一种穿断层隧道的柔性隔离结构及岩体大变形控制方法与流程

本发明属于强活动性工程岩体大变形控制技术领域，具体涉及一种穿断层隧道的柔性隔离结构及岩体大变形控制方法。

背景技术：

强活动性地质区域隧道工程建设发生的岩体大变形灾害事例屡见不鲜，它一直是困扰山岭公路、铁路隧道以及地下空间工程的一项国际难题。国际上如欧洲圣哥达基线隧道、美国claremont输水隧洞、土耳其bolu铁路隧道等，国内如兰新铁路乌鞘岭隧道、成兰铁路柿子园隧道和川藏铁路沿线隧道等一系列重大隧道工程都出现了不同程度和不同形式的隧道围岩大变形，穿越活动断层区域的隧道围岩变形更加严重，这些都给隧道施工造成了极大困难，并带来严重的安全隐患。

在隧道围岩大变形灾害控制研究方面，国内外学者进行了大量的理论、模型实验及现场试验研究，大变形灾害控制技术得到了很好地发展，但在强活动性地质区域隧道围岩大变形灾害控制领域，特别是控制围岩米级及数米级大变形方面的研究尚属空白。穿断层及穿活动性断层区域隧道围岩大变形的控制技术难题，突破了隧道工程领域以往所遵循的理论水平，且勘察设计尚无可供借鉴的案例。

因此，需要提供一种应对穿越强活动性地质区域，尤其是穿越活动性断层区域的隧道围岩大变形灾害控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种穿断层隧道的柔性隔离结构及岩体大变形控制方法，实现对隧道穿强活动性地质区域的监测-预警-支护一体化控制。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种穿断层隧道的柔性隔离结构，所述柔性隔离结构包括：巨型npr锚索，所述巨型npr锚索穿过断层，所述巨型npr锚索的两端分别位于断层的两侧，所述巨型npr锚索结构包括：承载板、锚具和锚索；所述锚具呈柱状实体结构，沿所述锚具横截面的垂直方向均匀设置多个通孔，每个所述通孔内均穿过一根所述锚索，所述锚具安装在所述锚索的一端，所述锚具用于锁定所述锚索，所述承载板呈环形且安装在钻孔口，所述锚具抵靠在所述承载板上；监测单元，所述监测单元设置在所述锚具和所述承载板之间，用于监测所述巨型npr锚索的轴向力及断层的相对位移量；采集单元，所述采集单元与所述监测单元之间电连接，用于采集所述监测单元所监测到的数据信息并将所述数据信息发送至移动终端。

依据上述的穿断层隧道的柔性隔离结构，作为优选方案，所述监测单元包括光纤和力学传感器；所述力学传感器套设在所述锚索周向上，并设置在所述承载板和所述锚具之间，所述光纤与所述锚索绑扎，所述光纤的一端随所述锚索穿过断层，另一端与所述采集单元连接；所述力学传感器用于监测所述锚索的轴向力，所述光纤用于监测断层的相对位移量；所述锚具的横截面为圆形，所述承载板的横截面大于所述锚具的横截面，且大于所述力学传感器的横截面。

依据上述的穿断层隧道的柔性隔离结构，作为优选方案，所述采集单元包括：数据采集模块，所述数据采集模块与力学传感器电连接，用于将所述力学传感器所监测到的轴向力转换成电信号；数据存储模块，所述数据存储模块用于处理并存储所述数据采集模块得到的数据信息；数据发射模块，所述数据发射模块与所述数据存储模块电连接，用于将存储的数据信息发送至移动终端。

依据上述的穿断层隧道的柔性隔离结构，作为优选方案，所述采集单元还包括：光纤调解器；所述光纤调解器与所述数据采集单元之间电连接，所述光纤调解器连接所述光纤，用于将光信号转换成电信号。

依据上述的穿断层隧道的柔性隔离结构，作为优选方案，所述采集单元和所述光纤调解器放置在封闭腔体内，所述封闭腔体设置在所述巨型npr锚索的外侧，所述封闭腔体用于保护所述采集单元和所述光纤调解器，避免受到外力损坏；

优选地，所述封闭腔体的材质为木材或金属。

依据上述的穿断层隧道的柔性隔离结构，作为优选方案，所述锚索由npr冷轧带肋钢筋在锻造过程中加入npr微小单元，形成弥散颗粒，进行螺旋加工制作而成。

本发明还提供一种使用穿断层隧道的柔性隔离结构对岩体大变形控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤s1，对穿越断层区域的隧道浅埋段从地表直接打钻孔或从地表开挖设定的空间区域后布设巨型npr锚索，隧道深埋段从隧道内部向外部进行导洞开挖；

步骤s2，导洞开挖完成后，以获得可进行巨型npr锚索施工的空间区域，在隧道洞身四周的空间区域进行支护施工；

步骤s3，在空间区域内施工，将巨型npr锚索穿过断层后放置；

步骤s4，对放置完成的巨型npr锚索的锚固段进行锚固。

依据上述的使用穿断层隧道的柔性隔离结构对岩体大变形控制方法，作为优选方案，所述步骤s3具体包括：

步骤s301，与断层相交的方向进行钻孔施工，得到钻孔；

步骤s302，将巨型npr锚索放置在钻孔内；

步骤s303，向钻孔内充填锚固剂，对所述巨型npr锚索的锚固段进行锚固；

步骤s304，在钻孔口制作锚墩并依次安装承载板、监测单元、锚具和采集单元。

依据上述的使用穿断层隧道的柔性隔离结构对岩体大变形控制方法，作为优选方案，所述步骤s4中对巨型npr锚索的锚固段进行锚固所使用的锚固剂材料为具有弹性吸能特性的材料；

优选地，所述弹性吸能特性的材料为可修复混凝土。

依据上述的使用穿断层隧道的柔性隔离结构对岩体大变形控制方法，作为优选方案，所述巨型npr锚索的长度为60-100m。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明提供一种穿断层隧道的柔性隔离结构及岩体大变形控制方法，通过施工巨型npr锚索对隧道穿越断层或活动断层等强活动性地质区域进行三维缝合，利用增量控制的原理，达到区域锁固的目的，保证隧道结构处于稳定状态，实现对隧道穿越强活动性地质区域的监测-预警-支护一体化控制。

穿断层隧道段开挖后，在隧道洞身四周空间进行柔性隔离支护结构施工，该柔性隔离结构由可适应工程岩体大变形及能够吸收岩体变形能量的巨型npr锚索和具有弹性吸能特性的可修复混凝土组成，当断层区域因地质构造运动出现错动时，隧道围岩断错层变形产生的巨大能量中的绝大部分被柔性隔离结构吸收，且与其他穿断层或穿活动断层监测设备只具备监测功能或支护结构只具备支护功能相比，本发明可实现对隧道周边区域监测-预警-支护一体化控制，本发明创造性提出了三维缝合技术，利用增量控制原理，达到区域锁固的目的，可实现将隧道工程岩体米级变形量控制到厘米级变形量范围的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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。其中：

图1为本发明实施例中的巨型npr锚索结构示意图；

图2为本发明实施例中的隧道柔性隔离结构穿断层三维结构示意图；；

图3为本发明实施例中的隧道柔性隔离结构穿断层平面示意图；

图4为本发明实施例中的走滑断层灾害控制三维结构示意图；

图5为本发明实施例中的左旋走滑断层破坏后结构示意图；

图6为本发明实施例中的右旋走滑断层破坏后结构示意图；

图7为本发明实施例中的正逆断层灾害控制三维结构示意图；

图8为本发明实施例中的正断层破坏后结构示意图；

图9为本发明实施例中的逆断层破坏后结构示意图；

图10为本发明实施例中的深部缝合各结构位置关系示意图。

图中：1、隧道；2、左盘；3、巨型npr锚索；4、右盘；5、锚索；6、承载板；7、锚具；8、力学传感器；9、岩体；10、上盘；11、下盘；12、断层；13、导洞。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。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。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，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。

穿断层隧道段施工开挖后，在隧道洞身四周空间(百米直径范围内)及更远区域空间(百米直径范围外)进行柔性隔离支护施工，该柔性隔离结构所用支护材料由可适应工程岩体大变形、能够吸收岩体变形能量、具负泊松比效应及提供恒阻力的巨型锚索材料和具有弹性吸能特性的可修复混凝土组成，当断层区域因地质构造运动出现错动时，隧道围岩断错变形产生的巨大能量中的绝大部分被柔性隔离结构吸收，从而将隧道工程岩体米级变形量控制到厘米级变形量范围。具体说来，分为“浅部缝合”、“深部缝合”和“复式缝合”三种方式，“浅部缝合”指，当隧道埋深处于地层浅部(浅部指隧道围岩在该埋深条件下未产生或产生很少塑性破坏的一种深度范围)，巨型锚索材料从地面施工，对隧道穿活动断层的区域空间进行缝合；“深部缝合”指，当隧道埋深处于地层深部(深部指隧道围岩在该埋深条件下产生显著塑性破坏的一种深度范围)，首先从隧道内部往其外部施工导洞，然后在导洞空间内施工巨型锚索材料对活动断层的区域空间进行缝合；“复式缝合”指，根据隧道埋深及所处地层区域实际情况采用两种方式组合的支护形式。

本发明提供一种穿断层隧道的柔性隔离结构，如图1所示，柔性隔离结构包括巨型npr锚索3、监测单元和采集单元，巨型npr锚索3穿过断层12，两端设置在断层12的两侧，本发明实施例中的巨型npr锚索3结构包括承载板6、锚具7和锚索5，承载板6为环形平面实体结构，形状可以是长方形、正方形和圆形等，所有锚索5均穿过承载板6中间的环形孔伸入到钻孔中，承载板6上的环形孔与钻孔的孔口大小相对应，可选地，承载板6为一定厚度的铁板制成，具体厚度根据现场实际情况进行设定，承载板6安装在力学传感器8和锚墩之间，防止力学传感器8与锚墩直接接触，导致力学传感器8受力不均匀，承载板6的横截面大于力学传感器8的横截面，使力学传感器8与锚墩传递力的材料刚性更大，承载板6的横截面大于力学传感器8的横截面，使得力学传感器8在锚墩上的压力分布更加均匀，避免产生应力集中，可选地，锚具7呈扁圆柱实体结构，锚具7抵靠在承载板6上，沿锚具7横断面上均匀设置多个通孔，多根锚索5均分别穿过多个通孔，即一个通孔内安装一根锚索5，锚具7安装在锚索5的末端，通过张拉锚索5，使得锥形夹片塞入通孔内，锚索5和锥形夹片配合使用，可以在通孔内发挥锚固作用，将锚索5进行锁定，锚索由npr冷轧带肋钢筋在锻造过程中加入npr微小单元，形成弥散颗粒，npr微小单元具体为，首先通过球差电镜明暗场确定的二相2-5纳米的颗粒与基体共格，进一步通过纳米电子衍射确定第二相纳米颗粒具有fcc面心立方结构，晶体常数0.82纳米。通过添加剂及冶炼工艺设计，使夹杂物的纳米细粒化，纳米颗粒从而和基体实现共格，同时通过设计，在纳米颗粒共格的基础上，实现晶内栾晶共格，晶界共格等多重共格设计。共格界面相对于非共格界面位错可以再界面滑动，因此通过提高材料中的共格界面密度可同时提高锚索5的强度和韧性；同时对热轧盘圆进行螺旋加工制作而成，从而获得高恒阻，高屈服，最大力延伸率特性的特殊新型材料制成的锚索，称之为微观锚索，依靠锚索材料本身的性质实现大变形的控制；热轧盘圆是成盘的小直径的圆钢，将多跟小直径圆钢通过螺旋加工工艺制成单根锚索5，理论上来说，所用小直径圆钢越多，锚索5抗拉强度越高。将特定的热轧圆盘条用专门的冷轧扭机按规定的工艺参数经调直、冷拉、冷轧、冷扭一次性加工成型的呈连续螺旋状的冷强化钢筋，即高恒阻，高屈服的锚索5，监测单元设置在巨型npr锚索3外侧且与光纤和高精度力学传感器8连接，用于监测巨型npr锚索3的轴向力及断层12的相对位移量，采集单元与监测单元之间电连接，采集单元用于采集、处理并存储数据，实时向移动终端发送存储数据，实现对隧道1穿越强活动性地质区域的监测-预警-支护一体化控制。

如图2-图4所示，本发明中的巨型npr锚索3布设在隧道1围岩断层地带，巨型npr锚索3穿越断层12或穿活动断层12，当隧道1围岩断错层变形时，巨型npr锚索3受力变形，在巨型npr锚索3轴向上产生一个轴向力，轴向力被监测单元监测到，以实现对隧道1周边区域监测目的，通过采集单元向移动终端发送信号，就可以实现对隧道周边区域的预警监测目的。

进一步，监测单元包括光纤和力学传感器，光纤用于监测断层相对位移量，光纤与锚索5绑扎，光纤的长度大于恒阻套管的长度，光纤随巨型npr锚索3穿过断层伸入至坚硬岩体9并锚固，另一端与采集单元连接，力学传感器8用于监测锚索5的轴向力，力学传感器8套设在巨型npr锚索3上，具体为力学传感器8设置在承载板6的外表面，力学传感器8优选为高精度压力传感器，可以对隧道围岩断错层的变形进行精确监测，对于高精度力学传感器的类型本发明不做进一步限定。

进一步，采集单元包括数据采集模块、数据存储模块、数据发射模块和光纤调解器，光纤调解器连接光纤，用于将光纤监测到的光信号转换成电信号，光纤调节器电连接数据采集模块，数据采集模块采集光纤调节器所转换的电信号，数据采集模块还与力学传感器8电连接，力学传感器8将监测到的轴向力转换成电信号，数据采集模块采集压力传感器8所转换的电信号，数据存储模块用于处理并存储数据采集模块所转换到的数据信息，数据发射模块与数据存储模块电连接，数据发射模块将数据存储模块中的数据信息按设定频率发送至移动终端，采集单元的供电单元根据具体情况进行具体设置，对于“浅部缝合”可以利用太阳能板将电量储存到蓄电池中，以备后续使用，对于“深部缝合”则需要连接到隧道内部电力设施。

为保护采集单元和光纤调解器，使其能正常工作，本发明实施例中将采集单元和光纤调解器放置在封闭腔体中，封闭腔体放置在巨型npr锚索的外部，优选封闭腔体为木质或金属所制成的长方形盒体，将采集单元和光纤调解器放置其中，以保证其正常运行。

从地质学来讲，断层为具有一定厚度、长度和宽度的三维地质体，源于地质构造运动，因此断层12区域的大小及范围并不是固定。本发明中提到的穿断层12区域指，通过地质勘察手段勘察出来的一定范围内有潜在断层活动带或极有可能会发生断层运动的地质构造危险区域。本发明在隧道1周围布设巨型npr锚索3，同时也可在百米以外的区域布设巨型npr锚索3。这样的布设理念最终的目的就是使得巨型npr锚索3可以将断层12错动产生的巨大能量吸收，从而保护隧道1结构体。

本发明一种使用穿断层隧道的柔性隔离结构对岩体大变形控制方法，该控制方法包括以下步骤：

步骤s1，对于穿越断层12区域的隧道浅埋段从地表直接打钻孔或从地表开挖一定空间区域后布设巨型npr锚索，对于穿越断层12区域的隧道深埋段从其内部向外部进行导洞13开挖。

如图10所示，穿断层隧道深埋段开挖后，以导洞13开挖的方式从隧道1段的内部向外部开挖，得到隧道1洞身以外的空间区域，具体为先在隧道1内部进行导洞13开挖获得空间区域，在此空间区域进行布设巨型npr锚索3属于“深部缝合”，导洞13的尺寸视实际工程条件而定，为获得较好的缝合效果，导洞13的形式在空间上不限于上下梯形，类似于隧道1开挖前先施加竖井及导洞13。“浅部缝合”是指隧道1埋深不大，从地表直接或先开挖一定的空间区域后打入巨型npr锚索3就可以实现“缝合”，这里就不需要在隧道1内部施做导洞13获得空间区域。

步骤s2，导洞13开挖完成后，以获得可进行巨型npr锚索3施工的空间区域，在隧道1洞身四周的空间区域进行支护施工，以保证空间区域结构稳定。

步骤s3，在空间区域内施工，将巨型npr锚索3穿断层12放置。

步骤s4，对放置完成的巨型npr锚索3锚固段进行锚固。

在空间区域内施工，将巨型npr锚索3穿断层12放置的施工过程中具体包括以下施工步骤：

步骤s301，与断层12相交的方向进行钻孔施工，得到钻孔，钻孔的最终深度要使得巨型npr锚索3的一端锚固在坚硬岩体9上。

步骤s302，将巨型npr锚索3放置在钻孔内。

本发明实施例中的巨型npr锚索3的恒阻力常规可达到100-300t，特殊情况下可达300t以上，所能承受的常规变形量为2000-4000mm，特殊情况下可达4000mm以上，锚索5长度在60-100m，当然，在符合工程需求的情况下，锚索5的长度还可以自由增减。

巨型npr锚索3的两端分别位于断层12区域的两侧，以便对断层12活动区域进行缝合，由于断层12错动形式有多种，如图5-图9所示，包括正、逆及走断层等多种形式，巨型npr锚索3缝合参数不做具体限定，根据现场实际情况进行具体设置，巨型npr锚索3布设的角度、深度和密度等不局限于一种，根据地质实际情况具体设定。

步骤s303，向钻孔内充填锚固剂，对巨型npr锚索3的锚固段进行锚固。

对巨型npr锚索3进行锚固是采用具有弹性吸能特性的材料进行锚固，以达到区域锁固，断层12错动会产生巨大能量，而巨型npr锚索3具有能量吸收的特性，当产生的能量绝大部分被巨型npr锚索3吸收之后，隧道1只承受很小一部分能量，使其变形量控制在允许范围内，从而保护隧道1结构体。本发明实施例中的弹性吸能材料优选为可修复混凝土，可修复混凝土采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料，具有吸能的特性，可以减去断层发生变形时所产生的巨大能量。

巨型npr锚索3和具有弹性吸能特性的可修复混凝土组成柔性隔离结构，不仅可以实现对穿断层12或穿活动断层12实施监测-预警的目的，而且可修复混凝土还可以实现对隧道1周边区域一体化支护的目的，通过施工巨型npr锚索对隧道1穿断层12或活动断层12等强活动性地质区域进行三维缝合，利用增量控制(隧道1穿强活动性地质区域范围内的工程岩体因构造运动遭受破坏产生的能量减去隧道1支护结构为保证隧道1结构体不被破坏所吸收的能量)的原理，达到区域锁固(当隧道所穿的板块发生强地质构造运动时，该隧道1周边区域在柔性隔离结构保护下不受到或极少受到构造运动的影响)的目的，保证隧道1结构体处于稳定状态。

步骤s304，在钻孔口制作锚墩并依次安装承载板6、监测单元、锚具7和采集单元。

将巨型npr锚索3锚固完成后，在钻孔口制作锚墩，锚墩上预先安装有螺栓，承载板6上开设有与螺栓相对应的螺栓孔，螺栓穿过螺栓孔将承载板6固定在锚墩的外侧，锚具7安装在锚索5的末端，监测单元中的力学传感器套设在承载板6和锚具之间，并与采集单元电连接，采集单元设置在锚墩的一侧，实现监测-预警-支护一体化控制，利用增量控制原理，达到区域锁固的目的，实现将隧道1工程岩体米级变形量控制到厘米级变形量范围的目的。

综上所述，本发明提供一种穿断层隧道的柔性隔离结构及岩体大变形控制方法，通过施工巨型npr锚索3对隧道1穿越断层12或活动断层12等强活动性地质区域进行三维缝合，利用增量控制的原理，达到区域锁固的目的，保证隧道1结构处于稳定状态，实现对隧道1穿越强活动性地质区域的监测-预警-支护一体化控制。穿断层12隧道1段开挖后，在隧道1洞身四周空间进行柔性隔离支护结构施工，该柔性隔离结构由可适应工程岩体大变形及能够吸收岩体变形能量的巨型npr锚索3和具有弹性吸能特性的可修复混凝土组成，当断层区域因地质构造运动出现错动时，隧道围岩断错层变形产生的巨大能量中的绝大部分被柔性隔离结构吸收，且与其他穿断层12或穿活动断层12监测设备只具备监测功能或支护结构只具备支护功能相比，本发明可实现对隧道周边区域监测-预警-支护一体化控制，本发明创造性提出了三维缝合技术，利用增量控制原理，达到区域锁固的目的，可实现将隧道1工程岩体米级变形量控制到厘米级变形量范围的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。