一种具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置

本发明涉及隧道工程建设，特别涉及一种具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置。

背景技术：

1、由于经济发展需要，隧道工程难免要穿越一些地质条件复杂的地区，其中不乏一些强震区和断层破碎地带。在高烈度地震和断层错动的共同作用下，隧道衬砌会发生环向、纵向、斜向开裂、衬砌拱顶脱落、衬砌拱底隆起、错台等病害。衬砌的病害一般在灾害发生初期较为轻微，随着地震灾害的发生而不断扩展为严重，这主要是由于衬砌的混凝土材料缺乏韧性，且衬砌间没有抗震措施，衬砌结构无法耗散地震带来的能量。目前针对隧道穿越活断层区域的抗震措施主要分为刚性和柔性两种，刚性措施的代表为加固围岩和提升隧道衬砌的强度，柔性措施的代表则为设置减震层、抗震缝和柔性接头。刚性抗震措施往往在地震烈度较小时才能发挥一定的作用，这是因为在地震作用下衬砌的破坏主要是由衬砌周围岩土体大变形牵扯运动而导致的，高烈度地震作用下岩土体的变形过大，而刚性抗震措施能提供的抗力与其相比过小，因而抗震效果较差。而柔性措施中则由于“让”的思想而使隧道在地震中适应岩土体的变形而起到较好的抗震效果。其中在隧道穿越断层位置将衬砌设置为多段铰接，且在各个节段间设置柔性接头能够将地震作用导致的破坏限定在柔性接头部位，进而可以起到保护主结构的作用。现有的隧道跨断层柔性接头的形式如图1所示，柔性接头113设置在围岩101，隧道初衬103，防水板109以及轻质泡沫混凝土块109的内测，位于两个相邻的第一段二衬107和第二段二衬111之间，在两个衬砌的第一端125和第二端127的端头预留孔将钢套筒埋121置其中，并将衬砌主筋(包括第一段主筋115和第二段主筋117)放置于钢套筒121中，使其能在钢套筒121内纵向自由伸缩环形变形，主动将地层与结构之间差异位移、错动位移及强震能量引导至隧道节段特定柔性段(即两个衬砌中间的嵌缝减震段)，起到一定的抗震作用。此类柔性接头虽然在地震来临时利用柔性段的破坏能一定程度的保护主体结构，但是当地震烈度较大时起到的作用有限，不仅在断层区域内破坏更为严重，给交通抢修造成巨大的困难，也无法保护主体结构，总体上对地震的耗能作用较差。这种现象主要是由于现有的柔性抗震措施过分强调以柔性接头的破坏来保护主体结构，柔性段的刚度虽然降低，但联结机构的消能减震能力较弱，导致隧道衬砌结构的抗震韧性较弱，一旦发生地震，断层位置的隧道衬砌结构迅速破坏，留给隧道内人员和车辆很短的时间逃离，也给抢修和恢复交通的工作带来巨大困难。

技术实现思路

1、本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

3、一种具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，位于隧道二衬的连接部分，包括：滚珠丝杠连接杆，该滚珠丝杠连接杆的一端通过球关节轴承与中间连接杆相连；该滚珠丝杠连接杆的另一端与滚珠丝杠相连；所述滚珠丝杠贯穿减震装置外壳的轴心，在所述减震装置外壳内，所述滚珠丝杠的外围的设有消能减震装置；

4、所述消能减震装置包括：结构相同的多个弹簧单元、以及设置在多个所述弹簧单元之间的至少一个阻尼单元和/或至少一个质量单元；

5、每个所述弹簧单元包括：圆形钢板以及由该圆形钢板隔开的两段弹簧；固定在所述滚珠丝杠上的所述圆形钢板可带动所述弹簧压缩或拉伸；

6、每个所述阻尼单元包括：与所述滚珠丝杠连接的阻尼内筒以及设置在该阻尼内筒外侧的粘性材料；所述阻尼内筒在所述滚珠丝杠的带动下旋转，旋转过程中在粘性材料的粘性阻尼作用下耗散能量；

7、每个所述质量单元包括：设置在所述滚珠丝杠上的滚珠螺母，以及设置在该滚珠螺母外围的质量飞轮；所述滚珠丝杠和所述滚珠螺母可带动所述质量飞轮转动。

8、在上述技术方案中，在球关节轴承和中间连接杆的位置设有橡胶缓冲层，该橡胶缓冲层与隧道二衬之间设有聚合物粘结层。

9、在上述技术方案中，所述消能减震装置与隧道二衬之间设有橡胶缓冲垫。

10、在上述技术方案中，在所述滚珠丝杠连接杆外围设有钢筒保护套。

11、在上述技术方案中，所述钢筒保护套通过预埋的方式设置在隧道二衬的端头。

12、在上述技术方案中，所述隧道二衬通过连接钢筋相连接。

13、在上述技术方案中，所述钢筒保护套与所述滚珠丝杠的间隙设有润滑油。

14、在上述技术方案中，所述消能减震装置包括：结构相同的两个弹簧单元、以及设置在两个所述弹簧单元之间的一个阻尼单元和一个质量单元。

15、本发明的应用可以将穿越断层破碎带隧道在地震中的裂损行为限制在断层区域的同时保证连接位置不过度破坏，提升隧道的抗震韧性，给与隧道中的人员和车辆有足够的逃生时间且降低震后的抢修难度。

16、本发明在连接部位设置橡胶缓冲层作为柔性接头，降低连接位置的刚度，使连接位置可以发生一定的变形，将位移和裂损限制在连接部位，进而保护了衬砌主体结构；设置在衬砌端头的消能减震装置能够将输入衬砌的平动加速度转变为转动加速度，起到限制装置大变形的作用，并且由装置内的阻尼单元对传入装置的动能不断耗散，最终起到消能减震并提升衬砌结构整体韧性的作用。

17、本发明安装在穿越断层区域隧道衬砌的相互连接部位，可以起到在抑制衬砌裂损的同时保护柔性接头不受严重破坏，使隧道衬砌整体结构和柔性连接部位的抗震韧性提升同时实现。

技术特征：

1.一种具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，位于隧道二衬(2)的连接部分，其特征在于，包括：滚珠丝杠连接杆(19)，该滚珠丝杠连接杆(19)的一端通过球关节轴承(7)与中间连接杆(8)相连；该滚珠丝杠连接杆(19)的另一端与滚珠丝杠(3)相连；所述滚珠丝杠(3)贯穿减震装置外壳(12)的轴心，在所述减震装置外壳(12)内，所述滚珠丝杠(3)的外围的设有消能减震装置(a)；

2.根据权利要求1所述的具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，其特征在于，在球关节轴承(7)和中间连接杆(8)的位置设有橡胶缓冲层(10)，该橡胶缓冲层(10)与隧道二衬(2)之间设有聚合物粘结层(4)。

3.根据权利要求1所述的具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，其特征在于，所述消能减震装置(a)与隧道二衬(2)之间设有橡胶缓冲垫(6)。

4.根据权利要求1所述的具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，其特征在于，在所述滚珠丝杠连接杆(19)外围设有钢筒保护套(11)。

5.根据权利要求4所述的具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，其特征在于，所述钢筒保护套(11)通过预埋的方式设置在隧道二衬(2)的端头。

6.根据权利要求1所述的具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，其特征在于，所述隧道二衬(2)通过连接钢筋(9)相连接。

7.根据权利要求1所述的具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，其特征在于，所述钢筒保护套(11)与所述滚珠丝杠(3)的间隙设有润滑油。

8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，其特征在于，所述消能减震装置(a)包括：结构相同的两个弹簧单元、以及设置在两个所述弹簧单元之间的一个阻尼单元和一个质量单元。

技术总结
本发明涉及一种具有灾致裂损抑制功能的隧道衬砌联结机构装置，位于隧道二衬的连接部分，包括：滚珠丝杠连接杆，该滚珠丝杠连接杆的一端通过球关节轴承与中间连接杆相连；该滚珠丝杠连接杆的另一端与滚珠丝杠相连；所述滚珠丝杠贯穿减震装置外壳的轴心，在所述减震装置外壳内，所述滚珠丝杠的外围的设有消能减震装置；所述消能减震装置包括：结构相同的多个弹簧单元、以及设置在多个所述弹簧单元之间的至少一个阻尼单元和/或至少一个质量单元。本发明的应用可以将穿越断层破碎带隧道在地震中的裂损行为限制在断层区域的同时保证连接位置不过度破坏，提升隧道的抗震韧性，给与隧道中的人员和车辆有足够的逃生时间且降低震后的抢修难度。

技术研发人员：罗海松,郑传峰,宋振丰,包崇昊,刘雯月,林智
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12