(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112324459 A(43)申请公布日 2021.02.05
(21)申请号 202011185261.7(22)申请日 2020.10.29
(71)申请人 成都理工大学
地址 610059 四川省成都市成华区二仙桥
东三路1号(72)发明人 信春雷 郑清 李先明 文浩宇
周鹏发 (74)专利代理机构 合肥兴东知识产权代理有限
公司 34148
代理人 朱波 王伟(51)Int.Cl.
E21D 11/08(2006.01)E21D 11/10(2006.01)E21D 11/15(2006.01)E21D 11/38(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图4页
(54)发明名称
一种适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构(57)摘要
本发明提供了一种适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，包括若干个衬砌单元、衬砌节段柔性接头以及让压阻尼连接接头，每个衬砌单元包括内层的钢片混凝土以及外层的让压阻尼层，环向相邻的两两衬砌单元之间通过让压阻尼连接接头进行拼接形成让压衬砌结构单元；让压衬砌结构单元为多个，相邻的两个让压衬砌结构单元之间通过衬砌节段柔性接头进行拼接形成整体让压衬砌结构，拱脚处有伸入围岩的钢管桩连接。本发明基于主动防御的全新综合结构设计，可通过让压阻尼装置减少断层错动及软岩大变形对衬砌结构的影响。本发明考虑了环向让压支护及纵向柔性接头，围岩与结构并重协调变形。本发明衬砌结构纵向分段横向分块，均采用接头连接。
CN 112324459 ACN 112324459 A
权 利 要 求 书
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1.一种适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于，包括若干个衬砌单元(1)、衬砌节段柔性接头(2)以及让压阻尼连接接头(3)，每个所述衬砌单元(1)包括内层的钢片混凝土(10)以及外层的让压阻尼层(11)，环向相邻的两两衬砌单元(1)之间通过所述让压阻尼连接接头(3)进行拼接形成让压衬砌结构单元；所述让压衬砌结构单元为多个，相邻的两个让压衬砌结构单元之间沿纵向通过衬砌节段柔性接头(2)进行拼接形成整体让压衬砌结构。
2.根据权利要求1所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于，所述整体让压衬砌结构的横截面为多心圆。
3.根据权利要求1所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于，所述钢片混凝土(10)的中间为混凝土层(100)，混凝土层内外两侧为钢板(101)。
4.根据权利要求1所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于，每个所述让压衬砌结构单元对应四个让压阻尼连接接头(3)，分别位于拱顶，仰拱以及两边拱腰的位置。
5.根据权利要求1所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于所述让压衬砌结构单元对应的拱脚位置设有8根钢管桩(4)，8根钢管桩(4)两两一组，四组钢管桩(4)均为竖直和斜向设置并均匀分布在对应的拱脚位置。
6.根据权利要求1所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于，所述让压阻尼层(11)包括第一钢板(110)以及第一钢板(110)内侧均匀分布固定的若干个让压阻尼装置(111)，每个所述让压阻尼装置(111)的另一端均连接内层的钢片混凝土(10)。
7.根据权利要求6所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于，所述让压阻尼装置(111)包括连接钢板(1110)、空心钢管(1111)以及泡沫混凝土(1112)；所述空心钢管(1111)内填充有泡沫混凝土(1112)，所述连接钢板(1110)一端连接所述第一钢板(110)，另一端伸入泡沫混凝土(1112)内，所述空心钢管(1111)底部固定在内层的钢片混凝土(10)上和/或所述连接钢板(1110)一端固定在内层的钢片混凝土(10)上，另一端伸入泡沫混凝土(1112)内，所述空心钢管(1111)顶部连接所述第一钢板(110)。
8.根据权利要求7所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于，所述连接钢板(1110)与泡沫混凝土(1112)接触的两侧设有预开的非贯通裂缝(1113)用于退让吸能。
9.根据权利要求1-7任一所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于，所述让压阻尼连接接头(3)包括第二钢板(30)、让压阻尼装置(111)、钢挡板(31)以及钢片混凝土(10)，所述第二钢板(30)与钢片混凝土(10)之间连接有若干个让压阻尼装置(111)，所述钢挡板(31)位于让压阻尼装置(111)一侧用于抵挡及让压围岩侧的压力。
10.根据权利要求1所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，其特征在于，所述衬砌节段柔性接头(2)包括若干个橡胶衬砌块(20)以及型钢组块(21)，每两个型钢组块(21)之间设有一个橡胶衬砌块(20)，其中，两个型钢组块(21)之间通过钢筋或钢绞线进行连接；所述衬砌节段柔性接头(2)的两侧型钢组块(21)的侧面分别用于连接对应的让压衬砌结构单元。
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说 明 书
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一种适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构
技术领域
[0001]本发明涉及隧道工程支护技术领域，特别涉及一种适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构。
背景技术
[0002]随着川藏铁路生命线工程的建设，隧道工程不可避免的面临穿越断层和高应力软岩地段。隧道在穿越断层段或软岩大变形段时往往在施工和运营期间由于结构措施不足导致衬砌结构破坏，给隧道结构的安全性和经济效益带来重大威胁。而隧道面临的这两区段具有共同点就是都会在一定的触发条件下产生一定的位移，如果衬砌结构″硬抗″的话不仅建设成本高且安全得不到保障。因此采取让压支护是可选的途径，让结构能够有效的适应断层错动位移及大变形位移又不至于丧失使用空间侵入界限和承载功能是让压支护的基本目的。让压支护体系目前尚缺乏支撑其理念有效执行的实际支护措施。[0003]在现有技术中，让压支护目前主要采取的措施是：让压锚杆、预应力锚索、可缩式钢架及钢管等。穿越断层段衬砌主要采用的是衬砌加固结合柔性接头的形式。穿越断层段及软岩大变形段工程上常见的耗能构件包括高强度延性混凝土构件、衬砌应力控制构件、蜂窝状可压缩构件、限阻器构件等。上述现有的抗震理念及措施主要是改变地下结构的性能也即通过改变隧道衬砌的刚度、质量、强度、阻尼等动力特性来减轻其地震响应。依靠强化衬砌刚度效果有时适得其反，有时根本抗不住，且隧道造价也偏高。现有的让压衬砌结构没有形成较好的组合效应，没有贯彻围岩结构一体的理念，在有效减轻断层错动和软岩大变形上还有不足。[0004]基于此，现急需一种能够有效控制围岩变形及断层错动的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构。
发明内容
[0005]为解决上述问题，本发明旨在提出一种适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，通过″横纵断面设计+围岩结构并重+让压阻尼装置″的创新应用，衬砌结构具有″及时支护″、″强支护″、″让压支护″等多种功能，可以有效控制围岩变形及断层错动。[0006]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0007]一种适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，包括若干个衬砌单元、衬砌节段柔性接头以及让压阻尼连接接头，每个所述衬砌单元包括内层的钢片混凝土以及外层的让压阻尼层，环向相邻的两两衬砌单元之间通过所述让压阻尼连接接头进行拼接形成让压衬砌结构单元；所述让压衬砌结构单元为多个，相邻的两个让压衬砌结构单元之间沿纵向通过衬砌节段柔性接头进行拼接形成整体让压衬砌结构。[0008]进一步的，所述整体让压衬砌结构的横截面为多心圆。[0009]进一步的，所述钢片混凝土的中间为混凝土层，混凝土层内外两侧为钢板。[0010]进一步的，每个所述让压衬砌结构单元对应四个让压阻尼连接接头，分别位于拱
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顶，仰拱以及两边拱腰的位置。[0011]进一步的，所述让压衬砌结构单元对应的拱脚位置设有8根钢管桩，8根钢管桩两两一组，四组钢管桩均为竖直和斜向设置并均匀分布在对应的拱脚位置。[0012]进一步的，所述让压阻尼层包括第一钢板以及第一钢板内侧均匀分布固定的若干个让压阻尼装置，每个所述让压阻尼装置的另一端均连接内层的钢片混凝土。[0013]进一步的，所述让压阻尼装置包括连接钢板、空心钢管以及泡沫混凝土；所述空心钢管内填充有泡沫混凝土，所述连接钢板一端连接所述第一钢板，另一端伸入泡沫混凝土内，所述空心钢管底部固定在内层的钢片混凝土上和/或所述连接钢板一端固定在内层的钢片混凝土上，另一端伸入泡沫混凝内，所述空心钢管顶部连接所述第一钢板。[0014]进一步的，所述连接钢板与泡沫混凝土接触的两侧设有预开的非贯通裂缝用于退让吸能。
[0015]进一步的，所述让压阻尼连接接头包括第二钢板、让压阻尼装置、钢挡板以及钢片混凝土，所述第二钢板与钢片混凝土之间连接有若干个让压阻尼装置，所述钢挡板位于让压阻尼装置一侧用于抵挡及让压围岩侧的压力。[0016]进一步的，所述衬砌节段柔性接头包括若干个橡胶衬砌块以及型钢组块，每两个型钢组块之间设有一个橡胶衬砌块，其中，两个型钢组块之间通过钢筋或钢绞线进行连接；所述衬砌节段柔性接头的两侧型钢组块的侧面分别用于连接对应的让压衬砌结构单元。[0017]有益效果：本发明基于主动防御的全新综合结构设计，可通过让压阻尼装置减少断层错动及软岩大变形对衬砌结构的影响。本发明的结构考虑了环向让压支护及纵向柔性接头，考虑了钢管桩与衬砌固接，围岩与结构并重协调变形。本发明衬砌结构纵向分段横向分块，均采用接头连接；衬砌各分块利于工厂化制作现场装配。本发明的结构本身自带防水，对隧道防水措施和要求降低；易于施工和更换修复。本发明的结构设计能有效的应用到跨断层及软岩大变形隧道结构设计及施工中。
附图说明
[0018]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0019]图1为本发明实施例所述的适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构的示意图；
[0020]图2为本发明实施例所述的衬砌单元的剖切示意图；
[0021]图3为本发明实施例所述的让压阻尼层的单个让压阻尼装置与钢片混凝土的钢板配合结构示意图；
[0022]图4为本发明实施例所述的让压阻尼连接接头的结构示意图；[0023]图5为本发明实施例所述的衬砌节段柔性接头的结构示意图。
具体实施方式
[0024]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0025]现有的抗震理念及措施主要是改变地下结构的性能也即通过改变隧道衬砌的刚
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度、质量、强度、阻尼等动力特性来减轻其地震响应。依靠强化衬砌刚度效果有时适得其反，有时根本抗不住，且隧道造价也偏高。现有的让压衬砌结构没有形成较好的组合效应，没有贯彻围岩结构一体的理念，在有效减轻断层错动和软岩大变形上还有不足。实践证明改变衬砌结构的构造性能，同时要考虑围岩和结构共同作用。通过″横纵断面设计+围岩结构并重+让压阻尼装置″的创新应用，衬砌结构具有″及时支护″、″强支护″、″让压支护″等多种功能，可以有效控制围岩变形及断层错动。[0026]实施例1
[0027]基于以上设计思路，参见图1-5：本实施例一种适用于穿越断层及软岩大变形区段的让压衬砌结构，包括若干个衬砌单元1、衬砌节段柔性接头2以及让压阻尼连接接头3每个所述衬砌单元1包括内层的钢片混凝土10以及外层的让压阻尼层11，环向相邻的两两衬砌单元1之间通过所述让压阻尼连接接头 3进行拼接形成让压衬砌结构单元；所述让压衬砌结构单元为多个，相邻的两个让压衬砌结构单元之间沿纵向通过衬砌节段柔性接头2进行拼接形成整体让压衬砌结构。
[0028]本实施例采用装配式衬砌，每个衬砌单元沿着环向通过让压阻尼连接接头进行拼接形成让压衬砌结构单元，多个让压衬砌结构单元沿隧道纵向上通过衬砌节段柔性接头进行拼接形成整体让压衬砌结构，因此本实施例的装配式衬砌结构更加便于工厂化制作安装装配，另外，本实施例的衬砌节段柔性接头以及让压阻尼连接接头能够在纵向以及环向上进行让压缓冲，协调围岩与结构并重协调变形。[0029]在具体应用中，本实施例的外层让压阻尼层能够减少断层错动及软岩大变形对衬砌结构的影响，本实施例是基于主动防御的全新综合结构设计，能有效的应用到跨断层及软岩大变形隧道结构设计及施工中。[0030]具体的，所述整体让压衬砌结构的横截面为多心圆，所述钢片混凝土10 的中间为混凝土层100，混凝土层内外两侧为钢板101，每个所述让压衬砌结构单元对应四个让压阻尼连接接头3，分别位于拱顶，仰拱以及两边拱腰的位置，所述让压衬砌结构单元对应的拱脚位置设有8根钢管桩4，8根钢管桩4 两两一组，四组钢管桩4均为竖直和斜向设置并均匀分布在对应的拱脚位置。[0031]需要说明的是，本实施例的钢管桩与衬砌外层钢板进行刚性焊接，拱脚处钢管桩，将结构与围岩更密合连接一起结构更易适应围岩变形。[0032]在一具体的实例中，参见图2-3：所述让压阻尼层11包括第一钢板110 以及第一钢板110内侧均匀分布固定的若干个让压阻尼装置111，每个所述让压阻尼装置111的另一端均连接内层的钢片混凝土10，所述让压阻尼装置111 包括连接钢板1110、空，心钢管1111以及泡沫混凝土1112；所述空心钢管1111 内填充有泡沫混凝土1112，所述连接钢板1110一端连接所述第一钢板110，另一端伸入泡沫混凝土1112内，所述空心钢管1111底部固定在内层的钢片混凝土10上和/或所述连接钢板1110一端固定在内层的钢片混凝土10上，另一端伸入泡沫混凝土1112内，所述空心钢管1111顶部连接所述第一钢板110，所述连接钢板1110与泡沫混凝土1112接触的两侧设有预开的非贯通裂缝 1113用于退让吸能。[0033]本实施例有非贯通裂缝，在断层错动及软岩大变形下外侧衬砌靠近围岩端钢板压缩，第一钢板与泡沫混凝土作用吸能让压。随着错动量或围岩变形量增加连接钢板持续下压泡沫混凝土压溃外侧钢管沿预开的非贯通裂缝裂开。随着位移量继续增加连接钢板与内
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层钢片混凝土的钢板接触，连接钢板屈服并继续承载。如果位移量继续增加则连接压溃变形。整个让压阻尼装置随位移量增加的工作流程如下：连接钢板与泡沫混凝土摩擦耗能→泡沫混凝土压溃→钢管沿预开裂缝破裂，混凝土退出工作→连接钢板与钢板混凝土接触，连接钢板屈服→连接钢板压溃变形。[0034]另外，需要说明的是，本实施例错位反向安装让压阻尼装置能够更好的让压吸能，两个方向上均能产生上述压溃变形流程。[0035]在一具体的实例中，参见图4：所述让压阻尼连接接头3包括第二钢板30、让压阻尼装置111、钢挡板31以及钢片混凝土10，所述第二钢板30与钢片混凝土10之间连接有若干个让压阻尼装置111，所述钢挡板31位于让压阻尼装置111一侧用于抵挡及让压围岩侧的压力。
[0036]本实施例的让压阻尼连接接头与上述让压阻尼装置随位移量增加的工作流程基本一致，在此不再赘述。另外，需要说明的是，本实施例的钢挡板能够用于围岩受力及隔水。[0037]在一具体的实例中，参见图5：所述衬砌节段柔性接头2包括若干个橡胶衬砌块20以及型钢组块21每两个型钢组块21之间设有一个橡胶衬砌块20，其中，两个型钢组块21之间通过钢筋或钢绞线进行连接；所述衬砌节段柔性接头2的两侧型钢组块21的侧面分别用于连接对应的让压衬砌结构单元。
[0038]本实施例的钢筋(钢绞线)及型钢保证柔性接头具有一定的承载力，而橡胶衬砌块提供柔性即在错动或软岩大变形下橡胶块能变形以适应围岩变形及衬砌纵向变形。[0039]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
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