[发明专利]一种用于穿越活动断层区的抗断型铰接隧道及其应用

说明书

一种用于穿越活动断层区的抗断型铰接隧道及其应用属于隧道结构，隧道结构包括初衬、节段内衬和相邻节段内衬间的环向柔性铰，环向柔性铰在断层破碎带区段及断层破碎带影响区段内按不同间距布置。隧道节段内衬中沿环向布置有预应力钢筋；环向柔性铰由隧道衬砌内壁至外分别为波纹钢管、橡胶垫层、钢筋网以及柔性抗裂混凝土层。波纹钢管与节段内衬间通过预应力钢筋连接。隧道防水通过设置多层防水措施保证，包括PVC防水板，土工膜以及背贴式止水带。柔性抗裂混凝土层选用超高韧性水泥基复合材料，其具有良好的抗渗性及耐久性。本发明满足活动断层所产生的大错动量，保证跨活动断层隧道的安全性，且环向柔性铰处的局部破坏易于快速修复，活动断层错动后能够保证隧道的正常使用功能。

技术领域

本发明涉及一种隧道结构，具体为穿越活动断层区的抗断型铰接隧道及其应用。

背景技术

在近几十年中，世界范围内发生多次强烈地震，对建筑物及生命线工程造成严重破坏，尤其是隧道、地下管线等结构。对于绝大多数地震而言，断层错动是其诱发的主要原因，例如1999年中国台湾的集集地震、2008年中国四川的汶川地震以及2016年日本的熊本地震等。活动断层的黏滑错动会诱发地震，能量以地震波形式释放，临近极震区隧道则会遭受明显震害。相关学者对近场区域隧道震害的统计表明，若隧道穿越发震断层或发震断层周围的活动断层带时，其震害尤为严重，例如2008年的汶川地震中，友谊隧道、紫平铺隧道、龙洞子隧道和龙溪隧道等破坏均极为严重，而这些隧道均穿越不同的活动断层。活动断层错动量通常由几厘米至几米不等，正是由于断层错动以及断层区围岩的软弱特性，使得穿越活动断层带隧道会出现衬砌开裂、剥落、错台甚至隧道垮塌等严重震害。

在跨断层隧道的抗震及抗断方面，目前主要采取以下几种措施：(1)改善隧道衬砌材料的力学特性来提升结构的抗震性能，如采用钢纤维混凝土来增加阻尼，采用聚合物混凝土来降低刚度等；(2)设置减震缝，即减小衬砌节段长度，使断层错动时破坏集中于接缝处，而保证衬砌的整体性能；(3)根据断层可能的错动量，扩大隧道断面尺寸，在外衬和内衬之间填充多孔材料，通过外衬和内衬之间的间隙抵消断层错动影响，但超挖尺寸会受限于经济因素。以上部分减震或抗断措施已在国内外不同隧道工程中得到了应用，如中国乌鞘岭特长隧道、土耳其博卢隧道和伊朗Koohrang-III输水隧道等。然而以上措施只适用于活动断层错动量较小的情况下，而当活动断层错动量达到米级时，隧道仍然会发生严重破坏而丧失正常使用功能，且多数情况下隧道结构在灾后已无法修复。

发明内容

本发明目的在于克服现有隧道抗断措施不能满足断层大错动的缺点，将波纹钢管良好的抗拉与抗剪性能应用于隧道结构中，提供一种能够在活动断层发生大错动下保持结构的安全性，仅在环向柔性铰处产生可修复性破坏而不影响其正常使用的抗断型铰接隧道结构。本发明采用如下技术方案：

一种用于穿越活动断层区的抗断型铰接隧道，其特征在于：包括断层破碎带区段、断层破碎带影响区段和普通区段；所述断层破碎带区段和断层破碎带影响区段的隧道衬砌结构包括外衬和节段内衬，且相邻节段内衬间由环向柔性铰连接；

环向柔性铰的构造由隧道衬砌内壁至外分别为波纹钢管、橡胶垫层、钢筋网、柔性抗裂混凝土层，且在环向柔性铰中设置防水措施；

环向柔性铰布置在断层破碎带区段和断层破碎带影响区段；环向柔性铰在断层破碎带区段的布置间距要小于断层破碎带影响区段。

2.进一步，所述柔性抗裂混凝土层选用超高韧性水泥基复合材料与钢筋相结合，其中超高韧性水泥基复合材料的极限拉应变能力应稳定地达到3％以上，且弹性模量取值为节段内衬所选普通混凝土的1/2～1。

3.进一步，节段内衬沿环向设置有预应力钢筋。

4.进一步，隧道防水通过设置多层防水措施保证，在外衬与节段内衬间设置有防水层；在节段内衬与柔性抗裂混凝土层接缝处的迎水面上设置有背贴式止水带，背水面上用嵌缝膏填充；在柔性抗裂混凝土层中设置土工膜。