1.本发明属于隧道施工领域，具体涉及一种用于断层破碎带中的且具有减震自复位功能的隧道结构。
背景技术：2.现有的隧道支护结构一般包括初衬和二衬，初衬是在开挖隧道后，通过打锚杆、挂网、喷射混凝土等手段形成的初期支护，此初期支护主要利用围岩强度形成支护；二衬则是用钢筋混凝土在初衬内部形成一个完整的钢筋混凝土结构。
3.当隧道穿越断层或者破碎带时，由于断层或破碎带处的围岩本身很破碎、强度很低，容易发生大变形。隧道穿越活动断层时，若无相应工程措施应对，活动断层的错动，尤其是大位移错动，会造成隧道结构的严重破损，严重威胁行车及生命财产安全，也使得救援及灾后修复工作难以进行。因此，解决大位移活动断层错动对隧道结构的严重威胁，是隧道工程建设的重大技术难题。
4.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。
5.综上所述，目前虽然也有一部分隧道采用了隔离消能设计、铰接设计、超挖设计等相关措施进行跨越活动断层带的隧道修建，但由于方式较为单一，抵抗断层错动的能力有限，不能保证断层活动情况下隧道的安全运营，断层活动后隧道的整修任务艰巨，往往要耗费大量人力物力和时间成本进行抢修，影响隧道正常通行。
技术实现要素：6.本发明解决了现有技术中的不足，提供了一种用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，该隧道结构不仅具有减震抗震的功能，而且能够在强震发生后，将错位的管节进行复位，大大缩减了抢修的时间，尽快恢复隧道内通行。
7.实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
8.一种用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，至少包括普通段以及与断层破碎带相对应的扩挖段，所述扩挖段由外至内依次包括与围岩相接触的初衬层、由弹性减震材质填充的弹性减震层以及二衬层，所述二衬层由多个管节依次连接而成，管节与管节之间通过记忆合金弹簧连接固定；
9.所述二衬层的底部设置有复位架，复位架的顶面与二衬层的外轮廓相贴合，复位架的底部与初衬层相接触，且复位架的底部上设置有滚动单元，复位架与初衬层之间能够相对移动；
10.所述复位架的两侧面与初衬层的内壁之间横向设置有复位弹性臂，复位弹性臂中设置有用于减震的弹性阻尼杆以及用于复位的电动推杆，复位弹性臂的底端固定于初衬层的内壁上，复位弹性臂的顶端铰接于复位架的侧面。
11.所述复位弹性臂沿隧道行进方向均匀设置，且每一个管片对应的复位架的左右两侧均对应设置有复位弹性臂。
12.所述复位弹性臂包括：
13.相互平行设置的底板、层板以及顶板，层板中的中部设置有通道；
14.安装于顶板上方的用于连接复位架的铰接座；
15.设置于顶板和层板之间的多根阻尼杆，阻尼杆的顶部与顶板固定，阻尼杆的底部与层板固定，顶板和层板之间的间距弹性可变；
16.连接于底板与层板之间将底板与层板相固定的连接杆；
17.固定于底板上的电动推杆，电动推杆的伸缩杆从层板上的通道内伸出，且能够上下伸缩。
18.所述阻尼杆设置有四根，四根阻尼杆分布在层板及顶板的四个边角处。
19.所述电动推杆为蜗轮蜗杆式电动推杆。
20.所述弹性减震层中采用弹性橡胶棒填充或者采用弹性混凝土浇筑。
21.所述管节的端面上均匀分布有用于安装固定记忆合金弹簧的安装孔，所述安装孔沿径向朝内延伸至二衬层的内壁处；不同的管节上所设置的安装孔的位置相同。
22.所述复位架为钢桁架结构，复位架底部的滚动单元采用钢滚轴，所述钢滚轴沿隧道行进方向安装。
23.与现有技术相比，本发明提供的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构具有以下优点：1、本发明首先在断层破碎带区域进行扩挖，在初衬层和二衬层之间设置弹性减震层，弹性减震层能够对二衬层形成防护，对二衬层的周边形成一层弹性防护层，降低隧道所收到的地震作用侵害。2、当发生较大级别地震时，二衬的管节之间会发生不可逆的错位，本技术中通过在管节与管节之间设置记忆合金弹簧，通过记忆合金弹簧的弹性连接，尽可能的减小管节之间错位的程度。3、在地震发生后，管节与管节之间发生不可逆错位后，本技术中所设置的复位架和复位弹性臂能够尽可能的促使管节复位，大大缩减了抢修的时间，尽快恢复隧道内通行。同时，由于复位弹性臂连接在复位架上，并未直接与管节相接触，因此能够避免在地震发生时复位弹性臂将二衬管节顶破。
附图说明
24.图1为本发明提供的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构的整体结构示意图；
25.图2为扩挖段的断面结构图；
26.图3为复位架的结构示意图；
27.图4为复位弹性臂的结构示意图；
28.图5为复位弹性臂在进行复位时的工作示意图；
29.图6为实施例中所提供的减震自复位隧道结构的精细化有限元模型图；
30.图7为实施例中所提供的减震自复位隧道结构的精细化有限元模型透视图；
31.图8为实施例中所提供的减震自复位隧道结构的精细化模型图(含初衬层、二衬层
和减震层)；
32.图中：1-普通段，2-扩挖段，3-围岩，4-初衬层，5-弹性减震层，6-二衬层，7-安装孔，8-管节，9-复位架，10-滚动单元，11-复位弹性臂，12-底板，13-层板，14-顶板，15-铰接座，16-阻尼杆，17-连接杆，18-电动推杆，19-伸缩杆。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
34.本发明提供了一种用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，其整体结构如图1所示，断层破碎带的两侧为正常的山体，此处采用普通的隧道结构施工即可，即为图1中所示的普通段1；在断层破碎带区域要进行扩挖，即为扩挖段2，扩挖段的断面结构如图2所示：所述扩挖段由外至内依次包括与围岩3相接触的初衬层4、由弹性减震材质填充的弹性减震层5以及二衬层6，所述弹性减震层中采用弹性橡胶棒填充或者采用弹性混凝土浇筑。所述二衬层由多个管节8依次连接而成，所述管节的端面上均匀分布有用于安装固定记忆合金弹簧的安装孔7，所述安装孔沿径向朝内延伸至二衬层的内壁处；不同的管节上所设置的安装孔的位置相同，管节与管节之间通过记忆合金弹簧连接固定。
35.所述二衬层的底部设置有复位架9，其结构如图3所示(图中复位架是由多节拼装而成)，复位架的顶面与二衬层的外轮廓相贴合，复位架的底部与初衬层相接触，且复位架的底部上设置有滚动单元10，复位架与初衬层之间能够相对移动；所述复位架为钢桁架结构，复位架底部的滚动单元采用钢滚轴，所述钢滚轴沿隧道行进方向安装。
36.所述复位架的两侧面与初衬层的内壁之间横向设置有复位弹性臂11，其结构如图4所示，复位弹性臂中设置有用于减震的弹性阻尼杆以及用于复位的电动推杆，复位弹性臂的底端固定于初衬层的内壁上，复位弹性臂的顶端铰接于复位架的侧面。所述复位弹性臂沿隧道行进方向均匀设置，且每一个管片对应的复位架的左右两侧均对应设置有复位弹性臂。所述复位弹性臂包括：相互平行设置的底板12、层板13以及顶板14，层板中的中部设置有通道；安装于顶板上方的用于连接复位架的铰接座15；设置于顶板和层板之间的四根阻尼杆16，阻尼杆的顶部与顶板固定，阻尼杆的底部与层板固定，顶板和层板之间的间距弹性可变，四根阻尼杆分布在层板及顶板的四个边角处；连接于底板与层板之间将底板与层板相固定的连接杆17；固定于底板上的电动推杆18，电动推杆的伸缩杆19从层板上的通道内伸出，且能够上下伸缩，所述电动推杆为蜗轮蜗杆式电动推杆，能够获得很大的传动比。
37.在施工过程中，当隧道掘进至断层破碎带时，首先进行扩挖，扩挖及初衬施工完毕后，并且与扩挖段相连接的普通段的二衬已经施工完毕的前提下，进行管节的安装，管节采用逐节施工的方式。扩挖段的首个管节安装前，先放置复位架，复位架放置在扩挖段的初衬层上，然后调整复位架的位置后，再来安装复位弹性臂。复位弹性臂的一端与复位架的侧壁铰接，复位弹性臂的另一端与初衬层固定，复位弹性臂的电力线路接口从管节之间的间隙内引出。复位弹性臂安装完毕后即安装首个管节，管节通过隧道预制拱墙衬砌分块式运安一体机从隧道外运入，将组成管节的各管片拼装成环并放置在复位架上。接着再来对管节与初衬层之间的弹性减震层进行施工，通过填塞弹性橡胶棒或者浇筑弹性混凝土进行充填(复位架与复位弹性臂的上方设置有阻隔层将两者与弹性减震层隔开)。最后再安装记忆合
金弹簧，工作人员进入管节内部将记忆合金弹簧由内壁处的开口塞入至安装孔的底部，然后通过压块和螺栓将记忆合金弹簧的端部固定至安装孔内。至此即完成扩挖段首节管节的安装，然后循环此步骤进行下一管节的安装即可。
38.本发明提供的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构的工作原理如下：当发生轻微地震时，断层破碎带产生轻微位移，此时在初衬层和二衬层之间设置弹性减震层，弹性减震层能够对二衬层形成防护，对二衬层的周边形成一层弹性防护层，降低隧道所受到的地震侵害，使隧道的结构基本上不受到破坏。当发生中大级别的地震时，断层破碎带产生较大位移，这会导致二衬管节之间会发生较大的晃动，本技术中通过在管节与管节之间设置记忆合金弹簧，通过记忆合金弹簧的弹性连接，尽可能的减小管节之间错位的程度。同时，管节的移动错位会导致复位架也随管节一起错位，复位架两侧所设置的复位弹性臂(常态下复位弹性臂的伸缩杆处于收缩状态，如图4所示)中的阻尼杆此时能够发挥阻尼作用，尽量减缓管节所受到的晃动。地震发生后，管节与管节之间发生不可逆错位，此时根据各管节在横向上错位的程度，控制复位弹性臂中的电动推杆启动(若管节向左侧错位说明左侧的复位弹性臂受到了挤压，启动复位架左侧的电动推杆，同理向右错位则启动复位架右侧的电动推杆)，电动推杆由于为蜗轮蜗杆式电动推杆，能够获得很大的传动比，再加上复位架底部沿隧道行进方向安装安装的钢滚轴，能够通过电动推杆中伸缩杆的缓慢伸出，逐步的将管节缓慢复位(如图5所示)，从而大大缩减了抢修的时间，尽快恢复隧道内基本通行(保证生命救援线路的尽快打通)。若地震将隧道内的电力设施破坏，在隧道抢修时可通过外带发电机进行发电，对具体的复位弹性臂进行供电。
39.本实施例中提供的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构的上述效果，通过以下方式进行验证：
40.本技术采用abaqus有限元软件进行断层破碎带的减震自复位隧道结构验证(该模型不包含电动推杆的复位作用)，如图6、图7、图8所示。具体建模细节如下：模型分为上盘、下盘与隧道结构三个部分，其中土体、衬砌和减震层的网格类型为8节点六面体线性减缩积分单元(c3d8r)，钢筋骨架的网格类型为2节点桁架单元(t3d2)；土体采用摩尔-库伦弹塑性本构，钢筋与减震层采用经典的塑性本构，初衬及二衬采用混凝土弹塑性损伤本构(concrete damaged plasticity)，管节与管节之间的记忆合金弹簧采用弹性单元模拟。
41.采用小、中、大震分析模型中断层破碎带隧道的管节与管节之间的错动量，并与无减震层、无记忆合计和无阻尼杆模型进行对比。具体结果如下表所示，发现采用减震自复位隧道结构后，在同等条件下管节与管节之间的错动量仅分别为无任何减震措施情况下的24.5％，18.7％和16.5％，随着震级的增大减震效果更加明显(且在无电动推杆复位的情况下的效果)。
42.不同工况下隧道管节之间错动量值(单位：mm)
[0043] 小震中震大震减震自复位隧道结构2.34.56.2无任何减震措施9.424.137.6
技术特征：1.一种用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，至少包括普通段以及与断层破碎带相对应的扩挖段，其特征在于：所述扩挖段由外至内依次包括与围岩相接触的初衬层、由弹性减震材质填充的弹性减震层以及二衬层，所述二衬层由多个管节依次连接而成，管节与管节之间通过记忆合金弹簧连接固定；所述二衬层的底部设置有复位架，复位架的顶面与二衬层的外轮廓相贴合，复位架的底部与初衬层相接触，且复位架的底部上设置有滚动单元，复位架与初衬层之间能够相对移动；所述复位架的两侧面与初衬层的内壁之间横向设置有复位弹性臂，复位弹性臂中设置有用于减震的弹性阻尼杆以及用于复位的电动推杆，复位弹性臂的底端固定于初衬层的内壁上，复位弹性臂的顶端铰接于复位架的侧面。2.根据权利要求1所述的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，其特征在于：所述复位弹性臂沿隧道行进方向均匀设置，且每一个管片对应的复位架的左右两侧均对应设置有复位弹性臂。3.根据权利要求2所述的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，其特征在于：所述复位弹性臂包括：相互平行设置的底板、层板以及顶板，层板中的中部设置有通道；安装于顶板上方的用于连接复位架的铰接座；设置于顶板和层板之间的多根阻尼杆，阻尼杆的顶部与顶板固定，阻尼杆的底部与层板固定，顶板和层板之间的间距弹性可变；连接于底板与层板之间将底板与层板相固定的连接杆；固定于底板上的电动推杆，电动推杆的伸缩杆从层板上的通道内伸出，且能够上下伸缩。4.根据权利要求3所述的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，其特征在于：所述阻尼杆设置有四根，四根阻尼杆分布在层板及顶板的四个边角处。5.根据权利要求3所述的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，其特征在于：所述电动推杆为蜗轮蜗杆式电动推杆。6.根据权利要求1所述的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，其特征在于：所述弹性减震层中采用弹性橡胶棒填充或者采用弹性混凝土浇筑。7.根据权利要求1所述的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，其特征在于：所述管节的端面上均匀分布有用于安装固定记忆合金弹簧的安装孔，所述安装孔沿径向朝内延伸至二衬层的内壁处；不同的管节上所设置的安装孔的位置相同。8.根据权利要求1所述的用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，其特征在于：所述复位架为钢桁架结构，复位架底部的滚动单元采用钢滚轴，所述钢滚轴沿隧道行进方向安装。
技术总结本发明提供了一种用于断层破碎带的减震自复位隧道结构，至少包括普通段以及与断层破碎带相对应的扩挖段，所述扩挖段由外至内依次包括与围岩相接触的初衬层、由弹性减震材质填充的弹性减震层以及二衬层，所述二衬层由多个管节依次连接而成，管节与管节之间通过记忆合金弹簧连接固定；所述二衬层的底部设置有复位架；所述复位架的两侧面与初衬层的内壁之间横向设置有复位弹性臂，复位弹性臂中设置有用于减震的弹性阻尼杆以及用于复位的电动推杆。该隧道结构不仅具有减震抗震的功能，而且能够在强震发生后，将错位的管节进行复位，大大缩减了抢修的时间，尽快恢复隧道内通行。尽快恢复隧道内通行。尽快恢复隧道内通行。
技术研发人员：阮滨 叶宜培 吴贤国 吉瀚文 张德润
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2022.05.18
技术公布日：2022/7/5
