一种穿过活动断层破碎带的隧道结构及其施工方法

摘要

本申请涉及一种穿过活动断层破碎带的隧道结构，位于岩层内并横跨活动断层破碎带，包括均横跨活动断层破碎带的隧道本体、隧道本体与活动断层破碎带之间的柔性的缓冲层，所述隧道本体包括若干管节同轴依次首尾拼接形成；所述缓冲层与活动断层破碎带之间还设置有用于稳定断带的支护层，所述支护层横跨活动断层破碎带设置，所述支护层环绕管节设置，所述支护层上还设置有用于支撑管节的支撑墩台。本申请具有减小活动断层破碎带的错动位移将力直接传递给隧道本体的效果。

说明书

技术领域

本申请涉及隧道施工的领域，尤其是涉及一种穿过活动断层破碎带的隧道结构及其施工方法。

背景技术

活动断层在持续蠕滑或发生地震过程中会引起断层上下盘较大的位移，进而造成隧道衬砌的严重破坏，如衬砌开裂、剪切破坏、坍塌等问题。因此，在活动断层破碎带内隧道的衬砌结构要考虑断层错动问题，避免断层错动严重破坏隧道的衬砌结构。

为了应对活动断层对隧道结构的不利影响，目前常采用挖掘前采用初次衬砌，然后挖掘后再二次衬砌形成能够使用的隧道，加强隧道的结构承载能力。该方式在一定程度上可以应对一定的断层错动位移，但断层活动造成的构造应力会直接作用在内部的二衬砌结构上，对其安全性造成严重威胁。

针对上述中的相关技术，发明人认为活动断层破碎带内隧道的衬砌结构不仅要能够应对较大断层位移，而且要避免隧道二次衬砌结构上的应力集中问题，还需要对二次衬砌进行研究，提出适用于该结构的衬砌形式。

发明内容

为了适应活动断层破碎带的活动位移，本申请提供一种穿过活动断层破碎带的隧道结构。

第一方面，本申请提供的一种穿过活动断层破碎带的隧道结构采用如下的技术方案：

一种穿过活动断层破碎带的隧道结构，位于岩层内并横跨活动断层破碎带，包括均横跨活动断层破碎带的隧道本体、隧道本体与活动断层破碎带之间的柔性的缓冲层，所述隧道本体包括若干管节同轴依次首尾拼接形成；所述缓冲层与活动断层破碎带之间还设置有用于稳定断带的支护层，所述支护层横跨活动断层破碎带设置，所述支护层环绕管节设置，所述支护层上还设置有用于支撑管节的支撑墩台。

通过采用上述技术方案，横跨活动断层破碎带的支护层用于稳定活动断层破碎带，能够为隧道的施工提供便利以及提高施工的安全性能，并为隧道本体提供稳定的空间。连接于支护层内壁底端的支撑墩台将支撑管节，使得管节与支护层之间存在间隙用以填充缓冲层，缓冲层用于减小活动断层破碎带的变形移位所产生的作用力直接传递到管节上的概率，从而减少管节的错位移动。并且减缓在隧道本体投入使用时隧道本体发生振动的幅度，提高隧道本体与支撑墩台的连接性能。

可选的，所述支撑墩台平行隧道本体的轴向设置，所述支撑墩台包括与支护层固定连接的混凝土承台以及连接于管节和混凝土承台之间的钢支架，混凝土承台的长度方向沿管节的水平径向设置，混凝土承台沿管节轴向间隔分布有若干个，每一管节至少对应两道混凝土承台。

通过采用上述技术方案，钢支架用于支撑管节，混凝土承台用于支撑钢支架，若干间隔设置的混凝土承台相较于整体浇筑的成型的一个承台结构具有适应活动断层破碎带的位移，从而减小由于活动断层破碎带位移而导致的混凝土承台破坏的概率，保障对钢支架的支撑效果。

可选的，所述钢支架的顶端呈弧形设置并贴合管节底端外侧壁。

通过采用上述技术方案，管节横截面呈环形设置，钢支架弧形的顶端能提高钢支架与管节之间的接触面积，从而提高钢支架与管节之间的连接性能。

可选的，每一混凝土承台上还固定连接有若干用于减小由于管节振动而使钢拱架沿管节径向移动的第一缓冲件，第一缓冲件远离所在混凝土承台的一端与钢拱架固定连接。

通过采用上述技术方案，第一缓冲件为阻尼器，第一缓冲件能提高钢支架和混凝土承台之间的连接性，同时减缓隧道本体投入使用时管节振动而使钢支架沿管节径向的振动，减少由于振动导致的钢支架与管节以及钢支架与混凝土层台之间的损伤。

可选的，所述管节与支护层之间还设置有用于减小沿管节径向振动的第二缓冲件，所述第二缓冲件一端与管节的外侧壁固定连接，相对的另一端与支护层固定连接。

通过采用上述技术方案，第二缓冲件为阻尼器，第二缓冲件用于提高管节与支护层的连接性能，并且还能减缓隧道投入使用而产生的振动，从而提高相邻两管节之间的连接性能。

可选的，所述第二缓冲件沿管节的轴向设置有若干组，每组至少两个并且对称设置。

通过采用上述技术方案，对称设置的第二缓冲件能够提高管节位于钢拱架上的稳定性能，使得管节受力平衡，提高管节的稳定性能。

可选的，所述管节的一端同轴连接有插接段，相对的另一段同轴设置有承接段，插接段的外侧壁倾斜设置，插接段远离所在管节的一端外侧壁直径小于与所在管节连接的一端外侧壁直径；所述承接段配合插接段设置并且承接段的内壁，插接段和承接段之间存在间隙形成的位移空间。

通过采用上述技术方案，倾斜设置的插接段外侧壁以及配合插接段挖外侧壁倾斜的承接段便于相邻两管节连接。相邻两管节通过插接段伸入至承接段内，使得承接段与插接段插接配合。在隧道本体受到活动断层破碎带错动的作用时，插接段和承接段之间的位移空间发生相应变化，错动位移将会被分担到多段管节上，每一管节的错动位移量将会大大降低，减小出现管节刚性对抗活动断层破碎带错动的概率，提高隧道本体对活动断带错位的适应性，从而提高隧道本体的使用寿命。

可选的，相邻两管节承接段和插接段之间设置有止水带，所述止水带呈环状设置并隔断承接段和插接段之间的位移空间。

通过采用上述技术方案，止水带呈柔性，隔断承接段和插接段之间位移空间的止水带能提高相邻两管节之间的防水性能。

第二方面，本申请还提供一种穿过活动断层破碎带的隧道结构的施工方法，采用如下的技术方案：

一种穿过活动断层破碎带的隧道结构的施工方法，隧道的掘进方向为掘进端，S1，支护层施工，S1-1、预支护，预先向活动断层破碎带打设超前锚杆，并且预注浆液稳定活动断层破碎带；S1-2、初期支护，然后开挖相应长度，并在挖掘出的孔壁上打设径向锚杆，安装钢拱架并且喷锚衬砌；S1-3重复上述S-1和S1-2，直至形成横跨活动断层破碎带的支护层；

S2，支撑墩台施工；

S3，隧道本体施工，S3-1、管节的安装，管节之间的连接采用千斤顶顶推的方式插接配合，将最远离掘进端的一段管节与靠近掘进端的管节分两批进行顶推，第一批为靠近掘进端的若干管节，此时最远离掘进端的一段管节为二号管；第二批为最远离掘进端的一段管节；第一批顶推时，千斤顶安装于二号管远离掘进端的一端，远离千斤顶一端的管节端部与掘进端的岩体相抵。在第一批顶推结束后，此时二号管远离掘进端的一端留有供施工人员进入管节与支护层之间的进出空间；S3-2、第二缓冲件的安装；S3-3、顶推一号管，形成隧道本体并封闭进出空间。

S4，将石英砂和聚氨酯浆液混合后注入至支护层和管节外侧壁之间形成缓冲层。

通过采用上述技术方案，便于施工人员施工形成穿过活动断层破碎带的隧道结构。

可选的，上述步骤S1中，对应支护层区域开挖的直径尺寸大于支护层外区域开挖的直径尺寸。

通过采用上述技术方案，以便施工人员进行施工操作。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

横跨活动断层破碎带的支护层用于稳定活动断层破碎带，能够为隧道的施工提供便利以及提高施工的安全性能，并为隧道本体提供稳定的空间。连接于支护层内壁底端的支撑墩台将支撑管节，使得管节与支护层之间存在间隙用以填充缓冲层，缓冲层用于减少活动断层破碎带的变形移位所产生的作用力直接传递到管节上，从而减少管节的错位移动。并且减缓在隧道本体投入使用时隧道本体发生振动的幅度，提高隧道本体与支撑墩台的连接性能；

倾斜设置的插接段外侧壁以及配合插接段挖外侧壁倾斜的承接段便于相邻两管节连接。相邻两管节通过插接段伸入至承接段内，使得承接段与插接段插接配合。在隧道本体受到活动断层破碎带错动的作用时，插接段和承接段之间的位移空间发生相应变化，错动位移将会被分担到多段管节上，每一管节的错动位移量将会大大降低，减小出现管节刚性对抗活动断层破碎带错动的概率，提高隧道本体对活动断层破碎带错位的适应性，从而提高隧道本体的使用寿命；

止水带呈柔性，隔断承接段和插接段之间位移空间的止水带能提高相邻两管节之间的防水性能。

附图说明

图1是本申请的整体工况结构示意图。

图2是图1中A处放大结构示意图。

图3是本申请的插接段和承接段的工况结构示意图。

图4是图1中A-A的剖面结构示意图。

图5是本申请的支撑墩台的结构示意图。

附图标记说明：1、岩层；2、活动断层破碎带；3、隧道本体；4、缓冲层；5、支护层；6、管节；7、插接段；8、承接段；9、止水带；10、支撑墩台；11、混凝土承台；12、检查通气孔；13、钢支架；14、第一缓冲件；15、第二缓冲件；16、掘进端；17、一号管；18、二号管；19、注浆孔。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种穿过活动断层破碎带的隧道结构。参照图1、2，位于岩层1内并横跨活动断层破碎带2，包括隧道本体3、缓冲层4以及支护层5。

隧道本体3包括若干管节6依次同轴拼接形成。管节6可以为预制形成，部分管节6的顶端开设有贯通管节6管壁的注浆孔19，并且位于注浆孔19的一侧开设有贯通管节6的通气检查孔20。

参照图1、3，管节6的横截面呈环形，管节6的一端同轴固定连接有插接段7，相对的另一端同轴固定连接有承接段8。

插接段7的内侧壁与管节6的内侧壁平齐设置，插接段7的外侧壁倾斜设置，插接段7外侧壁远离所在管节6一端的直径小于与所在管节6连接的一端外侧壁直径。

承接段8的外侧壁与管节6的外侧壁平齐，承接段8的内侧壁设置有呈斗状的连接口，连接口靠近所在管节6一端直径大于管节6的内壁直径，连接口远离所在管节6的一端直径大于连接口靠近所在管节6的一端直径。

相邻两管节6连接时，一根管节6的插接段7同轴伸入至另一管节6承接段8的连接口，并且承接段8外侧壁和插接段7的内侧壁之间存在间隙形成的活动空间。在隧道本体3受活动断层破碎带2作用时，相邻两管节6之间将发生相对错动位移，错动位移将会被分摊到每一管节6上，从而减小管节6的错动位移量，减小出现管节6刚性对抗活动断层破碎带2错动的概率，提高隧道本体3对活动断层破碎带2错位的适应性，从而提高隧道本体3的使用寿命。

承接段8与插接段7之间的活动空间内设置若干道止水带9，相邻两管节6连接位置可以有四道止水带9，止水带9一端固定连接于承接段8或是插接段7，相对的另一端相应的与插接段7或是承接段8相抵。止水带9呈环形设置并且遮蔽相邻两管节6的承接段8与插接段7之间间隙，从而提高相邻两管节6之间的密封性能。

参照图1、4，支护层5的内壁直径大于管节6的外侧壁直径。支护层5与管节6之间设置有若干组沿管节6轴向间隔分布第二缓冲件15，每组第二缓冲件15相对设置有两个，第二缓冲件15可以为阻尼器，第二缓冲件15平行管节6的径向设置并且水平设置。第二缓冲件15一端与管节6固定连接，相对的另一端与支护层5固定连接，第二缓冲件15能够提高支护层5与管节6之间的连接性，并且还能减缓隧道本体3投入使用而产生的水平振动，从而提高相邻两管节6之间的连接性能。

支护层5底端靠近隧道本体3的一侧设置支撑墩台10。支撑墩台10包括固定连接于支护层5内壁底端的混凝土承台11、固定连接于混凝土承台11上第一缓冲件11以及连接于第一缓冲件11上的钢支架13。

混凝土承台11沿管节6的轴向间隔并且平行分布有若干个，混凝土承台11横截面呈矩形，混凝土承台11的长度方向平行管节6水平的径向设置。

参照图4、5，钢支架13为若干型钢拼接形成，钢支架13对应混凝土承台11间隔且平行设置。钢支架13的顶端贴合管节6的外侧壁底端呈下凹的弧形设置，从而提高管节6位于钢支架13的稳定性能。钢支架13和混凝土承台11之间设置有平行管节6径向的第一缓冲件14，第一缓冲件14沿管节6的轴向间隔设置有若干个，第一缓冲件14可以为阻尼器并且竖向设置。第一缓冲件14一端与混凝土承台11固定连接，相对的另一端与钢支架13固定连接。第一缓冲件14能够提高混凝土承台11与钢支架13之间的连接性能。同时，减缓隧道投入使用时管节6振动而致使钢支架13的振动，减少钢支架13与混凝土承台11间相互作用而产生的损伤。

本申请实施例一种穿过活动断层破碎带的隧道结构的实施原理为：横跨活动断层破碎带2的支护层5用于稳定活动断层破碎带2，能够为隧道的施工提供便利以及提高施工的安全性能。

连接于支护层5内壁底端的支撑墩台10将支撑管节6，使得管节与支护层5之间存在间隙用以填充缓冲层4。

缓冲层4用于减少活动断层破碎带2的变形移位所产生的作用力直接传递到管节6上，从而减少管节6的错位移动。

第一缓冲件14将减少隧道本体3在投入使用时产生的振动对钢支架13与混凝土承台11之间连接性能的影响。

第二缓冲件15将减少隧道本体3在投入使用时产生的振动对护壁层的影响。同时，还将减小隧道本体3使用时管节6由于振动而出现偏位的概率。插接段7和承接段8将提高相邻两管节6之间的连接性能，而止水带9则将提高相邻两管节6之间的密封性和防水性能。

注浆孔19用于注入用以形成缓冲层4的浆液，检查通气孔20则用于注浆时排出支护层5与隧道本体3之间的空气，并且在形成缓冲层4后检查缓冲层4的填充质量。

本申请实施例还公开一种穿过活动断层破碎带的隧道结构的施工方法。

一种穿过活动断层破碎带的隧道结构的施工方法，其挖掘的方向为掘进端16，包括以下步骤：S1，支护层5施工。

S1-1、预支护，在挖掘至活动断层破碎带2前5-10m范围内开始进行打设超前锚杆、径向锚杆然后向岩体或是活动断层破碎带2内注入水泥浆。

S1-2、初期支护，同轴开挖相应的长度尺寸后，在开挖形成的孔壁施工钢拱架并喷锚衬砌，以便提供施工人员进行施工活动。

S1-3、重复上述步骤S1-1和S1-2直至形成横跨活动断层破碎带2的支护层5。

步骤S1-1中的超前锚杆和径向锚杆均可以有若干组，每组可以为围绕开挖出的孔壁间隔打设有若干根，超前锚杆和径向锚杆的组数依照活动断层破碎带2的厚度尺寸设计分布。

步骤S1-2中对应支护层5开挖的直径尺寸大于支护层外开挖的直径尺寸，以便后续施工人员进行施工操作。

预支护施工中提前打设超前锚杆和径向锚杆以及向活动断层破碎带2预注水泥浆能够稳定活动断层破碎带2，减少后续开挖穿过活动断层破碎带2时坍塌的概率。初期支护中的孔壁上钢拱架和喷锚衬砌能够提高预支护的强度，进一步减小坍塌的概率。

S2,支撑墩台10施工。支护层5施工完成后，在支护层5的内壁底端浇筑钢筋混凝土形成混凝土承台11。然后在混凝土承台11上依次拼接型钢形成顶端呈下凹的反拱的钢支架13。将第一缓冲件14一端安装混凝土承台11上，相对的另一端安装于钢支架13上，并且令第一缓冲件14和支护层5同轴设置。

S3,隧道本体3施工，S3-1、管节6的安装，将管节6依次同轴抵接于钢支架13顶端，通过采用千斤顶顶推的方式令相邻两管节6之间的插接段7和承接段8连接紧密。将最远离掘进端16的一段管节6与靠近掘进端16的管节6分两批进行顶进。第一批顶推时，最远离掘进端16的一段管节6为二号管18。千斤顶安装二号管18远离掘进端16的一端，顶推时远离千斤顶一端的管节6端部与掘进端16的岩体相抵。在第一批顶推结束后，此时管节6并未完全隔断与护壁层之间的间隙。

S3-2、第二缓冲件15的安装，施工人员自二号管18远离掘进端16的一端进入到管节6与护壁层之间的间隙，将第二缓冲件15一端与护壁层固定连接，相对的另一端与管节6固定连接，第二缓冲件15的长度方向平行管节6的径向设置。

S3-3、第二批顶进。第二批所需顶推的管节6为一号管17，将一号管17放置钢支架13的顶端，启动千斤顶，令一号管17与第一批顶进的二号管18远离掘进端16的一端连接，形成隧道本体3，并且一号管17将遮蔽第一批顶推时管节6与护壁层之间的间隙。

S4,缓冲层4的施工，S4-1、注浆，对管节6端部与岩体之间的间隙填充水泥砂浆填缝。待水泥砂浆硬化，然后拌制石英砂与聚氨酯浆液，在搅拌完成后采用压力注浆，将石英砂和聚氨酯混合液通过注浆孔19注入至管节6与支护层5之间。检查通气孔20出现溢浆时采用封堵物（图中未显示）封堵，加大注浆压力，并稳定压力5-10min，泄压采用封堵物封堵注浆孔19。

S4-2、补浆，待凝固后形成缓冲层4后，先拆除检查通气孔20处的封堵物，对检查通气孔20进行注入同比例的石英砂和聚氨酯混合浆液。

封堵物可以为灌满砂子的沙袋，封堵物下用脚手架（图中未显示）支撑紧抵，并在注浆和补浆结束后拆除封堵物，采用水泥砂浆填充遮蔽注浆孔19和检查通气孔20。

石英砂用于提高成型后缓冲层4的结构强度以及减少聚氨酯的使用，降低施工成本。

本申请实施例一种穿过活动断层破碎带的隧道结构的施工方法实施原理为：通过上述步骤施工完成一种穿过活动断层破碎带的隧道结构。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。