CN213175682U - 一种跨活断层隧道的支护结构及隧道衬砌结构 - Google Patents

Abstract

一种跨活断层隧道的支护结构及隧道衬砌结构，涉及隧道工程技术领域，包括第一支护和第二支护，第一支护包括沿隧道纵向设置的第一管道以及套设于第一管道外的第二管道，第一管道与第二管道之间填充有混凝土，第二支护包括沿隧道径向呈放射状设置的多个第一锚杆，第一锚杆的一端与第二管道固定连接、另一端伸向外部围岩，沿隧道径向第二管道与隧道的开挖轮廓线之间预设有空腔。该跨活断层隧道的支护结构及隧道衬砌结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

Description

一种跨活断层隧道的支护结构及隧道衬砌结构

技术领域

本实用新型涉及隧道工程技术领域，具体而言，涉及一种跨活断层隧道的支护结构及隧道衬砌结构。

背景技术

我国处于亚欧板块、印度洋板块与环太平洋板块之间，受板块运动影响，广泛分布着各种规模的活断层。随着经济与科技的快速发展，我国大力修建隧道，遇到活断层地段时，以避让为主，但受到选线制约，大量隧道仍不可避免的须穿越活断层。沿断层面两侧岩体连续缓慢地滑动称为断层蠕滑，沿断层面两侧岩体突然产生地滑动称为断层黏滑，断层蠕滑相较断层黏滑而言，不直接产生地震，但其持续滑动引发的永久位移难以抵抗，随着错动距离的逐渐加大，隧道衬砌产生裂隙并不断扩展，最后发生剪切破坏，对隧道造成大面积破坏，损害隧道结构且难以修复，危害交通安全与人民生命安全。如何有效防控断层蠕滑对隧道的危害是亟需解决的难题之一。

针对穿越蠕滑错动断层的隧道工程，目前主要采用三种措施。一是采用柔性连接段，即将隧道划分为数个节段，每段隧道间用短距离刚度小的过渡段连接，使隧道成为一种“链式连接”，在小位移情况下可以适应断层蠕滑，大位移情况下将破坏引至柔性连接处；一种是采用扩挖设计或减震层设计，即在隧道初衬与二衬之间预留位移空间或缓冲空间；还有一种是局部加固，通过增大隧道所需段强度和刚度来抵抗破坏和变形。这些方法具有一定的局限性，不能有效地避免隧道整体遭到破坏。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种跨活断层隧道的支护结构及隧道衬砌结构，具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例的一方面，提供一种跨活断层隧道的支护结构，包括第一支护和第二支护，所述第一支护包括沿隧道纵向设置的第一管道以及套设于所述第一管道外的第二管道，所述第一管道与所述第二管道之间填充有混凝土，所述第二支护包括沿隧道径向呈放射状设置的多个第一锚杆，所述第一锚杆的一端与所述第二管道固定连接、另一端伸向外部围岩，沿隧道径向所述第二管道与隧道的开挖轮廓线之间预设有空腔。该跨活断层隧道的支护结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

可选地，在本实用新型较佳的实施例中，所述第一锚杆包括负泊松比锚杆和/或注浆让压锚杆。

可选地，在本实用新型较佳的实施例中，所述空腔内填充有柔性材料。

可选地，在本实用新型较佳的实施例中，所述柔性材料为泡沫混凝土。

可选地，在本实用新型较佳的实施例中，还包括第三支护，所述第三支护包括沿隧道径向呈放射状设置的多个第二锚杆，所述第二锚杆与所述第一锚杆呈交错排布，所述第二锚杆的一端固定于所述隧道的开挖轮廓线、另一端伸向所述外部围岩。

可选地，在本实用新型较佳的实施例中，所述第二锚杆的延伸方向垂直于所述隧道的开挖轮廓线。

可选地，在本实用新型较佳的实施例中，所述第二锚杆为负泊松比锚杆。

可选地，在本实用新型较佳的实施例中，所述第一管道和所述第二管道的材质均为钢铁。

可选地，在本实用新型较佳的实施例中，所述第一支护沿隧道纵向设置有多个检修通道，所述检修通道沿隧道径向依次贯穿所述第一管道、所述混凝土和所述第二管道。

本实用新型实施例的另一方面，提供一种隧道衬砌结构，包括上述的跨活断层隧道的支护结构。该跨活断层隧道的支护结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

本实用新型实施例的有益效果包括：

该跨活断层隧道的支护结构包括第一支护和第二支护，第一支护包括沿隧道纵向设置的第一管道以及套设于第一管道外的第二管道，第一管道与第二管道之间填充有混凝土，以通过混凝土使得第一管道和第二管道形成稳定坚固的支护结构，从而提高隧道整体的抗压能力、抗弯能力、抗震性和抗渗性。第二支护包括沿隧道径向呈放射状设置的多个第一锚杆，第一锚杆的一端与第二管道固定连接、另一端伸向外部围岩，以通过第一支护和第二支护相互配合共同起到悬吊固定隧道整体的作用。沿隧道径向第二管道与隧道的开挖轮廓线之间预设有空腔，以通过空腔为断层蠕滑错动情况下的隧道整体与外部围岩之间预留相对位移的移动空间，从而保障无论外部围岩如何发生缓慢移动，隧道整体的位置、受力、形态都能够基本保持不变，进而使得该跨活断层隧道的支护结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的支护结构的结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的支护结构的结构示意图之二；

图3为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的支护结构的结构示意图之三；

图4为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的支护结构的结构示意图之四；

图5为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的支护结构的结构示意图之五。

图标：10-第一支护；11-第一管道；12-第二管道；13-混凝土；20-第二支护；21-第一锚杆；30-第三支护；31-第二锚杆；40-空腔；50-检修通道；200-隧道内部；210-开挖轮廓线；300-外部围岩；x-错动方向；a-较小位移区；b-中位移区；c-较大位移区。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请结合参照图1至图4，本实施例提供一种跨活断层隧道的支护结构，包括第一支护10和第二支护20，第一支护10包括沿隧道纵向设置的第一管道11以及套设于第一管道11外的第二管道12，第一管道11与第二管道12之间填充有混凝土13，第二支护20包括沿隧道径向呈放射状设置的多个第一锚杆21，第一锚杆21的一端与第二管道12固定连接、另一端伸向外部围岩300，沿隧道径向第二管道12与隧道的开挖轮廓线210之间预设有空腔40。该跨活断层隧道的支护结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

需要说明的是，第一，如图1至图4所示，第一支护10包括第一管道11和第二管道12，第一管道11和第二管道12均沿隧道纵向设置，且第二管道12套设于第一管道11外。其中，第一管道11的内壁面沿隧道净空设置，换句话说，第一管道11内部即为隧道内部200，第一管道11的外壁面与第二管道12的内壁面之间填充有混凝土13，以通过混凝土13使得第一管道11和第二管道12形成稳定坚固的支护结构，从而提高隧道整体的抗压能力、抗弯能力、抗震性和抗渗性，提高隧道整体在外部围岩300发生小规模垮塌时的承受能力。

第二，如图1和图2所示，第二支护20包括多个第一锚杆21，多个第一锚杆21均沿隧道径向设置，且多个第一锚杆21呈放射状排布，第一锚杆21的一端与第二管道12的外壁面固定连接、另一端伸向外部围岩300，以通过第一支护10和第二支护20相互配合共同起到悬吊固定隧道整体的作用。

实际施工过程中，本领域技术人员应当能够根据断层蠕滑方向判断第一锚杆21处于受拉状态还是处于受压状态，若是第一锚杆21处于受拉状态，则选用抗拉能力强的锚杆，若是第一锚杆21处于受压状态，则选用让压锚杆。另外，根据围岩应力与围岩变形关系选择第一锚杆21的杆体强度、间排距等基本参数。当断层蠕滑错动时，通过第一锚杆21的自动伸缩，以控制隧道整体的位置、受力、形态基本保持不变，从而达到一种隧道整体与外部围岩300自适应的效果，进而确保隧道整体的稳定性。

值得注意的是，如图1所示，第一锚杆21的延伸方向可以垂直于第二管道12的外壁面，或者，如图2所示，第一锚杆21的延伸方向还可以根据断层错动的方向与速率，判断第一锚杆21的受力特征，第一锚杆21打入外部围岩300的角度不通过隧道的圆心，换句话说，第一锚杆21的延伸方向还可以不垂直于第二管道12的外壁面，仅根据第一锚杆21的最佳受力角度选定。

第三，如图1至图4所示，沿隧道径向，第二管道12的外壁面与隧道的开挖轮廓线210之间预设有空腔40，以通过空腔40为断层蠕滑错动情况下的隧道整体与外部围岩300之间预留相对位移的移动空间，从而保障无论外部围岩300如何发生缓慢移动(图3中外部围岩300的错动方向x为水平向左)，隧道整体的位置、受力、形态都能够基本保持不变，减少隧道整体受到的影响，进而使得该跨活断层隧道的支护结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

值得注意的是，如图3所示，沿隧道径向，空腔40的半径可以根据断层蠕滑方向、速率、设计检修年限进行合理的选择和设计，这里不做具体限制。另外，如图4所示，沿隧道轴向，空腔40的半径可以根据活断层的位移模式分段确定，即根据活断层的位移模式将岩体进行分区，分为较小位移区a、中位移区b、较大位移区c，然后再分段确定扩挖的空腔40的半径，通过采用渐进开挖的方式以控制经济成本。

如上所述，该跨活断层隧道的支护结构包括第一支护10和第二支护20，第一支护10包括沿隧道纵向设置的第一管道11以及套设于第一管道11外的第二管道12，第一管道11与第二管道12之间填充有混凝土13，以通过混凝土13使得第一管道11和第二管道12形成稳定坚固的支护结构，从而提高隧道整体的抗压能力、抗弯能力、抗震性和抗渗性。第二支护20包括沿隧道径向呈放射状设置的多个第一锚杆21，第一锚杆21的一端与第二管道12固定连接、另一端伸向外部围岩300，以通过第一支护10和第二支护20相互配合共同起到悬吊固定隧道整体的作用。沿隧道径向第二管道12与隧道的开挖轮廓线210之间预设有空腔40，以通过空腔40为断层蠕滑错动情况下的隧道整体与外部围岩300之间预留相对位移的移动空间，从而保障无论外部围岩300如何发生缓慢移动，隧道整体的位置、受力、形态都能够基本保持不变，进而使得该跨活断层隧道的支护结构具有良好地抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

在本实施例中，第一锚杆21包括负泊松比锚杆和/或注浆让压锚杆。结合前述内容可知，若是第一锚杆21处于受拉状态，则选用抗拉能力强的锚杆，示例地，第一锚杆21选用负泊松比锚杆；若是第一锚杆21处于受压状态，则选用让压锚杆，示例地，第一锚杆21选用注浆让压锚杆。

需要说明的是，第一，负泊松比(Negative Poisson’s Ratio，NPR)锚杆受到单轴拉伸时会发生侧向膨胀，当外荷载超过设计恒阻力时，恒阻体沿着恒阻套管内壁(螺纹状)产生摩擦滑移来抵御围岩大变形对锚杆产生的破断效应，因此，与一般锚杆相比，负泊松比锚杆的抗剪切、抗冲击以及吸收能量方面都具有更加优异的性能。

第二，注浆让压锚杆包括：锚固头部件、锚杆体、垫板、堵头、让压套管、球形螺母、挤进块和六角头螺母等，通过挤进块在让压套管内不同位置产生的摩擦力的不同，对围岩产生不同的支护力，整个过程既释放了围岩应力，又起到了支护效果，让围岩产生缓慢的变形，变形量在受控范围内。

在本实施例中，空腔40内填充有柔性材料(图中未示出)。示例地，柔性材料为泡沫混凝土，以通过泡沫混凝土具有高压缩比的特点，在预留移动空间的同时吸收能量。

需要说明的是，泡沫混凝土，又称气泡混凝土，是通过气泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。泡沫混凝土是一种轻质、保温、隔热耐火、隔音和抗冻的混凝土材料，料浆可以自流平、自密实，施工和易性好，便于泵送及整平，与所有其它建材几乎都有较好的相容性，且强度可调整。

请再结合参照图5，在本实施例中，该跨活断层隧道的支护结构还包括第三支护30，所述第三支护30包括沿隧道径向呈放射状设置的多个第二锚杆31，所述第二锚杆31与所述第一锚杆21呈交错排布，所述第二锚杆31的一端固定于所述隧道的开挖轮廓线210、另一端伸向所述外部围岩300。

需要说明的是，如图5所示，该跨活断层隧道的支护结构还包括第三支护30，第三支护30包括多个第二锚杆31，多个第二锚杆31均沿隧道径向设置，且多个第二锚杆31呈放射状排布，第二锚杆31与第一锚杆21呈交错排布，以避免第二锚杆31与第一锚杆21之间发生干涉，第二锚杆31的一端固定于隧道的开挖轮廓线210、另一端伸向外部围岩300。

实际施工过程中，施工工人先测放第二锚杆31位置，随后在隧道的开挖轮廓线210上钻孔，再将第二锚杆31沿垂直隧道的开挖轮廓线210的方向打入外部围岩300内部，然后注浆封口。第三支护30能够与地应力相适应，在确保外部围岩300不被破坏的前提情况下允许一定变形，从而提高隧道开挖及运营时外部围岩300的自稳性和安全性，避免外部围岩300发生较大规模的垮塌。

综上所述，该跨活断层隧道的支护结构将隧道视为一个整体，通过第一管道11、混凝土13和第二管道12形成的第一支护10提高隧道整体的刚度，再通过多个第一锚杆21形成的第二支护20连接隧道整体与外部围岩300，使得隧道整体保持一种稳定受力的状态，通过在隧道整体与外部围岩300之间预留空腔40，保障隧道整体的位置、受力、形态基本保持不变，还通过多个第二锚杆31形成的第三支护30加固外部围岩300，使得外部围岩300在断层蠕滑作用下安全稳定，从而将隧道和围岩视为一个更大的整体，提高其抵抗断层蠕滑错动破坏的能力，能够有效地避免断层蠕滑对隧道整体造成的破坏。

如图5所示，在本实施例中，第二锚杆31的延伸方向垂直于隧道的开挖轮廓线210。示例地，在本实施例中，第二锚杆31为负泊松比锚杆。

为了进一步增强第一支护10的坚固程度，在本实施例中，第一管道11和第二管道12的材质均为钢铁，以使第一管道11、混凝土13和第二管道12能够形成刚度非常大的第一支护10，以在断层蠕滑错动的情况下保障隧道结构的完整性。

如图4所示，在本实施例中，第一支护10上设置有多个检修通道50，多个检修通道50均沿隧道纵向设置，任一检修通道50沿隧道径向依次贯穿第一管道11、混凝土13和第二管道12，以通过预留检修通道50方便支护结构的定期检查和维修。

本申请还提供一种隧道衬砌结构。本实施例提供的隧道衬砌结构包括上述的跨活断层隧道的支护结构。由于跨活断层隧道的支护结构的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种跨活断层隧道的支护结构，其特征在于，包括第一支护和第二支护，所述第一支护包括沿隧道纵向设置的第一管道以及套设于所述第一管道外的第二管道，所述第一管道与所述第二管道之间填充有混凝土，所述第二支护包括沿隧道径向呈放射状设置的多个第一锚杆，所述第一锚杆的一端与所述第二管道固定连接、另一端伸向外部围岩，沿隧道径向所述第二管道与隧道的开挖轮廓线之间预设有空腔。

2.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的支护结构，其特征在于，所述第一锚杆包括负泊松比锚杆和/或注浆让压锚杆。

3.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的支护结构，其特征在于，所述空腔内填充有柔性材料。

4.根据权利要求3所述的跨活断层隧道的支护结构，其特征在于，所述柔性材料为泡沫混凝土。

5.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的支护结构，其特征在于，还包括第三支护，所述第三支护包括沿隧道径向呈放射状设置的多个第二锚杆，所述第二锚杆与所述第一锚杆呈交错排布，所述第二锚杆的一端固定于所述隧道的开挖轮廓线、另一端伸向所述外部围岩。

6.根据权利要求5所述的跨活断层隧道的支护结构，其特征在于，所述第二锚杆的延伸方向垂直于所述隧道的开挖轮廓线。

7.根据权利要求5所述的跨活断层隧道的支护结构，其特征在于，所述第二锚杆为负泊松比锚杆。

8.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的支护结构，其特征在于，所述第一管道和所述第二管道的材质均为钢铁。

9.根据权利要求1所述的跨活断层隧道的支护结构，其特征在于，所述第一支护沿隧道纵向设置有多个检修通道，所述检修通道沿隧道径向依次贯穿所述第一管道、所述混凝土和所述第二管道。

10.一种隧道衬砌结构，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的跨活断层隧道的支护结构。

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