一种适用于穿越活动断裂带的隧道柔性环式支撑系统

摘要

本发明公开了一种适用于穿越活动断裂带的隧道柔性环式支撑系统，其特征在于，其由外层到内层依次为围岩注浆加固层、初支层、锚网层、钢筋排、第一环形钢拱、橡胶缓震层、第二环形钢拱、支撑油缸、第三环形钢拱、橡胶颗粒填充层和预制钢管隧道；初支层在隧道断面开挖成型，完成注浆加固工序后，沿隧道围岩环形轮廓进行带肋钢筋的铺设和混凝土的喷射，等待养护结束，完成初支层的施作；锚网层将密孔钢筋网用锚杆固定于初支层上；钢筋排沿隧道轴向铺设于锚网层之上；支撑油缸包括多个，沿隧道轴向方向和径向方向呈阵列分布。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于穿越活动断裂带的隧道柔性环式支撑系统，

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

随着西部大开发建设的推进，我国有越来越多的隧道面临穿越活动断裂带的修建任务，特别是对于穿越活动断层破碎带的隧道，在强地震中受到断层破碎岩体压力和活动断层错动的作用，隧道会出现衬砌开裂、错位、甚至整体垮塌的震害现象，如1978年日本伊豆大岛7.0级地震，906m长的单线稻取隧道因穿越大峰山断层而发生严重破坏，隧道中部产生约0.5m的隆起，在断层位错处隧道横向变形受到的影响最大，最大水平位移达0.7m，混凝土衬砌剥落变形，仰拱出现严重裂缝并被掀起，钢筋被拉断。在强地震动发生时，活动断层的位错量可能由几厘米增大到数米的范围，而对于采用常规结构形式的隧道结构在断层错动过程中，将直接承受断层上下盘相对错动引起的剪切、挤压或拉扯作用，从而受到严重破坏。目前，对于高烈度地震区穿越活动断层破碎带的隧道，一般采用纵向可变结构和横向扩挖结构两种措施。

纵向可变结构主要是通过沿隧道纵向设置一定数量的柔性接头或减震缝，减小断层引起隧道纵向非均匀变形，提高隧道自适应变形能力，从而减小断层错动作用在隧道轴向剪切和挤压作用力，但在隧道设置柔性接头及减震缝处可能出现局部剪切、挤压和拉伸破坏，一方面难以保证隧道防水功能，另一方面当断层穿越大型断层破碎带时，纵向可变结构难以提供足够的隧道整体承载力。

横向扩挖结构主要通过在断层错动段隧道采用横断面扩挖，预留断层错动量，吸收断层错动位移，但断面扩挖增大了施工经济成本，同时也削弱了围岩自承载力，在活动断层剪切、挤压作用下，可能引起破碎带岩体失稳，导致隧道无法承受破碎带岩体失稳压力而产生整体坍塌及涌水等严重震害。

发明人发现目前为止，我国也有部分隧道应用了上述方法完成了穿越活动断裂带隧道的修建任务，然而这些隧道结构形式较为单一，不能有效抵抗断层错动对隧道产生的强大剪切应力和拉压应力，导致发生断层活动后，隧道发生仰拱凸起或者塌陷，二衬剥落，防水层失效等诸多问题，造成隧道不能正常运营，后期隧道维修施工体量巨大，造成重大经济损失。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术条件的缺点和不足，提供一种适用于穿越活动断裂带的隧道柔性环式支撑系统,该系统环向支撑于活动断裂带，可以有效降低断层活动对隧道造成的剪切应力、拉压应力和弯曲破坏，化整为零，在断层发生较大位移错动时仍旧可以保证隧道的正常通行。

本发明采用下述技术方案：

本发明的发明目的是提供一种适用于穿越活动断裂带的隧道柔性环式支撑系统，其由外层到内层依次为围岩注浆加固层、初支层、锚网层、钢筋排、第一环形钢拱、橡胶缓震层、第二环形钢拱、支撑油缸、第三环形钢拱、橡胶颗粒填充层和预制钢管隧道；

所述的初支层沿隧道围岩环形轮廓设置，初支层在隧道断面开挖成型，完成注浆加固工序后，沿隧道围岩环形轮廓进行带肋钢筋的铺设和混凝土的喷射，等待养护结束，完成初支层的施作；

所述的锚网层将密孔钢筋网用锚杆固定于初支层上；

所述的钢筋排沿隧道轴向铺设于锚网层之上；

所述的支撑油缸包括多个，沿隧道轴向方向和径向方向呈阵列分布；

所述的第一环形钢拱安装于钢筋排之上；

所述的第三环形钢拱内充填橡胶颗粒填充层，用于承托预制钢管隧道。

作为进一步的技术方案，所述围岩注浆加固层采用高聚物注浆材料，该材料发生反应后体积迅速膨胀并形成泡沫状固体，可以有效充填断层破碎带的裂隙和空洞，起到加固作用，并有一定隔震、减震和防渗作用。

作为进一步的技术方案，所述的初支层在喷射混凝土内应设带肋钢筋网。

作为进一步的技术方案，所述的锚网层采用密孔钢筋网，用锚杆阵列固定于初支层上。

作为进一步的技术方案，所述的钢筋排根据断层破碎带的破碎程度采用不同的铺设密度；钢筋排铺设于第一环形钢拱之下。

作为进一步的技术方案，所述的第一环形钢拱将钢筋排紧密挤压在初支层和锚网层上。

作为进一步的技术方案，所述的橡胶缓震层采用多层橡胶垫叠合的方式铺设于第一环形钢拱内径，层与层之间依靠挤压力和摩擦力固定，属于活动链接。

作为进一步的技术方案，所述的第二环形钢拱，第三环形钢拱与第一环形钢拱都采用高强度钢材，镀有一定厚度的防锈层。

作为进一步的技术方案，所述的支撑油缸的顶撑柱外圈设置有刚强度弹簧，支撑油缸底盘直径大于支撑油缸顶撑柱的直径，降低支撑油缸对第二环形钢拱产生的集中应力；支撑油缸的缸体底部与第二环形钢拱焊接，支撑油缸的顶撑柱顶部与第三环形钢拱焊接。

作为进一步的技术方案，所述的橡胶颗粒填充层填充于第三环形钢拱内圈，采用高聚物浆液粘结在一起。

作为进一步的技术方案，所述的预制钢管隧道外表面覆盖有防水层，可以防止意外情况下(注浆加固层和初支层未能阻挡的渗水)渗水对隧道运营产生的影响。

上述所述的适用于穿越活动断裂带的隧道柔性环式支撑系统的施工方法如下：

A、在将要挖到活动断裂带之前(大约30～50米)进行过渡扩挖段的建设，降低围岩的集中应力；

B、进行扩挖段的开挖，对扩挖段的断层破碎带进行高聚物注浆加固、初支建设、锚网铺设；

C、根据现场活动断裂带的历史活动强度、频繁程度和破碎程度等确定柔性环式支撑的分布密度，进行柔性环式支撑的铺设；

D、铺设预制钢管隧道，将隧道管片进行现场吊装、焊接，完成相邻柔性环式支撑之间的隧道安装；

E、重复B～D步骤，直至隧道穿越活动断裂带，然后对称的，重复A步骤，完成穿越断层隧道的建设任务。

本发明的有益效果是：

(1)本发明为隧道穿越活动断裂带这一世界性技术难题提供了一种柔性环式支撑系统解决办法。该柔性环式支撑系统具有强大的轴向、径向相对位移变形空间，化整为零，将断裂带上的大尺度的位移错动化为多个柔性环式支撑系统上的较小相对位移错动的叠加，可以抵抗较高强度的断层活动，保证隧道的正常运营。

(2)当断层活动发生后，本发明机构各部分之间协同作用，有效降低了活动断裂带的拉压应力、剪切应力、弯曲破坏对隧道造成的影响，经过简单隧道自检后即可恢复通行，有效降低了隧道在断层活动发生后的维护成本。

(3)本装置施工方法简单，效果好，长期来看建设、运营综合成本远远低于穿越活动断裂带的传统隧道。其支撑油缸系统和悬架式预制钢管隧道拥有广阔的应用空间，保证了断层活动下隧道的安全性。

(4)围岩注浆加固层采用高聚物注浆材料，该材料发生反应后体积迅速膨胀并形成泡沫状固体，可以有效充填断层破碎带的裂隙和空洞，起到加固作用，并有一定隔震、减震和防渗作用。

(4)所述的初支层在喷射混凝土内应设带肋钢筋网，有利于提高喷射混凝土的抗剪和抗弯强度，提高混凝土的抗冲切能力，抗弯曲能力，提高喷混凝土的整体性，减少喷混凝土的收缩裂纹，防止局部掉块。

(5)锚网层采用密孔钢筋网，用锚杆阵列固定于初支层上，可以拦挡小块碎石的坠落，具有一定强度和柔韧性，表面有防锈层，增加使用寿命。

(6)钢筋排根据断层破碎带的破碎程度采用不同的铺设密度，保证强度的同时可以节省材料；钢筋排铺设于第一环形钢拱之下，可以有效降低钢拱与初支层锚网层之间的集中应力。

(7)第一环形钢拱将钢筋排紧密挤压在初支层和锚网层上，有效的固定钢筋排和自身，可以保证钢筋排在大块坠石发生时仍然保持其拦挡作用。

(8)橡胶缓震层采用多层橡胶垫叠合的方式铺设于第一环形钢拱内径，层与层之间依靠挤压力和摩擦力固定，属于活动链接。当断层发生张拉剪切错动时，此橡胶缓震层允许内层与外层之间发生一定范围的轴向相对位移和径向相对位移，有效降低断层活动对隧道的影响。当有地震发生时，此橡胶缓震层可以起到一定程度的减震作用，降低地震对隧道运营的影响。

(9)第二环形钢拱，第三环形钢拱与第一环形钢拱都采用高强度钢材，镀有一定厚度的防锈层。采用多段式一次铸造成型，便于现场吊装、焊接。

(10)支撑油缸采用阵列布设，支撑油缸外圈设置有刚强度弹簧，起到减震、缓震作用；支撑油缸底盘直接明显大于支撑油缸顶撑柱，降低支撑油缸对第二环形钢拱产生的集中应力；支撑油缸上盘和底盘与第三环形钢拱、第二环形钢拱采取焊接连接，能承受较大拉压应力与剪切应力，避免钢拱之间的脱松。支撑油缸可以允许大范围的任意径向相对位移，用于补偿抵消断层大范围的相对错动。并且在错动发生后仍旧对内层的第三层环形钢拱起到有效地支撑作用，保证隧道与柔性环式支撑系统的有效连接。

(11)橡胶颗粒填充层填充于第三环形钢拱内，采用高聚物浆液粘结在一起，具有较高的强度，可以有效支撑隧道。并且具有隔震、减震、缓震作用，同时允许一定范围内的轴向相对位移和径向相对错动，有效地抵抗断层活动对隧道运营产生的不利影响。

(12)预制钢管隧道其构造与沉管隧道类似，区别在于本预制钢管隧道悬架于两相邻柔性环式支撑上，隧道悬空段下部受到较大拉应力，因此采取变截面设计，保证隧道悬空部分的安全。预制钢管隧道采用横向分片式组装焊接成型工艺，便于隧道内的运输，焊接可以有效保证钢管隧道的强度。

(13)预制钢管隧道外表面覆盖有防水层，可以防止意外情况下(注浆加固层和初支层未能阻挡的渗水)渗水对隧道运营产生的影响。

(14)柔性环式支撑(包括第一环形钢拱，橡胶缓震层，第二环形钢拱层，支撑油缸，第一环形钢拱、橡胶颗粒填充层)的布设根据现场活动断裂带的历史活动强度、频繁程度和破碎程度采取不同的分布密度，保证隧道安全的情况下，可以有效降低建设成本。柔性环式支撑每一层的厚度和用料也可以根据现场具体情况和安全目的进行相应的增加或者减少。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明装置穿越活动断裂带的横向截面图。

图2是本发明装置支撑油缸的示意图。

图3是本发明装置穿越活动断裂带的整体示意图。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。其中：1围岩注浆加固层，2初支层，3锚网层，4钢筋排，5第一环形钢拱，6橡胶缓震层，7第二环形钢拱，8支撑油缸，9第三环形钢拱，10橡胶颗粒填充层，11预制钢管隧道，12支撑油缸底盘，13支撑油缸顶撑柱，14缓震弹簧，15支撑油缸上盘，16柔性环式支撑，17断层上盘，18断层下盘，19活动断裂带，20扩挖过渡段，21扩挖段。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中存在技术问题，本发明针对隧道穿越活动断裂带这一工程技术难题，提出了一种柔性环式支撑系统，可以有效降低断层活动对隧道造成的剪切应力、拉压应力和弯曲破坏，化整为零，在断层发生较大位移错动时仍旧可以保证隧道的正常通行。

实施例1：

如图1-图3所示，一种适用于穿越活动断裂带的隧道柔性环式支撑系统，由外向内依次设置为围岩注浆加固层1、初支层2、锚网层3、钢筋排4、第一环形钢拱5、橡胶缓震层6、第二环形钢拱7、支撑油缸8、第三环形钢拱9、橡胶颗粒填充层10和预制钢管隧道11；

围岩注浆加固层1在隧道扩挖后将高聚物注浆材料注入围岩体，加固断层破碎带的围岩；所述的初支层2在隧道断面开挖成型，完成注浆加固工序后，沿隧道围岩环形轮廓进行带肋钢筋的铺设和混凝土的喷射，等待养护结束，完成初支层2的施作；所述的锚网层3将密孔钢筋网用锚杆固定于初支层2上，避免由于断层活动导致处置开裂后小块坠石的发生；所述的钢筋排4沿隧道轴向铺设于锚网层3之上，用于减少第一环形钢拱与初支层之间的集中应力，同时可以抵抗断层活动后大块坠石的发生。上述几层防护层均铺设于隧道扩挖段21全程，构成隧道防护层，对穿越断层破碎带隧道进行整体加固。

所述的橡胶缓震层6位于第一环形钢拱5和第二环形钢拱7之间，由钢拱之间强大的挤压作用固定在一起；

所述的支撑油缸8位于第二环形钢拱7和第三环形钢拱9之间，采用焊接固定，呈阵列分布；

所述的第一环形钢拱5安装于钢筋排4内侧，将钢筋排4牢牢抵靠在环壁上；所述的第三环形钢拱9内充填橡胶颗粒填充层10，具体的，橡胶颗粒采用高聚物浆液粘结在一起，起到整体加固成型作用。上述所有机构共同构成柔性环式支撑16，根据现场活动断裂带的历史活动强度、频繁程度和破碎程度等采取不同的分布密度。

所述的预制钢管隧道11架设于第三环形钢拱9内充填的橡胶颗粒填充层10上，与正常段隧道位于同一水平面上，便于搭接。

优选的，所述围岩注浆加固层1采用高聚物注浆材料，该材料发生反应后体积迅速膨胀并形成泡沫状固体，可以有效充填断层破碎带的裂隙和空洞，起到加固作用，并有一定隔震、减震和防渗作用。

优选的，所述的初支层2在喷射混凝土内应设带肋钢筋网，有利于提高喷射混凝土的抗剪和抗弯强度，提高混凝土的抗冲切能力，抗弯曲能力，提高喷混凝土的整体性，减少喷混凝土的收缩裂纹，防止局部掉块。

优选的，所述的锚网层3采用密孔钢筋网，用锚杆阵列固定于初支层上，可以拦挡小块碎石的坠落，具有一定强度和柔韧性，表面有防锈层，增加使用寿命。

优选的，所述的钢筋排4根据断层破碎带的破碎程度采用不同的铺设密度，保证强度的同时可以节省材料；钢筋排铺设于第一环形钢拱5之下，可以有效降低钢拱与初支层锚网层3之间的集中应力。

优选的，所述的第一环形钢拱5将钢筋排4紧密挤压在初支层2和锚网层3上，有效的固定钢筋排4和自身，可以保证钢筋排4在大块坠石发生时仍然保持其拦挡作用。

优选的，所述的橡胶缓震层6采用多层高强度橡胶垫叠合的方式铺设于第一环形钢拱内径，层与层之间依靠挤压力和摩擦力固定，属于活动链接。当断层发生张拉剪切错动时，此高强橡胶缓震层允许内层与外层之间发生一定范围的轴向相对位移和径向相对位移，有效降低断层活动对隧道的影响。当有地震发生时，此高强橡胶缓震层可以起到一定程度的减震作用，降低地震对隧道运营的影响。

优选的，所述的第一环形钢拱5，第二环形钢拱7与第三环形钢拱9都采用高强度钢材，镀有一定厚度的防锈层。采用多段式一次铸造成型，便于现场吊装、焊接。

优选的，所述的支撑油缸采用阵列布设，支撑油缸外圈设置有刚强度弹簧，起到减震、缓震作用；支撑油缸底盘直接明显大于支撑油缸顶撑柱，降低支撑油缸对第二环形钢拱7产生的集中应力；支撑油缸缸体底部与第二环形钢拱7采取焊接连接，支撑油缸的顶撑柱顶部与第三环形钢拱9焊接，能承受较大拉压应力与剪切应力，避免钢拱之间的脱松。支撑油缸可以允许大范围的任意径向相对位移，用于补偿抵消断层大范围的相对错动。并且在错动发生后仍旧对内层的第三环形钢拱9起到有效地支撑作用，保证隧道与柔性环式支撑系统的有效连接。

优选的，所述的橡胶颗粒填充层填充于第三环形钢拱9内，采用高聚物浆液粘结在一起，具有较高的强度，可以有效支撑隧道。并且具有隔震、减震、缓震作用，同时允许一定范围内的轴向相对位移和径向相对错动，有效地抵抗断层活动对隧道运营产生的不利影响。

优选的，所述的预制钢管隧道其构造与沉管隧道类似，区别在于本预制钢管隧道悬架于两相邻柔性环式支撑上，隧道悬空段下部受到较大拉应力，因此采取变截面设计，保证隧道悬空部分的安全。预制钢管隧道采用横向分片式组装焊接成型工艺，便于隧道内的运输，焊接可以有效保证钢管隧道的强度。

优选的，所述的预制钢管隧道外表面覆盖有防水层，可以防止意外情况下(注浆加固层和初支层未能阻挡的渗水)渗水对隧道运营产生的影响。

优选的，所述的柔性环式支撑(包括第一环形钢拱5，橡胶缓震层，第二环形钢拱7，支撑油缸，第三环形钢拱9、橡胶颗粒填充层)的布设根据现场活动断裂带的历史活动强度、频繁程度和破碎程度采取不同的分布密度，保证隧道安全的情况下，可以有效降低建设成本。柔性环式支撑每一层的厚度和用料也可以根据现场具体情况和安全目的进行相应的增加或者减少。

本发明的应用方法如下：

A、在将要挖到活动断裂带19之前(大约30～50米)进行过渡扩挖段20的建设，降低围岩的集中应力；

B、进行扩挖段21的开挖，对扩挖段21的活动断裂带19进行围岩注浆加固层1、初支层2、锚网层3、钢筋排4的全段整体施作；

C、根据现场活动断裂带19的历史活动强度、频繁程度和破碎程度等确定柔性环式支撑16的分布密度，进行柔性环式支撑16的铺设；

D、铺设预制钢管隧道11，将隧道管片进行现场吊装、焊接，完成相邻柔性环式支撑16之间的隧道架设；

E、重复B～D步骤，直至隧道穿越活动断裂带，然后对称的，重复A步骤，完成穿越断层隧道的建设任务。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)本发明为隧道穿越活动断裂带这一世界性技术难题提供了一种柔性环式支撑系统解决办法。该柔性环式支撑系统具有强大的轴向、径向相对位移变形空间，化整为零，将断裂带上的大尺度的位移错动化为多个柔性环式支撑系统上的较小相对位移错动的叠加，可以抵抗较高强度的断层活动，保证隧道的正常运营。

(2)当断层活动发生后，本发明机构各部分之间协同作用，有效降低了活动断裂带的拉压应力、剪切应力、弯曲破坏对隧道造成的影响，经过简单隧道自检后即可恢复通行，有效降低了隧道在断层活动发生后的维护成本。

(3)本装置施工方法简单，效果好，长期来看建设、运营综合成本远远低于穿越活动断裂带的传统隧道。其支撑油缸系统和悬架式预制钢管隧道拥有广阔的应用空间，保证了断层活动下隧道的安全性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。