CN110043278B - 一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构及其施工方法，该结构包括外衬层、外包防水层、变形层、中空波纹钢管层和装配二衬层。变形层内填充泡沫混凝土；中空波纹钢管层由外部和内部波纹钢管通过反向对接而成，内部波纹钢管贴附有防水土工布。防水土工布在波谷区域呈W型层叠构造；装配二衬层由预制二衬管片沿隧道环向及轴向拼接而成，预制二衬管片包括塑性混凝土层、高强混凝土层和波纹钢管，高强混凝土层通过弯头螺栓沿环向拼接为高强混凝土环并沿隧道轴向通过直螺栓串联，波纹钢管采用螺栓连接或焊接而成整体。该结构能够实现断层错动后隧道的防水及抗围压性，以及隧道结构“小错不坏，中错可修，大错不断”的设防目标。

Description

一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构及其施工 方法

技术领域

本发明涉及一种隧道(洞)结构，具体为一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构及其施工方法。

背景技术

随着我国西部大开发战略的实施，基础设施不断发展，一大批重大工程在西部地区建设，其中包括成兰铁路、兰渝铁路、川藏铁路、滇藏铁路、滇中引水工程以及川藏高速公路等。岩石地下工程是西部重大工程的关键性结构，其中的长大隧道(洞)是公路、铁路以及调水工程的控制工程。位于西部地区的长大隧道跨越不同的地貌地质单元，并难以避免地与多个活动断裂带相交。例如成兰铁路成川段穿越6条活动断裂带，预测位错量在80cm以上；滇中引水工程与16条活动断裂带相交；川藏铁路昌都至林芝段与5条深大断裂相交。

活动断裂带的错动(包括黏滑及蠕滑)通常会对隧道的安全产生严重威胁，主要表现为三个方面：一是隧道防水的破坏；二是隧道结构的破坏；三是断层区域岩体的破坏。1978年伊豆尾岛地震中稻取铁路隧道在跨断层处拱顶混凝土剥落，围岩破坏后大量坍入隧道；1999年集集地震中石岗大坝输水隧洞受断层错动影响而发生剪切破坏；2008年汶川地震中龙溪隧道在跨F8断层附近的围岩和隧道共同垮塌。

纵观目前国内外对跨断层隧道实际工程中的设防措施，均可总结为“超挖设计”，“铰接设计”以及“隔离消能设计”，或以上三类措施的组合。而以上三类措施均具有较强的局限性。“超挖设计”和“隔离消能设计”受限于经济性，均不适用于穿越大型活动断裂带区域的隧道结构。“铰接设计”中衬砌节段连接处是薄弱环节，在大的断层错动下其破坏不可避免，在衬砌节段连接处易于产生错台甚至新的塌方。此外，衬砌节段长度受衬砌台车影响通常为6～12m，由于断层运动时其破裂面位置的不确定性，因此衬砌节段长度过长时隧道主体结构仍可能受到破坏。此外，以上三类措施仅单一考虑减小隧道结构的破坏，而忽略了隧道的整体防水以及错动后围岩失稳可能造成的隧道开裂、掉块甚至坍塌破坏。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构及其施工方法，该分级抗断型隧道结构能够对不同量级的断层错动实现不同的设防目标，并保证在断层错动后隧道的防水性和结构的抵抗围压能力。采用该方法修建的隧道可适用于承受不同类型断层(正断层、逆断层和走滑断层)的蠕滑错动以及黏滑错动。

一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构，包括由外至内依次设置的外衬层、外包防水层、变形层、中空波纹钢管层和装配二衬层。

变形层中填充有泡沫混凝土。中空波纹钢管层由外部波纹钢管和内部波纹钢管采用反向对接方式连接而成。在内部波纹钢管表面贴附有防水土工布，防水土工布在波谷中呈W型的层叠构造。

装配二衬层由预制二衬管片沿隧道环向及轴向拼接而成。预制二衬管片沿隧道轴向采用错缝拼接方式。预制二衬管片由外至内依次为塑性混凝土层、高强混凝土层、塑性混凝土层和波纹钢管。预制二衬管片在上下和左右布设有预留螺栓孔。通过上下预留螺栓孔，在高强混凝土层中布设弯头螺栓，用以将高强混凝土层沿环向拼接为整体，并将相邻高强混凝土环通过左右预留螺栓孔中的直螺栓沿隧道轴向串联。相邻预制二衬管片中的波纹钢管沿环向及隧道轴向采用螺栓连接或焊接而成整体。

本发明的工作机理是：

上述穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构，在穿越活动断裂带区域由外至内依次为外衬层、外包防水层、变形层、中空波纹钢管层和装配二衬层。

在静力状态下，通过外包防水层阻止岩体中的水流渗入隧道内部，达到静力状态下隧道的防水目的。

在断层发生错动后，通过多级措施实现隧道结构“小错不坏，中错可修，大错不断”的设防目标。

断层小错动量下(0～0.2m)，围岩与衬砌间的变形差通过变形层中泡沫混凝土的压溃来抵消。隧道结构的外包防水层部分区域产生缝隙而损坏，渗入的水流一部分经由中空波纹钢管层的波谷区域流入隧道底部，通过排水设施排出，剩余部分则通过其内壁贴附的防水土工布阻止其进入隧道内部，确保隧道的防水性能。隧道在断层小错动后可维持正常运行而不需修复。

断层中等错动量下(0.2m～2.0m)，外衬层被严重破坏，丧失承受围岩压力的能力。变形层中泡沫混凝土完全压溃。中空波纹钢管层随断层错动产生拉伸、压缩或剪切变形。装配二衬层中的塑性混凝土产生压缩变形，最内侧波纹钢管受断层错动影响产生拉伸、压缩或剪切变形。受益于波纹良好的伸缩性，装配二衬层中的波纹钢管处于正常的变形阶段。装配二衬层中的高强混凝土沿环向为整体，相邻高强混凝土环间由于接头直螺栓变形而产生沿错动方向的少量差异位移。此时，围岩对隧道的压力可由中空波纹钢管层、装配二衬层中的高强混凝土环和波纹钢管承担。装配二衬层在断层错动后损伤，但能保证隧道的正常通行，并可修复。装配式的施工方式可以保证受损坏的管片及时更换，提高隧道的修复效率。隧道外包防水层完全破坏，但中空波纹钢管层内表面贴附的防水土工布W型的层叠构造提供了几何伸长空间，由此保证隧道在断层错动后的防水性。

断层大错动量下(2.0m～5.0m)，外衬层、变形层中泡沫混凝土以及装配二衬层中的塑性混凝土均被压溃。中空波纹钢管层由于断层错动所引起的拉伸、压缩或剪切作用而部分破坏。装配二衬层中的波纹钢管由于断层错动导致钢材超出其屈服强度产生塑性变形，但其依然保持结构的完整性。装配二衬层中的高强混凝土沿环向为整体，但会因相邻高强混凝土环间接头螺栓破坏而产生沿错动方向的差异位移。在衬砌的最内侧，波纹钢管的变形能够保证装配二衬层沿断层错动方向的连续变形而不会出现明显的错台等破坏。围岩对隧道的压力由装配二衬层中沿隧道轴向分布的高强混凝土环和变形后的波纹钢管承担。此时衬砌结构严重损伤，但不会发生坍塌封洞，保证紧急救援时的通行能力。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明设计了一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构，通过多级抗断措施，实现隧道结构在断层发生错动后“小错不坏，中错可修，大错不断”的设防目标。此外，由于采用装配二衬结构，因此隧道的设防长度还可根据活动断裂带长度灵活调整。

(2)通过中空波纹钢管层、装配二衬层中的高强混凝土环和波纹钢管可有效应对断层错动后由于外衬破坏而导致作用于二衬结构的围岩压力，从而提升整个隧道结构的安全性。

(3)贴附于中空波纹钢管层内表面的防水土工布W型的层叠构造提供了几何伸长空间，由此保证隧道在断层错动后的防水性。

附图说明

图1为穿越活动断裂带分级抗断型山岭隧道结构示意图；

图2为隧道结构沿I-I方向的剖面图；

图3为中空波纹钢管层示意图；

图4为中空波纹钢管层受拉变形示意图；

图5为中空波纹钢管层受压变形示意图；

图6为中空波纹钢管层排水示意图；

图7为相邻预制二衬管片拼接示意图；

图8为预制二衬管片示意图；

图9为预制二衬管片沿环向拼接示意图；

图10为高强混凝土环示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1中所示，本实施例提供了一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构，该隧道结构由外衬层1、外包防水层2、变形层3、中空波纹钢管层4以及装配二衬层5组成。

在本实施例中，参照图1至图5，外衬层1采用喷射混凝土，变形层3采用泡沫混凝土。中空波纹钢管层4由外部波纹钢管6和内部波纹钢管7通过反向对接方式连接而成。相较于布置单层的波纹钢管，该反向对接方式的优点体现在两个方面：一是在受拉或受压状态下，变形发生在对接所形成的中空部分，参阅示意图4及图5，因此，即使有破碎的外部岩体或外衬层进入到波谷区域，也不会阻碍其自由变形；二是对接所形成的蜂窝形结构，可以抵御围岩压力，从而改善装配二衬层5的受力状态，提升隧道整体的安全性。

变形层3的厚度取为10cm～20cm，满足断层小错动量的需求。

中空波纹钢管层中的波纹钢管通过工厂预制，分段拼接，可以适用于各种横截面型式的隧道结构。本发明中仅以圆形隧道为例说明。波纹钢管的拼装及其他相关要求可参照GB/T 34567-2017冷弯波纹钢管。

在本实施例中，参照图3，内部波纹钢管7表面贴附有防水土工布8。防水土工布8在波谷区域呈W型的层叠构造，具备在断层错动时的几何伸长特性。W型的层叠构造高度与内部波纹钢管7的波高相同。

通常，隧道所穿越断层区域的岩石破碎，水文地质条件较差。在断层错动前的静力状态下，外包防水层2阻止岩体中的水流渗入隧道内部，达到静力状态下隧道的防水目的。在断层错动后，外包防水层2会由于断层错动产生缝隙而被破坏，渗入的水流一部分经由中空波纹钢管层4的波谷区域流入隧道底部，通过排水设施排出，参阅图6。剩余部分则通过内部波纹钢管7表面贴附的防水土工布8阻止其进入隧道内部。

在本实施例中，参照图7，装配二衬层5由预制二衬管片9拼接而成。预制二衬管片9通过在上下和左右所布设的预留螺栓孔10中的弯头螺栓11和直螺栓12沿环向和轴向连接为整体。

在本实施例中，参照图8，预制二衬管片9由外至内依次为塑性混凝土层13-1、高强混凝土层14、塑性混凝土层13-2和波纹钢管15。

预制二衬管片9厚度与普通段隧道二衬厚度相同，沿隧道轴向的宽度取40～80cm，保证装配二衬层5稳定性的同时，节段不会因宽度过大而使其中的高强混凝土层14在断层错动下产生局部破损。

高强混凝土层14厚度取预制二衬管片9厚度的1/3，且介于20～30cm之间。

高强混凝土层14的强度等级在C50～C70之间(依据规范GB50010-2010)，在满足抗围压性的同时，兼顾施工经济性。

在断层错动下，变形层中的泡沫混凝土被压溃失效，预制二衬管片9中的塑性混凝土层13-1和13-2产生塑性变形。

在本实施例中，参照图9至图10，弯头螺栓11仅布设于高强混凝土层14中。高强混凝土层14沿环向通过弯头螺栓11连接成为高强混凝土环16，用以承担断层错动后作用于装配二衬层5的围岩压力。相邻高强混凝土环16通过直螺栓12采用错缝拼接方式沿隧道轴向串联为整体。相邻预制二衬管片9中的波纹钢管15沿环向及纵向采用螺栓连接或焊接而成整体，连接处强度应保证在断层错动下不会出现损坏。

一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构的施工方法，包括以下步骤：

(1)在穿越活动断裂带区域，隧道结构首先进行超挖。隧道超挖量为中空波纹钢管层4和变形层3厚度，隧道超挖范围L按下式确定：

L＝w+15×2(单位：m)

式中，w为断层破碎带宽度；15m为断层破碎带外上下盘岩体中隧道的设防长度。

(2)采用喷射混凝土施作外衬层1。待外衬层1强度达到规定要求后，进行外包防水层2的施工。在外包防水层2施工完成之后，通过台车架设模板，浇筑泡沫混凝土，待达到强度后，拆模。

(3)在工厂预制波纹钢管运至施工现场。现场应首先检查波纹钢管在运输途中是否有损坏或变形。安装前，首先对结构进行防腐蚀处理。在变形层3施工完成后，进行波纹钢管的管身安装。安装时先从拱底开始，再到侧面，最后到拱顶，对称拼装。管身连接一周整体成型后再沿隧道轴向进行拼接。在中空波纹钢管层4的安装过程中，需要同时对外部波纹钢管6与变形层3之间的脱空区进行注浆处理。在中空波纹钢管层4全部拼装完成后对拼缝处采用密封胶进行密封防止泄露。

(4)预制二衬管片9在工厂中按不同的隧道断面形式进行预制，随后运至施工现场进行组装。预制二衬管片9拼装由拱底开始，向侧面和隧道轴向延伸，沿隧道环向和隧道轴向的拼装同时进行。在装配二衬层5施工过程中，需要同时对预制二衬管片9与内部波纹钢管7间的脱空区进行注浆处理。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种穿越活动断裂带的分级抗断型山岭隧道结构，其特征在于：包括由外至内依次设置的外衬层、外包防水层、变形层、中空波纹钢管层和装配二衬层；

所述变形层内填充有泡沫混凝土；所述中空波纹钢管层由外部波纹钢管和内部波纹钢管采用反向对接方式连接而成；所述装配二衬层由预制二衬管片沿隧道环向及轴向拼接而成，其中轴向相邻管片采用错缝拼接方式；

内部波纹钢管表面贴附有防水土工布，防水土工布在波谷中呈W型的层叠构造，W型的层叠构造高度与内部波纹钢管的波高相同；

所述变形层的厚度取为10cm～20cm；

所述预制二衬管片由外至内依次为塑性混凝土层、高强混凝土层、塑性混凝土层和波纹钢管；高强混凝土层的强度等级在C50～C70之间；

所述预制二衬管片在上下和左右布设有预留螺栓孔；

所述上下预留螺栓孔中的弯头螺栓仅布设于高强混凝土层中，将其连接成为高强混凝土环；高强混凝土环通过左右预留螺栓孔中直螺栓沿隧道轴向串联为整体；

所述高强混凝土层厚度取预制二衬管片厚度的1/3，且介于20～30cm之间；

所述预制二衬管片厚度与普通段隧道二衬厚度相同，沿隧道轴向的宽度取40～80cm；

该结构的施工方法，包括以下步骤：

(1)在穿越活动断裂带区域，隧道结构首先进行超挖；隧道超挖量为中空波纹钢管层和变形层厚度，隧道超挖范围L按下式确定：

L＝w+15×2，单位为m；

式中，w为断层破碎带宽度；15m为断层破碎带外上下盘岩体中隧道的设防长度；

(2)采用喷射混凝土施作外衬层；待外衬层强度达到要求后，进行外包防水层的施工；在外包防水层施工完成之后，通过台车架设模板，浇筑泡沫混凝土，待达到强度后，拆模；

(3)在工厂预制波纹钢管运至施工现场；现场应首先检查波纹钢管在运输途中是否有损坏或变形；安装前，首先对结构进行防腐蚀处理；在变形层施工完成后，进行波纹钢管的管身安装；安装时先从拱底开始，再到侧面，最后到拱顶，对称拼装；管身连接一周整体成型后再沿隧道轴向进行拼接；在中空波纹钢管层的安装过程中，需要同时对外部波纹钢管与变形层之间的脱空区进行注浆处理；在中空波纹钢管层全部拼装完成后对拼缝处采用密封胶进行密封防止泄露；

(4)预制二衬管片在工厂进行预制，随后运至施工现场进行组装；预制二衬管片拼装由拱底开始，向侧面和隧道轴向延伸，沿隧道环向和隧道轴向的拼装同时进行；在装配二衬层施工过程中，需要同时对预制二衬管片与内部波纹钢管间的脱空区进行注浆处理。

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