径向轮胎31和轴向轮胎21充填由钢渣、粉煤灰、赤泥、磷石膏等组成的耗能材料，细度模数为“小”，密实度为“密实”，级配形式为“连续”级配形式。将大宗固废直接转变成建筑材料，在满足缓冲耗能效果的同时提高对大宗固废的综合利用效率，降低隧道工程的成本。

进一步的，各径向轮胎31的直径和厚度沿隧道径向由内向外递增且各径向缓冲耗能层沿隧道轴向1的厚度相同，各径向轮胎31能够与其相邻缓冲耗能层中的至少两个相邻径向轮胎31相抵。此种设置，使得径向轮胎31的排布更加紧密，提高轴向防护圈2的缓冲耗能性。

进一步的，各相邻径向轮胎31、各相邻轴向轮胎21、相邻径向轮胎31和轴向轮胎21之间的间隙中均填充有缓冲耗能材料，具体的，间隙充填由煤矸石、钢渣、粉煤灰、赤泥、磷石膏等组成的耗能材料，细度模数为“中-小”，密实度为“密实”，级配形式为“连续”级配形式，起到缓冲作用。

进一步的，径向轮胎31和轴向轮胎21均为废旧轮胎，将废弃轮胎直接转变成建筑材料，在满足缓冲效果的同时实现对大宗固废的综合利用，降低隧道工程的成本。

进一步的，各相邻径向轮胎层34粘接固定。

进一步的，使用第一锚杆32将同一径向轮胎层34中的径向轮胎31的中心依次连接，同一径向缓冲耗能层中的沿隧道轴向1分布的若干个径向轮胎31构成径向轮胎部35，径向轮胎部35的厚度与最外层的径向缓冲耗能层的径向轮胎31的厚度相同，使用第二锚杆33将相邻的两个径向缓冲耗能层中相邻的径向轮胎部35的中心相连接。

进一步的，使用第三锚杆分别将最外层的轴向轮胎层23的轴向轮胎21、最内层的轴向轮胎层23的轴向轮胎21绕隧道轴线依次连接，使用第四锚杆24依次将相邻的位于不同轴向轮胎层23的轴向轮胎21的接触点固定连接。

进一步的，使用第五锚杆将相邻的径向轮胎31和轴向轮胎21的接触位置固定连接。

进一步的，第一锚杆32、第二锚杆33、第三锚杆、第四锚杆24、第五锚杆均为具有理想弹塑性特征和轴向变形-径向粗化特征的锚杆，无论对正断层、逆断层、走滑断层等不同断层的运动状况，还是对断裂粘滑位错和蠕滑变形的运动形式，此种锚杆即使在大的拉伸和剪切变形条件下依然保持恒定的高强度，为围岩预留大变形的空间，并且锚杆变形后径向粗化的特征使得锚杆与轮胎和固体废弃物之间更加紧密地接触，从而加强隧道工程防护结构的整体刚度和强度。

本实施例中作用于径向防护结构和轴向防护结构的锚杆群采用特殊的排布方式对轮胎群进行紧密连接，从最大程度上节约了特殊锚杆材料的使用量，从另一方面显著地降低了隧道工程防护结构的材料成本。

本实施例考虑在极高自重应力、构造应力等静载及强震应力波、爆破应力波等动载的复杂应力条件下，废旧轮胎群和锚杆群的协调变形作用以及固体废弃物块体/颗粒的运动重排和颗粒破碎效应，从而充分发挥轮胎缓冲、锚杆吸能和块体/颗粒耗能的联合功能。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，其特征在于：包括至少一个防护单元，多个所述防护单元沿隧道轴向依次相接分布，所述防护单元包括用于固定设置在衬砌结构和围岩之间且沿隧道轴向分布且固定连接的径向防护圈和两个轴向防护圈，两个所述轴向防护圈分别设置在所述径向防护圈的两侧；

所述径向防护圈包括沿所述隧道径向依次套设的多个径向缓冲耗能层，各所述径向缓冲耗能层具有径向缓冲性能和径向耗能性能，沿所述隧道径向由外向内的各所述径向缓冲耗能层的径向缓冲性能递增且径向耗能性能递减；

所述轴向防护圈包括沿所述隧道轴向依次固定连接的多个轴向缓冲耗能层，各所述轴向缓冲耗能层具有轴向缓冲性能和轴向耗能性能，一个所述轴向防护圈中沿所述隧道轴向相对于所述径向防护圈由外向内的各所述轴向缓冲耗能层的轴向缓冲性能递增且轴向耗能性能递减；

一个所述径向防护圈中所述径向缓冲耗能层的数量为3和一个所述轴向防护圈中所述轴向缓冲耗能层的数量为3；

各所述径向缓冲耗能层包括绕所述隧道轴线依次固定连接的多个径向轮胎层，各所述径向轮胎层包括多个绕所述隧道轴向环形分布且依次固定连接的多个径向轮胎，各所述径向轮胎的轴线与所述隧道的轴线平行；各所述轴向缓冲耗能层包括沿所述隧道径向依次套设的多个轴向轮胎层，各所述轴向轮胎层包括多个绕所述隧道轴线环形分布且依次固定连接的多个轴向轮胎，各所述轴向轮胎的轴线与所述隧道的轴线垂直；各所述径向轮胎内和各所述轴向轮胎内均填充有缓冲耗能材料，沿所述隧道径向由外向内的所述径向轮胎内填充的所述缓冲耗能材料的缓冲性能递增且耗能性能递减，一个所述轴向防护圈中沿所述隧道轴向相对于所述径向防护圈由外向内的所述轴向轮胎内填充的所述缓冲耗能材料的缓冲性能递增且耗能性能递减；

最外层的所述径向轮胎和所述轴向轮胎填充的所述缓冲耗能材料由混凝土块、碎石块、砖瓦碎块、渣土和煤矸石组成，级配形式为“间断”级配形式；中间层的所述径向轮胎和所述轴向轮胎填充的所述缓冲耗能材料由煤矸石和钢渣组成，级配形式为“连续开”级配形式；最内层的所述径向轮胎和所述轴向轮胎填充的所述缓冲耗能材料由钢渣、粉煤灰、赤泥、磷石膏组成，级配形式为“连续”级配形式；沿所述隧道径向由外向内的所述径向轮胎内填充的所述缓冲耗能材料的细度模数递减，密实度递增；一个所述轴向防护圈中沿所述隧道轴向相对于所述径向防护圈由外向内的所述轴向轮胎内填充的所述缓冲耗能材料的细度模数递减，密实度递增。

2.根据权利要求1所述的适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，其特征在于：各所述径向轮胎的直径和厚度沿所述隧道径向由内向外递增且各所述径向缓冲耗能层沿所述隧道轴向的厚度相同。

3.根据权利要求1所述的适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，其特征在于：各相邻所述径向轮胎、各相邻所述轴向轮胎、相邻所述径向轮胎和所述轴向轮胎之间的间隙中均填充有所述缓冲耗能材料。

4.根据权利要求1所述的适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，其特征在于：所述径向轮胎和所述轴向轮胎均为废旧轮胎。

5.根据权利要求2所述的适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，其特征在于：各相邻所述径向轮胎层粘接固定。

6.根据权利要求2所述的适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，其特征在于：使用第一锚杆将同一所述径向轮胎层中的所述径向轮胎的中心依次连接，位于最外层的所述径向轮胎层为外向轮胎层，所述外向轮胎层的厚度为位于所述外向轮胎层与所述隧道之间的各所述径向轮胎层的厚度整数倍，所述径向缓冲耗能层中的沿所述隧道轴向分布的若干所述径向轮胎构成径向轮胎部，所述径向轮胎部的厚度与所述外向轮胎层的厚度相同，使用第二锚杆将相邻的两个所述径向缓冲耗能层中相邻的两个所述径向轮胎部的中心相连接。

7.根据权利要求1所述的适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，其特征在于：使用第三锚杆分别将最外层的所述轴向轮胎层的所述轴向轮胎、最内层的所述轴向轮胎层的所述轴向轮胎绕所述隧道轴线依次连接，使用第四锚杆依次将相邻的位于不同所述轴向轮胎层的所述轴向轮胎的接触点固定连接。

8.根据权利要求2所述的适用于活动断裂区和高地应力区的隧道防护结构，其特征在于：使用第五锚杆将相邻的所述径向轮胎和所述轴向轮胎的接触位置固定连接。

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