隧道穿越活动断层结构设计体系

1.本发明属于隧道建设技术领域，具体涉及一种隧道穿越活断层抗错断结构设计体系。


背景技术：

2.目前我国进入隧道建设的黄金时代，新建隧道规模越来越大，地质条件越来越复杂，而我国正处在环太平洋地震带和欧亚地震带之间，活动断层广泛分布，从而新建隧道不可避免地要穿越活动断层。断层的错动将导致隧道产生裂缝、过大变形以至破坏，严重影响隧道结构的安全以及后期安全运营。因此在隧道穿越活断层时采取必要的抗错断措施，增强隧道的抗错断能力尤为重要。
3.目前关于隧道穿越活断层时主要采用的方案以及缺点如下：
4.1、能绕则绕，在前期地质勘测后，隧道选线时尽量避开这些断层(宋玉香,刘勇,主编.隧道工程.北京:中国建筑工业出版社.2018:34-36.)；但是受地理条件等因素的限制，此方法只有部分工程适用。
5.2、以强抗强，通过刚性防护措施加强隧道自身的刚度(例如：增加材料的强度、锚喷支护等)，从而抵抗由于断层的错动对结构施加的附加荷载(邓忠富.断层错动下节段式隧道设计参数及安全性分析[j].西部交通科技,2021,no.162(01):126-130.)；但是此方法将大大增加建设成本，并且实践证明此方法效果并不显著。
[0006]
3、设置柔性连接段，在错断层附近隧道采用一些较为柔性的材料或结构使隧道能够随着断层的错动产生变形，从而达到降低断层错动产生的附加内力(李国良,张景,刘国庆,等.隧道穿越活动断层的连接结构[p].陕西省：cn111810189b,2022-03-18.)；但是此方法受断层错动的影响将产生较大的变形，不能满足某些用途隧道对变形的要求(例如：高速铁路隧道等)。
[0007]
4、超挖设计，通过扩大隧道断面满足错动时的正常使用功能，扩大量根据断层的错动量确定(蒋树屏,李鹏,林志.穿越活动断层区隧道的抗断设计对策[j].重庆交通大学学报(自然科学版),2008,27(06):1034-1036+1041.)；但是此方法仍无法避免隧道结构在断层位置产生错动，需要定期的修护。
[0008]
基于以上问题，本发明提出一种隧道穿越活断层结构设计体系，能够实现断层错动时，既能保持隧道恒定位于初始位置，也能保持受力的恒定，从而达到抗错断的目的。


技术实现要素：

[0009]
本发明提供了一种隧道穿越活动断层结构设计体系，该体系能够实现断层错动时，既能保持隧道稳定于初始位置的同时也能保持受力的恒定，从而达到抗错断的目的。
[0010]
本发明的技术方案：
[0011]
一种隧道穿越活动断层结构设计体系，包括位移空间、隧道结构和支撑系统；
[0012]
所述位移空间位于穿越断层处围岩内；
[0013]
所述隧道结构位于位移空间内；
[0014]
所述支撑系统包括竖向支撑系统和横向铰链约束系统，位于位移空间内、隧道结构外侧；
[0015]
当断层发生错动时，所述隧道衬砌结构保持其初始位置不变在位移空间内自由上下移动，所述竖向支撑系统通过控制坠砣的重量调节隧道结构受到的竖向支撑力，并且提供的竖向支撑力在断层错动时保持不变，所述横向铰链约束系统为隧道提供横向位移约束，但不约束所述隧道结构的竖向位移。
[0016]
所述隧道结构与围岩之间预留位移空间，位移空间横截面形状包括但不局限于椭圆形。
[0017]
所述位移空间在隧道纵向上的长度l应满足下式：
[0018][0019]
式中：f为断层错动量，ω为规范标准容许误差，％；
[0020]
所述位移空间的纵向长度根据所述隧道结构的变形控制标准确定，其纵剖面内壁轮廓包括但不限于s形曲线。
[0021]
所述竖向支撑系统用于扩大承力索对隧道结构的支撑力，扩大倍数通过控制动滑轮组的个数调节；竖向支撑系统包括动滑轮系统、固定滑轮系统、固定锚索、固定结构、承力索和坠砣，固定锚索和固定滑轮系统对应固定在位移空间内壁上，固定结构固定在隧道结构外壁上，固定结构用于固定动滑轮组；承力索绕在动滑轮系统、固定滑轮系统、固定锚索上，其两端连接有坠砣，位移空间包括预留坠砣上下移动的空间。
[0022]
所述固定结构包括包括承力杆、底座、销栓和旋转构件；底座固定在隧道结构外壁上，旋转构件与承力杆连接，承力杆与动滑轮组连接，底座与旋转构件通过销栓连接，旋转构件可绕销栓转动。
[0023]
所述竖向支撑系统通过控制坠砣的重量调节作用于隧道结构的竖向支撑力。
[0024]
所述横向铰链约束系统位于位移空间内、两端分别固定于隧道结构侧墙外壁和位移空间内壁上，其由链杆沿竖直方向排列组成，由于每根链杆不可伸缩，因此约束隧道结构横向位移，又由于其竖直方向为活动体系，因此不约束隧道结构竖向位移。
[0025]
所述竖向支撑系统和所述横向铰链约束系统交错布设，空间上避免相互干扰。
[0026]
所述隧道结构包括但不局限于公路隧道、铁路隧道、引水隧洞以及各种管廊。
[0027]
本发明的有益效果：本发明通过设置位移空间将原本直接接触的隧道结构和错动的围岩分离开，将原本隧道结构和围岩之间的直接作用力通过位于两结构之间的横向铰链约束系统和竖向支撑系统传递，横向铰链约束系统只约束隧道结构的横向位移而不约束竖向位移，竖向支撑系统通过承力索将隧道结构和围岩串联，承力索的一端连接坠砣，承力索中的拉力等于坠砣的重力，从而在整个断层错动过程中隧道受到的竖向支撑力保持恒定，由于在断层错动时位移空间将错动位移隔断，竖向支撑系统保持隧道结构的受力恒定，因此本发明隧道穿越活动断层结构设计体系在断层错动时具有自我调节能力，从而保持隧道结构稳定、维持运营安全、实现隧道抗错断的目的，可适用于公路隧道、铁路隧道、引水隧洞以及各种管廊等，适用范围广泛。
附图说明
[0028]
图1为本发明隧道穿越活动断层结构设计体系竖向支撑系统布设横断面示意图。
[0029]
图2为本发明隧道穿越活动断层结构设计体系横向铰链约束系统布设横断面示意图。
[0030]
图3为本发明隧道穿越活动断层结构设计体系位移空间纵剖面示意图。
[0031]
图4为图1中竖向支撑系统中的增大起重能力系统示意图。
[0032]
图5为图4增大起重能力系统中的动滑轮系统示意图。
[0033]
图6为图1中的固定结构示意图。
[0034]
图中：1围岩；2隧道结构；3动滑轮系统；4固定滑轮系统；5固定锚索；6位移空间；7固定结构；8承力索；9坠砣；10横向铰链约束系统；11活动断层；12位移空间内壁；13动滑轮组；14承力杆；15旋转构件；16销栓；17底座。
具体实施方式
[0035]
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
[0036]
本发明提出的隧道穿越活动断层结构设计体系包括隧道衬砌结构、位移空间和支撑系统。如图1和图2所示，隧道穿越活动断层结构设计体系均位于围岩1内，所述围岩1为活动断层11附近岩土体；所述隧道结构2由各种衬砌管片组成，根据其功能的不同，包括但不局限于公路隧道、铁路隧道、引水隧洞和各种管廊，为便于承力索8的固定和连接，隧道结构2外壁提前预留固定结构7；如图1至图3所示，在活动断层11发生错动时，为保证隧道结构2稳定在初始位置，根据断层错动量提前为隧道结构2预留位移空间6，除此之外，位移空间6还为横向铰链约束系统10和竖向支撑系统提供预留空间，特别地也为坠砣9的竖向移动提供活动预留空间，如图3所示，位移空间6在隧道纵向上的长度l应满足下式：
[0037][0038]
式中：f为断层错动量，ω为规范标准容许误差(％)。
[0039]
进一步地，如图1所示，竖向支撑系统包括动滑轮系统3、固定滑轮系统4、固定锚索5、承力索8和坠砣9，为了增大竖向支撑系统的支撑能力，特别地为竖向支撑系统设计了如图4所示的增大起重能力系统，所述增大起重能力系统通过如图5所示的动滑轮系统3将坠砣9施加于承力索8中的拉力数倍地扩大并通过承力杆14传递至隧道结构2，扩大的倍数由动滑轮系统3中动滑轮组13的个数确定，在活动断层11错动时，承力索8根据隧道错动量的变化而伸长和缩短，并带动坠砣9的上下移动，以此抵消错动对隧道结构2的影响，并且在整个过程中隧道每个固定结构7所受的竖向力始终保持恒定，施加于固定结构7上的竖向恒定支撑力f可按下式进行计算：
[0040]
f＝2km
[0041]
式中：k为动滑轮组13中动滑轮的的数量，m为坠砣9的重量。
[0042]
固定滑轮系统4和固定锚索5分别位于位移空间内壁12上并固定于围岩1内，也是通过上述两种结构将承力索8中的力传递于围岩1内，另外固定锚索5还起到了改变承力索8的方向作用。
[0043]
如图6所示，所述固定结构7包括底座15、销栓16和旋转构件17；所述底座15固定为
隧道结构2外壁上，旋转构件17与承力杆14连接，底座15与旋转构件17通过销栓16连接，旋转构件17可绕销栓16转动，用以消除上部承力杆中的弯矩，从而传递至隧道结构2的支撑力为单一拉力。
[0044]
进一步地，横向铰链约束系统10位于位移空间内两端分别固定于隧道结构2和隧道位移空间内壁12上，所述系统主要作用为约束隧道结构2的横向移动，而不约束竖向移动。
[0045]
当断层发生错动时，固定滑轮4和固定锚索5将伴随断层的错动而移动，与上述两种结构连接的承力索将通过伸长和缩短带动坠砣9的移动来补偿断层的错动量，在补偿调节过程中由于坠砣9的重量保持恒定，因此承力索8中的拉力始终为定值，也是由于承力索的补偿调节作用，阻断了断层错动对隧道结构2的影响，从而实现隧道结构2在断层错动时既能稳定在初始位置不变，也能保持所受支撑力的恒定，从而达到抗错断的目的。

技术特征：
1.一种隧道穿越活动断层结构设计体系，其特征在于，该隧道穿越活动断层结构设计体系包括位移空间、隧道结构和支撑系统；所述位移空间位于穿越断层处围岩内；所述隧道结构位于位移空间内；所述支撑系统包括竖向支撑系统和横向铰链约束系统，位于位移空间内、隧道结构外侧；当断层发生错动时，所述隧道衬砌结构保持其初始位置不变在位移空间内自由上下移动，所述竖向支撑系统通过控制坠砣的重量调节隧道结构受到的竖向支撑力，并且提供的竖向支撑力在断层错动时保持不变，所述横向铰链约束系统为隧道提供横向位移约束，但不约束所述隧道结构的竖向位移。2.根据权利要求1所述的隧道穿越活动断层结构设计体系，其特征在于，所述隧道结构与围岩之间预留位移空间，位移空间横截面形状包括但不局限于椭圆形。3.根据权利要求1所述的隧道穿越活动断层结构设计体系，其特征在于，所述位移空间在隧道纵向上的长度l应满足下式：式中：f为断层错动量，ω为规范标准容许误差，％；所述位移空间的纵向长度根据所述隧道结构的变形控制标准确定，其纵剖面内壁轮廓包括但不限于s形曲线。4.根据权利要求1所述的隧道穿越活动断层结构设计体系，其特征在于，所述竖向支撑系统用于扩大承力索对隧道结构的支撑力，扩大倍数通过控制动滑轮组的个数调节；竖向支撑系统包括动滑轮系统、固定滑轮系统、固定锚索、固定结构、承力索和坠砣，固定锚索和固定滑轮系统对应固定在位移空间内壁上，固定结构固定在隧道结构外壁上，固定结构用于固定动滑轮组；承力索绕在动滑轮系统、固定滑轮系统、固定锚索上，其两端连接有坠砣，位移空间包括预留坠砣上下移动的空间。5.根据权利要求4所述的隧道穿越活动断层结构设计体系，其特征在于，所述固定结构包括包括承力杆、底座、销栓和旋转构件；底座固定在隧道结构外壁上，旋转构件与承力杆连接，承力杆与动滑轮组连接，底座与旋转构件通过销栓连接，旋转构件可绕销栓转动。6.根据权利要求4所述的隧道穿越活动断层结构设计体系，其特征在于，所述竖向支撑系统通过控制坠砣的重量调节作用于隧道结构的竖向支撑力。7.根据权利要求1所述的隧道穿越活动断层结构设计体系，其特征在于，所述横向铰链约束系统位于位移空间内、两端分别固定于隧道结构侧墙外壁和位移空间内壁上，其由链杆沿竖直方向排列组成，由于每根链杆不可伸缩，因此约束隧道结构横向位移，又由于其竖直方向为活动体系，因此不约束隧道结构竖向位移。8.根据权利要求1所述的隧道穿越活动断层结构设计体系，其特征在于，所述竖向支撑系统和所述横向铰链约束系统交错布设，空间上避免相互干扰。9.根据权利要求1所述的隧道穿越活动断层结构设计体系，其特征在于，所述隧道结构包括但不局限于公路隧道、铁路隧道、引水隧洞以及各种管廊。

技术总结
本发明公开了一种隧道穿越活动断层结构设计体系，属于隧道建设领域。隧道穿越活动断层结构设计体系包括：位移空间、支撑系统和隧道结构；支撑系统包括竖向支撑系统和横向铰链约束系统；位移空间、支撑系统和隧道结构均位于活动断层处围岩内；支撑系统和隧道结构位于位移空间内；竖向支撑系统分别连接位移空间内壁和隧道结构；横向铰链约束系统位于隧道结构两侧，分别连接隧道结构侧墙外壁和位移空间外壁。本发明隧道穿越活断层体系适用范围广，能够实现断层错动时，隧道既能稳定在初始位置不变，也能保持所受支撑力的恒定，从而达到抗错断的目的。断的目的。断的目的。


技术研发人员：李根 江帅
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/1