跨越活動斷層的隧道支護結構的製作方法
2023-09-21 08:08:00 4
跨越活動斷層的隧道支護結構的製作方法
【專利摘要】本發明涉及隧道支護結構，尤其是一種跨越活動斷層的隧道支護結構，包括斷層跨越段及與其兩端相接的普通支護段，普通支護段採用複合式襯砌結構；沿隧道徑向，所述斷層跨越段由內到外依次設置有二次襯砌、泡沫混凝土層、一次襯砌、第一防水層和初期支護，由初期支護、第一防水層和一次襯砌構成複合式襯砌結構。其能夠克服施作時間選擇的問題，施工安全、方便。一次襯砌能夠部分承受來自於斷層蠕滑產生的應力；同時，通過泡沫混凝土層提供位移空間並吸收能量，最終通過二次襯砌構成結構的安全儲備並保證淨空不受斷層錯動影響，安全儲備大，具有良好的抗震能力及抵抗斷層蠕滑錯動破壞的能力。適用於穿越各類活動斷層。
【專利說明】跨越活動斷層的隧道支護結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及隧道支護結構，尤其是一種跨越活動斷層的隧道支護結構。
【背景技術】
[0002]隧道是一種修建在地下的工程結構物，被廣泛地應用於交通、礦山、水利及國防等領域。目前的隧道，通常採用新奧法施工，支護結構為複合式襯砌結構，沿隧道環向包括拱頂、仰拱及兩側邊牆，沿隧道徑向包括外側的初期支護、內側的二次襯砌以及位於初期支護和二次襯砌之間的防水層。
[0003]隨著我國交通行業的快速發展，修建隧道的地區範圍越來越廣。根據現有技術規範，在隧道工程中，若遇見斷層，首先應採取避讓繞行措施；若因路線方案限制必須穿越活動斷層時，儘量保持與斷層正交，以減小隧道受影響的範圍。活動斷層，即現今仍在活動或近代地質時期曾有過活動，將來還可能重新活動的斷層，作為一種地質構造，其活動主要表現為上下盤隨時間相對錯動。活動斷層的運動方式有粘滑和蠕滑兩種，其中粘滑錯動是地震時斷層的快速破裂，蠕滑錯動是斷層不伴隨地震的緩慢錯動。跨越活動斷層的隧道，沿縱向分別位於活動斷層破裂面兩側的上盤和下盤內，因此在活動斷層上盤和下盤的相對錯動過程中，對隧道支護結構的安全性構成嚴重影響。
[0004]以正斷層為例，上盤在重力作用下沿破裂面向下滑移，作用在隧道襯砌上表現為斷層裂縫處受剪應力，而在斷層裂縫兩側位置受到遠大於正常情況的軸向拉壓應。地震時，斷層粘滑錯動，錯動量顯著增大，引起襯砌上所受的剪應力迅速增大，襯砌發生直接剪斷破壞。而在非地震情況下，斷層蠕滑錯動，錯動量隨時間緩慢累積，對隧道產生的影響呈逐年遞增的趨勢，其破壞過程可看作襯砌結構在逐漸增大的靜力作用下的漸進式破壞，而與粘滑錯動的破壞形式相比，蠕滑錯動比較常見的破壞形式為拉張-擠壓與剪切結合的破壞形式。具體的講，拉張-擠壓與剪切結合的破壞形式，在變形初期，斷層錯動量較小，襯砌的頂部和底部在軸向方向上產生拉、壓應力，當拉、壓應力超過襯砌的強度，襯砌便產生拉張-擠壓裂縫；隨著錯距量逐漸增加，拉張-擠壓裂縫逐漸向整個襯砌環向擴展，當剪應力超過未破壞襯砌強度時，襯砌將發生剪斷破壞。
[0005]當前，國內外學者對穿越活動斷層的隧道結構研究較少，且主要集中於隧道結構的抗剪斷破壞，如專利號為ZL200910058875.6、發明名稱為跨活動斷層隧道抗減震構造的發明專利。上述發明專利隧道抗減震構造的襯砌結構包括內襯和外襯，在巖體活動斷層部位處設置有沿隧道縱向向活動斷層兩側延伸的減震區，該減震區由填充在內襯、外襯之間的泡沫混凝土層構成；減震區的兩端外各設置有沿隧道縱向延伸的加固區，加固區由填充在內襯、外襯之間的鋼筋凝土層構成。在地震發生時，減震區能有效地吸收地震能量，並允許活動斷層有一定的位移量，從而減小活動斷層對隧道的影響，有效地提高隧道的抗減震性能。但上述發明專利的隧道抗減震構造，存在以下兩方面的問題:
[0006]第一，其僅考慮有震情況，隧道結構的抗剪斷破壞。在非地震情況下，斷層蠕滑錯動，在拉、壓應力作用下，僅能通過二次襯砌進行抵抗，安全儲備低；而其加固區的存在，可能改變力的作用位置，在降低剪應力的同時增大軸向的拉、壓應力，惡化對拉、壓應力的抵抗。而蠕滑錯動對隧道結構的破壞，會弱化其在有震時的抗剪斷能力，甚至使之失效。
[0007]第二，新奧法施工，也即採用複合式襯砌結構，其核心即充分發揮圍巖的自承能力。進一步的講，複合式襯砌結構的初期支護採用噴錨結構，在洞室開挖後及時進行，初期支護本身具有一定的柔性和變形特性，因而能在開挖後及時有效地控制和調整圍巖應力的重分布，最大限度的保護巖體結構和力學特性，使得圍巖與初期支護在共同變形的過程中取得自身穩定，充分利用圍巖的自承能力；複合式襯砌結構的二次襯砌採用鋼筋混凝土結構，承受後期圍巖壓力，過早施作二次襯砌，圍巖的自承能力並未達到最佳狀態，進而使得二次襯砌承受更大的圍巖壓力；拖後施作二次襯砌，則會影響初期支護的穩定性，因此對於複合式襯砌結構的二次襯砌的施作時間有著嚴格的要求，通常要求在初期支護穩定後及時施作。而上述發明專利，在初期支護和二次襯砌之間設置泡沫混凝土層，其在初期支護施工完成後、二次襯砌施作前需要進行泡沫混凝土層的施作，因此其無法在初期支護穩定後及時施作二次襯砌，無法充分發揮圍巖的自承能力，進而對施工的安全性、襯砌的強度和穩定性造成影響。同時，若在二次襯砌和泡沫混凝土層之間設置防水層，則會進一步妨礙二次襯砌的施作；若在二次襯砌和泡沫混凝土層之間不設置防水層，由於泡沫混凝土透水性較好，會造成二次襯砌澆築時混凝土中水分的流失，造成二次襯砌出現塑性收縮裂縫或麻面，影響襯砌的強度和穩定性。
【發明內容】
[0008]本發明所要解決的技術問題是提供一種跨越活動斷層的隧道支護結構，其施工安全、方便，且具有良好的抗震能力及抵抗斷層蠕滑錯動破壞的能力。
[0009]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:跨越活動斷層的隧道支護結構，沿隧道環向包括拱頂、仰拱及兩側邊牆，沿隧道縱向包括斷層跨越段以及分別與斷層跨越段軸向兩端相接的普通支護段；所述普通支護段採用複合式襯砌結構，包括徑向外側的初期支護、徑向內側的二次襯砌以及位於初期支護和二次襯砌之間的防水層；沿隧道徑向，所述斷層跨越段由內到外分別設置有二次襯砌、泡沫混凝土層、初期支護；在所述斷層跨越段的二次襯砌和初期支護之間設置有全環向封閉的一次襯砌，在初期支護和一次襯砌之間設置有第一防水層，所述一次襯砌採用鋼筋混凝土結構，由初期支護、第一防水層和一次襯砌構成複合式襯砌結構；所述泡沫混凝土層位於二次襯砌和一次襯砌之間。
[0010]進一步的，所述斷層跨越段的軸向兩端與對應的普通支護段柔性連接。具體的，所述斷層跨越段的軸向兩端與對應的普通支護段之間分別設置有抗震縫。
[0011]進一步的，所述泡沫混凝土層位於二次襯砌和一次襯砌之間且橫斷面呈C形，所述C形的泡沫混凝土層位於拱頂及兩側邊牆對應的二次襯砌和一次襯砌之間，所述C形的泡沫混凝土層的開口與仰拱相對應。
[0012]進一步的，所述泡沫混凝土層的兩端呈楔形並插入仰拱兩端對應的二次襯砌和一次襯砌之間。
[0013]進一步的，在泡沫混凝土層和二次襯砌之間設置有全環向封閉的第二防水層。
[0014]本發明的有益效果是:由初期支護、第一防水層和一次襯砌構成複合式襯砌結構，因此能夠克服施作時間選擇的問題，施工安全、方便。一次襯砌能夠部分承受來自於斷層蠕滑產生的應力；同時，通過泡沫混凝土層提供錯動產生的位移空間並有效吸收能量，最終通過二次襯砌構成隧道支護結構的安全儲備並保證隧道的淨空不受斷層錯動的影響，安全儲備大，具有良好的抗剪斷破壞能力和抗拉張-擠壓破壞能力，也即具有良好的抗震能力及抵抗斷層蠕滑錯動破壞的能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明跨越活動斷層隧道支護結構的橫向斷面示意圖；
[0016]圖2是本發明跨越活動斷層隧道支護結構的縱向斷面示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0018]如圖1、圖2所示，本發明的跨越活動斷層的隧道支護結構，沿隧道環向包括拱頂
11、仰拱12及兩側邊牆13，沿隧道縱向包括斷層跨越段14以及分別與斷層跨越段14軸向兩端相接的普通支護段15 ;所述普通支護段15採用複合式襯砌結構，包括徑向外側的初期支護21、徑向內側的二次襯砌23以及位於初期支護21和二次襯砌23之間的防水層22 ;沿隧道徑向，所述斷層跨越段14由內到外分別設置有二次襯砌23、泡沫混凝土層24、初期支護21 ;在所述斷層跨越段14的二次襯砌23和初期支護21之間設置有全環向封閉的一次襯砌25，在初期支護21和一次襯砌25之間設置有第一防水層26，所述一次襯砌25採用鋼筋混凝土結構，由初期支護21、第一防水層26和一次襯砌25構成複合式襯砌結構；所述泡沫混凝土層24位於二次襯砌23和一次襯砌25之間。
[0019]本發明的跨越活動斷層的隧道支護結構，在所述斷層跨越段14，由初期支護21、第一防水層26和一次襯砌25構成複合式襯砌結構,其施工工藝同現有複合式襯砌結構的施工工藝相同，能夠在洞室開挖後及時施作初期支護21，在初期支護21穩定後及時施作一次襯砌25。因此，能夠克服現有技術在施作時間選擇上的問題，能夠充分利用圍巖的自承能力，在保證施工安全、方便的同時，通過由初期支護21、第一防水層26和一次襯砌25構成複合式襯砌結構部分承受來自於斷層蠕滑產生的應力。
[0020]其次，泡沫混凝土層24位於一次襯砌25和二次襯砌23之間，由於泡沫混凝土具有高壓縮比，使得由初期支護21、第一防水層26和一次襯砌25構成的複合式襯砌結構和二次襯砌23之間構成柔性連接。在由初期支護21、第一防水層26和一次襯砌25構成的複合式襯砌結構被破壞後，無論是被剪斷破壞還是拉張-擠壓破壞，均能通過泡沫混凝土層24提供錯動產生的位移空間並有效吸收能量，降低作用於二次襯砌23的形變壓力，並將形變壓力均勻的傳布至二次襯砌23，最終通過二次襯砌23構成隧道支護結構的安全儲備並保證隧道的淨空不受斷層錯動的影響。
[0021]因此，綜上所述，本發明的跨越活動斷層的隧道支護結構，施工安全、方便，安全儲備大，具有良好的抗剪斷破壞能力和抗拉張-擠壓破壞能力，也即具有良好的抗震能力及抵抗斷層蠕滑錯動破壞的能力。
[0022]上述泡沫混凝土層24的徑向厚度根據隧道使用年限內斷層蠕滑變形總位移量及自身的可壓縮空間確定。泡沫混凝土參數可根據現有標準進行設定，在如圖所示的實例中為:幹表觀密度400kg/m3?800kg/m3，抗壓強度2.0?5.0MPa,孔隙率不小於50%，彈性模量0.3?1.2GPa。一次襯砌25和二次襯砌23的徑向厚度則根據實際的強度需要進行確定，在如圖所示的實例中，一次襯砌25的徑向厚度為50?70cm，二次襯砌23的徑向厚度為30 ?50cm。
[0023]由於斷層跨越段14與普通支護段15屬於同一條隧道，因此斷層跨越段14 二次襯砌23與普通支護段15 二次襯砌23的淨空一致；但在斷層跨越段14，由於增加了一次襯砌25和泡沫混凝土層24，因此，斷層跨越段14的隧道橫斷面大於普通支護段15的隧道橫斷面。而由於斷層跨越段14的隧道橫斷面大於普通支護段15的隧道橫斷面，因此斷層跨越段14的初期支護21和普通支護段15的初期支護21為相互獨立的結構，也因此斷層跨越段14與普通支護段15的相接，實質上也即斷層跨越段14的二次襯砌23同普通支護段15的二次襯砌23的相接。斷層跨越段14的軸向兩端與對應的普通支護段15的相接，可以是剛性連接也可以是柔性連接，其具體的連接方式形式可以根據實際需要採用任意的現有連接方式。
[0024]但相對於固結等剛性連接，柔性連接能避免地震能量的縱向傳遞、避免拉壓應力的縱向傳遞，因此，最好的，所述斷層跨越段14的軸向兩端與對應的普通支護段15柔性連接。具體的，在如圖所示的實例中，所述斷層跨越段14的軸向兩端與對應的普通支護段15之間分別設置有抗震縫17。
[0025]由於斷層跨越段14的軸向兩端與對應的普通支護段15柔性連接，因此，若泡沫混凝土層24採用全環向封閉的環形，則在二次襯砌23自重及交通荷載作用下，位於仰拱12位置的二次襯砌23和一次襯砌25之間的泡沫混凝土層24受壓，易引起斷層跨越段14 二次襯砌23的沉降。因此，進一步的，所述泡沫混凝土層24位於二次襯砌23和一次襯砌25之間且橫斷面呈C形，所述C形的泡沫混凝土層24位於拱頂11及兩側邊牆13對應的二次襯砌23和一次襯砌25之間，所述C形的泡沫混凝土層24的開口與仰拱12相對應，此時，仰拱12對應的二次襯砌34通過一次襯砌32進行支撐，能夠避免上述可能出現的沉降。
[0026]進一步的，所述泡沫混凝土層24的兩端呈楔形並插入仰拱12兩端對應的二次襯砌23和一次襯砌25之間。楔形設計，避免了形狀突變可能造成的應力集中；同時，通過楔形插入仰拱12兩端對應的二次襯砌23和一次襯砌25之間，能夠增大仰拱12兩端對應一次襯砌25的曲率，同時減小仰拱12兩端對應二次襯砌23的曲率，從而增大二次襯砌23和一次襯砌25沿水平方向的相對位移量。
[0027]進一步的，在泡沫混凝土層24和二次襯砌23之間設置有全環向封閉的第二防水層27。通過第二防水層27的設置，防止斷層跨越段14的二次襯砌23澆築時混凝土中水分的流失，造成斷層跨越段14 二次襯砌23出現塑性收縮裂縫或麻面；同時，如上所述，隧道支護結構仰拱部分的二次襯砌23通過一次襯砌25進行支撐，通過第二防水層27的設置，使二次襯砌23和一次襯砌25相互獨立，並構成緩衝。
[0028]上述防水層22、第一防水層26、第二防水層27均採用合成高分子卷材，如聚氯乙烯卷材、熱熔膠捲材、高密度聚乙烯卷材、低密度聚乙烯卷材等。在如圖所示的實例中，防水層22、第一防水層26、第二防水層27均採用高密度聚乙烯卷材構成。
【權利要求】
1.跨越活動斷層的隧道支護結構，沿隧道環向包括拱頂(11)、仰拱(12)及兩側邊牆(13)，沿隧道縱向包括斷層跨越段(14)以及分別與斷層跨越段(14)軸向兩端相接的普通支護段(15);所述普通支護段(15)採用複合式襯砌結構，包括徑向外側的初期支護(21)、徑向內側的二次襯砌(23)以及位於初期支護(21)和二次襯砌(23)之間的防水層(22);沿隧道徑向，所述斷層跨越段(14)由內到外分別設置有二次襯砌(23)、泡沫混凝土層(24)、初期支護(21);其特徵在於:在所述斷層跨越段(14)的二次襯砌(23)和初期支護(21)之間設置有全環向封閉的一次襯砌(25)，在初期支護(21)和一次襯砌(25)之間設置有第一防水層(26)，所述一次襯砌(25)採用鋼筋混凝土結構，由初期支護(21)、第一防水層(26)和一次襯砌(25)構成複合式襯砌結構；所述泡沫混凝土層(24)位於二次襯砌(23)和一次襯砌(25)之間。
2.如權利要求1所述的跨越活動斷層的隧道支護結構，其特徵在於:所述斷層跨越段(14)的軸向兩端與對應的普通支護段(15)柔性連接。
3.如權利要求2所述的跨越活動斷層的隧道支護結構，其特徵在於:所述斷層跨越段(14)的軸向兩端與對應的普通支護段(15)之間分別設置有抗震縫(17)。
4.如權利要求2所述的跨越活動斷層的隧道支護結構，其特徵在於:所述泡沫混凝土層(24)位於二次襯砌(23)和一次襯砌(25)之間且橫斷面呈C形，所述C形的泡沫混凝土層(24)位於拱頂(11)及兩側邊牆(13 )對應的二次襯砌(23 )和一次襯砌(25 )之間，所述C形的泡沫混凝土層(24)的開口與仰拱(12)相對應。
5.如權利要求4所述的跨越活動斷層的隧道支護結構，其特徵在於:所述泡沫混凝土層(24)的兩端呈楔形並插入仰拱(12)兩端對應的二次襯砌(23)和一次襯砌(25)之間。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的跨越活動斷層的隧道支護結構，其特徵在於:在泡沫混凝土層(24)和二次襯砌(23)之間設置有全環向封閉的第二防水層(27)。
【文檔編號】E21D11/38GK103485796SQ201310491821
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2013年10月18日
【發明者】王聯, 林國進, 李玉文, 鄭金龍, 鄭建國, 田尚志, 李曉洪, 高世軍, 朱長安, 向龍 申請人:四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院