一种跨活断层隧道的减震结构的制作方法

1.本实用新型涉及隧道工程技术领域，具体而言，涉及一种跨活断层隧道的减震结构。


背景技术：

2.我国处于亚欧板块、印度洋板块与环太平洋板块之间，受板块运动影响，广泛分布着各种规模的活断层。受选线制约，许多拟建或在建隧道铁路相关工程不得不穿越过断层地段。活断层有两种基本活动方式：蠕滑型及黏滑型，多数活动断层通过连续缓慢滑动积累应变能，到达极限后突然错动，甚至引发地震，这种蠕滑-黏滑的过程会造成围岩与隧道剪切变形，破坏隧道结构。如何减少上下盘错动与地面震动对跨活断层隧道的影响是我国仍在探索的难题之一。
3.针对穿越活断层隧道工程的防控措施，目前采用较多的是设置剪切缝引导隧道破坏位置，避免集中破坏，例如美国claremont输水隧洞、土耳其bolu隧道等。另外还会采用局部加固、设置减震层等手段来增强隧道抵抗变形和震动的能力。但是，在长期持续性的断层蠕滑中难以保障隧道内轨道运行的平顺性，遇到突发地震时也难以具有优良的减震效果。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种跨活断层隧道的减震结构，能够显著改善跨活断层隧道的减震效果。
5.本实用新型的实施例是这样实现的：
6.本实用新型实施例提供一种跨活断层隧道的减震结构，包括沿隧道径向依次设置的外层支护、支撑结构和内层支护，所述支撑结构的两侧分别与所述外层支护和所述内层支护连接，所述支撑结构包括多个沿隧道周向设置的支撑组件，相邻两个所述支撑组件之间具有第一间隙，相邻两个所述支撑组件通过第一螺栓铰接。该跨活断层隧道的减震结构能够显著改善跨活断层隧道的减震效果。
7.可选地，所述支撑组件包括多个沿隧道轴向设置的支撑块，相邻两个所述支撑块之间具有第二间隙，相邻两个所述支撑块通过第二螺栓铰接。
8.可选地，所述支撑块为预制混凝土，所述预制混凝土的两侧分别与所述外层支护和所述内层支护贴合设置。
9.可选地，所述第一螺栓和所述第二螺栓均为高强度螺栓。
10.可选地，所述第一间隙和所述第二间隙均填充有泡沫混凝土。
11.可选地，所述支撑结构与所述外层支护固定连接，所述支撑结构与所述内层支护固定连接或铰接。
12.可选地，所述外层支护包括初期支护以及多个沿隧道径向呈放射状设置的锚杆，所述初期支护沿隧道的开挖轮廓线设置，所述锚杆的一端固定于所述初期支护、另一端伸向外部围岩。
13.可选地，所述锚杆的延伸方向垂直于所述初期支护。
14.可选地，所述内层支护包括沿隧道轴向设置的第一管道以及套设于所述第一管道外的第二管道，所述第一管道与所述第二管道之间填充有混凝土。
15.可选地，所述内层支护沿隧道轴向设置有多个检修通道，所述检修通道沿隧道径向依次贯穿所述第一管道、所述混凝土和所述第二管道。
16.本实用新型实施例的有益效果包括：
17.该跨活断层隧道的减震结构包括沿隧道径向依次设置的外层支护、支撑结构和内层支护，由于外层支护和内层支护为相互独立且间隔设置的两个部分，因此，当活断层发生错动时，处于断层错动区域内的外层支护和内层支护会沿断层错动方向产生一定程度的相对位移。其中，该跨活断层隧道的减震结构通过支撑结构的两侧分别与外层支护和内层支护连接，支撑结构包括多个沿隧道周向设置的支撑组件，相邻两个支撑组件之间具有第一间隙，相邻两个支撑组件通过第一螺栓铰接。因此，当受到外力作用(包括活断层作用和重力作用)时，任意一个第一间隙均可以增大或压缩，任意一个支撑组件均可以进行一定角度的旋转(可以是顺时针旋转，也可以是逆时针旋转)，从而使得在断层蠕滑的情况下，支撑组件可以根据围岩位移及地应力自动调整间隙(即第一间隙的实际大小)与角度，内层支护几乎不会出现破坏，洞内通车不会受到影响，隧道工程只需定期进行检修即可，而在小型地震或中型地震的情况下，支撑组件可以先于内层支护破碎，然后减震吸能效果增加，此时内层支护作为强度较大的整体结构，可以抵抗大量冲击波，并抵抗部分垮塌围岩，给洞内车辆及行人提供撤离时间，进而显著改善跨活断层隧道的减震效果，保证隧道衬砌结构的安全，减小活断层对隧道结构的危害。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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。
19.图1为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之一；
20.图2为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之二；
21.图3为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之三；
22.图4为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之四；
23.图5为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之五；
24.图6为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之六；
25.图7为本实用新型实施例提供的跨活断层隧道的减震结构的结构示意图之七。
26.图标：10-外层支护；11-初期支护；12-锚杆；20-支撑结构；21-支撑组件；211-支撑块；212-第二间隙；213-第二螺栓；22-第一间隙；23-第一螺栓；30-内层支护；31-第一管道；32-第二管道；33-混凝土；40-检修通道；200-围岩。
具体实施方式
27.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新
型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
28.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
29.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。
30.在本实用新型的描述中，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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。
31.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
32.在本实用新型的描述中，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相连。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实用新型中的具体含义。
33.请结合参照图1和图2，本实施例提供一种跨活断层隧道的减震结构，包括沿隧道径向依次设置的外层支护10、支撑结构20和内层支护30，支撑结构20的两侧分别与外层支护10和内层支护30连接，支撑结构20包括多个沿隧道周向设置的支撑组件21，相邻两个支撑组件21之间具有第一间隙22，相邻两个支撑组件21通过第一螺栓23铰接。该跨活断层隧道的减震结构能够显著改善跨活断层隧道的减震效果。
34.需要说明的是，第一，如图1所示，该跨活断层隧道的减震结构包括外层支护10、支撑结构20和内层支护30，且外层支护10、支撑结构20和内层支护30沿隧道径向由外向内依次设置。其中，上述的外层支护10和内层支护30的具体结构和施工方式，本领域技术人员应当能够根据现有技术中的隧道衬砌结构中的外层支护10和内层支护30的具体结构和施工方式进行合理的选择和设计，这里不做具体限制。另外，图示中的围岩200仅用于便于理解隧道衬砌结构，并不包括在隧道衬砌结构内。
35.第二，上述的外层支护10和内层支护30为相互独立且间隔设置的两个部分，换句话说，外层支护10和内层支护30之间具有空腔，因此，当活断层发生错动时，处于断层错动区域内的外层支护10和内层支护30会沿断层错动方向产生一定程度的相对位移，此时，空腔能够为断层蠕滑错动情况下的隧道整体与外部围岩200之间预留相对位移的移动空间，从而保障无论外部围岩200如何发生缓慢移动，隧道整体的位置、受力、形态都能够基本保
持不变，减少隧道整体受到的影响。
36.第三，该跨活断层隧道的减震结构通过支撑结构20的两侧分别与外层支护10和内层支护30连接，如图2所示，支撑结构20包括多个沿隧道周向设置的支撑组件21，相邻两个支撑组件21之间具有第一间隙22，相邻两个支撑组件21通过第一螺栓23铰接，以尽可能地减少上下盘错动与地面震动对跨活断层隧道的影响，从而显著改善跨活断层隧道的减震效果。
37.具体地，由于相邻两个支撑组件21之间具有第一间隙22，且相邻两个支撑组件21通过第一螺栓23铰接，因此，当受到外力作用(包括活断层作用和重力作用)时，任意一个第一间隙22均可以增大或压缩，任意一个支撑组件21均可以进行一定角度的旋转(可以是顺时针旋转，也可以是逆时针旋转)，从而使得在断层蠕滑的情况下，支撑组件21可以根据围岩200位移及地应力自动调整间隙(即第一间隙22的实际大小)与角度，内层支护30几乎不会出现破坏，洞内通车不会受到影响，隧道工程只需定期进行检修即可，而在小型地震或中型地震的情况下，支撑组件21可以先于内层支护30破碎，然后减震吸能效果增加，此时内层支护30作为强度较大的整体结构，可以抵抗大量冲击波，并抵抗部分垮塌围岩200，给洞内车辆及行人提供撤离时间，进而显著改善跨活断层隧道的减震效果，保证隧道衬砌结构的安全，减小活断层对隧道结构的危害。
38.值得注意的是，处于断层错动区域内的隧道衬砌结构与处于其他区域内的隧道衬砌结构相比，更需要通过上述的支撑结构20减少上下盘错动与地面震动对跨活断层隧道的影响，但这并不意味着处于其他区域内的隧道衬砌结构不能采用上述的方式进行施工作业，即只要在不影响隧道衬砌结构的前提下，处于其他区域内的隧道衬砌结构也可以采用上述的支撑结构20连接外层支护10和内层支护30。
39.此外，沿隧道径向，空腔的半径可以根据断层蠕滑方向、速率、设计检修年限进行合理的选择和设计，这里不做具体限制；沿隧道轴向，空腔的半径可以根据活断层的位移模式分段确定，即根据活断层的位移模式将岩体进行分区，分为较小位移区、中位移区、较大位移区，然后再分段确定扩挖的空腔的半径，通过采用渐进开挖的方式以控制经济成本。
40.如上所述，该跨活断层隧道的减震结构包括沿隧道径向依次设置的外层支护10、支撑结构20和内层支护30，由于外层支护10和内层支护30为相互独立且间隔设置的两个部分，因此，当活断层发生错动时，处于断层错动区域内的外层支护10和内层支护30会沿断层错动方向产生一定程度的相对位移。其中，该跨活断层隧道的减震结构通过支撑结构20的两侧分别与外层支护10和内层支护30连接，支撑结构20包括多个沿隧道周向设置的支撑组件21，相邻两个支撑组件21之间具有第一间隙22，相邻两个支撑组件21通过第一螺栓23铰接。因此，当受到外力作用(包括活断层作用和重力作用)时，任意一个第一间隙22均可以增大或压缩，任意一个支撑组件21均可以进行一定角度的旋转(可以是顺时针旋转，也可以是逆时针旋转)，从而使得在断层蠕滑的情况下，支撑组件21可以根据围岩200位移及地应力自动调整间隙(即第一间隙22的实际大小)与角度，内层支护30几乎不会出现破坏，洞内通车不会受到影响，隧道工程只需定期进行检修即可，而在小型地震或中型地震的情况下，支撑组件21可以先于内层支护30破碎，然后减震吸能效果增加，此时内层支护30作为强度较大的整体结构，可以抵抗大量冲击波，并抵抗部分垮塌围岩200，给洞内车辆及行人提供撤离时间，进而显著改善跨活断层隧道的减震效果，保证隧道衬砌结构的安全，减小活断层对
隧道结构的危害。
41.请再结合参照图3和图4，当断层错动区域内的范围(纵向长度)较大时，仅靠沿隧道周向设置的支撑组件21不足以充分地减小活断层对隧道结构的危害，因此，在本实施例中，支撑组件21包括多个沿隧道轴向设置的支撑块211，相邻两个支撑块211之间具有第二间隙212，相邻两个支撑块211通过第二螺栓213铰接。
42.同理地，由于相邻两个支撑块211之间具有第二间隙212，相邻两个支撑块211通过第二螺栓213铰接，因此，当受到外力作用(包括活断层作用和重力作用)时，任意一个第二间隙212均可以增大或压缩，任意一个支撑块211均可以进行一定角度的旋转(可以是顺时针旋转，也可以是逆时针旋转)，从而使得在断层蠕滑的情况下，支撑块211可以根据围岩200位移及地应力自动调整间隙(即第二间隙212的实际大小)与角度，内层支护30几乎不会出现破坏，洞内通车不会受到影响，隧道工程只需定期进行检修即可，而在小型地震或中型地震的情况下，支撑块211可以先于内层支护30破碎，然后减震吸能效果增加，此时内层支护30作为强度较大的整体结构，可以抵抗大量冲击波，并抵抗部分垮塌围岩200，给洞内车辆及行人提供撤离时间，进而更好地显著改善跨活断层隧道的减震效果，保证隧道衬砌结构的安全，进一步地减小活断层对隧道结构的危害。
43.请再结合参照图5，在本实施例中，支撑块211为预制混凝土33，预制混凝土33的两侧分别与外层支护10和内层支护30贴合设置，以便于第一间隙22和第二间隙212的实际大小进行适应性调节，同时，还便于支撑组件21和支撑块211的实际位置进行适应性调整。
44.关于支撑块211的实际形状和实际尺寸，本领域技术人员可以根据外层支护10和内层支护30之间空腔的实际形状以及支撑块211自身所处的实际位置进行合理的选择和设计，图1至图5中支撑块211的形状仅起到示意说明的作用，并不用于对支撑块211的实际形状进行限制。
45.如图2和图4所示，在本实施例中，第一螺栓23和第二螺栓213均为高强度螺栓，以进一步增强相邻两个支撑组件21和相邻两个支撑块211之间的连接强度，从而使得支撑组件21的自身强度更大，进而使得该跨活断层隧道的减震结构的整体性更好。
46.关于第一螺栓23和第二螺栓213的实际数量，本领域技术人员可以根据实际情况进行合理的选择和设计，图2中第一螺栓23的数量和图4中第二螺栓213的数量仅起到示意说明的作用，并不用于对第一螺栓23和第二螺栓213的实际数量进行具体限制，只需使得第一螺栓23能够满足相邻两个支撑组件21的连接需求，第二螺栓213能够满足相邻两个支撑块211的连接需求即可。
47.值得注意的是，第一螺栓23的数量越多，相邻两个支撑组件21之间的连接强度更大，但是，第一螺栓23的数量也不宜过多，过多的第一螺栓23可能会影响第一间隙22的实际大小的适应性调节以及支撑组件21的实际位置的适应性调整。同理地，第二螺栓213的数量越多，相邻两个支撑块211之间的连接强度更大，但是，第二螺栓213的数量也不宜过多，过多的第二螺栓213可能会影响第二间隙212的实际大小的适应性调节以及支撑块211的实际位置的适应性调整。
48.可选地，第一间隙22和第二间隙212均填充有泡沫混凝土33(图中没有示出)，以使相邻两个支撑组件21和相邻两个支撑块211之间增加柔性连接，并通过泡沫混凝土33具有的高压缩比的特点，在预留第一间隙22和第二间隙212实际大小的调节空间的基础上，进一
步增加减震吸能效果，从而更好地显著改善跨活断层隧道的减震效果。
49.需要说明的是，泡沫混凝土33，又称气泡混凝土33，是通过气泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。泡沫混凝土33是一种轻质、保温、隔热耐火、隔音和抗冻的混凝土33材料，料浆可以自流平、自密实，施工和易性好，便于泵送及整平，与所有其它建材几乎都有较好的相容性，且强度可调整。
50.可选地，支撑结构20与外层支护10固定连接，支撑结构20与内层支护30固定连接或铰接。当支撑结构20与外层支护10固定连接，支撑结构20与内层支护30固定连接时，该跨活断层隧道的减震结构通过第一间隙22和第二间隙212的实际大小的调节以及支撑组件21和支撑块211的实际位置的调整，以适应围岩200与内层支护30之间的相对位移与应力变化；当支撑结构20与外层支护10固定连接，支撑结构20与内层支护30铰接时，除第一间隙22和第二间隙212的实际大小的调节以及支撑组件21和支撑块211的实际位置的调整以外，该跨活断层隧道的减震结构还通过支撑块211与内层支护30之间的相对位置的调整以适应围岩200与内层支护30之间的相对位移与应力变化。
51.请再结合参照图6，在本实施例中，外层支护10包括初期支护11以及多个沿隧道径向呈放射状设置的锚杆12，初期支护11沿隧道的开挖轮廓线设置，锚杆12的一端固定于初期支护11、另一端伸向外部围岩200。
52.需要说明的是，外层支护10包括初期支护11和多个锚杆12，多个锚杆12沿隧道径向设置，且多个锚杆12呈放射状排布，初期支护11沿隧道的开挖轮廓线设置，一般地断层围岩200较为破碎，开挖后可以先喷射混凝土33作为初期支护11，锚杆12的一端固定于初期支护11、另一端伸向外部围岩200，以通过初期支护11和锚杆12相互配合增大围岩200强度，在断层非剧烈活动时，允许围岩200发生一定变形，保证围岩200稳定性。
53.当然，在其他实施例中，外层支护10还可以采用其他支护措施，例如注浆锚杆12支护、钢拱架和喷射混凝土33联合支护等，本领域技术人员可以依据现场围岩200的完整程度和施工情况进行合理的判断和选择，以使隧道外层围岩200在断层蠕滑或者小地震时不会发生大范围垮塌。
54.其中，如图6所示，在本实施例中，锚杆12的延伸方向垂直于初期支护11。在实际施工过程中，施工工人可以先测放锚杆12的实际位置，随后在初期支护11上钻孔，再将锚杆12沿垂直初期支护11(或者说隧道的开挖轮廓线)的方向打入外部围岩200内部，然后注浆封口。
55.请再结合参照图7，在本实施例中，内层支护30包括沿隧道轴向设置的第一管道31以及套设于第一管道31外的第二管道32，第一管道31与第二管道32之间填充有混凝土33。
56.需要说明的是，第一，内层支护30包括第一管道31和第二管道32，第一管道31和第二管道32均沿隧道轴向设置，其中，第一管道31的内壁面沿隧道净空设置，换句话说，第一管道31内部即为隧道内部，第二管道32套设于第一管道31外，且第一管道31的外壁面与第二管道32的内壁面之间填充有混凝土33，以通过混凝土33使得第一管道31和第二管道32共同形成稳定坚固的整体封闭结构，从而提高隧道整体的抗压能力、抗弯能力、抗震性和抗渗性，进而提高隧道整体在外部围岩200发生小规模垮塌时的承受能力。
57.第二，为了进一步增强内层支护30的坚固程度，在本实施例中，第一管道31和第二管道32的材质均为钢铁，以使第一管道31、混凝土33和第二管道32能够形成强度非常大的内层支护30，以在断层蠕滑错动的情况下保障隧道结构的完整性。
58.如图7所示，在本实施例中，内层支护30沿隧道轴向设置有多个检修通道40，检修通道40沿隧道径向依次贯穿第一管道31、混凝土33和第二管道32，以通过预留检修通道40方便隧道结构的定期检查和维修。
59.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。