强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置及隧道衬砌结构

摘要

本发明提供了一种强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置及隧道衬砌结构，涉及交通基础建设领域。提供的高烈度地震区跨断层隧道的柔性伸缩接头装置能够在静载条件下保持结构的安全和稳定；在断层错动和强地震动下变为一个可变结构实现在隧道横向、纵向、和环向上的变形。从而使隧道结构在自由度上能追随地震动位移，减小强制错动位移和地震动位移对衬砌结构的影响。隧道结构本身的刚度并没有削弱，减轻了衬砌结构与柔性接头刚度不匹配导致的震害，起到了安全保障作用。隧道衬砌结构在断层强制错动或强地震动作用下能保证正常使用功能，对破坏的柔性伸缩装置组件能做到快速更换迅速恢复，保证生命通道的畅通。

说明书

技术领域

本发明涉及交通基础建设领域，具体而言，涉及一种强震区跨断 层隧道衬砌柔性伸缩接头装置及隧道衬砌结构。

背景技术

隧道工程通常被认为是抗震性能优越的工程建筑，但在强震条件 下，隧道震害调查表明跨断层段隧道结构震害明显。当隧道与地下结 构穿越断层破碎带地段时，受断层的影响使隧道的线性构造发生剪切 变形而破坏。地震发生时，断层在隧道结构所在位置的位错量一般由 几厘米至几十米不等，穿越断层破碎带的地下结构体在断层错动过程 中，将因直接承受围岩破裂时强大的挤压或拉扯，而产生无法避免的 破坏。

基础建设高潮方兴未艾，穿越活动断层区域隧道结构设计方法是 高烈度地震区隧道工程建设的一个国内外都难以回避的重要问题。比 如，而正处于勘查设计阶段的川藏铁路总长1629公里，桥隧也高达 42.5％。仅川藏铁路就将穿越包括鲜水河断裂、甘孜—玉树断裂、理 塘断裂、巴塘断裂、玉龙希断裂、八宿断裂、嘉黎断裂、米林－鲁朗 断裂等多条活动断裂或断裂带。中国交建承建的肯尼亚内马铁路横跨 著名的东非大裂谷东支，东非大裂谷是世界陆地上最大的断裂带。沿 裂谷走向发育着大量的正断层，断层发育长，宽度大，间距密，较活 跃，设计的多条隧道跨活动断层位错量达到0.9m以上。

在现有的穿越活动断层隧道工程的建设中，为了减少断层活动对 隧道结构的影响，在活动断层区域主要采用横断面扩挖和可变结构设 计等工程措施。其中，横断面扩挖主要为断层的错动预留空间，以保 证隧道断面的净空与界限要求，属于被动设计，扩挖范围和面积与横 断面尺寸和断层预测错动量有关；而可变结构等特殊结构设计则属于 一种主动措施。

2002年土耳其博卢公路隧道与Bakacak活动断层附近 采用了衬砌分为多个节段并用刚度相对较小的柔性连接的抗断防护 设计。2005年伊朗Koohrang-III输水隧道在穿越活动断层破碎带时 也采用了柔性接头的设计。设置柔性接头的方法是尽量减小隧道节段 长度，使断层破碎带及其两侧一定范围内的节段保持相对独立。在断 层错动时，破坏集中在连接部位或隧道结构的局部，而不会导致整体 性破坏。一方面可使隧道结构适应断层产生的地震变形；另一方面可 使地震破坏局部化。

纵观国内外强震区越穿越不良地质段的隧道工程，抗减震的设计 经验可归纳为横向"扩挖"和纵向"铰接"两大类。当隧道穿越较大错动 量的断层时，单独采用横断面扩挖的方式必将导致隧道开挖面过大、 増加了结构形状的突变不利于衬砌结构安全。可变结构是一种能够灵 活适应各类活动断层，且能够有效控制项目造价的工程措施，但现有 的设计停留在“铰接”设计的理念上，需要确定铰接型式并保证相当 的静力承载能力；部分应用的套筒设计又脱离了“柔性”设计的思路。 因此，改变传统隧道结构的设计形式，增强结构整体抗震性能创新柔 性接头结构形式是穿越活动断层隧道进行抗减震的关键。

现有的跨越活动断层隧道柔性接头设计关键在于“柔”上，现阶 段基本都是采取比衬砌结构刚度小的结构设计，铰接接头(套筒)设 计还没有实际应用和可靠的相关成果。但“柔”性设计的本质不是在 于刚度减小的“刚度柔性设计”，而是在于”位移柔性设计”，也即： 接头在断层错动时、强地震动时能产生追随围岩的地动位移，也就是 说柔性接头在断层错动下能主动产生一定的位移量来抵消断层错动 造成的结构影响；在强地震动作用下接头变形能有效消减隧道结构拉 压、剪切、弯曲和扭转的影响。工程实践和理论分析都表面只减少接 头刚度的柔性设计并不能带来较好的抗减震效果，甚至由于刚度减小 造成接头及连接段更大的震害和静载的不安全性。基于新的“位移柔 性设计”理念提出本发明的柔性接头设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接 头装置，此柔性接头结构能够在静载条件下保持结构的安全和稳定； 在断层错动和强地震动下变为一个可变结构实现在隧道横向、纵向、 和环向上的变形。从而使隧道结构在自由度上能追随地震动位移，减 小强制错动位移和地震动位移对衬砌结构的影响。结构本身的刚度并 没有削弱，减轻了衬砌结构与柔性接头刚度不匹配导致的震害，起到 了安全保障作用。结构在断层强制错动或强地震动作用下能保证正常 使用功能，对破坏组件能做到快速更换迅速恢复，保证生命通道的畅 通。

本发明的另一目的是提供一种隧道衬砌结构，包括上述的柔性接 头结构。此隧道安全可靠，实用性强。

本发明是这样实现的：

一种强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置，包括：

第一组件，第一组件包括多个沿隧道纵向方向间隔设置的纵向连 接件以及多个沿隧道横向方向间隔设置的横向连接件，纵向连接件与 横向连接件交错设置形成具有多个网格的网状结构体系，纵向连接件 与横向连接件均包括多个依次连接的第一连接件，每个第一连接件均 具有沿其长度方向设置的滑槽；

第二组件，第二组件包括多个间隔设置的对角连接件，且对角连 接件包括多个依次连接的第二连接件，每个第二连接件均设置于对应 的网格的对角线上，第二连接件被配置为在静载条件或微错动条件下 保持结构自稳，在断层错动或强震作用下被破坏失效；

连接组件，连接组件包括多个第三连接件，第三连接件用于连接 连接网的对应位置的第一连接件与第二连接件，网状结构体系在静载 条件或微错动条件下保持结构自稳，且当网状结构体系处于断层错动 或强震作用下时，第二连接件失效，第三连接件沿滑槽运动。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，第一连接件包括第一连接 本体，滑槽沿第一连接本体的长度方向设置，且第一连接本体具有间 隔设置的第一限位端与第二限位端，滑槽设置于第一限位端与第二限 位端之间。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，沿隧道横向设置的第一连 接件呈弧形。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，弧形的第一连接件采用冲 压成型或焊接成型。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，第二连接件包括第二连接 本体，第二连接本体开设有沿其长度方向间隔设置的第一安装孔与第 二安装孔，第一安装孔与第二安装孔均用于与对应位置的第三连接件 配合。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，第三连接件为高强钢螺栓， 第三连接件包括螺杆与螺帽，螺杆的一端穿过第一连接件的滑槽中间 位置，且用于与锚杆端头进行焊接连接或通过钻孔端头锚固于围岩 中，另一端通过螺帽锁紧，当网状结构体系处于断层错动或强震作用 下时，第二连接件的第一安装孔以及第二安装孔失效，第三连接件沿 滑槽运动。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，高强钢螺栓的螺杆具有多 个间隔设置的限位槽，限位槽与第一连接件的滑槽滑动配合。

一种隧道衬砌结构，包括上述的跨活动断层隧道的柔性接头结构 以及从外至内依次设置的围岩、衬期支护层、喷膜防水层以及二次衬 砌层，跨活动断层隧道的柔性接头结构设置于二次衬砌层内，接头长 度为3～4m。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，跨活动断层隧道的柔性接 头结构的第一连接件的端头与二次衬砌层的主筋连接。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，跨活动断层隧道的柔性接 头结构的第三连接件与多个间隔设置于隧道的锚杆的端部连接或者 是通过钻孔端头锚固于围岩。

上述方案的有益效果：

本发明提供了一种强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置及 隧道。提供的强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置包括第一组 件、第二组件以及连接组件。通过第一组件、第二组件以及连接组件 形成的网状结构体系在静载条件或微错动条件下保持结构自稳，且当 网状结构体系处于断层错动或强震作用下时，第二组件的第二连接件 失效，连接组件的第三连接件沿第一组件的滑槽运动。此柔性接头结 构能够在静载条件下保持结构的安全和稳定；在断层错动和强地震动 下变为一个可变结构实现在隧道横向、纵向、和环向上的变形。从而 使隧道结构在自由度上能追随地震动位移，减小强制错动位移和地震动位移对衬砌结构的影响。结构本身的刚度并没有削弱，减轻了衬砌 结构与柔性接头刚度不匹配导致的震害，起到了安全保障作用。结构 在断层强制错动或强地震动作用下能保证正常使用功能，对破坏组件 能做到快速更换迅速恢复，保证生命通道的畅通。

同时，本柔性接头针对山岭隧道跨活动断层较大错动位移时使 用，能有效的通过结构自身结构体系形式而不是降低接头刚度产生较 大变形位移。接头结构本身的变形能力可抵抗活动断层位错的影响， 降低对衬砌结构的影响和破坏力。所有组成该接头的组件都是易于取 得、加工并且易于更换的材料。该接头设计能确保静载作用下接头处 的安全和稳定，保证在动载作用下接头处不产生大规模的坍塌，能在 尽可能最短的时间内更换相关组件回复交通生命线。该接头的安装大 部分采用焊接形式，少部分采用锚固，施工操作简单易行，对其他施 工工程基本没有扰动。

提供的隧道衬砌结构，包括上述的柔性接头结构。此隧道安全可 靠，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发 明的某些实施例，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为本发明的实施例提供的强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩 接头装置的平面布置图；

图2为本发明的实施例提供的强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩 接头装置的三维组装图；

图3为本发明的实施例提供的第一连接件的第一视角的结构示 意图；

图4为本发明的实施例提供的第一连接件的第二视角的结构示 意图；

图5为本发明的实施例提供的第二连接件的结构示意图；

图6为本发明的实施例提供的第三连接件的结构示意图；

图7为本发明的实施例提供的隧道中的接头纵向布置示意图；

图8为本发明的实施例提供的隧道中的第三连接件与锚杆连接 的半剖示意图；

图9为图8中局部Ⅷ的放大示意图。

图标：100-强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置；200-隧道 衬砌结构；101-第一组件；103-纵向连接件；105-横向连接件；107- 第一连接件；109-网格；111-网状结构体系；113-第二组件；115-对 角连接件；117-第二连接件；119-连接组件；121-第三连接件；123- 第一连接本体；125-滑槽；127-第一限位端；129-第二限位端；131- 第二连接本体；135-第一安装孔；137-第二安装孔；139-螺杆；141- 螺帽；143-限位槽；145-围岩；147-衬期支护层；149-喷膜防水层； 151-二次衬砌层；153-锚杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件 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 本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围， 而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

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。

在本发明实施例的描述中，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，或者是该发明产品使用时 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、以特定的 方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。

在本发明实施例的描述中，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连通。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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第 二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第 一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方 和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在 第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下 方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参阅图1至图6，本实施例提供了一种强震区跨断层隧道衬砌柔 性伸缩接头装置100，包括：第一组件101、第二组件113以及连接 组件119。

请参阅图1至图4，第一组件101包括多个沿隧道的纵向方向间 隔设置的纵向连接件103以及多个沿隧道的横向方向间隔设置的横 向连接件105，纵向连接件103与横向连接件105交错设置形成具有 多个网格109的网状结构体系111，纵向连接件103与横向连接件105 均包括多个依次连接的第一连接件107，每个第一连接件107均具有 沿其长度方向设置的滑槽125。第一组件101通过横向连接件105与 纵向连接件103的配合可以形成强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接 头装置100的骨架，使得其他部件的安装与运行得到保证。

详细地，第一连接件107包括第一连接本体123，滑槽125沿第 一连接本体123的长度方向设置，且第一连接本体123具有间隔设置 的第一限位端127与第二限位端129，滑槽125设置于第一限位端127 与第二限位端129之间。滑槽125在于提供结构所需的自由位移以期 最大限度提供断层错动所需的适应位移减少结构与围岩145地震动 不一致带来的破坏，同时也为了形成一个稳定的结构体系。滑槽125 可以使得其他部件在之间自由位移，实现柔性接头的位移柔性设计目 的。最大位移量可根据滑槽125的长度基本件的连接形式来确定。第 一限位端127与第二限位端129可以限制移动件的最大位移，并保证 移动件的结构稳定性。同时，第一限位端127与第二限位端129还可 以用于与其他组件进行焊接连接或者是利用其末端与隧道的衬砌结 构焊接。

作为优选的方案，沿隧道的横向设置的第一连接件107呈弧形。 并且，所有尺寸和曲率均根据实际工程中隧道的衬砌断面形式来定， 本发明的实施例不做限定。

作为优选的方案，弧形的第一连接件107采用冲压成型或焊接成 型。例如，第一连接件107可以采用镀锌后钢板经过弯曲和冲压成型， 也可以采用钢条焊接成型。当然，在本发明的其他实施例中，第一连 接件107的成型方式还可以根据需求进行选择与确定，本发明不做限 定。

请参阅图1、图2与图5，第二组件113包括多个间隔设置的对 角连接件115，且对角连接件115包括多个依次连接的第二连接件 117，每个第二连接件117均设置于对应的网格109的对角线上，第 二连接件117被配置为在静载条件或微错动条件下保持结构自稳，在断层错动或强震作用下被破坏失效。

详细地，第二连接件117包括第二连接本体131，第二连接本体 131开设有沿其长度方向间隔设置的第一安装孔135与第二安装孔 137，第一安装孔135与第二安装孔137均用于与对应位置的第三连 接件121配合。第二连接件117可以通过橡胶板加工而成。当然，在 本发明的其他实施例中，第二连接件117的材料还可以根据需求进行 选择，本发明不做限定。

请参阅图1、图2与图6，连接组件119包括多个第三连接件121， 第三连接件121用于连接连接网的对角设置的第一连接件107与第二 连接件117，网状结构体系111在静载条件或微错动条件下保持结构 自稳，且当网状结构体系111处于断层错动或强震作用下时，第二连 接件117失效，第三连接件121沿滑槽125运动。

详细地，第三连接件121为高强钢螺栓，第三连接件121包括螺 杆139与螺帽141，螺杆139的一端穿过第一连接件107的滑槽125 中间位置，且用于与锚杆153端头进行焊接连接或通过钻孔端头锚固 于围岩145中，另一端通过螺帽141锁紧，当网状结构体系111处于 断层错动或强震作用下时，第二连接件117的第一安装孔135以及第 二安装孔137失效，第三连接件121沿滑槽125运动。

其中，高强钢螺栓的螺杆139具有多个间隔设置的限位槽143， 限位槽143与第一连接件107的滑槽125滑动配合。限位槽143的开 口的高度略大于第一连接件107的厚度。将第一连接件107强制安装 于第三连接件121靠近螺帽141侧的开口位置，第二连接件117安装 于第一连接件107的上方与下方均可以，本发明不做限定。通过该设 计解决了跨活动断层不论正、逆断层还是走滑断层均可实现柔性接头 位移抵抗。

参阅图7至图9，本发明的实施例还提供了一种隧道衬砌结构 200，包括上述的强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置100以及 从外至内依次设置的围岩145、衬期支护层147、喷膜防水层149以 及二次衬砌层151，强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置100设 置于二次衬砌层151内，接头长度为3～4m。当然，在本发明的其他 实施例中，接头的长度还可以根据需求进行选择，并不仅限于3～4m， 本发明不做限定。

作为优选的方案，强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置100 的第一连接件107的端头与二次衬砌层151的主筋连接。

作为优选的方案，参阅图8与图9，强震区跨断层隧道衬砌柔性 伸缩接头装置100的第三连接件121与多个间隔设置于隧道的衬砌的 锚杆153的端部连接或者是通过钻孔端头锚固于围岩145。

本发明的实施例提供的强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装 置100及隧道的工作原理及有益效果为：

提供的强震区跨断层隧道衬砌柔性伸缩接头装置100包括第一 组件101、第二组件113以及连接组件119。通过第一组件101、第 二组件113以及连接组件119形成的网状结构体系111在静载条件或 微错动条件下保持结构自稳，且当网状结构体系111处于断层错动或 强震作用下时，第二组件113的第二连接件117失效，连接组件119 的第三连接件121沿第一组件101的滑槽125运动。此柔性接头结构 能够在静载条件下保持结构的安全和稳定；在断层错动和强地震动下 变为一个可变结构实现在隧道的横向、纵向、和环向上的变形。从而 使隧道的柔性结构在自由度上能追随地震动位移，减小强制错动位移 和地震动位移对衬砌结构的影响。结构本身的刚度并没有削弱，减轻 了衬砌结构与柔性接头刚度不匹配导致的震害，起到了安全保障作 用。结构在断层强制错动或强地震动作用下能保证正常使用功能，对 破坏组件能做到快速更换迅速恢复，保证生命通道的畅通。

同时，本柔性接头针对山岭隧道的跨活动断层较大错动位移时使 用，能有效的通过结构自身结构体系形式而不是降低接头刚度产生较 大变形位移。接头结构本身的变形能力可抵抗活动断层位错的影响， 降低对衬砌结构的影响和破坏力。所有组成该接头的组件都是易于取 得、加工并且易于更换的材料。该接头设计能确保静载作用下接头处 的安全和稳定，保证在动载作用下接头处不产生大规模的坍塌，能在 尽可能最短的时间内更换相关组件回复交通生命线。该接头的安装大 部分采用焊接形式，少部分采用锚固，施工操作简单易行，对其他施 工工程基本没有扰动。

提供的隧道衬砌结构200，包括上述的柔性接头结构。此隧道安 全可靠，实用性强。

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