CN116006213A - 一种盾构隧道隔震结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道隔震结构及施工方法，涉及隧道施工技术领域，其技术方案要点是：包括等距分布的多节外层隧道管环和一节连续的内层隧道管环，所述内层隧道管环位于多节外层隧道管环内；相邻两节所述外层隧道管环之间的间隙相同且为固定连接；每节所述外层隧道管环和内层隧道管环之间均设有多个橡胶滑动支座和分段式滑轨。该隧道隔震结构遭遇较大错动量的情景时，即使外层隧道变形较大，呈阶梯型，也能保证内层隧道保持连续，不破坏；而且本方法能使内层隧道在轴向方向上移动，一定程度上分摊了断层错动量集中时造成的位移；而由于外层刚性隧道不连续，采用柔性的橡胶连接，减少了螺栓应力过于集中在连接处的情况、更容易破坏的风险。

Description

一种盾构隧道隔震结构及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，更具体地说，它涉及一种盾构隧道隔震结构及施工方法。

背景技术

在隧道设计与施工中，为了避免断层对隧道以及建筑物的影响，常常选择采取避让措施。但不良地质地段如断层破碎带非常常见，在隧道修建时总会不可避免地碰到，当隧道穿越断层破碎带及其影响区域时，会产生毁灭性的、难以修复的破坏，甚至会导致结构的整体坍塌。因此，探究地下隧道对断层运动的响应以及减小断层运动对隧道的破坏措施具有重要的工程价值。

目前，在活动断层区修建隧道一般有以下三种设计理念用于减小断层错动造成的隧道结构破坏：

1、“扩挖设计”理念，即根据活动断层可能的错动量，扩大隧道断面尺寸。在断层错动时，扩大的隧道断面尺寸可以保证隧道断面的净空面积。扩挖目前多用于公路隧道与铁路隧道，其中公路隧道原位扩建是指在原有隧道的基础上，破坏原有结构并对围岩体进行扩挖，形成符合使用要求的新隧道，公路隧道原位扩建主要采用单侧扩建、双侧扩建以及周围扩建三种。铁路隧道扩挖多集中于久远小断面铁路隧道与既有平导扩挖，铁路隧道扩挖没有提出原位扩建这种说法，是因为铁路相对断面较小，扩挖区域相对于公路隧道而言范围较小，不易用单双侧来描述。而盾构隧道扩挖工程，即在原基础之上加大开发隧道内扩挖能力，通过稳定的地基加固、扩挖支护等措施，达到扩挖隧道大空间的可能；

2、“铰接设计”理念，即尽量减小衬砌节段的长度，使得断层带及其两侧一定范围内的衬砌节段相对独立，刚性衬砌节段间采用柔性接头连接。在断层错动时，力学行为集中作用在接头部位或结构的局部，引起结构局部破坏，而不会导致整体破坏。管片间的接头按照方向不同可分为两类，沿隧道方向的接头称之为纵向接头，连接衬砌环向拼接管片的称为环向接头，本发明仅考虑纵向接头。从其力学特性来看，可分为柔性接头和刚性接头两类，柔性受力情况较合理，管片间可以允许产生微小的转动，后者则是通过增加接头刚度或者螺栓数量等方法，使衬砌成为一个整体，早期设计认为管片接头刚度越大越安全，而经过长期的实践和科学技术的发展发现，柔性接头的设计更为合理，所以接头部分的发展经历了由刚性联结到柔性联接方式的一个过渡；

3、“隔离消能设计”理念，即采用钢筋混凝土复合衬砌，由初期支护、二次衬砌和中间回填柔性材料组成。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。减震层不但要能割断周围地层对衬砌的约束力，而且还能吸收衬砌与地层之间反复循环的动应变或相对动位移。此外，减震层应具有充分弹性，保证在一次地震塑性化后，下一次地震时能再发挥作用。

采用“铰接设计”理念，在盾构隧道管片的设计中，接头刚度如果设计得过大，管片的应力也随之加大，这将使对管片的强度要求过高；而如果接头刚度设计得过小，管片的接缝变形会很大，止水问题会比较突出，因此如何选择适当大小的接头刚度是一个问题；其次，在接头形式的选择中，还必须考虑材料加工成本，工期成本与人工养护维修成本，一种安装方便，自动化程度高的接头形式，自然就会使材料和加工成本升高。

采用“隔离消能设计”理念，对地下结构减隔震的研究还处于初期阶段，地下结构减隔震的主要理论和计算方法尚未成体系，许多减隔震方案设计不够充分等诸多问题导致减隔震效果并不明显。且当地下结构穿越活动性断裂带时，对隔震层结构震后修复问题都是亟待解决的技术难题。

因此，在活动断层错动形式及错动量不能完全确定的情况下，“扩挖设计”无疑是最保险、最有效的抗断防护对策；基于上述问题，申请人基于“扩挖设计”理念，设计了一种盾构隧道隔震的结构及施工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构隧道隔震结构及施工方法，该结构和方法解决了背景技术中提到的技术问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种盾构隧道隔震结构，包括等距分布的多节外层隧道管环和一节连续的内层隧道管环，所述内层隧道管环位于多节外层隧道管环内；相邻两节所述外层隧道管环之间的间隙相同且为固定连接；每节所述外层隧道管环和内层隧道管环之间均设有多个橡胶滑动支座和分段式滑轨；多节所述外层隧道管环的间隙之间设有外层橡胶隧道管环。

进一步的，所述分段式滑轨包括滑动台和多个承台；所述滑动台的顶面与内层隧道管环贴合，多个所述承台与外层隧道管环贴合。

进一步的，相邻两节外层隧道管环之间采用盾构隧道螺栓连接。

进一步的，相邻两节外层隧道管环之间的间隙为30cm，所述外层隧道管环和内层隧道管环之间的间隙为50cm。

本发明还提供一种盾构隧道隔震结构的施工方法，具体包括以下步骤：

S1：对内层隧道施工；

S2：对外层隧道施工，其具体步骤为：

S2-1：在盾构隧道推进的基础上，放线定位，确定断面的扩挖区域范围；

S2-2：完成扩挖段的初期支护与开展扩挖；

S2-3：将分段式滑轨与外层隧道通过螺栓连接，并完成橡胶滑动支座的安装。

进一步的，所述S1的具体方法是：将需要扩挖的盾构段设定为加固段，内层盾构隧道在穿越加固段时加大同步注浆和二次注浆量，盾构完成后对加固段进行深孔注浆加固并将加固段的管片拉紧固定。

进一步的，所述S2-2中初期支护的具体步骤是：

1)施工扩挖初支，加固内层隧道上部地层；施工临时竖撑，临时竖撑的下段固定在内层隧道的底部，上端高于扩挖段临时横撑的高度；

2)采用沙袋回填内层隧道至临时横撑的高度，并施工临时竖撑中段。

进一步的，所述S2-2中扩挖的具体步骤是：

①扩挖内层隧道上部，边挖边支，在施工过程中安装临时竖撑上段，其下端穿过内层隧道管片，与临时竖撑中段连接，上端与初支连接；

②按照步骤①的方法进行左上部与右上部的开挖与支护，施工过程中完成临时横撑的设置；

③拆除封顶块及邻接块管片结构，进一步完成支护；

④重复步骤①-步骤③，边拆边支，完成扩挖与支护；

⑤待扩挖段初支结构稳定后，拆除临时竖撑与临时横撑，修筑外层隧道衬砌、结构。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、该隧道隔震结构能有效地应对盾构隧道跨越断层时，遭遇较大错动量的情景，即使外层隧道变形较大，呈阶梯型，也能保证内层隧道保持连续，不破坏；而且本方法能使内层隧道在轴向方向上移动，一定程度上分摊了断层错动量集中时造成的位移；而由于外层刚性隧道不连续，采用柔性的橡胶连接，减少了螺栓应力过于集中在连接处的情况、更容易破坏的风险；

2、该方法采用“先盾构后矿山”的施工方法，即先采用盾构法跨越包含地层断裂带的施工区段，在包含断裂带的扩挖段内采用矿山法进行扩挖施工，在盾构隧道基础上扩大断面，预留空间，施作外层隧道衬砌及结构，并通过在内外层隧道之间架设滑轨、加设多个橡胶滑动支座，相对合理地为隧道提供轴向方向上的自由度，使其得以滑动，并在两层隧道之间建立连接，且为内层隧道提供支撑；

3、通过在外层隧道管环间留有空隙，其中填入橡胶圈，组成“三明治”的结构形式，避免当隧道遭遇断层破碎带错动时，外层隧道连接螺栓附近处出现应力过大的情况，造成局部损坏，从而影响整体结构。

附图说明

图1是本发明实施例中外层管片连续与不连续时对应的受力仿真分析对比图；

图2是本发明实施例中采用本实施例结构在遭遇断层错动时的效果图；

图3是本发明实施例中一种盾构隧道隔震结构的截面图；

图4是本发明实施例中一种盾构隧道隔震结构的侧面图；

图5是本发明实施例中轨道的截面图。

图中：1、外层隧道管环；2、内层隧道管环；3、盾构隧道螺栓；4、橡胶滑动支座；5、分段式滑轨；6、外层橡胶隧道管环；7、滑动台；8、承台。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种盾构隧道隔震结构，如图1至图5所示，包括等距分布的多节外层隧道管环和一节连续的内层隧道管环，如图1所示，外层隧道管环均套设在内层隧道管环外侧；相邻两节外层隧道管环之间的间隙相同，间隙均为30cm，且采用盾构隧道螺栓固定连接；间隙的长度为螺栓长度的三分之一，每节外层隧道管环和内层隧道管环之间均固定安装有11个橡胶滑动支座和1个分段式滑轨，橡胶滑动支座安装在内层隧道管环和外层隧道管环的上部分位置，且其封板具有一定弧度，形状需要与两层隧道贴合，橡胶滑动支座用于连接内层隧道，并给内层隧道提供轴向自由度；分段式滑轨位于内层隧道管环和外层隧道管环的下部分空隙中；滑轨用于承托内层隧道，并给内层隧道提供轴向自由度；多节外层隧道管环的间隙之间放置外层橡胶隧道管环，如图1所示，这样避免变形过大时外层隧道的螺栓应力过于集中。

本实施例优选的，分段式滑轨包括滑动台和3个承台；承台下部与外层隧道管环的弧度一致，贴合；滑动台上部与内层隧道管环的弧度一致，贴合。

本实施例优选的，相邻两节外层隧道管环之间采用盾构隧道螺栓连接。

本实施例优选的，相邻两节外层隧道管环之间的间隙为30cm，外层隧道管环和内层隧道管环之间的间隙为50cm。

本实施例中，采用盾构隧道双层衬砌，结合了“超挖”的抗震设计理念，本实施例的这种隔震结构当遭遇断层错动破坏时，使外层隧道呈阶梯型变形，内层隧道仍然保持连续，不破坏，且内层隧道可以在轴向方向上滑动，如图2所示。

实施例2：一种盾构隧道隔震结构的施工方法，该方法在施工前，需要预制外层盾构隧道管片、带有弧度的分段式滑轨和橡胶滑动支座；本方法具体包括以下步骤：

S1：对内层隧道施工：将需要扩挖的盾构段设定为加固段，内层盾构隧道在穿越加固段时加大同步注浆和二次注浆量，盾构完成后对加固段进行深孔注浆加固并将加固段的管片拉紧固定。

S2：对外层隧道施工，其具体步骤为：

S2-1：在盾构隧道推进的基础上，放线定位，确定断面的扩挖区域范围；

S2-2：完成扩挖段的初期支护与开展扩挖；

其中，初期支护的具体方式为：

1)施工扩挖初支，加固内层隧道上部地层；施工临时竖撑，临时竖撑的下段固定在内层隧道的底部，上端高于扩挖段临时横撑的高度；

2)采用沙袋回填内层隧道至临时横撑的高度，并施工临时竖撑中段。

开展扩挖的具体方式为：

①扩挖内层隧道上部，边挖边支，在施工过程中安装临时竖撑上段，其下端穿过内层隧道管片，与临时竖撑中段连接，上端与初支连接；

②按照步骤①的方法进行左上部与右上部的开挖与支护，施工过程中完成临时横撑的设置；

③拆除封顶块及邻接块管片结构，进一步完成支护；

④重复步骤①-步骤③，边拆边支，完成扩挖与支护；

⑤待扩挖段初支结构稳定后，拆除临时竖撑与临时横撑，修筑外层隧道衬砌、结构。

S2-3：将分段式滑轨与外层隧道通过螺栓连接，并完成橡胶滑动支座的安装。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种盾构隧道隔震结构，其特征是：包括等距分布的多节外层隧道管环和一节连续的内层隧道管环，所述内层隧道管环位于多节外层隧道管环内；相邻两节所述外层隧道管环之间的间隙相同且为固定连接；每节所述外层隧道管环和内层隧道管环之间均设有多个橡胶滑动支座和分段式滑轨；多节所述外层隧道管环的间隙之间设有外层橡胶隧道管环。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道隔震结构，其特征是：所述分段式滑轨包括滑动台和多个承台；所述滑动台的顶面与内层隧道管环贴合，多个所述承台与外层隧道管环贴合。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道隔震结构，其特征是：相邻两节外层隧道管环之间采用盾构隧道螺栓连接。

4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道隔震结构，其特征是：相邻两节外层隧道管环之间的间隙为30cm，所述外层隧道管环和内层隧道管环之间的间隙为50cm。

5.根据权利要求1-4中任意一个所述的一种盾构隧道隔震结构的施工方法，其特征是：具体包括以下步骤：

S1：对内层隧道施工；

S2：对外层隧道施工，其具体步骤为：

S2-1：在盾构隧道推进的基础上，放线定位，确定断面的扩挖区域范围；

S2-2：完成扩挖段的初期支护与开展扩挖；

S2-3：将分段式滑轨与外层隧道通过螺栓连接，并完成橡胶滑动支座的安装。

6.根据权利要求5所述的一种盾构隧道隔震结构的施工方法，其特征是：所述S1的具体方法是：将需要扩挖的盾构段设定为加固段，内层盾构隧道在穿越加固段时加大同步注浆和二次注浆量，盾构完成后对加固段进行深孔注浆加固并将加固段的管片拉紧固定。

7.根据权利要求5所述的一种盾构隧道隔震结构的施工方法，其特征是：所述S2-2中初期支护的具体步骤是：

1)施工扩挖初支，加固内层隧道上部地层；施工临时竖撑，临时竖撑的下段固定在内层隧道的底部，上端高于扩挖段临时横撑的高度；

2)采用沙袋回填内层隧道至临时横撑的高度，并施工临时竖撑中段。

8.根据权利要求5所述的一种盾构隧道隔震结构的施工方法，其特征是：所述S2-2中扩挖的具体步骤是：

①扩挖内层隧道上部，边挖边支，在施工过程中安装临时竖撑上段，其下端穿过内层隧道管片，与临时竖撑中段连接，上端与初支连接；

②按照步骤①的方法进行左上部与右上部的开挖与支护，施工过程中完成临时横撑的设置；

③拆除封顶块及邻接块管片结构，进一步完成支护；

④重复步骤①-步骤③，边拆边支，完成扩挖与支护；

⑤待扩挖段初支结构稳定后，拆除临时竖撑与临时横撑，修筑外层隧道衬砌、结构。

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