穿越活动断层隧道多级减震结构

摘要

本发明公开一种穿越活动断层隧道多级减震结构，隧道的断层破碎带主变形区的隧道横断面大于稳定段的隧道横截面；隧道衬砌层为纵向可变结构：隧道衬砌层为分段衬砌，且相邻衬砌段间构成的减震缝通过柔性接头连接；所述断层破碎带及其影响范围内通过注浆加固的方式设置围岩加固圈，所述围岩加固圈内壁与隧道衬砌层之间填充有由轻质砂土构成的变形调整层。本发明能够使隧道结构的安全性和围岩的稳定性都能得到大幅提高；衬砌各部位的最大、最小主应力峰值明显降低，并使可能出现因受拉或受压而破坏的隧道区段的显著减小；衬砌结构在错动面处发生错动后，可防止围岩大范围失稳坍塌，降低断层错动对隧道的影响。

权利要求

1.穿越活动断层隧道多级减震结构，其特征在于，隧道的断层破碎带（12）主变形区的隧道横断面大于稳定段的隧道横截面；隧道衬砌层为纵向可变结构：隧道衬砌层为分段衬砌，且相邻衬砌段间构成的减震缝通过柔性接头（7）连接；

所述断层破碎带（12）及其影响范围内通过注浆加固的方式设置围岩加固圈（3）；

所述围岩加固圈（3）内壁与隧道衬砌层之间填充有由轻质砂土构成的变形调整层（4）；

所述变形调整层（4）为由EPS 颗粒、粗砂、中砂混合而成的混合轻质砂土。

2.根据权利要求1所述的穿越活动断层隧道多级减震结构，其特征在于，所述围岩加固圈（3）和变形调整层（4）间设有防水层（9）。

3.根据权利要求1或2所述的穿越活动断层隧道多级减震结构，其特征在于，所述隧道衬砌层包括初期支护（5）和其内壁的二次衬砌（6），初期支护（5）和二次衬砌（6）之间还设置有防水层。

4.根据权利要求1所述的穿越活动断层隧道多级减震结构，其特征在于，设置柔性接头（7）的减震缝处还设有接头局部加强（8）。

说明书

穿越活动断层隧道多级减震结构

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道施工技术领域，具体为穿越活动断层隧道多级减震结构。

背景技术

[0002] 隧道作为一种修建在地下的工程结构，其受力和变形与周围地层密切相关，既有震害调研已经表明，在高烈度地震区，隧道可能遭到严重的震害。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，隧道出现了衬砌开裂、错位、甚至整体垮塌的震害现象，如汶川地震中受灾严重的龙洞子隧道。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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 随着减震层结构在结构抗减震中的应用研究越来越多，部分专家学者针对穿越活断层隧道减震层结构开展了研究。在强地震动作用下，减震层剪切刚度低，可以减小隧道衬砌和围岩间的剪切作用，有效降低隧道内力，但对于强地震动作用下穿越活断层隧道，主要受到断层错动和破碎带岩体失稳压力作用，设置减震层难以保证隧道承载能力，同时大面积实施减震层结构，还面临施工难度大、工期长以及成本高等问题。

[0006] 目前国内也有为数不多的穿越活动断层隧道结构形式，但这些结构形式单一考虑柔性接头或减震缝设计，同时在初衬和二次衬砌填充泡沫混凝土缓冲层，而未能充分考虑断层错动引起的破碎带围岩失稳压力影响，既有震害已经表明，围岩失稳压力可能造成隧道发生开裂、掉块甚至坍塌破坏；同时在断层错动作用下，柔性接头或减震缝处会发生局部破坏，难以保证隧道防水功能。

发明内容

[0007] 针对上述问题本发明的目的在于提供一种能够解决穿越活动断层破碎带隧道在断层错动和破碎围岩失稳压力下发生隧道支护结构开裂、漏水及塌方的问题的穿越活动断层隧道多级减震结构。技术方案如下：

[0008] 穿越活动断层隧道多级减震结构，隧道的断层破碎带主变形区的隧道横断面大于稳定段的隧道横截面；隧道衬砌层为纵向可变结构：隧道衬砌层为分段衬砌，且相邻衬砌段间构成的减震缝通过柔性接头连接。

[0009] 进一步的，所述断层破碎带及其影响范围内通过注浆加固的方式设置围岩加固圈。

[0010] 更进一步的，所述围岩加固圈内壁与隧道衬砌层之间填充有由轻质砂土构成的变形调整层。

[0011] 更进一步的，所述围岩加固圈和变形调整层间也设有防水层。

[0012] 更进一步的，所述隧道衬砌层包括初期支护和其内壁的二次衬砌，初期支护和二次衬砌之间还设置有防水层。

[0013] 更进一步的，设置柔性接头的减震缝处还设有接头局部加强。

[0014] 本发明的有益效果是：本发明能够使隧道结构的安全性和围岩的稳定性都能得到大幅提高；衬砌各部位的最大、最小主应力峰值明显降低，并使可能出现因受拉或受压而破坏的隧道区段的显著减小；衬砌结构在错动面处发生错动后，位移在交界面处发生突变，交界面处二次衬砌中的钢筋拉伸屈服，相对不设防的结构而言能更好的适应地层的变形，防止围岩大范围失稳坍塌，降低断层错动对隧道的影响，保证隧道在“先结构后防水”的结构下实现通车。

附图说明

[0015] 图1为本发明穿越活动断层隧道多级减震结构的结构示意图。

[0016] 图2为本发明衬砌层结构示意图。

[0017] 图3为本发明跨活动断层隧道结构整体剖面图。

[0018] 图4为本发明隧道断面扩挖示意图。

[0019] 图5为本实用新变形调整层作用机理示意图

[0020] 1-下盘围岩；2-断层破碎带围岩；3-围岩加固圈；4-变形调整层；5-初期支护；6-二次衬砌；7-柔性接头；8-接头局部加强；9-防水层；10-错动面；11-纵向钢筋；12-断层破碎带；13-正常隧道衬砌断面；14-扩挖隧道衬砌断面；15-错动后扩挖段隧道衬砌断面；16-错动调整后坡面；17-变形调整层颗粒流动方向，18-底部脱空区。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，穿越活动断层隧道多级减震结构，隧道的断层破碎带12主变形区的隧道横断面大于稳定段的隧道横截面；隧道衬砌层为纵向可变结构：隧道衬砌层为分段衬砌，且相邻衬砌段间构成的减震缝通过柔性接头7连接。设置柔性接头7的减震缝处还设有接头局部加强8，以加强减震缝防水性能。

[0022] 隧道衬砌采用纵向可变结构的形式并进行局部加强，纵向可变结构主要包括分段衬砌和柔性接头，根据不同的地层变形量，在微变形段、小变形段和主变形段三个区段设置不同的衬砌节段的长度，位于主变形段的隧道衬砌设置其衬砌节段的长度窄于小变形段的节段长度，分段衬砌之间设置柔性接头，柔性接头可采用泡沫混凝土或者橡胶、聚苯乙烯硬质塑料泡沫填充；在错动影响下的主变形区段采用扩挖方法扩大结构的净空断面，预留断层错动量。

[0023] 本实施例的断层破碎带12及其影响范围内通过注浆加固的方式设置围岩加固圈3。为增强围岩的自稳能力和地基的承载能力在断层破碎带及其影响范围内采用注浆加固的方式加固围岩和地基。围岩加固圈3是考虑到断层破碎带和交界面附近围岩自稳能力差，由此可能会增大作用在隧道结构上的作用力，因此在断层破碎带及其影响范围内采用注浆加固的方式加固围岩和地基，以增强围岩的自稳能力和地基的承载能力，防止在隧道结构出现破坏时周边围岩出现大范围失稳坍塌，同时也可以减小作用在构上的作用力。

[0024] 本实施例的围岩加固圈3内壁与隧道衬砌层之间填充有由轻质砂土构成的变形调整层4。变形调整层是通过本身变形的调整和填充物的流动，消耗吸收传递而来的变形和能量，从而降低断层错动对隧道的影响。在变形调整层材料的选取上，综合考虑变形性、流动性和经济性，选取以 EPS 颗粒、粗砂、中砂按照一定的比例混合而成的混合轻质砂土作为变形调整层。混合轻质砂土的特点为：密度小，惯性力小；EPS颗粒变形能力强，剪切模量低，通过自身变形等减小作用在衬砌上的作用力；粗砂和中砂流动性好，并产生滚珠效应使混合砂土具有较好的流动性，当错动下出现隧道下方出现脱空区时，混合砂土流动填充脱空区，因此能更好适应不同断层错动量下的地层变形。

[0025] 本实施例的围岩加固圈3和变形调整层4间设有防水层9，隧道衬砌层包括初期支护5和其内壁的二次衬砌6，初期支护5和二次衬砌6之间还设置有防水层，如图2所示。多道防水是重视混凝土的自防水和减震缝处的防水，在变形调整层和围岩加固圈之间、初支和二次衬砌之间都设置防裂抗渗的防水层，采用多道的设防措施更好地达到防水的目的。特别的，加强减震缝处的防水可采用以下措施如：GINA止水带法、可卸式管片拼装双层结构法和BQXF（波纹强化橡胶复合材料）防裂止水法等。

[0026] 如图4，图5所示，断层在交界面处发生错动，交界面处发生位移突变，造成破碎带围岩失稳，本设计采用注浆加固围岩，提高围岩自承载力，同时变形协调层可以有效地适应变形和吸收能量，从而实现保护衬砌结构的目的。变形协调层中的混合轻质砂土在错动作用的影响下，颗粒向隧道底部的脱空区18流动，从而适应地层形变。衬砌结构采用分段衬砌的形式，提高了纵向适应变形能力，通过围岩和结构变形（或衬砌的错动）减小断层错动引起隧道衬砌的内力，避免了在交界面及破碎带处可能的出现应力集中现象。分段衬砌还能使隧道在断层错动下的破坏局部化，不会引起结构的整体坍塌。横向扩挖可以在错动后保证内部净空，采用回填、垫钢板等形式调整坡度可以快速回复通车，当有轨道等附属结构时，应对其进行调整和修复。