强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构及隧道

摘要

本发明涉及一种强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构及隧道，涉及交通基础建设领域。此结构包括初期支护层、喷膜防水层以及装配式钢管混凝土衬砌层及柔性接头；装配式钢管混凝土衬砌层具有多个钢管混凝土衬砌节段，每个节段均具有从外到内设置的第一钢管片、第二钢管片以及第三钢管片，第一与第二钢管片之间设置有第一衬砌层，第二与第三钢管片之间设置有第二衬砌层；第一衬砌层包括多个间隔设置的中空钢管以及用于填充间隙的轻质泡沫混凝土，第二衬砌层包括高压缩性混凝土；衬砌节段之间用钢板弹簧式柔性接头连接。能保证在错动和强震下结构稳定，具备快速安装和可更换、快速修复功能；结构充分考量了刚度匹配原则，多重措施联合“引震”。

说明书

技术领域

本发明涉及交通基础建设领域，具体而言，涉及一种强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构及隧道。

背景技术

隧道工程通常被认为是抗震性能优越的工程结构，但从世界范围的工程结构物震害情况来看，在强震条件下，隧道工程震害依然较为明显。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、结构适应性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，正处于勘查设计阶段的川藏铁路总长1629公里，桥隧比高达42.5％，仅川藏铁路就将穿越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，而东非大裂谷是世界陆地上最大的活动断裂带；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都达到0.9m以上。

纵观国内外通过活动断层的隧道工程设计经验，及隧道工程抗断措施设计可以归纳为超挖设计、“铰接”设计及隔离消耗能设计三大类。然而，现有的设计理念和抗减震措施下都有一定的缺陷，综合各种设施和理念下设计施工的隧道仍在强震下产生较大的震害。

发明内容

本发明基于围岩抗震、隧道结构减震、多重措施引震的综合设计理念，提升现有设计理念；从被动防御到主动减弱，再到引导破坏达到结构可控。目的在于提供一种强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构，此强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构能够能有效减少甚至消除围岩注浆加固层和衬砌结构在强震动下的位移差；钢板弹簧式柔性接头设计基于通过外力作用改变钢板疏密度来实现匹配断层错动位移和地震动位移差；所设计结构能保证在错动和强震下的稳定性，同时具备快速安装和可更换、快速修复的功能；结构充分考量了刚度匹配的原则，多重措施联合引震。本发明的另一目的在于提供一种隧道结构，包括上述的强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构，此隧道结构能保证在错动和强震下安全稳定，同时具备快速安装和可更换、快速修复的功能；结构充分考量了刚度匹配的原则，多重措施联合“引”震。

本发明是这样实现的：

一种强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构，包括：从外到内依次设置的围岩注浆加固层、初期支护层、喷膜防水层以及装配式钢管混凝土衬砌层；

装配式钢管混凝土衬砌层具有沿隧道纵向依次连接的多个钢管混凝土衬砌节段，每个钢管混凝土衬砌节段均具有从外到内依次设置的第一钢管片、第二钢管片以及第三钢管片，第一钢管片与第二钢管片之间设置有第一衬砌层，第二钢管片与第三钢管片之间设置有第二衬砌层；

第一衬砌层包括多个间隔设置的中空钢管以及用于填充相邻两个中空钢管、第一钢管片以及第二钢管片之间的间隙的轻质泡沫混凝土，第二钢管片与第三钢管片之间的第二衬砌层包括高压缩性混凝土。

进一步地，本发明的较佳实施例中，多个中空钢管的外壁两端分别与第一钢管片以及第二钢管片焊接。进一步地，本发明的较佳实施例中，相邻钢管混凝土衬砌节段之间采用柔性接头连接。进一步地，本发明的较佳实施例中，柔性接头为钢板弹簧式接头、钢波纹板或压铸成型钢板中的任一种。进一步地，本发明的较佳实施例中，钢板弹簧式接头包括沿隧道横向相互相连的第一钢板、第二钢板以及第三钢板，第一钢板、第二钢板以及第三钢板在隧道的横向上以不同曲率弯曲成三心圆形式，且第一钢板、第二钢板以及第三钢板沿隧道的纵向以装配式钢管混凝土衬砌层的厚度为基准进行弹簧式弯曲。

进一步地，本发明的较佳实施例中，钢板弹簧式接头的两端分别与锚固在对应位置的钢管混凝土衬砌节段中的外端的钢板焊接。进一步地，本发明的较佳实施例中，围岩注浆加固层是断层破碎带或不良地质段的围岩采用注浆加固后形成的注浆加固围岩，优选地，围岩注浆加固层具有多个间隔设置的加固锚杆。进一步地，本发明的较佳实施例中，第一钢管片的外壁在对应位置的隧道的拱脚和拱肩处设置加劲翼缘。

进一步地，本发明的较佳实施例中，第一钢管片的外壁设置有楔口，加劲翼缘与第一钢管片的连接端固定连接有与楔口配合的楔子。一种隧道，包括上述的强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构

本发明实现的有益效果：

本发明提供了一种强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构及隧道，提供的强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构包括从外到内依次设置的围岩注浆加固层、初期支护层、喷膜防水层以及装配式钢管混凝土衬砌层。

其中，装配式钢管混凝土衬砌层具有沿隧道纵向依次连接的多个钢管混凝土衬砌节段，每个钢管混凝土衬砌节段均具有从外到内依次设置的第一钢管片、第二钢管片以及第三钢管片，第一钢管片与第二钢管片之间设置有第一衬砌层，第二钢管片与第三钢管片之间设置有第二衬砌层。装配式二衬采用三钢管片夹两层的形式设计一方面可以引导钢管在强震作用下或断层错动作用下变形以消减强震作用下围岩注浆加固层与衬砌结构的强制位移差，另一方面可以保证在衬砌结构在错动和强震下结构的稳定性，保证生命通道畅通。

并且，具体地采用在装配式钢管混凝土二衬靠近初支侧设置一层沿隧道纵向的中空钢管，钢管间用轻质泡沫混凝土填充的方式，使得在断层错动或强地震动下泡沫混凝土压溃、钢管沿径向变形，从而抵消围岩注浆加固层与衬砌的位移差。同时，设置第二层装配式大直径中空钢管混凝土衬砌。钢管由不同曲率的内外分块钢板通过加劲肋焊接而成，混凝土采用高压缩性、高流动性自密实混凝土。结构由工厂按相关设计要求按不同的断面形式和曲率进行预制，现场组装。保证了衬砌结构的刚度，同时在断层错动和强震动下，高压缩性混凝土先于钢管屈服点前压溃消能和消除部分位移差。

综上所述，本发明在“抗-减-引”指导下(“让”的设计理念只是引的一种形式)，提出以围岩抗震、隧道结构减震、多重措施引震的综合设计理念。“抗”的理念在于采取措施加强衬砌增大刚度,抵抗错动和地震作用力。“减或隔”的理念在于在隧道衬砌的外周和地层之间(或初支与二衬之间)设减震层(某种吸能材料),使原有的衬砌结构围岩系统变为衬砌减震层围岩系统,将衬砌与围岩介质隔开从而减小和改变地震、错动对结构的作用强度和方式。“让”的理念在于结构能在断层错动和强震动下沿预先设定的结构下产生可控变形(如可缩式钢架、蜂窝式钢管接头)。“引”的理念在于在不减弱衬砌结构刚度或加强的前提下，采用易变性的柔性结构(如蜂窝式中空钢管)填充在二衬和初支之间使围岩强制施加在结构上的差异位移由这部分结构的主动变形消减；衬砌在纵向分段消减衬砌结构的基础自由变形，节段之间采用主动变形接头进行连接(钢板式弹簧接头)，节段加接头以满足在错动和强震动下差异位移；引导结构在断层错动或强震动下在位移柔性下的部位(接头、填充柔性结构)破坏达到保护衬砌结构和净空的目的；同时需要满足破坏的结构能够易于更换和修复达到设计、施工、运营、修复一体化的目的。

此强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构能够能有效减少甚至消除围岩注浆加固层和衬砌结构的位移差；钢板弹簧式柔性接头设计可通过外力作用下改变钢板疏密度来实现匹配断层错动位移和地震动位移差；所设计结构能保证在错动和强震下安全稳定，同时具备快速安装和可更换、快速修复的功能；结构充分考量了刚度匹配的原则，多重措施联合引震。

提供的隧道，包括上述的强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构，此隧道能保证在错动和强震下结构稳定，同时具备快速安装和可更换、快速修复的功能；结构充分考量了刚度匹配的原则，多重措施联合引震。

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大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构的断面示意图；

图2为本发明的图1的局部I的放大示意图；

图3为本发明的实施例提供的强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构的剖面结构示意图；

图4为本发明的实施例提供的装配式钢管混凝土衬砌层的半剖示意图；

图5为本发明的实施例提供的强震区衬砌结构应用于跨活动断层的结构示意图；

图6为本发明的实施例提供的加劲翼缘装配示意图；

图7为本发明的实施例提供的钢板弹簧式接头的结构示意图；

图8为本发明的实施例提供的钢板弹簧接头消减错(震)动位移示意图；

图9为本发明的实施例提供的钢板弹簧式接头拉压变形示意图；

图10为本发明的实施例提供的钢板弹簧式接头受剪变形示意图；

图11为本发明的实施例提供的钢板弹簧式接头受扭变形示意图；

图12为本发明的实施例提供的钢板弹簧式接头受弯变形示意图。

图标：100-强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构；101- 围岩注浆加固层；103-初期支护层；105-喷膜防水层；107-装配式钢管混凝土衬砌层；109-钢管混凝土衬砌节段；111-第一钢管片；113- 第二钢管片；115-第三钢管片；117-第一衬砌层；119-第二衬砌层； 121-中空钢管；123-轻质泡沫混凝土；125-高压缩性混凝土；127-钢板弹簧式接头；129-第一钢板；131-第二钢板；133-第三钢板；135- 加劲翼缘；137-楔口；139-楔子。

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12，本实施例提供了一种强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构100，从外到内依次设置的围岩注浆加固层 101、初期支护层103、喷膜防水层105以及装配式钢管混凝土衬砌层107。

其中，初期支护层103采用喷射混凝土衬砌，其厚度以注浆后围岩注浆加固层101刚度逐步向初支过渡、初支向二衬过渡原则来确定。

在本实施例中，请参阅图1至图5，装配式钢管混凝土衬砌层107 具有沿隧道纵向依次连接的多个钢管混凝土衬砌节段109，每个钢管混凝土衬砌节段109均具有从外到内依次设置的第一钢管片111、第二钢管片113以及第三钢管片115，第一钢管片111与第二钢管片113 之间设置有第一衬砌层117，第二钢管片113与第三钢管片115之间设置有第二衬砌层119。装配式二衬采用三钢管片夹两层的形式设计一方面可以引导钢管在强震作用下或断层错动作用下变形以消减强震作用下围岩注浆加固层101与衬砌结构的强制位移差，另一方面可以保证在衬砌结构在错动和强震下不会发生坍塌，保证生命通道畅通。

其中，装配式钢管混凝土衬砌层107整体厚度定为30cm，并且靠近喷膜防水层105的一侧的第一衬砌层117的厚度为10cm，远离喷膜防水层105的第二层的第二衬砌层119的厚度为20cm，钢管根据不同衬砌结构断面形式采用不同的曲率。当然，在本发明的其他实施例中，装配式钢管混凝土衬砌层107、第一衬砌层117以及第二衬砌层119的厚度还可以根据需求进行选择，本发明不做限定。

并且，整个结构可以采用分片、分段制作然后组装的形式，各片之间通过焊接和榫接两种结合方式进行连接。

详细地，第一衬砌层117包括多个间隔设置的中空钢管121以及用于填充相邻两个中空钢管121、第一钢管片111以及第二钢管片113 之间的间隙的轻质泡沫混凝土123，第二衬砌层119包括高压缩性混凝土125。采用在装配式钢管混凝土二衬靠近初支侧设置一层沿隧道纵向的中空钢管121，钢管间用轻质泡沫混凝土123填充的方式，使得在断层错动或强地震动下泡沫混凝土压溃、钢管沿径向变形，从而抵消围岩注浆加固层101与衬砌的位移差。同时，设置第二层装配式大直径中空钢管121混凝土衬砌。钢管由不同曲率的内外分块钢板通过加劲肋焊接而成，混凝土采用高压缩性、高流动性自密实混凝土。结构由工厂按相关设计要求按不同的断面形式和曲率进行预制，现场组装。保证了衬砌结构的刚度，同时在断层错动和强震动下，高压缩性混凝土125先于钢管屈服点前压溃消能和消除部分位移差。

其中，高压缩性混凝土125可采用在场地预制然后按分块浇筑成型然后组装的方式。二次衬砌靠初级支护层侧的第一层小直径中空钢管121采用全环间隔布置，在外力作用下钢管产生变形可以为钢管混凝土衬砌结构获得变形位移用以抵消围岩注浆加固层101和衬砌的非同步位移差，减小二衬结构的损伤。

作为优选的方案，多个中空钢管121的外壁两端分别与第一钢管片111以及第二钢管片113焊接。当然，在本发明的其他实施例中，中空钢管121与第一钢管片111以及第二钢管片113的连接方法还可以根据需求进行选择，并不仅限于焊接，本发明不做限定。

作为优选的方案，请参阅图6，第一钢管片111的外壁在对应位置的隧道的拱脚和拱肩处设置加劲翼缘135。加劲翼缘135可以有效地防止钢管混凝土衬砌受扭转作用而产生较大的破坏。第一钢管片 111的外壁设置有楔口137，加劲翼缘135与第一钢管片111的连接端固定连接有与楔口137配合的楔子139。加劲翼缘135由厚钢板制作在施做初期支护的时候焊接在初期支护的拱架上末端与钢管混凝土外层钢管楔口137连接。

在本实施例中，请参阅图1至图5以及图7至图12，相邻钢管混凝土衬砌节段109之间采用柔性接头连接。柔性接头设计可通过外力作用下改变钢板空间疏密度来实现匹配断层错动位移和地震动位移差。

作为优选的方案，请参阅图1至图5以及图7至图8，柔性接头可以为钢板弹簧式接头127。并且，参阅图9至图12的形变示意图，衬砌节段之间采用钢板压缩弹簧变形接头(也可以用定制波纹钢组合连接而成)，保证受力后在各个方向上通过改变“弹簧圈”钢板接头的密度如示意图9至示意图12所示来实现位移可变位移柔性，引导结构在接头处产生可控位移和变形，减轻错动和震动带来的影响。不论不良地质段的断层形式如何，也不论地震动下接头受力形式如何，该接头都可以通过改变钢板“弹簧”的疏密度来实现不同的位移适应，达到真正的“引”的目的。需要说明的是，在本发明的实施例中，图 9至图12的所示内容，仅为弹性变形的示意图，并不代指具体形状。

其中，参阅图7，钢板弹簧式接头127包括沿隧道横向相互相连的第一钢板129、第二钢板131以及第三钢板133，第一钢板129、第二钢板131以及第三钢板133在隧道的横向上以不同曲率弯曲成三心圆形式，且第一钢板129、第二钢板131以及第三钢板133沿隧道的纵向以装配式钢管混凝土衬砌层107的厚度为基准进行弹簧式弯曲。同时，各钢板块之间通过焊接或螺栓连接。

其中，参阅示意图图9至示意图12，在不同的受力条件下，钢板弹簧式接头127可以通过改变接头本身结构的疏密度来实现自由位移，能够做到柔性的目的，适用于不论断层错动还是强震动的各种情况。

作为优选的方案，钢板弹簧式接头127的两端分别与锚固在对应位置的钢管混凝土衬砌节段109的钢板焊接。当然，在本发明的其他实施例中，连接方式还可以根据需求进行选择，本发明不做限定。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，柔性接头还可以为钢波纹板或者是压铸成型的钢板。波纹管的具体标准参见冷弯波纹钢管征求意见稿。本发明不再赘述。

进一步需要说明的是，请再次参阅图5，本发明的实施例提供的强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构100基本条件是针对不良地质段隧道尤其是跨活动断层隧道设计。在“引”和“位移柔性”思路的指导下还可以适用普通围岩注浆加固层101段隧道衬砌。该结构设计无需隧道扩挖，所用钢管混凝土结构本身具有防水性，对防水措施要求降低。接头及衬砌节段具有分块组装、分块拆除和易修复特性，大大增加了该结构的实用性和适用性。

同时，强震区不良地质段隧道装配式钢管衬砌结构基于钢管混凝土衬砌节段109和钢板弹簧式接头127两部分组成。在该综合结构下不论断层错动和强震动下通过接头疏密度变化、中空小直径钢管变形、钢管混凝土中高压缩性混凝土125压溃等实现引导变形，减轻结构破坏程度。在经济效益允许的前提下钢管混凝土的管材和接头弹簧金属采用记忆合金来进行制作，可以利用记忆合金的假弹性来增大结构变形能力，同时后期只需要对结构进行导电加热即可达到修复的目的。

并且，后期对钢管混凝土衬砌节段109进行修复时，外层小直径中空钢管121压溃后不进行任何处理；内层钢管混凝土钢管溃曲后切割凿除严重变形的部分然后替用钢板焊接成型，不严重的采用敲打成型的办法复原；很严重的采取切割替换相应块体的办法。对钢板弹簧式接头127进行修复时，对严重变形段进行切割剔除，焊接备用接头；对于较轻微段采用液压顶进行复原。如若采用记忆合金波纹钢只需要对接头进行通电加热即可。

在本实施例中，围岩注浆加固层101是断层破碎带围岩注浆加固层101采用注浆加固后形成的注浆加固围岩注浆加固层101，优选地，围岩注浆加固层101具有多个间隔设置的加固锚杆。

本实施例还提供了一种隧道，包括上述的强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构100。

本发明的实施例提供的强震区衬砌结构及隧道的工作原理及有益效果为：

提供的强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构100包括从外到内依次设置的围岩注浆加固层101、初期支护层103、喷膜防水层105以及装配式钢管混凝土衬砌层107。

其中，装配式钢管混凝土衬砌层107具有沿隧道纵向依次连接的多个钢管混凝土衬砌节段109，每个钢管混凝土衬砌节段109均具有从外到内依次设置的第一钢管片111、第二钢管片113以及第三钢管片115，第一钢管片111与第二钢管片113之间设置有第一衬砌层117，第二钢管片113与第三钢管片115之间设置有第二衬砌层119。装配式二衬采用三钢管片夹两层的形式设计一方面可以引导钢管在强震作用下或断层错动作用下变形以消减强震作用下围岩注浆加固层 101与衬砌结构的强制位移差，另一方面可以保证在衬砌结构在错动和强震下不会发生坍塌，保证生命通道畅通。

并且，具体地采用在装配式钢管混凝土二衬靠近初支侧设置一层沿隧道纵向的中空钢管121，钢管间用轻质泡沫混凝土123填充的方式，使得在断层错动或强地震动下泡沫混凝土压溃、钢管沿径向变形，从而抵消围岩注浆加固层101与衬砌的位移差。同时，设置第二层装配式大直径中空钢管121混凝土衬砌。钢管由不同曲率的内外分块钢板通过加劲肋焊接而成，混凝土采用高压缩性、高流动性自密实混凝土。结构由工厂按相关设计要求按不同的断面形式和曲率进行预制，现场组装。保证了衬砌结构的刚度，同时在断层错动和强震动下，高压缩性混凝土125先于钢管屈服点前压溃消能和消除部分位移差。

综上所述，本强震区不良地质段隧道装配式钢管衬砌结构是基于“抗-减-引”全新设计理念下的综合结构设计。1)综合各项措施和设计理念在断层错动和强震动下引导结构在接头和中空钢管121以及管内混凝土处破坏，抵消不利位移造成的结构破坏；确保不会出现围岩注浆加固层101坍塌的情况，保证生命通道畅通。2)各组件均可实现工厂化生产，现场安装，保证了结构质量和生产效率。3)本结构具有分块安装、分块拆除分块修复的特性，修复措施便利、修复效果好的特点。4)不需要进行扩挖，结构本身自带防水，对隧道防水措施和要求降低。5)本结构设计能有效的应用到跨活动断层隧道结构设计及施工中，填补国内外的空白。6)所提出的“抗-减-引”全新理念是对相关规范进行全面的完善和补充。

提供的隧道，包括上述的强震区跨大型活动断裂带隧道装配式衬砌结构100，此隧道能保证在错动和强震下结构稳定，同时具备快速安装和可更换、快速修复的功能；结构充分考量了刚度匹配的原则，多重措施联合引震。