一种隧道韧性抗震防水支护结构及其施工方法

本发明涉及一种隧道韧性抗震防水支护结构及其施工方法，适用于高烈度震区穿越断层破碎带隧道使用，尤其涉及一种适合长期承受列车荷载、地震荷载及断层错动产生位移变化的断层破碎围岩隧道韧性抗震体系及其施工方法。

背景技术：

1、目前，我国经济快速发展，已经顺利实现了经济结构体系的转化，高速公路、铁路、地铁等重要的基础交通设施成为了打通各个地区的重要交通纽带。随着经济的快速发展，人们对于生活水平的质量提出更高的要求，出行需求也在不断提高。因此，为了保障人们出行的快捷便利，对交通设施的建设与运维提出了更高的要求。2019年我国投入运营的铁路隧道16084座，总长18041千米，即便如此，隧道工程的建设仍在如火如荼的进行，在应对不同施工环境与地质条件时，尤其是在山岭隧道，在穿越软弱围岩，地质条件极差区域，在长期动荷载作用下，围岩易发生明显大变形。在面对各类地质灾害以及荷载对隧道变形产生的不利影响，以及保证隧道在运营期可以长时间正常运行，仍然面对着巨大挑战。目前对于自身稳定性极差的隧道，其支护结构较常见为工字钢拱架、格栅钢架、可缩u型支架等配合锚网喷技术进行联合支护。

2、然而，传统隧道支护通常采用初次喷射混凝土，喷射密实平整，质量稳定后，再在钢拱架之间使用链接板连接进行支护，布设二次衬砌钢筋笼，采用热熔性定位装置固定二次衬砌防水板，喷射二次衬砌混凝土，但是由于传统支护方式在抵抗围岩压力的同时，刚度过大，在抵抗较大变形与围岩应力时可能会出现衬砌开裂甚至破坏，无法适应于穿越地震频发区的软弱破碎围岩隧道，而现在的经济形势和隧道发展趋势要求支护既要保证隧道安全又要做到经济合理，单纯喷射混凝土支护可以缓解或者避免围岩应力集中现象，但是不能有效阻止隧道变形；虽然型钢拱架具有良好的支护刚度抑制隧道围岩的变形，但是由于其膨胀系数与混凝土不同，易产生环向的裂缝，且很难对支架背后混凝土充填密实，严重影响支护效果。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种隧道韧性抗震防水支护结构及其施工方法，目的在于设计一种适合于长期承受列车动荷载、断层活动产生的位移变形以及地震荷载下的软弱破碎围岩作用的隧道支护结构，解决该类隧道衬砌在长期列车动荷载与地震荷载以及断层错动产生位移情况下导致常规支护体系失稳变形与衬砌开裂而导致的安全隐患问题。

2、为解决上述技术问题，本申请采用的技术手段是：

3、一种适用于高烈度震区穿越断层破碎带隧道韧性抗震防水支护结构，包括橡胶混凝土、背贴式止水带、土工布和缓冲连接块；

4、所述橡胶混凝土喷射在初次支护上，所述背贴式止水带和所述土工布依次铺设在所述橡胶混凝土上；

5、所述缓冲连接块包括多个交错设置在一起的钢板和橡胶板，所述缓冲连接块环向固定在所述土工布上，所述缓冲连接块径向与二次衬砌固定。

6、进一步地，所述钢板和橡胶板之间通过高强度螺栓连接固定。

7、进一步地，所述缓冲连接块设置为具有由钢板和橡胶板错落排布形成的凹槽，凹槽与所述背贴式止水带的凸起拼装在一起。

8、进一步地，所述缓冲连接块构成为闭合的圆环。

9、进一步地，所述钢板的表面预设有1mm深的凹槽，光纤传感器埋设所述凹槽内。

10、进一步地，所述缓冲连接块外部包覆有橡胶皮套。

11、进一步地，所述缓冲连接块中的钢板和橡胶板的交错排列方式为：钢板、橡胶板、钢板、橡胶板、钢板五层结构。

12、另一方面，本申请还保护根据前述之一所述的支护结构的施工方法，包括以下步骤：

13、s1:隧道开挖完成后首先在隧道表面按照设计喷射一定厚度的混凝土形成初次支护，用以控制围岩的变形；

14、s2：在初次支护工序结束后喷射一定厚度的橡胶混凝土，然后铺设背贴式止水带和土工布；

15、s3：将钢板、橡胶板交错排列进行组合并通过内部螺栓孔用高强度螺栓连接成一个整体，将钢板的凹槽与背贴式止水带的凸起拼装在一起，使其在安装的过程中不发生相互错动；

16、s4：将钢板与二次衬砌内的钢筋骨架焊接成一个整体，与围岩形成三维空间立体式的支护体系。

17、进一步地，在步骤s3中，还包括：

18、s31：在钢板表面预制1mm深的凹槽，并将检测光纤传感器埋设其中。

19、进一步地，在步骤s3中，还包括：

20、s32：将钢板与橡胶连接成一个整体后，在外部通过橡胶皮套包裹，使之成为整体连接件连接块。

21、本发明与传统隧道施工支护体系相比较具有以下优点：

22、通过采用橡胶混凝土这种轻质绿色吸能的工程材料，具有绿色、轻质、吸能等特点，抗疲劳、抗冲击性能大大提升。通过在位于断层破碎带一定范围内处喷射一层橡胶混凝土形成一层抗震缓冲层，吸收地震和断层错动传播的能量，起到环向缓冲抗震效果，作为一个保护整体的支护结构；

23、通过将钢板、橡胶板、钢板、橡胶板、钢板按此排序进行组合通过内部螺栓孔用高强度螺栓连接成一个整体，在隧道穿越断层破碎带处成环拼接，并与二次衬砌支护的钢筋骨架进行焊接，喷射二次衬砌混凝土形成整体，实现使处于断层破碎带两侧的围岩在地震作用下产生纵向位移时，钢板和橡胶板连接成的整体能够在纵向起到缓冲作用，发挥出纵向抗震作用降低二次衬砌内部挤压和破坏范围；实现使处于断层破碎带两侧的围岩发生断层错动时，橡胶板发生压缩变形，钢板和橡胶板形成的整体形成微小的转角，使得进一步降低二次衬砌内部应力和衬砌的破坏范围。

技术特征：

1.一种适用于高烈度震区穿越断层破碎带隧道韧性抗震防水支护结构，其特征在于，包括橡胶混凝土（3）、背贴式止水带（4）、土工布（5）和缓冲连接块（11）；

2.根据权利要求1所述的支护结构，其特征在于，所述钢板（1）和橡胶板（2）之间通过高强度螺栓（6）连接固定。

3.根据权利要求1或2所述的支护结构，其特征在于，所述缓冲连接块（11）设置为具有由钢板（1）和橡胶板（2）错落排布形成的凹槽，凹槽与所述背贴式止水带（4）的凸起拼装在一起。

4.根据权利要求1或2所述的支护结构，其特征在于，所述缓冲连接块（11）构成为闭合的圆环。

5.根据权利要求1或2所述的支护结构，其特征在于，所述钢板（1）的表面预设有1mm深的凹槽，光纤传感器埋设所述凹槽内。

6.根据权利要求1或2所述的支护结构，其特征在于，所述缓冲连接块（11）外部包覆有橡胶皮套（10）。

7.根据权利要求1或2所述的支护结构，其特征在于，所述缓冲连接块中的钢板（1）和橡胶板（2）的交错排列方式为：钢板（1）、橡胶板（2）、钢板（1）、橡胶板（2）、钢板（1）五层结构。

8.根据权利要求1-7之一所述的支护结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，在步骤s3中，还包括：

10.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，在步骤s3中，还包括：

技术总结
本发明提供一种适用于高烈度震区穿越断层破碎带隧道韧性抗震防水支护结构，包括橡胶混凝土、背贴式止水带、土工布和缓冲连接块；所述橡胶混凝土喷射在初次支护上，所述背贴式止水带和所述土工布依次铺设在所述橡胶混凝土上；所述缓冲连接块包括多个交错设置在一起的钢板和橡胶板，所述缓冲连接块环向固定在所述土工布上，所述缓冲连接块径向与二次衬砌固定。本申请的防水支护结构，能够吸收地震和断层错动传播的能量，起到环向缓冲抗震效果，可广泛使用于隧道衬砌领域。

技术研发人员：徐飞,杜彦良,杜博文,赵维刚,石松涛,王天木,白涛,唐清静怡
受保护的技术使用者：石家庄铁道大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14