CN113338999A - 隧道支护结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道支护结构，涉及隧道支护技术领域。该隧道支护结构包括外层衬砌、内层衬砌及填充材料。外层衬砌的外侧面用于与围岩的活动断层带对应，且套设于内层衬砌，填充材料为刚珠，且设置于外层衬砌和内层衬砌之间。该隧道支护结构具有既能适应大尺度剪切变形以及拉压弯剪扭组合变形，也能使得在地震后隧道结构的内层衬砌不发生错台破坏的特点。

Description

隧道支护结构
技术领域
本发明涉及隧道支护技术领域，具体而言，涉及一种隧道支护结构。
背景技术
随着我国交通建设的发展，隧道逐渐发展为穿越复杂地质环境的主要手段，但相应的工程问题也难以避免，其中，隧道穿越大尺度活动断裂的工程难题亟待解决。
活动断裂对隧道工程的影响主要分为两类：(1)断层错动的永久变形引起的破坏，主要为相对剪切变形引起隧道衬砌的剪切破坏及其拉压弯剪扭组合破坏；(2)地震波在断层带和非断层带地层的差异震动引起隧道衬砌的变形破坏，前者的破坏程度远大于后者。目前解决此问题的技术手段主要为：(1)采用柔性接头连接的分段衬砌；(2)扩挖后喷射泡沫混凝土缓冲层。第一种方法的错动量有限，且不适用于断层宽度较小的断层，第二种方法对于断层宽度较大时扩挖量大，且断层错动量大时工程量急剧增加，在静力条件下硐室尺寸增大使隧道不稳定性风险增加。此外，在地震发生后，这两种方法均易出现衬砌错台的问题，且难以适应拉压弯剪扭组合变形，将影响生命线工程正常使用，阻碍后期救援。
有鉴于此，研发设计出一种能够解决上述技术问题的隧道支护结构显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道支护结构，其具有既能适应大尺度剪切变形以及拉压弯剪扭组合变形，也能使得在地震后隧道结构的内层衬砌不发生错台破坏的特点。
本发明提供一种技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种隧道支护结构，包括外层衬砌、内层衬砌及填充材料；
所述外层衬砌的外周面用于与围岩的活动断层带对应，且套设于所述内层衬砌，所述填充材料为刚珠，且设置于所述外层衬砌和所述内层衬砌之间。
结合第一方面，在第一方面的另一种实现方式中，所述外层衬砌包括第一适应段，所述第一适应段为钢筋碎石笼或橡胶。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述外层衬砌包括至少两段所述第一适应段，所述外层衬砌还包括至少一段第二适应段；
所述第二适应段设置于相邻两段所述第一适应段之间，且所述第二适应段能够沿所述内层衬砌的轴向方向拉伸或压缩。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述第二适应段为内空钢筋笼；
所述第二适应段为压缩为褶皱型且可拉伸的内空钢筋笼，或压缩为褶皱型且可伸缩的内空钢筋笼。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述隧道支护结构还包括搭接件，所述搭接件搭接于所述外层衬砌的内侧面和所述内层衬砌的外表面，且位于所述外层衬砌的一端，并用于搭接于相邻的非活动断层带内衬的外表面。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述搭接件为钢筋碎石笼。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述内层衬砌包括多片管片和多个连接部，多个所述管片依次连接以形成环形的所述内层衬砌；
所述管片的内侧面间隔开设有多条第一加固槽，所述第一加固槽沿轴向方向延伸，所述连接部安装于所述第一加固槽内，以连接所述轴向方向上相邻的两片所述管片。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的另一种实现方式中，所述管片的内侧面上还开设有第二加固槽，所述第二加固槽沿所述管片的周向延伸设置。
第二方面，本发明实施例还提供了一种隧道结构，其包括所述的隧道支护结构。所述隧道支护结构包括外层衬砌、内层衬砌及填充材料；所述外层衬砌的外周面用于与围岩的活动断层带对应，且套设于所述内层衬砌，所述填充材料为刚珠，且设置于所述外层衬砌和所述内层衬砌之间。
结合第二方面，在第二方面的第一种实现方式中，所述内层衬砌与相邻的非活动断层带内衬的之间留有伸缩间隔。
相比现有技术，本发明实施例提供的隧道支护结构相对于现有技术的有益效果包括：
该隧道支护结构包括外层衬砌、内层衬砌及填充材料，其中，外层衬砌的外侧面用于与围岩的活动断层带对应，且外层衬砌套设于内层衬砌，而填充材料为刚珠，并设置于外层衬砌和内层衬砌之间，从而在活动断层带错动发生时，外侧衬砌会随之产生位移变形，由于内层衬砌和外层衬砌之间设有密度较大，且阻尼较小的刚珠构成的填充材料，这使得填充材料能够随外层衬砌的位移变形而出现相互运动和空间转移，从而适应错动发生后的外侧衬砌的位置及形状变化，从而减小甚至消除活动断层带错动对内层衬砌的影响，进而实现适应大尺度剪切变形以及拉压弯剪扭组合变形，且使得在地震后隧道结构的内层衬砌不发生错台破坏的目的，以保障隧道结构正常使用。
本发明实施例提供的隧道结构相对于现有技术的有益效果与上述的隧道支护结构相对于现有技术的有益效果相同，在此不再赘述。
为使本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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为本发明实施例提供的隧道支护结构应用于隧道结构时的结构示意图。
图2为图1中II处的结构放大示意图。
图3为本发明实施例提供的隧道支护结构变形前剖面结构示意图。
图4为本发明实施例提供的隧道支护结构在受到活动断层带挤压变形后的一种剖面结构示意图。
图5为本发明实施例提供的隧道支护结构在受到活动断层带挤压变形后的另一种剖面结构示意图。
图6为本发明实施例提供的隧道支护结构的内层衬砌的结构示意图。
图标：100-隧道结构；20-内衬；10-隧道支护结构；11-外层衬砌；111-第一适应段；112-第二适应段；113-填充空间；12-内层衬砌；120-管片；121-第一加固槽；122-第二加固槽；123-连接部；13-填充材料；15-搭接件；900-围岩；910-活动断层带。
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。
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。术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”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；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例：
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的隧道支护结构10应用于隧道结构100时的结构示意图。此时，隧道支护结构10的外周面与围岩900的活动断层带910对应。
本发明实施例提供一种隧道支护结构10，用于支护活动断层带910，该隧道支护结构10具有既能适应大尺度剪切变形以及拉压弯剪扭组合变形，也能使得在地震后隧道结构100的内层衬砌12不发生错台破坏的特点，从而保障隧道结构100的正常使用，保证生命线畅通，为后期救援提供保障。该隧道支护结构10能够应用于隧道结构100等存在活动断层带910的场景中。在隧道支护结构10应用于隧道结构100时，该隧道支护结构10与非活动断层带内衬20相接。由于隧道结构100采用了本发明实施例提供的隧道支护结构10，所以该隧道结构100也具有既能适应大尺度剪切变形以及拉压弯剪扭组合变形，也能使得在地震后隧道结构100的内层衬砌12不发生错台破坏的特点。
以下将具体介绍本发明实施例提供的隧道支护结构10的结构组成、工作原理及有益效果。
请继续参阅图1，以及参阅图2、图3、图4及图5，图2为图1中II处的结构放大示意图。图3为本发明实施例提供的隧道支护结构10变形前剖面结构示意图。图4为本发明实施例提供的隧道支护结构10在受到活动断层带910挤压变形后的一种剖面结构示意图。图5为本发明实施例提供的隧道支护结构10在受到活动断层带910挤压变形后的另一种剖面结构示意图。
该隧道支护结构10包括外层衬砌11、内层衬砌12及填充材料13，其中，外层衬砌11的外侧面用于与围岩900的活动断层带910对应，且外层衬砌11套设于内层衬砌12，而填充材料13为刚珠，且设置于外层衬砌11和内层衬砌12之间，从而在活动断层带910错动发生时，外侧衬砌会随之产生位移变形，由于内层衬砌12和外层衬砌11之间设有密度较大，且阻尼较小的刚珠构成的填充材料13，这使得填充材料13能够随外层衬砌11的位移变形而出现相互运动和空间转移，从而适应错动发生后的外侧衬砌的位置及形状变化，从而减小甚至消除活动断层带910错动对内层衬砌12的影响，进而实现适应大尺度剪切变形以及拉压弯剪扭组合变形，且使得在地震后隧道结构100的内层衬砌12不发生错台破坏的目的，以保障隧道结构100正常使用。
而现有的技术手段主要为：(1)采用柔性接头连接的分段衬砌；(2)扩挖后喷射泡沫混凝土缓冲层。第一种现有技术的错动量有限，且不适用于断层宽度较小的活动断层带910，而本实施例提供的隧道支护结构10能够通过采用长度大于活动断层带910宽度的外层衬砌11和内层衬砌12，以适配宽度较大的活动断层带910，并防止活动断层带910发生纵向拉伸压缩变形时，围岩900暴露掉块的情况，且由于设置了外层衬砌11和填充材料13，使得其能够适应的错动量较大；第二种现有技术对于活动断层带910宽度较大时扩挖量大，且活动断层带910的错动量大时工程量急剧增加，在静力条件下硐室尺寸增大使隧道结构100不稳定性风险增加，而本实施例提供的隧道支护结构10能够通过外层衬砌11和填充材料13所在的空间适应错动带来的位移和变形，其厚度较小，且能够产生较好的支撑。此外，在地震发生后，本实施例提供的隧道支护结构10的内层衬砌12不易出现衬砌错台的问题，保证了生命线工程正常使用，为后期救援提供了保障。
需要说明的是，在本实施例中，采用刚珠组成的填充材料13，由于其重量较大，在列车荷载作用下，其能够保持在内层衬砌12和外层衬砌11之间的填充空间113内的形状较稳定，以便于为外层衬砌11提供较稳定的支撑，并且，由于刚珠组成的填充材料13较易流动，能够在填充空间113内较快的转移，使得在错动发生时，填充材料13能够及时适应变形后的填充空间113，及时消除活动断层带910错动对内层衬砌12的影响。
例如，在活动断层带910出现正/逆断层错动时，外层衬砌11受压变形，填充材料13适应性流动，以适应错动发生后的填充空间113的形状，如图4所示；而在活动断层带910出现水平走滑断层错动时，外层衬砌11受压变形，填充材料13适应性流动，从而适应错动发生后的填充空间113的形状，如图5所示。
此外，在本实施例中，填充材料13未填满填充空间113，以便于填充材料13在活动断层带910错动发生时及时转移位置。而在其他实施例中，填充材料13也可填满填充空间113，以为外层衬砌11提供支撑。
进一步地，外层衬砌11可包括第一适应段111，其中，该第一适应段111为钢筋碎石笼或橡胶。换言之，外层衬砌11采用柔性较好的第一适应段111，以适应活动断层带910错动带来的形状及位置改变，且能够适应活动断层带910错动时拉、压、弯、剪、扭组合作用，其韧性较强。
并且，外层衬砌11可包括至少两段第一适应段111，外层衬砌11还可包括至少一段第二适应段112，其中，第二适应段112设置于相邻两段第一适应段111之间，且第二适应段112能够沿内层衬砌12的轴向方向拉伸或压缩。从而在活动断层带910变形较大时，适应活动断层带910错动带来的变形，提高隧道支护结构10的适配性。
需要说明的是，第二适应段112可为内空钢筋笼，其可通过钢扎带与第一适应段111连接。并且，第二适应段112为压缩为褶皱型且可拉伸的内空钢筋笼，即，内空钢筋笼为压缩为褶皱型的，其侧面的钢筋呈折线设置，以便于在错动发生时被拉伸，例如，在活动断层带910为正断层拉伸变形较大时，以及活动断层带910的剪切和扭转变形较大时，此时第二适应段112能够发生拉伸变形，以适应活动断层带910错动时的变形。
此外，第二适应段112也可为压缩为褶皱型且可伸缩的内空钢筋笼，换言之，其液位压缩为褶皱型的，且其还具有被进一步压缩的空隙，其侧面的钢筋呈折线设置，以便于在错动发生时被拉伸或被压缩，例如，在活动断层带910弯曲变形较大时，或在活动断层带910为逆冲断层压缩变形较大时，其可适应弯曲变形，以适应活动断层带910错动时的变形，进一步提高隧道支护结构10的适配性。
需要说明的，可根据活动断层带910的具体情况选择不同数量以及布置不同类型第二适应段112。此外，需要说明的是，在其他实施例中，外层衬砌11也可整体为钢筋碎石笼，以通过外层衬砌11整体采用柔性较好的结构来适应活动断层带910错动带来的形状及位置改变。当然，在其他实施例中，外层衬砌11也可采用橡胶等其他柔性较好的结构。
进一步地，隧道支护结构10还可包括搭接件15，该搭接件15搭接于外层衬砌11的内侧面和内层衬砌12的外表面，且位于外层衬砌11的一端，并用于搭接于相邻的非活动断层带内衬20外表面。搭接件15能够隔开外层衬砌11和内层衬砌12，以保持填充空间113的大致形状，使得填充材料13具有流动空间，防止活动断层带910压缩变形时内层衬砌12和外层衬砌11之间相互挤压而破坏；并且，在活动断层带910与非活动断层带910的交界处，搭接件15还可在活动断层带910发生纵向拉伸压缩变形时，防止围岩900暴露掉块。
需要说明的是，在本实施例中，搭接件15为钢筋碎石笼，在其他实施例汇总，搭接件15也可为其他结构。此外，在外层衬砌11与内层衬砌12之间还可铺设防水板等易滑动的结构，以相对位移时外层衬砌11与内层衬砌12之间的减少摩擦力，增加滑动性。
进一步地，内层衬砌12与相邻的非活动断层带内衬20之间还留有伸缩间隔，在确定活动断层带910为正断层时，其拉伸变形较大，此时可缩小伸缩间隔，并将搭接件15位于内层衬砌12之外的部分伸长，即将图1中的L1的长度缩小，L2的长度延长，以满足拉伸变形需要；而当确定活动断层带910为逆断层时，其压缩变形较大，此时可根据压缩变形量确定合理的L1长度，也可采用适当的L1和L2长度，以同时满足伸变形较大以及压缩变形较大的两种变形。
请继续参阅图1，以及参阅图6，图6为本发明实施例提供的隧道支护结构10的内层衬砌12的结构示意图。
内层衬砌12可包括多片管片120和多个连接部123，其中，管片120可为钢筋混凝土或钢管片120等大刚度的材料。多个管片120依次连接以形成环形的内层衬砌12，而管片120的内侧面间隔开设有多条第一加固槽121，第一加固槽121沿轴向方向延伸，连接部123安装于第一加固槽121内，以连接轴向方向上相邻的两片管片120，以避免内层衬砌12出现错动，从而纵向加强了内层衬砌12的结构强度，进一步降低活动断层带910错动对内层衬砌12结构的影响，保证活动断层带910错动位移及变形仅发生在外层。
需要说明的是，在本实施例中，连接部123为槽钢，且连接部123与管片120连接的位置在第一加固槽121的中段位置，以提高连接的便捷度，且使得在管片120受压后，连接部123靠近管片120端部的位置不易出现局部变形，并且，第一加固槽121还可用聚脲材料封槽。此外，管片120的轴向方向上的还设置插销(图未示)，以连接轴向方向上相邻的两个管片120。
进一步地，管片120的内侧面上还开设有第二加固槽122，第二加固槽122沿管片120的周向延伸设置，以加强内层衬砌12的周向强度，且可备震后加固。
此外，在其他实施例中，内层衬砌12也可由硬橡胶等材质制成。
本发明实施例提供的隧道支护结构10的工作原理是：
该隧道支护结构10包括外层衬砌11、内层衬砌12及填充材料13，其中，外层衬砌11的外侧面用于与围岩900的活动断层带910对应，且外层衬砌11套设于内层衬砌12，而填充材料13为刚珠，并设置于外层衬砌11和内层衬砌12之间，从而在活动断层带910错动发生时，外侧衬砌会随之产生位移变形，由于内层衬砌12和外层衬砌11之间设有密度较大，且阻尼较小的刚珠构成的填充材料13，这使得填充材料13能够随外层衬砌11的位移变形而出现相互运动和空间转移，从而适应错动发生后的外侧衬砌的位置及形状变化，从而减小甚至消除活动断层带910错动对内层衬砌12的影响，进而实现适应大尺度剪切变形以及拉压弯剪扭组合变形，且使得在地震后隧道结构100的内层衬砌12不发生错台破坏的目的，以保障隧道结构100正常使用。
综上所述：
本发明实施例提供一种隧道支护结构10，其具有既能适应大尺度剪切变形以及拉压弯剪扭组合变形，也能使得在地震后隧道结构100的内层衬砌12不发生错台破坏的特点。
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，在不冲突的情况下，上述的实施例中的特征可以相互组合，本发明也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。并且，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种隧道支护结构，其特征在于，包括外层衬砌(11)、内层衬砌(12)及填充材料(13)；
所述外层衬砌(11)的外周面用于与围岩(900)的活动断层带(910)对应，且套设于所述内层衬砌(12)，所述填充材料(13)为刚珠，且设置于所述外层衬砌(11)和所述内层衬砌(12)之间。
2.根据权利要求1所述的隧道支护结构，其特征在于，所述外层衬砌(11)包括第一适应段(111)，所述第一适应段(111)为钢筋碎石笼或橡胶。
3.根据权利要求2所述的隧道支护结构，其特征在于，所述外层衬砌(11)包括至少两段所述第一适应段(111)，所述外层衬砌(11)还包括至少一段第二适应段(112)；
所述第二适应段(112)设置于相邻两段所述第一适应段(111)之间，且所述第二适应段(112)能够沿所述内层衬砌(12)的轴向方向拉伸或压缩。
4.根据权利要求3所述的隧道支护结构，其特征在于，所述第二适应段(112)为内空钢筋笼；
所述第二适应段(112)为压缩为褶皱型且可拉伸的内空钢筋笼，或压缩为褶皱型且可伸缩的内空钢筋笼。
5.根据权利要求1所述的隧道支护结构，其特征在于，所述隧道支护结构(10)还包括搭接件(15)，所述搭接件(15)搭接于所述外层衬砌(11)的内侧面和所述内层衬砌(12)的外表面，且位于所述外层衬砌(11)的一端，并用于搭接于相邻的非活动断层带内衬(20)的外表面。
6.根据权利要求5所述的隧道支护结构，其特征在于，所述搭接件(15)为钢筋碎石笼。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的隧道支护结构，其特征在于，所述内层衬砌(12)包括多片管片(120)和多个连接部(123)，多个所述管片(120)依次连接以形成环形的所述内层衬砌(12)；
所述管片(120)的内侧面间隔开设有多条第一加固槽(121)，所述第一加固槽(121)沿轴向方向延伸，所述连接部(123)安装于所述第一加固槽(121)内，以连接所述轴向方向上相邻的两片所述管片(120)。
8.根据权利要求7所述的隧道支护结构，其特征在于，所述管片(120)的内侧面上还开设有第二加固槽(122)，所述第二加固槽(122)沿所述管片(120)的周向延伸设置。
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