CN113833491A - 一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护和隧道 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护和隧道，隧道衬砌支护包括沿着隧道径向自外而内依次布置的初期支护、防水层和二次衬砌；二次衬砌包括节段区，活动断层破碎带位于节段区在隧道纵向上的中部，节段区包括沿着隧道纵向依次间隔布置的多个节段二衬，相邻两个节段二衬之间均设置有变形缝，变形缝内填充有缓冲件。该隧道衬砌支护使得隧道具有适应断层错动及转动的能力，提高自身的抗震性能。

Description

一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护和隧道

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体地说，是涉及一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护和隧道。

背景技术

随着我国铁路建设事业的快速发展，铁路建设标准和等级也在不断提升，当铁路所经区域地质条件复杂，活动断裂构造发育时，受高标准、高等级铁路选线条件限制，山岭隧道不可避免会穿越活动断裂构造。活动断裂因其具有活动性，断层错动会导致隧道衬砌混凝土开裂、掉块，严重的可能出现坍塌、支护结构破坏，严重影响铁路运营安全。对穿越活动断层破碎带隧道抗震设防结构和减震措施研究成为工程建设者们急需解决的问题。

目前，隧道穿越活动断裂时还没有成熟的设计方法和隧道抗震结构体系，国内外大多采用扩挖、铰链连接、减隔震等设计措施和理念。扩挖设计是根据活动断层破碎带的错动量,在隧道开挖施工中扩大断面尺寸，当断层错动时，扩大的断面可以保证隧道断面的净空面积，灾后通过调整线路坡度等方式实现快速修复，扩挖量主要依据活动断层破碎带的错动方式及错动量确定。铰链连接是将隧道整体结构分成短小的隧道节段，节段间采用刚度相对较小的柔性连接结构，在断层错动时，破坏集中在连接部位或结构的局部，而不会导致结构整体破坏。减隔振是由初期支护、二次衬砌和中间回填柔性材料隔震层组成，使原有衬砌－围岩系统变为衬砌－减震层－围岩系统，其目的是通过减震层将衬砌与围岩介质隔开，从而减小和改变地震对结构的作用强度和方式，以便达到减小结构振动的目的。

扩挖、铰链连接、减隔震等设计措施都存在一定的局限性，尤其在隧道穿越大型活动断裂时，其断层上、下盘之间的破碎带宽度较大，断层错动时其破裂面存在不确定性，长大段落的隧道扩挖、减隔振等工程措施，将造成建设成本提高、施工难度增大、工期增加，且隧道扩挖量难以确定，减隔振在隧道仰拱下充填隔振层可能会影响铁路运营安全；隧道铰链连接虽然能够较好的适应断层错动剪切变形，但由于活动断裂地震动特性复杂，铰链连接部位难以适应沿隧道纵向的拉伸变形，往往成为薄弱环节，铰链结构破坏增加该处塌方风险。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护,该隧道衬砌支护使得隧道具有适应断层错动及转动的能力，提高自身的抗震性能。

本发明的第二目的是提供一种具有上述隧道衬砌支护的隧道。

为实现上述第一目的，本发明提供一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，包括沿着隧道径向自外而内依次布置的初期支护、防水层和二次衬砌；二次衬砌包括节段区，活动断层破碎带位于节段区在隧道纵向上的中部，节段区包括沿着隧道纵向依次间隔布置的多个节段二衬，相邻两个节段二衬之间均设置有变形缝，变形缝内填充有缓冲件。

由上述方案可见，将隧道二次衬砌结构分成多个节段二衬，使隧道成为类似于动物脊柱构造的不连续分段结构，相邻节段间设置有变形缝，变形缝内充填缓冲件，使各隧道节段相对独立。当活动断层错动时，活动断层与基岩的接触面附近强变形带内错动位移主要集中于刚度薄弱的变形缝间，连续设置的变形缝能有效分担断层破碎带处的集中位移，而各隧道节段则相对独立地在侧向变形土体作用下运动。

该穿越活动断层破碎带的仿动物脊柱的隧道衬砌支护结构，通过在活动断裂破碎带及其两侧延伸段内设置短节段、宽接缝的大刚度圆环衬砌结构，使得隧道具有适应断层错动及转动的能力，从而避免大面积的衬砌结构破坏。

一个优选的方案是，二次衬砌在隧道径向内侧还设置有二衬补强空间。

由此可见，当隧道结构在活动断层破碎带位置被破坏，开裂出现裂缝时，可利用该二衬补强空间对二次衬砌结构进行修复。通过预留补强空间、加强支护体系实现“技术可行、经济合理、易于修复”的抗震设防目标。

一个优选的方案是，多个节段二衬包括至少两个第一节段二衬和至少四个第二节段二衬；第一节段二衬位于活动断层破碎带的中部，第二节段二衬位于活动断层破碎带与基岩的接触面附近，活动断层破碎带的每一端均至少设置一个第二节段二衬；第一节段二衬在在隧道纵向上的长度大于第二节段二衬在隧道纵向上的长度；相邻两个第一节段二衬之间的变形缝为第一变形缝；活动断层破碎带的每一端均至少设置两个第二节段二衬，相邻两个第二节段二衬之间的变形缝为第二变形缝；第二变形缝的宽度大于第一变形缝。

由此可见，宽变形缝主要设置在活动断层破碎带与基岩的接触面附近强变形带内，同时该范围隧道节段最短，当活动断层错动时，活动断层破碎带与基岩的接触面附近强变形带内错动位移主要集中于刚度薄弱的变形缝间，连续设置的宽变形缝能有效分担断层破碎带处的集中位移，而各隧道节段则相对独立地在侧向变形土体作用下运动。另外，窄变形缝设置在断层错动位移相对较小的位置，主要在活动断层破碎带核部中央位置和基岩上靠近断层面的设防延伸范围内，同时考虑隧道施工方便，该范围隧道节段相对较长，各节段隧道在穿越活动断层破碎带区域将如一个连续弯曲的梁，以承受变形土体的剪切和弯曲作用。

进一步的方案是，第一变形缝的宽度在2厘米至3厘米范围内，第二变形缝的宽度均为第一变形缝的宽度的5倍至8倍。

一个优选的方案是，第二节段二衬的长度在4米至8米范围内，第一节段二衬的长度为第二节段二衬的长度的3倍。

由此可见，研究表明，隧道节段越短、变形缝越宽，隧道结构受活动断层破碎带错动破坏的程度和范围越小，但太短的隧道节段给施工带来一定的困难和不便，且太宽的变形缝使得隧道防排水效果难以保证，因此，窄变形缝的宽度在2厘米至3厘米范围内，宽变形缝可根据活动断层破碎带错动位移量来确定，宽变形缝的宽度为窄变形缝的宽度的5倍至8倍，隧道节段长度应与二衬模板长度相匹配，短节段二衬的长度4米至8米，较长节段二衬的长度为短节段二衬的长度的2倍，长节段二衬的长度为短节段二衬的长度的3倍。当各节段二衬的长度在上述范围内时，以及各变形缝在上述范围内时，保证了隧道结构受活动断层破碎带错动破坏的程度和范围较小，容易施工、同时有效保证隧道防排水效果。

一个优选的方案是，多个节段二衬还包括多个第三节段二衬，活动断层破碎带的每一端均至少设置两个第三节段二衬，第三节段二衬位于基岩靠近活动断层破碎带的位置；第三节段二衬的长度大于第二节段的长度且小于第一节段的长度。

进一步的方案是，第三节段二衬的长度为第二节段二衬的长度的2倍；相邻两个第三节段二衬之间的变形缝为第三变形缝，第三变形缝的宽度在2厘米至3厘米范围内。

一个优选的方案是，多个节段二衬还包括至少两个第四节段二衬，第四节段二衬位于第一节段二衬与第二节段二衬之间；活动断层破碎带的每一端均设置至少一个第四节段二衬，第四节段二衬的长度大于第二节段的长度且小于第一节段的长度；第四节段二衬与第一节段二衬之间的变形缝为第四变形缝，第二节段二衬与第四节段二衬之间的变形缝为第五变形缝，第四变形缝和第五变形缝的宽度均为第一变形缝的宽度的5倍至8倍。

一个优选的方案是，缓冲件为泡沫塑料板，防水层在变形缝处设置有带褶皱的胀壳式防水板。

由此可见，由泡沫塑料板做成的缓冲件能够提供良好的支撑和缓冲作用。另外，通过防水层位于变形缝的位置上设置带褶皱的胀壳式防水板，能够有效防止活动断层错动时，变形缝处防水构造被破坏。

为实现上述第二目的，本发明提供一种隧道，包括上述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护。隧道衬砌支护还包括设置在隧道开挖轮廓外破碎围岩上的环形的注浆加固圈，初期支护位于注浆加固圈的径向内侧。

由此可见，注浆加固圈能够加强围岩的整体性，改善围岩条件以提高其自身的抗错动和蠕变能力，从而提高隧道衬砌支护结构的抗震能力，同时减少活动断层错动后变形缝处的地下水渗漏。

附图说明

图1是本发明隧道实施例中隧道衬砌支护结构断面示意图。

图2是图1中A处的局部放大图。

图3是本发明隧道实施例穿越活动断层破碎带纵断面示意图。

图4是图3中B处的局部放大图。

图5是本发明隧道实施例在活动断层破碎带错动后隧道结构扭动及转动示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例的隧道包括穿越活动断层破碎带11的隧道衬砌支护，该隧道衬砌支护包括沿着隧道径向自外而内依次布置的初期支护6、防水层2和二次衬砌3。隧道衬砌支护还包括设置在隧道开挖轮廓外破碎围岩上的环形的注浆加固圈10，初期支护6位于注浆加固圈10的径向内侧。

活动断层破碎带11在隧道纵向(即隧道的延伸方向)上的两端分别设置有设防延伸段12，设防延伸段12位于基岩上靠近活动断层破碎带11与基岩的接触面(也即断层面14)的位置。

注浆加固圈10是通过在隧道开挖轮廓外破碎围岩上通过采用全环设置的径向延伸的钢花管100进行注浆形成。初期支护6包括HW175型钢制成的全环钢架61和在全环喷射的C30混凝土62，初期支护6与二次衬砌3之间设置有防水层2，二次衬砌3由C35钢筋混凝土形成，二次衬砌3的形状接近圆环状。二次衬砌3在隧道径向内侧还设置有二衬补强空间4，二衬补强空间4的厚度为25厘米。

参见图3和图4，二次衬砌3包括节段区，节段区包括沿着隧道的纵向依次间隔布置的多个节段二衬，多个节段二衬分别为三个第一节段二衬31、十三个第二节段二衬32、四个第三节段二衬33和两个第四节段二衬34。相邻两个节段二衬之间均设置有变形缝，变形缝内填充有缓冲件(未图示)，缓冲件为泡沫塑料板。在隧道纵向上，节段区长度方向的两端分别自活动断层破碎带11的两端向远离活动断层破碎带11的方向延伸，也即活动断层破碎带11位于节段区在隧道纵向上的中部。

三个第一节段二衬31均位于活动断层破碎带11的中部。十三个第二节段二衬32均位于断层面14附近，活动断层破碎带11的第一端设置六个第二节段二衬32，活动断层破碎带11的第二端设置七个第二节段二衬32。距离最近的第一节段二衬31与第二节段二衬32之间设置有一个第四节段二衬34。此外，活动断层破碎带11的两端的设防延伸段12上还分别设置有两个第三节段二衬33。

第一节段二衬31、第四节段二衬34和第二节段二衬32在隧道纵向上的长度依次减小。第三节段二衬33的长度大于第二节段二衬32的长度且小于第一节段二衬31的长度，并且与第四节段二衬34的长度相等或接近。第二节段二衬32为短节段二衬且长度在4米至8米范围内，第三节段二衬33和第四节段二衬34均为较长节段二衬且长度均为第二节段二衬32的长度的2倍，第一节段二衬31为长节段二衬且长度为第二节段二衬32的长度的3倍。

相邻两个第一节段二衬31之间的变形缝为第一变形缝51，第四节段二衬34与第一节段二衬31之间的变形缝为第四变形缝54，第二节段二衬32与第四节段二衬34之间的变形缝为第五变形缝55，相邻两个第二节段二衬32之间的变形缝为第二变形缝52，相邻两个第三节段二衬33之间的变形缝为第三变形缝53，相邻的第三节段二衬33与第二节段二衬32之间的变形缝为第六变形缝56。

第四变形缝54、第五变形缝55和第二变形缝52均为宽变形缝且宽度均大于第一变形缝51。第一变形缝51、第三变形缝53和第六变形缝56均为窄变形缝，窄变形缝的宽度在2厘米至3厘米范围内，宽变形缝的宽度为窄变形缝的宽度的5倍至8倍。

另外，防水层2在变形缝处设置有带褶皱的胀壳式防水板。通过防水层2位于变形缝的位置上设置带褶皱的胀壳式防水板，能够有效防止活动断层错动时，变形缝处防水构造被破坏。

隧道施工时，在隧道开挖轮廓外采用专业注浆钻机对断层破碎围岩径向注浆形成注浆加固圈10，从而加强围岩的整体性，改善围岩条件以提高其自身的抗错动和蠕变能力，从而提高隧道衬砌支护结构的抗震能力，同时减少活动断层错动后变形缝处的地下水渗漏。然后安装由HW175型钢制成的全环钢架61，接着，采用湿喷机械手等机械设备对隧道开挖轮廓岩面喷射C30高强混凝土62，将破碎围岩节理裂隙充填并产生楔效应，增大开挖松动破碎围岩之间的摩阻力，并与开挖岩层粘贴形成统一的承载体系，提高围岩自承能力，减少活动断层错动对二次衬砌3结构的受力，并且全环钢架61与喷射的C30高强混凝土62形成整体结构，提高支护结构的承载力和抗错动能力。接着，在初期支护6与二次衬砌3之间铺设复合防水层2。接着，形成隧道结构最内层的二次衬砌3，二次衬砌3的厚度为60厘米，二次衬砌3由C35钢筋混凝土形成，通过加强配筋布置，提高衬砌支护结构的刚度，同时将衬砌轮廓设置为近圆形改善衬砌结构受力条件，使之更能抵抗断层错动造成的破坏。

参见图5，当活动断层错动时，各节段二衬将相对独立地随着活动断层错动及转动，各变形缝提供各节段的活动空间，从而隧道在穿越活动断层破碎带11区域将如一个连续弯曲的并呈动物脊柱构造的梁，以承受变形土体的剪切和弯曲作用，从而防止隧道在该区域大面积的衬砌结构破坏。同时，通过在二次衬砌3的径向内侧预留二衬补强空间4，当隧道结构在活动断层破碎带11位置被破坏，开裂出现裂缝时，可利用二衬补强空间4对二次衬砌3结构进行修复。

由上可见，将隧道二次衬砌结构分成长节段二衬、较长节段二衬和短节段二衬，使隧道成为类似于动物脊柱构造的不连续分段结构，相邻节段间设置有不同宽度的变形缝，变形缝内充填有由泡沫塑胶板制成的缓冲件，并设置复合防水构造，使各隧道节段相对独立。结合活动断层位错量沿隧道纵向的分布特征，活动断层破碎带与基岩的接触面附近一定范围呈强变形带，断层破碎带中部和基岩侧靠近活动断层破碎带的设防延伸段的变形相对较小。宽变形缝主要设置在强变形带内，同时该范围内隧道节段最短，当活动断层错动时，强变形带内错动位移主要集中于刚度薄弱的变形缝间，连续设置的宽变形缝能有效分担断层破碎带处的集中位移，而各隧道节段则相对独立地在侧向变形土体作用下运动。另外，窄变形缝设置在断层错动位移相对较小的位置，主要在活动断层破碎带核部中央位置和基岩侧靠近活动断层破碎带的设防延伸段处，同时考虑隧道施工方便，该范围的隧道节段相对较长，各节段隧道在穿越活动断层破碎带区域将如一个连续弯曲的梁，以承受变形土体的剪切和弯曲作用。

本发明的穿越活动断层破碎带的仿动物脊柱的隧道衬砌支护结构体系是设置在隧道穿越活动断层破碎带的区域，通过开挖轮廓外注浆来加强围岩的整体性，改善围岩条件以提高围岩自身的抗错动和蠕变能力，并通过设置大刚度圆环衬砌，提高衬砌结构刚度，改善结构受力条件，使之更能抵抗断层错动造成的破坏。当活动断层错动时，隧道纵向短节段、宽接缝结构有效分担集中位移，使错动位移主要集中于刚度薄弱的变形缝间，在侧向变形土体的作用下，各节段隧道将相对独立地随着活动断层错动及转动，不会导致大面积的衬砌结构破坏。通过预留补强空间、加强支护体系实现“技术可行、经济合理、易于修复”的抗震设防目标。

此外，各节段二衬的长度和数量可根据需要进行改变。各变形缝的宽度可根据需要进行改变。上述改变也能实现本发明的目的。

最后需要强调的是，以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，包括沿着隧道径向自外而内依次布置的初期支护、防水层和二次衬砌；

其特征在于：

所述二次衬砌包括节段区，所述活动断层破碎带位于所述节段区在隧道纵向上的中部；

所述节段区包括沿着所述隧道纵向依次间隔布置的多个节段二衬，相邻两个节段二衬之间均设置有变形缝，所述变形缝内填充有缓冲件。

2.根据权利要求1所述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，其特征在于：

所述二次衬砌在所述隧道径向内侧还设置有二衬补强空间。

3.根据权利要求1所述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，其特征在于：

多个所述节段二衬包括至少两个第一节段二衬和至少四个第二节段二衬；

所述第一节段二衬位于所述活动断层破碎带的中部，所述第二节段二衬位于所述活动断层破碎带与基岩的接触面附近，所述活动断层破碎带的每一端均至少设置一个所述第二节段二衬；

所述第一节段二衬在在所述隧道纵向上的长度大于所述第二节段二衬在所述隧道纵向上的长度；

相邻两个所述第一节段二衬之间的变形缝为第一变形缝；

所述活动断层破碎带的每一端均至少设置两个所述第二节段二衬，相邻两个所述第二节段二衬之间的变形缝为第二变形缝；

所述第二变形缝的宽度大于所述第一变形缝。

4.根据权利要求3所述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，其特征在于：

所述第一变形缝的宽度在2厘米至3厘米范围内，所述第二变形缝的宽度为所述第一变形缝的宽度的5倍至8倍。

5.根据权利要求3所述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，其特征在于：

所述第二节段二衬的长度在4米至8米范围内，所述第一节段二衬的长度为所述第二节段二衬的长度的3倍。

6.根据权利要求3至5任一项所述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，其特征在于：

多个所述节段二衬还包括多个第三节段二衬，所述活动断层破碎带的每一端均至少设置两个所述第三节段二衬，所述第三节段二衬位于所述基岩靠近所述活动断层破碎带的位置；

所述第三节段二衬的长度大于所述第二节段的长度且小于第一节段的长度。

7.根据权利要求6所述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，其特征在于：

所述第三节段二衬的长度为所述第二节段二衬的长度的2倍；

相邻两个所述第三节段二衬之间的变形缝为第三变形缝，所述第三变形缝的宽度在2厘米至3厘米范围内。

8.根据权利要求3至5任一项所述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，其特征在于：

多个所述节段二衬还包括至少两个第四节段二衬，所述第四节段二衬位于所述第一节段二衬与所述第二节段二衬之间；

所述活动断层破碎带的每一端均设置至少一个所述第四节段二衬，所述第四节段二衬的长度大于所述第二节段的长度且小于第一节段的长度；

所述第四节段二衬与所述第一节段二衬之间的变形缝为第四变形缝，所述第二节段二衬与所述第四节段二衬之间的变形缝为第五变形缝，所述第四变形缝和所述第五变形缝的宽度均为所述第一变形缝的宽度的5倍至8倍。

9.根据权利要求1至5任一项所述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护，其特征在于：

所述缓冲件为泡沫塑料板，所述防水层在所述变形缝处设置有带褶皱的胀壳式防水板。

10.隧道，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的一种穿越活动断层破碎带的隧道衬砌支护；

所述隧道衬砌支护还包括设置在隧道开挖轮廓外破碎围岩上的环形的注浆加固圈，所述初期支护位于所述注浆加固圈的径向内侧。

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