一种跨断层破碎带隧道抗错断连接装置及其施工方法

本发明涉及一种跨断层破碎带隧道抗错断连接装置及其施工方法，属于隧道施工技术领域。

背景技术：

为防止地震发生时断层黏滑错动或者活动断层长期蠕滑错动引发地下结构发生破坏，公路隧道、铁路隧道及输水隧洞等线性结构在线路选择时，应尽量避开活断层。但在实际工程中，尤其是我国西南地区，受地质条件、线路走向和施工条件等因素的限制，隧道不可避免地会穿越活断层。断层错动作用产生的永久变形，对于穿越其中的隧道往往造成张拉、扭剪、弯曲破坏，严重者甚至会产生大幅度错台或整体坍塌。

目前，国内外关于断层错动作用下隧道的力学响应及对应措施的研究层出不穷。大量试验和数值模拟结果表明，采用铰接式衬砌是一种有效的抗错断措施，能够有效降低断层错动对隧道的影响。但现有研究均未考虑隧道整体在断层处的连接方式，尤其是初期支护和防水层在实际施工时的做法。因此，提出一种跨断层破碎带隧道的抗错断连接方式，对于增加隧道工程的稳定性，降低交通安全风险，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明为了解决上述背景技术中提到的技术问题，提出一种跨断层破碎带隧道抗错断连接装置及其施工方法，实现断层两侧隧道初期支护与初期支护间，以及二次衬砌与二次衬砌间的连接，以满足实际设计与施工中的需要。

本发明提出一种跨断层破碎带隧道抗错断连接装置，包括从外到内依次设置的初期支护、防水层和二次衬砌，

所述初期支护包括两个钢筋网、若干工字型钢拱架、若干吊筋和混凝土，所述两个钢筋网和若干工字型钢拱架均为环形，在隧道跨断层两侧的内壁设置钢筋网，钢筋网通过工字型钢拱架进行支撑，两个钢筋网通过若干吊筋连接，对两侧钢筋网部分进行混凝土喷射，断层处浇筑泡沫混凝土；

所述二次衬砌包括两个钢筋骨架、若干吊筋、若干连接结构和混凝土，两个钢筋骨架间通过若干吊筋和连接结构进行连接，对两侧钢筋骨架部分进行混凝土浇筑，断层处浇筑泡沫混凝土。

优选地，所述吊筋包括两段上平直段、两段斜长段和下平直段，所述下平直段两侧上方连接有两段斜长段。两段斜长段分别连接两段上平直段。

优选地，所述钢筋网包括若干纵向钢筋ⅰ和环向钢筋ⅰ，若干纵向钢筋ⅰ和环向钢筋ⅰ相互垂直绑扎成环形网。

优选地，所述钢筋骨架包括若干纵向钢筋ⅱ、环向钢筋ⅱ和箍筋，若干纵向钢筋ⅱ和环向钢筋ⅱ相互垂直绑扎成环形钢筋骨架网，并通过箍筋进行绑扎加固。

优选地，所述防水层包括防水板和土工布，防水层在断层处进行褶皱处理，以确保在地震作用下能够预留足够的变形裕度，防止防水层被拉断。

优选地，所述连接结构包括两个约束锚固钢板和u形连接钢板，两个约束锚固钢板与钢筋骨架连接，中间通过u形连接钢板进行固定连接。

优选地，所述约束锚固钢板包括两个锚固钢板、横板和若干螺栓孔ⅰ，所述横板上垂直安装有两个锚固钢板，所述横板上设置有若干螺栓孔ⅰ。

优选地，所述u形连接钢板包括u形钢板和若干螺栓孔ⅱ，所述u形钢板的两翼板上分别设置有若干螺栓孔ⅱ，所述螺栓孔ⅱ的个数与位置和螺栓孔ⅰ相对应。

一种所述的跨断层破碎带隧道抗错断连接装置的施工方法，具体包括以下步骤：

(1)在隧道断层两侧已开挖的洞身内按照施工图纸所示位置绑扎钢筋，铺设钢筋网，待钢筋网铺设完成后，布置工字型钢拱架；

(2)在断层两侧洞身内已铺设好的钢筋网间，周向均匀布置吊筋，吊筋两端的上平直段采用焊接的方式与钢筋网间进行连接，或者在绑扎纵向钢筋ⅰ时沿纵向预留一定长度，弯折成吊筋的形式后与断层另一侧的钢筋网间进行锚固连接；

(3)采用湿喷技术进行隧道初期支护的混凝土喷射作业，喷射作业遵循自下而上，分层分段的顺序，先喷射钢拱架与洞身壁面间的混凝土，再喷射两钢拱架间的混凝土，首层混凝土初凝后方能喷射下一层，在喷射过程中，钢筋网间的断层处无喷射作业，通过模板将断层处隔开。

(4)待隧道初期支护混凝土喷射完成后，在断层处支撑的模板内浇筑泡沫混凝土，凝结后拆除模板，完成隧道初期支护的全部混凝土喷射和浇筑作业；

(5)在初期支护的内壁铺设防水层，防水板采用无钉铺设方法，防水板的接缝处采用热合机自动焊缝形成或是使用专用胶粘接，防水层在断层处应进行褶皱处理，以确保在地震作用下能够预留足够的变形裕度，防止防水层被拉断；

(6)在断层两侧的防水层内壁按照施工图纸所示位置绑扎钢筋，铺设钢筋骨架；

(7)在断层两侧的防水层内壁钢筋骨架间，周向均匀布置吊筋和约束锚固钢板，其中，吊筋两端的上平直段采用焊接的方式与钢筋骨架间进行连接，或者在绑扎纵向钢筋ⅱ时沿纵向预留一定长度，弯折成吊筋的形式后与断层另一侧的钢筋骨架间进行锚固连接，约束锚固钢板的锚固钢板与钢筋骨架间进行焊接连接，并与吊筋沿竖直方向彼此平行；

(8)将u形连接钢板的两翼板壁下表面紧贴约束锚固钢板的水平板壁边缘上表面，确保螺栓孔ⅱ和螺栓孔ⅰ对齐，然后将高强螺栓沿螺栓孔ⅱ和螺栓孔ⅰ贯通插入，高强螺栓在约束锚固钢板下表面伸出的螺杆部分，通过螺母拧紧固定；

(9)在断层两侧的防水层内壁钢筋骨架外支撑模板，浇筑混凝土，待混凝土凝固后拆除模板，在浇筑过程中，钢筋骨架间的断层处无浇筑作业，通过模板将断层处隔开；

(10)待隧道二次衬砌混凝土浇筑完成后，在断层处支撑的模板内浇筑泡沫混凝土，凝结后拆除模板，完成隧道二次衬砌的全部混凝土浇筑作业。

优选地，步骤5中，所述防水板的无钉铺设方法为先通过塑料垫圈和射钉将土工布固定于初期支护表面，再使用专用粘合剂将防水板粘贴在垫圈上。

本发明所述的跨断层破碎带隧道抗错断连接装置及其施工方法的有益效果为：

1、本发明在断层两侧的隧道初期支护和二次衬砌间通过吊筋、约束锚固钢板和u形连接钢板连接。在地震作用下，当断层发生错动时，作为主要的受力构件，吊筋和u形连接钢板可有效承担隧道抗错动时所产生的剪力和弯矩，将损伤控制在连接区域，最大限度的避免隧道主体发生破坏。

2、本发明在断层处的连接区域内浇筑泡沫混凝土，具有防水性强，低弹减震性好的优点，既可防止吊筋和u形连接钢板因环境因素发生锈蚀，又能在地震时吸收并耗散能量，增强了隧道的整体抗震性能。

3、本发明中，初期支护与二次衬砌间的防水层，在断层处进行了褶皱处理，从而确保在地震作用下能够预留足够的变形裕度，防止防水层被拉断。

4、本发明中，吊筋、约束锚固钢板和u形连接钢板均可在工厂预制完成，运输到现场后按照施工顺序安装。当断层处的连接区域在地震作用下发生破坏时，由于泡沫混凝土具有低弹性模量的特点，凿开后可直接修复或更换连接构件，满足当下建筑结构功能可恢复的发展理念。

附图说明

构成本申请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：

图1是钢筋网的三维图；

图2是工字型钢拱架的三维图；

图3是吊筋的三维图；

图4是防水层的三维图；

图5是钢筋骨架的三维图；

图6是约束锚固钢板的三维图

图7是u形连接钢板的三维图；

图8是高强螺栓的三维图；

图9是螺母的三维图；

图10是在断层两侧已开挖的洞身内铺设钢筋网并布置工字型钢拱架的三维图；

图11是在断层两侧的钢筋网间布置吊筋的左视图；

图12是在断层两侧的钢筋网间布置吊筋的三维图；

图13是隧道初期支护混凝土喷射完成的三维图；

图14是在初期支护间的断层处浇筑泡沫混凝土的三维图；

图15是在初期支护内壁铺设防水层的三维图；

图16是在断层两侧的防水层内壁铺设钢筋骨架的三维图；

图17是在断层两侧的钢筋骨架间布置吊筋和约束锚固钢板的左视图；

图18是在断层两侧的钢筋骨架间布置吊筋和约束锚固钢板的三维图；

图19将u型连接钢板通过高强螺栓和螺母与约束锚固钢板连接完成的左视图；

图20将u型连接钢板通过高强螺栓和螺母与约束锚固钢板连接完成的三维图；

图21是隧道二次衬砌混凝土浇筑完成的三维图；

图22是在二次衬砌间的断层处浇筑泡沫混凝土的三维图；

其中，1-纵向钢筋ⅰ；2-环向钢筋ⅰ；3-工字型钢拱架；4-吊筋；5-防水层；6-纵向钢筋ⅱ；7-环向钢筋ⅱ；8-箍筋；9-锚固钢板；10-螺栓孔ⅰ；11-u形钢板；12-螺栓孔ⅱ；13高强螺栓；14-螺母；15-泡沫混凝土。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-22说明本实施方式。本实施方式所述的跨断层破碎带隧道抗错断连接装置，包括从外到内依次设置的初期支护、防水层5和二次衬砌，

所述初期支护包括两个钢筋网、若干工字型钢拱架3、若干吊筋4和混凝土，所述两个钢筋网和若干工字型钢拱架3均为环形，在隧道跨断层两侧的内壁设置钢筋网，钢筋网通过工字型钢拱架3进行支撑，两个钢筋网通过若干吊筋4连接，对两侧钢筋网部分进行混凝土浇筑，断层处浇筑泡沫混凝土15；

所述二次衬砌包括两个钢筋骨架、若干吊筋4、若干连接结构和混凝土，两个钢筋骨架间通过若干吊筋4和连接结构进行连接，对两侧钢筋骨架部分进行混凝土浇筑，断层处浇筑泡沫混凝土15。

所述连接结构包括两个约束锚固钢板和u形连接钢板，两个约束锚固钢板与钢筋骨架连接，中间通过u形连接钢板进行固定连接。

(1)如图1所示，钢筋网的具体结构如下：

钢筋网(图1)由纵向钢筋ⅰ1和环向钢筋ⅰ2组成。

1.纵向钢筋ⅰ1和环向钢筋ⅰ2需按照施工图纸所示位置进行绑扎，先绑扎环向钢筋ⅰ2，后绑扎纵向钢筋ⅰ1，相互垂直编织成环形网。

纵向钢筋ⅰ1和环向钢筋ⅰ2的型号、直径和间距均根据设计需求确定。

(2)如图2所示，工字型钢拱架的具体结构如下：

工字型钢拱架3应对照洞身开挖方案设定的断面大小切割分节，并在洞外下料分节焊接制作。焊接时严格按测量放样尺寸进行精确加工，并保证钢拱架安装成型后整体弧形圆顺，接头处相邻节段轴心重合，连接孔位置精准，从而确保钢拱架的结构受力性能。

(3)如图3所示，吊筋的具体结构如下：

吊筋4由两段上平直段、两段斜长段和下平直段组成。

上平直段的长度由吊筋4的直径确定。

两段斜长段的起弯角度由隧道初期支护和二次衬砌的混凝土层厚度确定。

下平直段的长度由断层宽度确定。

吊筋4的型号和直径根据隧道初期支护和二次衬砌抗错断时承担的剪力确定。

(4)如图4所示，防水层的具体结构如下：

防水层5由防水板和土工布组成。

防水层5在断层处应进行褶皱处理，以确保在地震作用下能够预留足够的变形裕度，防止防水层被拉断。

(5)如图5所示，钢筋骨架的具体结构如下：

钢筋骨架由纵向钢筋ⅱ6、环向钢筋ⅱ7和箍筋8组成。

纵向钢筋ⅱ6、环向钢筋ⅱ7和箍筋8需按照施工图纸所示位置进行绑扎，先绑扎环向钢筋ⅱ7，再绑扎纵向钢筋ⅱ6，最后绑扎箍筋8。

纵向钢筋ⅱ6、环向钢筋ⅱ7和箍筋8的型号、直径和间距均根据设计需求确定。

(6)如图6所示，约束锚固钢板的具体结构如下：

约束锚固钢板(图6)由锚固钢板9和螺栓孔ⅰ10组成。

锚固钢板9的水平板壁边缘区域通过双面贯通钻孔的方式设置螺栓孔ⅰ10，螺栓孔ⅰ10的个数和尺寸由穿过孔内的高强螺栓13的根数和尺寸确定。

锚固钢板9的尺寸由隧道二次衬砌的混凝土层厚度和二次衬砌抗错断时承担的弯矩确定。

(7)如图7所示，u形连接钢板的具体结构如下：

u形连接钢板(图7)由u形钢板11和螺栓孔ⅱ12组成。

u形钢板11的两翼水平板壁区域通过双面贯通钻孔的方式设置螺栓孔ⅱ12，螺栓孔ⅱ12的位置、个数和尺寸由螺栓孔ⅰ10的位置、个数和尺寸确定。

u形钢板11的尺寸由断层宽度和隧道二次衬砌抗错断时承担的弯矩确定。

(8)如图8-图9所示，高强螺栓和螺母的具体结构及制作过程如下：

高强螺栓13的个数和螺杆外径根据设计需求确定。

高强螺栓13的螺杆长度不小于约束锚固钢板(图6)的水平板壁厚度、u形连接钢板(图7)的两翼水平板壁厚度和螺母14的厚度之和。

螺母14的尺寸由高强螺栓13的螺杆外径确定。

待上述材料和构件准备完毕后，根据初期支护、防水层和二次衬砌的顺序，进行隧道的施工作业：

(1)如图10所示，在断层两侧已开挖的洞身(为避免图形遮挡，未画出洞身)内按照施工图纸所示位置绑扎钢筋，铺设钢筋网(图1)。待钢筋网(图1)铺设完成后，布置工字型钢拱架3。

(2)如图11和图12所示，在断层两侧洞身内已铺设好的钢筋网(图1)间，根据设计需求，每隔一定间距布置吊筋4，吊筋4两端的上平直段可采用焊接的方式与钢筋网(图1)间进行连接，也可在绑扎纵向钢筋ⅰ1时沿纵向预留一定长度，弯折成吊筋的形式后与断层另一侧的钢筋网(图1)间进行锚固连接。

(3)如图13所示，采用湿喷技术进行隧道初期支护的混凝土喷射作业。喷射作业遵循自下而上，分层分段的顺序，先喷射钢拱架与洞身壁面间的混凝土，再喷射两钢拱架间的混凝土，首层混凝土初凝后方能喷射下一层。在喷射过程中，钢筋网(图1)间的断层处无喷射作业，应通过模板将断层处隔开。

(4)如图14所示，待隧道初期支护混凝土喷射完成后，在断层处支撑的模板内浇筑泡沫混凝土15，凝结后拆除模板，完成隧道初期支护的全部混凝土喷射和浇筑作业。

(5)如图15所示，在初期支护的内壁铺设防水层5，防水层5由防水板和土工布组成。防水板采用无钉铺设方法，即先通过塑料垫圈和射钉将土工布固定于初期支护表面，再使用专用粘合剂将防水板粘贴在垫圈上。防水板的接缝处可采用热合机自动焊缝形成或是使用专用胶粘接。防水层5在断层处应进行褶皱处理，以确保在地震作用下能够预留足够的变形裕度，防止防水层被拉断。

(6)如图16所示，在断层两侧的防水层5(为避免图形遮挡，未画出防水层5)内壁按照施工图纸所示位置绑扎钢筋，铺设钢筋骨架(图5)。

(7)如图17和图18所示，在断层两侧的防水层5内壁钢筋骨架(图5)间，根据设计需求，每隔一定间距布置吊筋4和约束锚固钢板(图6)。其中，吊筋4两端的上平直段可采用焊接的方式与钢筋骨架(图5)间进行连接，也可在绑扎纵向钢筋ⅱ6时沿纵向预留一定长度，弯折成吊筋的形式后与断层另一侧的钢筋骨架(图5)间进行锚固连接。约束锚固钢板(图6)的竖直翼缘与钢筋骨架(图5)间进行焊接连接，并与吊筋4沿竖直方向彼此平行。

(8)如图19和图20所示，将u形连接钢板(图7)的两翼板壁下表面紧贴约束锚固钢板(图6)的水平板壁边缘上表面，确保螺栓孔ⅱ12和螺栓孔ⅰ10对齐，然后将高强螺栓13沿螺栓孔ⅱ12和螺栓孔ⅰ10贯通插入，高强螺栓13在约束锚固钢板(图6)下表面伸出的螺杆部分，通过螺母14拧紧固定。

(9)如图21所示，在断层两侧的防水层5内壁钢筋骨架(图5)外支撑模板，浇筑混凝土，待混凝土凝固后拆除模板。在浇筑过程中，钢筋骨架(图5)间的断层处无浇筑作业，应通过模板将断层处隔开。

(10)如图22所示，待隧道二次衬砌混凝土浇筑完成后，在断层处支撑的模板内浇筑泡沫混凝土15，凝结后拆除模板，完成隧道二次衬砌的全部混凝土浇筑作业。

本实施例中，断层两侧的隧道初期支护和二次衬砌间通过吊筋4、约束锚固钢板(图6)和u形连接钢板(图7)连接。在地震作用下，当断层发生错动时，作为主要的受力构件，吊筋4和u形连接钢板(图7)可有效承担隧道抗错动时所产生的剪力和弯矩，将损伤控制在连接区域，最大限度的避免隧道主体发生破坏。

本实施例中，断层处连接区域内浇筑的泡沫混凝土15，具有防水性强，低弹减震性好的优点，既可防止吊筋4和u形连接钢板(图7)因环境因素发生锈蚀，又能在地震时吸收并耗散能量，增强了隧道的整体抗震性能。

本实施例中，初期支护与二次衬砌间的防水层5，在断层处进行了褶皱处理，从而确保在地震作用下能够预留足够的变形裕度，防止防水层被拉断。

本实施例中，吊筋4、约束锚固钢板(图6)和u形连接钢板(图7)均可在工厂预制完成，运输到现场后按照施工顺序安装。当断层处的连接区域在地震作用下发生破坏时，由于泡沫混凝土具有低弹性模量的特点，凿开后可直接修复或更换连接构件，满足当下建筑结构功能可恢复的发展理念。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。