CN116378710A - 一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，所述半刚性盾构隧道管片主要由首尾两端的混凝土管片连接部件、以及中部交替设置的多个橡胶管片部件和多个钢材管片部件组成；所述混凝土管片连接部件通过混凝土环向螺栓连接成环；所述钢材管片部件通过钢材部件环向螺栓连接成环；所述钢材管片部件与所述橡胶管片部件之间通过硫化剂粘接，橡胶包裹钢管片；相邻的隧道管环之间通过盾构隧道纵向螺栓连接，本发明使得断层发生时产生的能量和错动位移量被半刚性盾构隧道管环吸收，将强制位移分摊到半刚性橡胶环，避免隧道管片整体破坏，在保证结构具有足够刚度储备的情况下，增加了隧道的柔性，使其能够更好地适应周围环境的变化。

Description

一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片

技术领域

本发明涉及盾构隧道抗震技术领域，特别地是一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片。

背景技术

为了避免断层对盾构隧道等地下建筑的影响，在隧道设计和施工中通常采取避让措施。然而，在我国，不良地质条件如断层破碎带非常常见，在隧道建设中往往难以避免地遇到。当盾构隧道穿越断层破碎带及其影响区域时，可能会发生难以修复的破坏，甚至导致整体结构的坍塌，因此开展对其变形破坏特征的研究，并基于理论研究，提出一些具有一定工程意义的抗震措施，对于提高盾构隧道的抗震性能及其整体安全性至关重要。这项研究不仅具有理论价值，对社会发展以及日后盾构隧道抗震相关研究具有实际意义。

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、“超挖设计”理念，即依据活动断层的错动方式及可能的蠕滑错动量确定超挖量，扩大隧道断面尺寸，保证净空面积满足错动量足够大以减少破坏。当前，扩挖技术主要应用于公路隧道和铁路隧道。在公路隧道中，原位扩建可分为单侧扩建、双侧扩建和周围扩建三种方法，这些方法都需要破坏原有结构并对围岩进行扩挖，以便形成符合使用要求的新隧道；铁路隧道扩挖主要使用于久远小断面铁路隧道和现有平导扩挖，因为铁路相对断面较小，扩挖范围也较小，难以用单双侧来描述。总体来说，盾构隧道扩挖工程增加了开发隧道内的扩挖能力，但同时也需要采取稳定的地基加固、扩挖支护等措施，以实现扩挖隧道大空间的可能性；

2、“铰接设计”理念，即将衬砌分隔为宽度较小的独立实体，连接处使用刚度较小的柔性连接，使得断层发生时产生的能量被柔性接头吸收，提升隧道整体柔度，将破坏集中在接头处，避免整体破坏。隧道管片的连接方式可以分为以下两种类型：沿着隧道方向连接的纵向接头以及连接衬砌环向拼接管片的环向接头。根据力学特性，纵向接头可以分为柔性接头和刚性接头。柔性接头可以让管片间微小的转动，而刚性接头则需要增加接头刚度或螺栓数量等方法，使衬砌成为一个整体。早期的设计认为管片接头刚度越大越安全，但经过长期实践和科学技术的发展，发现柔性接头的设计更为合理，于是管片接头的发展经历了从刚性联结到柔性联接方式的过渡。需要注意的是，本发明只涉及纵向接头；

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，其目的是通过在衬砌与围岩之间设置缓冲层以吸收断层发生时产生的能量，从而保护内层衬砌，以便达到减小结构振动的目的。减震层在隧道结构中起着至关重要的作用，它需要削弱周围地层对衬砌的约束力，同时吸收衬砌与地层之间反复循环的动应变或相对动位移。没有减震层的作用，地震波产生的剧烈振动会直接传递到衬砌上，导致结构的损坏。此外，减震层还应具有充分的弹性，以保证在一次地震发生后仍能发挥作用。设计减震层时，需要选择合适的减震材料和设计方案，并根据地震条件和结构特点进行综合考虑，以确保结构的安全性和稳定性。

当采用超挖设计来增强隧道的抗震能力时，虽然可以减小隧道结构在地震作用下的变形，但同时也存在一些缺点和局限性：首先，因为盾构隧道的施工需要在土层中进行推进，而采用超挖设计则需要提前预留一定的空间，因此对于盾构隧道来说不太现实；其次，采用超挖设计需要预先知道地震时可能发生的错动量，如果无法准确预测，就难以应对突发性地震事件的发生；此外，超挖设计通常只能考虑一定范围内的错动量，由国内外研究、实践现状可知，一般超挖距离为0.5米左右，如果地震时的错动量超过了这个范围，超挖设计的设防方法就会失效，从而导致隧道的破坏。

作为抗震设计理念之一，隔离消能设计可以有效减小地下结构在地震作用下的变形和破坏，但同时也存在一些缺点和局限性。首先，隔离消能设计的成本相对较高，需要使用特殊的设备和材料，增加了建筑成本；其次，设计存在一定的技术难度，需要对建筑结构的设计和施工进行精细的计算和调整；此外，一旦发生地震，隔离消能设计也并不完全保证建筑不受损害，需要进行一定的维修和修复工作；最后，隔离消能设计在设计时需要充分考虑各种情况，如果设计不当，也可能出现设计上的失误，导致建筑结构的破坏。

因此，在活动断层错动形式及错动量不能完全确定，且静力作用下会出现不均匀沉降，动力作用下会出现明显大的抬升量的情况下，“铰接”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“铰接设计”理念，设计了一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，在保证结构具有足够刚度储备的情况下，增加了隧道的柔性，使其能够更好地适应周围环境的变化。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，在盾构隧道遭遇断层错动而影响的范围内，施作由抗错断半刚性盾构隧道管片组合而成的隧道管环；所述半刚性盾构隧道管片主要由首尾两端的混凝土管片连接部件、以及中部交替设置的多个橡胶管片部件和多个钢材管片部件组成；所述混凝土管片连接部件通过混凝土环向螺栓连接成环；所述钢材管片部件通过钢材部件环向螺栓连接成环；所述钢材管片部件与所述橡胶管片部件之间通过硫化剂粘接；同时钢材管片部件包裹在橡胶管片部件内，相邻的隧道管环之间通过盾构隧道纵向螺栓连接。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述混凝土管片连接部件的宽度为45cm，所述橡胶管片部件和所述钢材管片部件的宽度均为10cm。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述半刚性盾构隧道管片所组成的隧道管环，与大直径盾构隧道管环的半径、宽度、厚度一致；半刚性盾构隧道管环中，混凝土连接环的宽度为45cm，钢环与橡胶环的宽度均为10cm，建造完成后，以首尾两个混凝土连接环以及数个橡胶环与钢环交替的形式组成半刚性盾构隧道管环。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述混凝土环向螺栓为M36螺栓。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述钢材部件环向螺栓为M30螺栓。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述盾构隧道纵向螺栓为M36螺栓。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、在盾构隧道可能会遭遇断层错动而影响的范围内，施作由抗错断半刚性盾构隧道管片组合而成的隧道管环；一个半刚性盾构隧道管片由首尾两端的混凝土管片连接部件，以及数个橡胶管片部件与钢材管片部件交替组成；隧道推进采用盾构隧道标准化施工模式，将半刚性盾构隧道管片拼接成隧道管环。当该隧道遭遇较大错动量，静力作用下会出现不均匀沉降，动力作用下会出现明显大的抬升量的情况时，使得断层发生时产生的能量和错动位移量被半刚性盾构隧道管环吸收，将强制位移分摊到半刚性橡胶环，避免隧道管片整体破坏。本发明在盾构隧道可能会遭遇断层错动而影响的范围内，使用半刚性盾构隧道管片施作成隧道管环，在保证结构具有足够刚度储备的情况下，增加了隧道的柔性，使其能够更好地适应周围环境的变化；本发明结构制作较为简单、可直接使用于盾构隧道标准化的施工模式中，有助于施工高效地进行。综上所述，本发明合理地选择和应用柔性连接件，不仅能够提高隧道的安全性和可靠性，还能够降低维护成本并延长隧道的使用寿命；

2、在进行盾构隧道施工前，本发明需要对混凝土管片连接部件、橡胶管片部件和钢材管片部件进行切割、加工、校准等，以保证其尺寸精度和质量；将预制好的管片部件进行组合，完成半刚性盾构隧道管片的拼接。在盾构隧道施工时，采用标准化施工模式，当隧道可能进入断层错动的范围时，改用半刚性盾构隧道管片进行管环的组装，并完成后续的安装和调整。安装和调整完成后，盾构机将继续推进，并重复以上步骤，直至完成整个隧道的施工。这样采用半刚性盾构隧道管片一体化的生产模式，以及盾构隧道标准化的施工方法，有助于施工高效地进行，并且能够有效地保证隧道结构的完整性；将半刚性盾构隧道管片拼接成隧道管环，相邻隧道管环之间采用盾构隧道纵向螺栓连接。

3、为了避免隧道在断层破碎带错动时出现局部损坏的情况，在盾构隧道可能会遭遇断层错动而影响的范围内，安装由半刚性盾构隧道管片组成的管环，兼具刚度储备的情况下，增加了隧道的柔性，使其能够更好地应付隧道遭遇较大错动量时的破坏。这种结构将混凝土管片连接部件、橡胶管片部件和钢材管片部件等通过一体化生产、加工、连接，可以降低原本连接件需要通过螺栓连接，产生的应力过于集中而破坏的风险，从而降低隧道管片破坏的概率；可以吸收断层错动时产生的能量，将破坏分摊到刚度较小的环节处，避免隧道整体破坏，保证整体结构的完整性。

附图说明

图1是本发明实施例中半刚性盾构隧道管片(标准块)的立体图；

图2是本发明实施例中半刚性盾构隧道管片(封顶块)的立体图；

图3是本发明实施例中半刚性盾构隧道管片连接成环后的立体图；

图4是本发明实施例中采用本实例结构在遭遇断层错动时的效果图。

附图中：1-混凝土管片连接部件；2-橡胶管片部件；3-钢材管片部件；4-盾构隧道纵向螺栓；5-混凝土环向螺栓；6-钢材部件环向螺栓。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、上端、下端、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，如图1至图4所示，在盾构隧道遭遇断层错动而影响的范围内，施作由抗错断半刚性盾构隧道管片组合而成的隧道管环；所述半刚性盾构隧道管片主要由首尾两端的混凝土管片连接部件1、以及中部交替设置的多个橡胶管片部件2和多个钢材管片部件3组成；所述混凝土管片连接部件1通过混凝土环向螺栓5连接成环；所述钢材管片部件3通过钢材部件环向螺栓6连接成环；所述钢材管片部件3与所述橡胶管片部件2之间通过硫化剂粘接；同时钢材管片部件3包裹在橡胶管片部件2内；相邻的隧道管环之间通过盾构隧道纵向螺栓4连接。除宽度外，管片中钢材管片部件3与橡胶管片部件2的尺寸需要与隧道管片一致，形状需要与隧道管管片贴合。如图1、图2所示，在受活断层错动影响的多节隧道管环处，采用半刚性盾构隧道管片，可以有效避免变形过大时隧道管片的应力过大而造成破坏。

具体的，本实施例方案中，所述混凝土管片连接部件1的宽度为45cm，所述橡胶管片部件2和所述钢材管片部件3的宽度均为10cm。

具体的，本实施例方案中，所述半刚性盾构隧道管片所组成的隧道管环，与大直径盾构隧道管环的半径、宽度、厚度一致；半刚性盾构隧道管环中，混凝土连接环的宽度为45cm，钢环与橡胶环的宽度均为10cm，建造完成后，以首尾两个混凝土连接环以及数个橡胶环与钢环交替的形式组成半刚性盾构隧道管环。

具体的，本实施例方案中，所述混凝土环向螺栓5为M36螺栓。

具体的，本实施例方案中，所述钢材部件环向螺栓6为M30螺栓。

具体的，本实施例方案中，所述盾构隧道纵向螺栓4为M36螺栓。

本实施例优选的，通过环向螺栓将半刚性盾构隧道管片中的混凝土管片连接部件1、钢材管片部件3拼接成环；通过冷硫化剂将钢材管片部件3与橡胶管片部件2粘接；相邻隧道管环之间采用盾构隧道螺栓连接。隧道推进采用盾构隧道标准化施工模式。

本实施例中，采用半刚性盾构隧道管环，结合了“铰接设计”的抗震设计理念，本实施例的这种隔震结构在遭遇较大突发断层滑动，且静力作用下出现不均匀沉降，动力作用下会出现明显大的抬升量的情况下，这种结构可以降低原本连接件需要通过螺栓连接，产生的应力过于集中而破坏的风险，从而降低隧道管片破坏的概率；可以吸收断层错动时产生的能量，将破坏分摊到刚度较小的环节处，避免隧道整体破坏，保证整体结构的完整性，如图4所示。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、在盾构隧道可能会遭遇断层错动而影响的范围内，施作由抗错断半刚性盾构隧道管片组合而成的隧道管环；一个半刚性盾构隧道管片由首尾两端的混凝土管片连接部件1，以及数个橡胶管片部件2与钢材管片部件3交替组成；隧道推进采用盾构隧道标准化施工模式，将半刚性盾构隧道管片拼接成隧道管环。当该隧道遭遇较大错动量，静力作用下会出现不均匀沉降，动力作用下会出现明显大的抬升量的情况时，使得断层发生时产生的能量和错动位移量被半刚性盾构隧道管环吸收，将强制位移分摊到半刚性橡胶环，避免隧道管片整体破坏。本发明在盾构隧道可能会遭遇断层错动而影响的范围内，使用半刚性盾构隧道管片施作成隧道管环，在保证结构具有足够刚度储备的情况下，增加了隧道的柔性，使其能够更好地适应周围环境的变化；本发明结构制作较为简单、可直接使用于盾构隧道标准化的施工模式中，有助于施工高效地进行。综上所述，本发明合理地选择和应用柔性连接件，不仅能够提高隧道的安全性和可靠性，还能够降低维护成本并延长隧道的使用寿命；

2、在进行盾构隧道施工前，本发明需要对混凝土管片连接部件1、橡胶管片部件2和钢材管片部件3进行切割、加工、校准等，以保证其尺寸精度和质量；将预制好的管片部件进行组合，完成半刚性盾构隧道管片的拼接。在盾构隧道施工时，采用标准化施工模式，当隧道可能进入断层错动的范围时，改用半刚性盾构隧道管片进行管环的组装，并完成后续的安装和调整。安装和调整完成后，盾构机将继续推进，并重复以上步骤，直至完成整个隧道的施工。这样采用半刚性盾构隧道管片一体化的生产模式，以及盾构隧道标准化的施工方法，有助于施工高效地进行，并且能够有效地保证隧道结构的完整性；将半刚性盾构隧道管片拼接成隧道管环，相邻隧道管环之间采用盾构隧道纵向螺栓4连接。

3、为了避免隧道在断层破碎带错动时出现局部损坏的情况，在盾构隧道可能会遭遇断层错动而影响的范围内，安装由半刚性盾构隧道管片组成的管环，兼具刚度储备的情况下，增加了隧道的柔性，使其能够更好地应付隧道遭遇较大错动量时的破坏。这种结构将混凝土管片连接部件1、橡胶管片部件2和钢材管片部件3等通过一体化生产、加工、连接，可以降低原本连接件需要通过螺栓连接，产生的应力过于集中而破坏的风险，从而降低隧道管片破坏的概率；可以吸收断层错动时产生的能量，将破坏分摊到刚度较小的环节处，避免隧道整体破坏，保证整体结构的完整性。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以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 (6)

1.一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，其特征在于：在盾构隧道遭遇断层错动而影响的范围内，施作由抗错断半刚性盾构隧道管片组合而成的隧道管环；所述半刚性盾构隧道管片主要由首尾两端的混凝土管片连接部件、以及中部交替设置的多个橡胶管片部件和多个钢材管片部件组成；所述混凝土管片连接部件通过混凝土环向螺栓连接成环；所述钢材管片部件通过钢材部件环向螺栓连接成环；所述钢材管片部件与所述橡胶管片部件之间通过硫化剂粘接，同时钢材管片部件包裹在橡胶管片部件内；相邻的隧道管环之间通过盾构隧道纵向螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，其特征在于：所述混凝土管片连接部件的宽度为45cm，所述橡胶管片部件和所述钢材管片部件的宽度均为10cm。

3.根据权利要求1所述的一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，其特征在于：所述半刚性盾构隧道管片所组成的隧道管环，与大直径盾构隧道管环的半径、宽度、厚度一致；半刚性盾构隧道管环中，混凝土连接环的宽度为45cm，钢环与橡胶环的宽度均为10cm，建造完成后，以首尾两个混凝土连接环以及数个橡胶环与钢环交替的形式组成半刚性盾构隧道管环。

4.根据权利要求1所述的一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，其特征在于：所述混凝土环向螺栓为M36螺栓。

5.根据权利要求1所述的一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，其特征在于：所述钢材部件环向螺栓为M30螺栓。

6.根据权利要求1所述的一种用于跨越断层的半刚性盾构隧道管片，其特征在于：所述盾构隧道纵向螺栓为M36螺栓。

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