本发明属于土木工程技术领域，更具体地，涉及一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构。
背景技术
活动断层是指目前正在活动着的断层,或是近期曾有过活动而不久的将来可能会重新活动的断层。在隧道穿越断层区域，特别是穿越活动断层区域，由于断层蠕变或突发性地震会导致该区域产生一定的位错量，引起隧道横向剪切破坏。
国内外已有多例隧道穿越活动断层案例，穿越的活动断层既有突发错动型也有蠕滑型，位错量30～50cm不等，但都采用矿山法通过。对于活动断层位错的设计思路有“超挖”式，如图1和图2、“铰接”式，如图3和图4、“隔离消能”式，如图5和图6共三大类形式。工程应用中，采用其中一种或两种组合甚至三种全用的方式，而“超挖”和“铰接”应用相对较多。穿越活动断层矿山法设计中，“超挖”设计的超挖量一般等于活动断层位错量；“铰接”设计一般通过设置多道抗震缝(缝间距4～6m)来使隧道逐节错动达到设计错动量；“隔离消能”设计一般在初期支护与二次衬砌之间充填多孔材料(如泡沫混凝土)来防止二次衬砌破坏，填充层厚度应大于断层位错量。
常规矿山法若采用“超挖”设计，整个盾构段需全部采用扩大断面，技术经济性上均不合理，而盾构隧道管片宽一般为1～2m，本身就是良好的“铰接”结构。但位于基岩地层的活动断层破碎带宽度一般较窄(20m左右居多)，盾构隧道穿越水平位错的活动断层时，在不过分加大隧道净空以保证经济性的前提下，如何防止隧道被“剪断”并保证接缝防水有效仍然是摆在工程设计人员面前的一大难题。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构，其目的在于解决盾构隧道穿越水平位错的活动断层时，不过分加大盾构隧道净空，并能有效防止盾构隧道被“剪断”的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构，其特征在于，该盾构隧道结构包括隧道主体结构和布置于所述隧道主体结构周围的柔性消能结构；
所述隧道主体结构穿过基岩地层的活动断层，且所述活动断层将基岩地层分为活动断层上盘与活动断层下盘，所述活动断层上盘位于所述活动断层上方，所述活动断层下盘位于所述活动断层下方，所述活动断层上盘与所述活动断层下盘相对于所述活动断层在水平方向发生位错时产生活动断层位错量；
所述柔性消能结构设置于所述活动断层所处的脱空区间内，所述柔性消能结构包括竖直设置于所述隧道主体结构两侧的隔离槽和水平设置于所述隧道主体结构顶部及底部的松动层，所述松动层的顶端上部为原始基岩地层或土层，底端下部为原始基岩地层，所述隔离槽顶端与地面或水底面相接。
进一步地，所述隔离槽的厚度不少于三倍所述活动断层位错量。
进一步地，所述隔离槽内填充柔性材料，且所述柔性材料变形模量应小于岩体变形模量的十分之一。
进一步地，所述隔离槽紧贴所述隧道主体结构设置。
进一步地，所述柔性材料包括软土或中粗砂。
进一步地，所述隔离槽沿轨道方向设置长度＝管片环宽×位错量÷环间允许错台量×安全系数。
进一步地，所述隔离槽采用打桩或者成槽方式施工。
进一步地，所述松动层的厚度不小于所述活动断层位错量的三倍。
进一步地，所述松动层采用地面预爆破方式施工。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构，其柔性消能包括竖直设置于隧道主体结构两侧的隔离槽和水平设置于隧道主体结构顶部及底部的松动层，所述松动层的顶端上部为原始基岩地层或土层，底端下部为原始基岩地层，隔离槽顶端与地面或水底面相接，通过设置隔离槽与松动层，在不过分加大盾构隧道净空的前提下，保证了盾构隧道穿越水平位错活动断层时的结构安全，具有良好的经济性，提高了盾构隧道修建技术水平。
(2)本发明的一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构，隔离槽的厚度应不少于三倍活动断层位错量，其内填充软土、中粗砂等柔性材料，且柔性材料变形模量应小于岩体变形模量的十分之一，且隔离槽一般紧贴隧道主体结构设置，形成良好的“柔性消能”结构，减少了岩体对隧道主体结构直接的力的作用。
(3)本发明的一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构，所述隔离槽沿轨道方向铺设长度为：
l＝d×δx/δy×a(1)
式中：l：隔离槽的铺设长度，单位m；
d：管片环宽，单位m；
δx：活动断层位错量，单位m；
δy：环间允许错台量，单位m；
a：安全系数，取值范围1.5～2。
出现水平方向位错时，本来出现在活动断层范围的位错延展至隔离槽区间段落，相应的盾构隧道位错长度由所述活动断层宽度变为设置所述隔离槽的长度，与不设置所述隔离槽相比，盾构环间错台量大幅减少，降低了管片环间抗剪及密封止水要求，对于位错量大的断层，变无法穿越成为可穿越，提高了盾构隧道穿越活动断层的适应能力。
(4)本发明的一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构，隔离槽可自地面或水底面施工，采用打桩或者成槽等机械施工方式，松动层位于盾构隧道垂直范围内，其采用地面预爆破方式施工，提高了施工效率，减小了施工作业成本。
附图说明
图1为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错前超挖状态示意图；
图2为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错后超挖状态示意图；
图3为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错前铰接状态示意图；
图4为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错后铰接状态示意图；
图5为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错前隔离消能状态示意图；
图6为现有技术中一种隧道穿越活动断层位错后隔离消能状态示意图；
图7为本发明实施例一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构的活动断层水平位错发生前平面示意图；
图8为本发明实施例一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构的活动断层水平位错发生后平面示意图；
图9为本发明实施例一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构的横向断面图。
图1～图9中，同一个附图标记表示相同的结构与零件，其中：1-活动断层、2-活动断层上盘，3-活动断层下盘、4-活动断层位错量、5-隔离槽、6-可能发生脱空区间、7-隧道主体结构、8-地面或水底面、9-松动层、10-原始基岩结构、11-土层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图9为本发明实施例一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构的横向断面图，如图9所示，本系统包括隧道主体结构7和布置于所述隧道主体结构7周围的柔性消能结构。其中，所述隧道主体结构7为传统盾构法施工隧道，隧道盾构管片宽一般1至2米，管片由钢筋混凝土制成，且位于可能发生脱空区间6的管片应设置环间允许错台量，根据错台量，对环间抗剪结构与密封垫结构进行相应的处理；所述柔性消能结构设置于所述可能发生脱空区间6内，所述柔性消能结构包括竖直设置于盾构隧道两侧的隔离槽5和水平设置于盾构隧道顶部和底部的松动层9，所述松动层的顶端上部为原始基岩地层10或土层11，底端下部为原始基岩地层10，所述隔离槽5顶端与地面或水底面8相接。通过设置隔离槽与松动层，形成良好的“柔性消能”结构，在不过分加大盾构隧道净空的前提下，保证了盾构隧道穿越水平位错活动断层时的结构安全，具有良好的经济性，提高了盾构隧道修建技术水平。
如图7和图8所示，所述隧道主体结构7穿过基岩地层的活动断层1，且所述活动断层1将基岩地层分为活动断层上盘2与活动断层下盘3，所述活动断层上盘2位于所述活动断层1上方，所述活动断层下盘3位于所述活动断层1下方；当水平位错发生后，所述活动断层2与所述活动断层3相对于所述活动断层1在水平方向发生位错，产生活动断层位错量4。
如图7、图8和图9所示，所述隔离槽5的厚度应不少于三倍所述活动断层位错量4，其底面应低于盾构隧道底面，其内部填充软土、中粗砂等柔性材料，且柔性材料变形模量应小于岩体变形模量的十分之一，所述隔离槽5一般紧贴所述隧道主体结构7设置，以减少岩体对所述隧道主体结构直接的力的作用。
所述隔离槽5沿轨道方向设置长度一般根据所述活动断层位错量4确定，所述隔离槽(5)沿轨道方向铺设长度为：
l＝d×δx/δy×a(1)
式中：l：所述隔离槽(5)的铺设长度，单位m；
d：管片环宽，单位m；
δx：所述活动断层位错量(4)，单位m；
δy：环间允许错台量，单位m；
a：安全系数，取值范围1.5～2。
当地震引起活动断层上下盘岩体出现水平方向的位错时，本来出现在所述活动断层1范围的位错延展至所述隔离槽5区间段落，相应的位错区间长度由所述活动断层1的宽度变为设置所述隔离槽5的长度，通过设置所述隔离槽5，与不设置所述隔离槽5相比，盾构环间错台量大幅减少，降低了管片环间抗剪及密封止水要求。对于位错量大的断层，变无法穿越成为可穿越，提高了盾构隧道穿越活动断层的适应能力。
所述松动层9的厚度不小于所述活动断层位错量4的三倍，当活动断层出现水平位错时，起到产生柔性水平变形的作用。
所述隔离槽5可自所述地面或水底面8施工，采用打桩或者成槽等机械施工方式，于槽内填充软土、中粗砂等柔性材料，所述松动层9采用地面预爆破方式施工，并在盾构隧道修建前，于设计线路上进行施工，较传统施工作业方式提高了施工效率，减小了施工作业成本。
本发明的一种穿越水平位错活动断层的盾构隧道结构，通过在所述隧道主体结构7两侧设置所述隔离槽5，水平方向设置所述松动层9，将本来出现在所述活动断层1范围的位错延展至所述隔离槽5区间段落，相应的位错区间长度由所述活动断层1的宽度变为所述隔离槽5的长度，使得单位长度的所述隧道主体结构7变形量较不加所述隔离槽5之前的变形量大大减小，使盾构隧道径向受力情况改善。起到了当盾构隧道穿越水平位错活动断层时，不仅不加大盾构隧道净空，并且能有效防止其被所述活动断层1的应力“剪断”的作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。