CN117266874A - 跨断层隧道支护结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种跨断层隧道支护结构，属于隧道跨断层抗震技术领域，包括第一支护段和第二支护段；第一支护段包括围设于隧道主体外周的第一混凝土支护层；第二支护段对应于活断层设置，包括第二混凝土支护层和缓冲嵌入体，第二混凝土支护层围设于隧道主体的外周，并衔接于第一混凝土支护层，第二混凝土支护层的外周面开设有嵌入槽，缓冲嵌入体嵌设于嵌入槽中；其中，第二混凝土支护层的韧性高于第一混凝土支护层的韧性。本发明能显著提高隧道跨断层部位的结构韧性，增强隧道结构的整体稳定性和整体承载力，在地震作用下能够更好地承受应力和变形，保证适应隧道错动变形的能力，减小地震导致的应力过大或者变形过大给隧道结构造成的影响。

Description

跨断层隧道支护结构

技术领域

本发明属于隧道跨断层抗震技术领域，具体涉及一种跨断层隧道支护结构。

背景技术

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式，可实现车辆通行等用途。对于一些建设在地震多发地带的隧道，在地震发生时，地震能量会通过地面传递到隧道结构中，如果能量过大或者能量分布不均匀，就会对隧道结构造成损坏，因此，隧道建设应尽量避开活断层。但在实际工程中，受地质条件、线路走向和施工条件等因素的限制，隧道建设不可避免地会穿越活断层。跨断层隧道减震装置是一种专门设计用于减少隧道地震效应的装置，跨断层隧道减震装置能够吸收和分散地震能量，减少对隧道结构的影响，从而保护隧道在地震作用下发生破坏。

为了实抗震抗断的技术效果，发展出了多种体系方法，例如，申请号为CN202011077510.0的专利公开的减震结构包括沿隧道径向依次设置的初期支护、第一减震层、防水层和二次衬砌，第一减震层包括液压千斤顶，液压千斤顶的两端分别与初期支护和防水层固定连接；申请号为CN200910058875.6的专利公开的减震结构是通过在对应于活断层的位置，将内衬层和外衬层之间填充泡沫混凝土实现的。总体来说，现有的减震支护手段主要包括增设减震机械装置和直接增加混凝土材质的支护层，增设减震机械装置存在施工困难、支护成本较高的问题，直接增加支护层的方式虽然施工难度也较低，但也难以在保证适应断层错动变形能力的前提下，有效提升隧道的抗冲击能力，限制了对支护效果的进一步提升。

发明内容

本发明实施例提供一种跨断层隧道支护结构，旨在解决现有技术中存在的跨断层减震结构难以有效提升隧道的抗冲击能力，限制了对支护效果进一步提升的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

提供一种跨断层隧道支护结构，包括：

一支护段，包括围设于隧道主体外周的第一混凝土支护层；

第二支护段，对应于活断层设置，包括第二混凝土支护层和缓冲嵌入体，所述第二混凝土支护层围设于隧道主体的外周，并衔接于所述第一混凝土支护层，所述第二混凝土支护层的外周面开设有嵌入槽，所述缓冲嵌入体嵌设于所述嵌入槽中；

其中，所述第二混凝土支护层的韧性高于所述第一混凝土支护层的韧性。

在一种可能的实现方式中，所述嵌入槽的宽度沿自身的开口方向逐渐增大。

在一种可能的实现方式中，所述嵌入槽的槽底面为平面。

在一种可能的实现方式中，所述嵌入槽的槽底面为锯齿面。

一些实施例中，所述嵌入槽的槽底面的尖端朝向所述嵌入槽的开口，或者，所述嵌入槽的槽底面的尖端背向所述嵌入槽的开口。

在一种可能的实现方式中，所述嵌入槽开口的宽度与所述第二混凝土支护层的轴向长度相等。

在一种可能的实现方式中，所述缓冲嵌入体的外周面与所述第二混凝土支护层的外周面平齐。

在一种可能的实现方式中，所述嵌入槽的深度小于所述第二混凝土支护层的径向厚度。

在一种可能的实现方式中，所述第二混凝土支护层为纤维水泥基符合材料支护层。

在一种可能的实现方式中，所述缓冲嵌入体为橡胶构件。

本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，在非活断层区域设置第一支护段，其中的第一混凝土支护层能满足对非活断层区域的支护需求。在对应于活断层的区域设置第二支护段，由于设置了缓冲嵌入体，并且第二支护段中第二混凝土支护层的韧性高于第一支护段中第一混凝土支护层的韧性，缓冲嵌入体可以吸收断层蠕动位移，有效地减少结构受地震作用的能量，以减少结构的变形；第一混凝土支护层则起到了降低衬砌结构坍塌和混凝土剥落的作用，消耗地震能量和降低受损程度，并且使整个隧道的变形处于可控范围之内。当地震能量传递到缓冲嵌入体与第二混凝土支护层的接触面时，两者之间相互挤压使第二支护段整体产生变形，这一变形能够有效地缓解地震的震动和冲击。

相比于传统的跨断层减震装置，本申请的跨断层隧道支护结构能显著提高隧道跨断层部位的结构韧性，提供更大的支撑力，增强隧道结构的整体稳定性和整体承载力，使其在地震作用下能够更好地承受应力和变形，同时保证了适应隧道错动变形的能力，能够减小地震导致的应力过大或者变形过大给隧道结构造成的影响，增强支护效果。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的跨断层隧道支护结构的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的跨断层隧道支护结构的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的跨断层隧道支护结构的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的跨断层隧道支护结构的立体结构示意图；

附图标记说明：

1、第一支护段；110、第一混凝土支护层；2、第二支护段；210、第二混凝土支护层；211、嵌入槽；220、缓冲嵌入体；3、隧道主体。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，对于方位词，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”、“高”、“低”等指示方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于叙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或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本发明的具体保护范围。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“固接”或“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸地固定连接、可拆卸地固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。

隧道在跨活动断层从黏结到滑移的过程称为黏滑，蠕滑则是无震状态下的持续蠕动，前者会因为其脆性断裂过程会释放巨大的能量引发地震。黏滑发震对穿越活动断层隧道会造成局部边仰坡地面开裂变形、洞门墙及洞口附近衬砌松动、开裂、渗水等，初期支护压弯扭曲、膨胀变形侵线，二次衬砌开裂、错台、剥落掉块、局部垮塌、上部拱圈整体掉落，仰拱开裂隆起、洞体垮塌等震害。

针对跨断层地震隧道变形过大等震害问题，本发明提供一种跨断层隧道支护结构，请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的跨断层隧道支护结构进行说明。所述跨断层隧道支护结构，包括第一支护段1和第二支护段2；第一支护段1包括围设于隧道主体外周的第一混凝土支护层110；第二支护段2对应于活断层设置，包括第二混凝土支护层210和缓冲嵌入体220，第二混凝土支护层210围设于隧道主体的外周，并衔接于第一混凝土支护层110，第二混凝土支护层210的外周面开设有嵌入槽211，缓冲嵌入体220嵌设于嵌入槽211中；其中，第二混凝土支护层210的韧性高于第一混凝土支护层110的韧性。

本实施例中，隧道主体包括二次衬砌层和设于二次衬砌层外周的初期支护层，第一混凝土支护层110和第二混凝土支护层210围设于初期支护层的外周。

本实施例中，第二混凝土支护层210与第一混凝土支护层110之间可以有直接的连接关系，也可以没有直接连接关系，两种情形均能满足第二混凝土支护层210与第一混凝土支护层110的衔接需求。

本实施例中，缓冲嵌入体220的刚度低于第二混凝土支护层210，弹性高于第二混凝土支护层210。

本实施例中，在一段第二支护段2中，嵌入槽211的数量可以是一个(如图1至图3所示)，或者，同一个第二支护段2具有多个沿隧道主体3的延伸路径设置的嵌入槽211(图中未示出)，每个嵌入槽211中均嵌装有缓冲嵌入体220。

本实施例中，第一混凝土支护层110所采用的混凝土可以是常规的用作支护的混凝土，例如普通混凝土，具体材质在此不做唯一限定。

本实施例提供的跨断层隧道支护结构，与现有技术相比，在非活断层区域设置第一支护段1，其中的第一混凝土支护层110能满足对非活断层区域的支护需求。在对应于活断层的区域设置第二支护段2，由于设置了缓冲嵌入体220，并且第二支护段2中第二混凝土支护层210的韧性高于第一支护段1中第一混凝土支护层110的韧性，缓冲嵌入体220可以吸收断层蠕动位移，有效地减少结构受地震作用的能量，以减少结构的变形；第一混凝土支护层110则起到了降低衬砌结构坍塌和混凝土剥落的作用，消耗地震能量和降低受损程度，并且将变形主要集中于跨断层隧道支护结构，由跨断层隧道支护结构消耗大部分地震能量，使整个隧道的变形处于可控范围之内。当地震能量传递到缓冲嵌入体220与第二混凝土支护层210的接触面时，两者之间相互挤压使第二支护段2整体产生变形(由于第二混凝土支护层210具有较高的韧性，能避免第二混凝土支护层210变形后开裂的问题)，这一变形能够有效地缓解地震的震动和冲击。

相比于传统的跨断层减震装置，本实施例的跨断层隧道支护结构能够自适应由地震作用引起的永久错动，能显著提高隧道跨断层部位的结构韧性，提供更大的支撑力，增强隧道结构的整体稳定性和整体承载力，使其在地震作用下能够更好地承受应力和变形，同时保证了适应隧道错动变形的能力，能够减小地震导致的应力过大或者变形过大给隧道结构造成的影响，增强支护效果。

另外，本实施例的未采用减震机械装置，结构更加简单，施工难度和使用成本较低，能够降低隧道结构的维护成本和维修时间，保证隧道的正常使用寿命。

在一些实施例中，参见图2，嵌入槽211的宽度沿自身的开口方向逐渐增大，形成断面类似于梯形的槽结构，由于缓冲嵌入体220是填充在嵌入槽211内的，故而缓冲嵌入体220也具有类似的断面结构。在地震发生的时候，地震的震动和冲击直接错用在缓冲嵌入体220的外周面上，由于缓冲嵌入体220的断面呈外宽内窄的梯形，缓冲嵌入体220的外部受力，面积较大，能更有效的吸收震动和冲击能量，同时避免应力集中的问题；另外，基于类梯形的断面结构，缓冲嵌入体220自身的结构强度更高，具有更好的承力能力，同时缓冲嵌入体220与第二混凝土支护层210之间具有较大的接触面积，能对震动和冲击能量进行快速的分散，有利于提升对震动和冲击能量的衰减效果。

在上述实施例的基础上，参见图2，嵌入槽211的一种具体实施方式为：嵌入槽211的槽底面为平面。具体实施时，嵌入槽211的槽底面平行于隧道主体3的延伸路径。

参见图2，在另一种嵌入槽211的具体实施方式中，为了进一步增大缓冲嵌入体220与第二混凝土支护层210之间的接触面积，嵌入槽211的槽底面为锯齿面。

更具体的，槽底面的尖端朝向嵌入槽211的开口，如图3所示。或者，嵌入槽211槽底面的尖端背向嵌入槽211的开口，如图2所示。需要说明的是，“锯齿面”可以仅具有一个锯齿(即如图1或图3所示)，也可以具有多个沿隧道主体3的延伸路劲分布的锯齿(图中未示出)。

若嵌入槽211槽底面的尖端背向嵌入槽211的开口，则锯齿面可以与嵌入槽211的侧壁平直过渡(如图1所示)，也可以与嵌入槽211的侧壁呈夹角设置(图中未示出)。平直过渡的实施方式减少侧壁面的死角，进而能减少第二混凝土支护层210上的应力集中区域，提升第二混凝土支护层210的承力能力。

在一些实施例中，嵌入槽211的侧壁可以是平面，也可以是曲面，在此不做唯一限定。本实施例示例性的示出了嵌入槽211的侧壁为平直斜面的示例。

参阅图1至图3，在一些实施例中，为了最大程度的增大缓冲嵌入体220的外部受力面积，嵌入槽211开口的宽度与第二混凝土支护层210的轴向长度相等。

在一些缓冲嵌入体220的实施例中，参见图1至图3，缓冲嵌入体220的外周面与第二混凝土支护层210的外周面平齐，使得第二支护段2外表面较为平整，不仅方便施工，也能较好的承受地层施加的震动和冲击作用力。

在上述实施例的基础上，参见图1至图3,，第一混凝土支护层110的外周面与第二混凝土支护层210的外周面平齐，使得隧道主体3之外的支护结构整体的外表面较为平整，不仅方便施工，也能较好的承受地层施加的震动和冲击作用力。

参阅图1至图3，在一些实施例中，为了避免缓冲嵌入体220直接与隧道主体3接触，保证缓冲嵌入体220与第二混凝土支护层210能进行有效的协同作用，嵌入槽211的深度小于第二混凝土支护层210的径向厚度。

在一些实施例中，第二混凝土支护层210为纤维水泥基符合材料支护层，即第二混凝土支护层210为ECC混凝土层。ECC混凝土具有变形后结构不被破坏的能力，比传统混凝土变形性能(延性)更强，更坚固，更耐用，使用寿命更长；并且，其具有自我修复的特性，可以通过使用二氧化碳和地下水来自我治愈；从重量上看，约比普通混凝土轻20-40％。第二混凝土支护层210采用ECC混凝土制备，高延性、高韧性、高抗裂能力，在改善结构延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性等方面具有的显著效果，使隧道本身在地震作用下不易破坏，在高烈度地震作用下只发生裂缝而不易坍塌；同时，由于ECC混凝土的重量较轻，其对隧道主体3的压力较小，在受到震动和冲击后能减少第二支护段2对隧道主体3的破坏。

当然，需要理解的是，第二混凝土支护层210的材质不限于纤维水泥基符合材料，其他具有类似性能的材料也可以作为第二混凝土支护层210的制备材料，在此不做唯一限定。

在一些实施例中，缓冲嵌入体220为橡胶构件，使得缓冲嵌入体220具有一定的结构强度，避免其轻易变形，在地层中能保持自身的结构稳定性，但是受到震动和冲击的时候又能很好的吸收震动和冲击能量，起到有效的缓冲作用，使隧道整体性和自适应能力更好。

当然，需要理解的是，缓冲嵌入体220的材质不限于橡胶材料，其他具有类似性能的材料也可以作为缓冲嵌入体220的制备材料，在此不做唯一限定。

在一些实施例中，第一混凝土支护层110与第二混凝土支护层210之间无缝衔接，如图1至图4所示。更具体的，第一混凝土支护层110与第二混凝土支护层210之间的衔接面垂直于隧道主体的延伸路径。

在一些实施例中，第一混凝土支护层110与第二混凝土支护层210之间也可存在缝隙，该缝隙可作为减震缝，辅助提升第二支护段2的减震支护效果。

本申请的跨断层隧道支护结构应用于隧道跨断层抗震领域，主要针对地震作用下防止隧道坍塌而造成的损失，尤其适合应用于高烈度区、断层区域(近断层或跨断层)的隧道减震设计中。跨断层隧道支护结构安装在跨活断层薄弱部位，结合了橡胶材料的自适应，以及ECC混凝土有更好回滞性和更大承载力二使第二混凝土支护层210在高震作用下只裂缝不破坏的优点，可以耗散地震能量；在发生蠕滑或黏滑引起的变形时，采用缓冲嵌入体220和第二混凝土支护层210所构成的柔性体系吸收断层蠕动位移和减少结构受地震作用的能量，承担部分断层错动和维持隧道形状不至由变形过大从而导致隧道垮塌，防止地震引起的隧道破坏。在跨活断层隧道薄弱部位，本申请的跨断层隧道支护结构可以起到缓冲冲击、减少震动的作用，还可预防破坏、提高整体性以及耐久性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种跨断层隧道支护结构，其特征在于，包括：

第一支护段(1)，包括围设于隧道主体外周的第一混凝土支护层(110)；

第二支护段(2)，对应于活断层设置，包括第二混凝土支护层(210)和缓冲嵌入体(220)，所述第二混凝土支护层(210)围设于隧道主体的外周，并衔接于所述第一混凝土支护层(110)，所述第二混凝土支护层(210)的外周面开设有嵌入槽(211)，所述缓冲嵌入体(220)嵌设于所述嵌入槽(211)中；

其中，所述第二混凝土支护层(210)的韧性高于所述第一混凝土支护层(110)的韧性。

2.如权利要求1所述的跨断层隧道支护结构，其特征在于，所述嵌入槽(211)的宽度沿自身的开口方向逐渐增大。

3.如权利要求2所述的跨断层隧道支护结构，其特征在于，所述嵌入槽(211)的槽底面为平面。

4.如权利要求2所述的跨断层隧道支护结构，其特征在于，所述嵌入槽(211)的槽底面为锯齿面。

5.如权利要求4所述的跨断层隧道支护结构，其特征在于，所述嵌入槽(211)的槽底面的尖端朝向所述嵌入槽(211)的开口，或者，所述嵌入槽(211)的槽底面的尖端背向所述嵌入槽(211)的开口。

6.如权利要求1所述的跨断层隧道支护结构，其特征在于，所述嵌入槽(211)开口的宽度与所述第二混凝土支护层(210)的轴向长度相等。

7.如权利要求1所述的跨断层隧道支护结构，其特征在于，所述缓冲嵌入体(220)的外周面与所述第二混凝土支护层(210)的外周面平齐。

8.如权利要求1所述的跨断层隧道支护结构，其特征在于，所述嵌入槽(211)的深度小于所述第二混凝土支护层(210)的径向厚度。

9.如权利要求1所述的跨断层隧道支护结构，其特征在于，所述第二混凝土支护层(210)为纤维水泥基符合材料支护层。

10.如权利要求1所述的跨断层隧道支护结构，其特征在于，所述缓冲嵌入体(220)为橡胶构件。