技术领域
[0001] 本
发明涉及一种适用于穿越断层破碎带的装配式半活动连接隧道及施工方 法。
背景技术
[0002] 这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成
现有技术。
[0003] 受地球
板块构造运动控制，青藏高原在不断隆起。这就导致了在我国第一阶 梯和第二阶梯交界地带的断层活动非常频繁，对我国
基础设施的修建制造了巨大 的难题。在这一地球动
力背景和地质构造格架下，西部地区的基础建设过程中不 可避免地会遇到在活断层附近和高烈度
地震区修建隧道工程的问题。我国现有
铁 路隧道上万座，其中有近千座位于强地震区内，确保在高烈度地震区或活断层附 近修建隧道及地下工程的安全显得日益重要。地下及隧道结构抗震抗错动的措施 主要有隔离消能设计、铰接设计、超挖设计等。
[0004]
发明人发现目前为止，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。
发明内容
[0005] 本发明的目的就在于克服现有技术条件的缺点和不足，提供一种适用于穿越 断层破碎带的装配式半活动连接隧道；该隧道应用形状记忆
合金相关性质，采用 预制成型的装配式复合隧道管片，相邻管段之间采用特制半活动连接，可以在断 层活动时起到有效的消散耗能作用。
[0006] 本发明采用下述技术方案：
[0007] 本发明的第一发明目的是提供一种适用于穿越断层破碎带的装配式半活动 连接隧道，其包括注浆加固区、装配式隧道管片、楔形连接件、
橡胶垫层、弹性
变形件和自动复位键；
[0008] 所述的注浆加固区采用高聚物
浆液压注于断层破碎带开挖面洞周；
[0009] 所述的装配式隧道管片包括沿隧道纵向方向设置的多段管片，相邻段的管片 之间通过弹性变形件和自动复位键相连；
[0010] 每段管片包括多个管片，多个管片通过楔形连接件连接在一起形成与隧道横 截面形状相同的结构，所述的橡胶垫层
覆盖于每个管片的外表面；述的楔形连接 件包括管片楔形凹槽、管片楔形凸
榫、常温形状
记忆合金层和楔形连接件橡胶密 封层；其中常温形状记忆合金层
焊接固定于每个管片的楔形凸榫的边缘侧面，与 下一管片的楔形凹槽发生垂直
挤压接触；所述的楔形连接件橡胶密封层覆盖于管 片楔形凹槽、管片楔形凸榫的楔形表面处。
[0011] 作为进一步的技术方案，所述的弹性变形件主要由金属簧板构成，所述的金 属簧板焊接于相邻两纵向管段之间。
[0012] 作为进一步的技术方案，所述的自动复位键包括刚性固定头、固定螺孔和超 弹性形状记忆合金；其中所述的刚性固定头通过固定螺孔将超弹性形状记忆合金 杆固定于相邻两纵向管片之间的楔形连接件附近。
[0013] 更近一步的，每个自动复位键包括多个超弹性形状记忆合金杆，多个超弹性 形状记忆合金杆采取阵列排布，相邻两超弹性形状记忆合金杆之间预留变形空 间。
[0014] 作为进一步的技术方案，所述注浆加固区预先在断层破碎带开挖断面洞周均 匀布设注浆孔，采用深层、中层、浅层依次压注方式。
[0015] 作为进一步的技术方案，所述的装配式隧道包括拱顶管片、左边墙管片、右 边墙管片、左
底板管片、右底板管片五部分；其中拱顶管片包括拱顶和拱肩部分， 边墙管片包括隧道边墙和拱腰部分，底板管片包括拱脚和底板部分，各部分管片 均成拱形凸向注浆加固区围岩，便于承受较大围岩压力。
[0016] 作为进一步的技术方案，所述的装配式隧道各管片采用高强度
钢材模铸成 型，管片中间采用中空格栅式设计。
[0017] 作为进一步的技术方案，所述的楔形连接件位于每一管片的横向边缘，相邻 管片之间的楔形连接件形成互补。
[0018] 作为进一步的技术方案，，所述的常温形状记忆合金层采用具有双程记忆效 应的镍
钛合金，其转变
温度低于隧道常年运营的最低温度。
[0019] 本发明的第二发明目的是提出上述的装配式半活动连接隧道的施工方法，包 括以下步骤：
[0020] A、进行断层破碎带的开挖，在开挖断面洞周进行高聚物浆液压注，形成注 浆加固区；
[0021] B、装配隧道管片，首先装配左、右底板管片，保证相邻管片之间的楔形连 接件耦合；再装配左、右边墙管片，此时采用一定辅助装置对管片进行
支撑，防 止出现倾倒；最后装配拱顶管片，需要同时保证拱顶管片与左、右边墙管片顶部 的耦合；完成第一管段的隧道管片装配；
[0022] 装配管片时首先用低温气流降低合金温度，使其恢复低温时的收缩形态；待 相邻管片装配完成后，用常温气流使合金温度恢复常温，形状恢复常温时的膨胀 状态。当合金膨胀时正好对相邻管片楔形凹槽产生垂直挤压
应力，从而使得楔形 连接件固定。
[0023] C、在第一管段尾部焊接金属簧板，进行第二管段装配式隧道的装配，装配 完成后将此金属簧板未焊接端与第二管段头部焊接，完成弹性变形件的布设；
[0024] D、进行第一管段与第二管段之间自动复位键的安装；
[0025] E、重复A-D步骤即可完成隧道的不断推进，直至穿越断层破碎带。
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] (1)本发明为隧道穿越断层破碎带提供了一种装配式半活动连接隧道，该隧 道应用形状记忆合金相关性质，采用预制成型的装配式复合隧道管片，相邻管段 之间采用特制半活动连接，可以在断层活动时起到有效的消散耗能作用，避免了 断层活动对隧道的整体破坏。
[0028] (2)本发明采用的构件均为预制成型，结构强度高，
精度高，现场直接吊装 或者安装、连接即可，省却大量人力的消耗，提高工作效率节约成本，增加结构 整体强度，提高隧道的安全性。
[0029] (3)本装置能够在断层发生活动时吸收断层破碎带对隧道产生的拉压应力、
剪切应力、弯矩等，有效降低隧道整体结构破坏的可能性，并且装置本身具有自 动复位功能，为断层活动发生后隧道结构的抢修节省了大量人力物力和时间成 本。
[0030] (4)自动复位键采用刚性固定头通过固定螺孔固定在相邻管段的每一管片 的环向两边靠近楔形连接件处，避免超弹性形状记忆合金杆变形和变形恢复时产 生较大的应力集中，同时保证合金与相邻管段之间的有效连接。
[0031] (5)超弹性形状记忆合金杆在常温下表现为奥氏体状态，受到断层错动、 拉压外力发生较大变形，起到消散耗能作用，保证隧道结构的整体性。去除外力 后，大变形完全恢复，便于隧道在断层错动位移后的恢复运营。
[0032] (6)弹性变形件焊接连接相邻两隧道管段，在变形情况下仍旧能保证其连 接和防
水性。当断层活动发生后能够抵消一部分位移错动的
能量，保护隧道整体 的安全，保证隧道断层活动后的正常运营。
[0033] (7)金属簧板焊接于相邻两纵向管段之间，采用高弹性钢材
压铸成型，允 许隧道发生一定幅度的任意径向位移错动、轴向拉伸和压缩错动以及弯曲作用； 金属簧板表面有防锈层，耐久性好。
[0034] (8)楔形连接件橡胶密封
层压密性好，耐久性好，覆盖于楔形连接件楔形 表面处，当常温形状记忆合金层恢复常温形状时由于楔形体的收口作用而受到挤 压、摩擦应力，将产生压密效果，保证管片横向之间的防水性和密闭性。
[0035] (9)管片外覆橡胶垫层位于装配式隧道和注浆加固区之间，起到缓震、防 水、抵消断层错动位移、耦合装配式隧道和注浆加固区的作用。
[0036] (10)注浆加固区预先在断层破碎带开挖断面洞周均匀布设注浆孔，采用深 层、中层、浅层依次压注方式，保证注浆加固区体量足够。所述注浆加固区在压 注完成后应具备固结围岩、提升围岩强度和一定
隔震、减震、防水效果。
[0037] (11)装配式隧道各管片采用高强度钢材模铸成型，管片中间采用中空格栅 式设计。在保证管片强度的情况下可以有效减轻重量，同时允许一定幅度的变形， 可以抵消一部分断层活动对隧道造成的直接影响。
附图说明
[0038] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的 附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳 动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039] 图1是本发明装置在隧道中的简易横截面图。
[0040] 图2是本发明装置楔形连接件简易横截面图。
[0041] 图3是本发明装置弹性变形件简易纵向剖面图。
[0042] 图4是本发明装置自动复位键简易正视图。
[0043] 为显示各部位
位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。其中： 1断层破碎带围岩，2注浆加固区，3拱顶管片，4左边墙管片，5右边墙管片，6 左底板管片，7右底板管片，8楔形连接件，9自动复位键，10管片外覆橡胶垫 层，11装配式隧道，12管片楔形凹槽，13管片楔形凸榫，14常温形状记忆合金 层，15楔形连接件橡胶密封层，16纵向相邻管片，17金属簧板，18弹性变形件， 19刚性固定头，20固定螺孔，21超弹性形状记忆合金杆，22预留变形空间。
具体实施方式
[0044] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本
申请提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普 通技术人员通常理解的相同含义。
[0045] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限 制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出， 否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本
说明书中使 用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件 和/或它们的组合。
[0046] 实施例1：
[0047] 如图1所示，一种适用于穿越断层破碎带的装配式半活动连接隧道，包括注 浆加固区2、装配式隧道11、楔形连接件8、管片外覆橡胶垫层10、弹性变形件 18、自动复位键9；所述的注浆加固区2采用高聚物浆液压注于断层破碎带开挖 面洞周，加固断层破碎带围岩
1；所述注浆加固区预先在断层破碎带开挖断面洞 周均匀布设注浆孔，采用深层、中层、浅层依次压注方式，保证注浆加固区体量 足够。所述注浆加固区在压注完成后应具备固结围岩、提升围岩强度和一定隔震、 减震、防水效果。
[0048] 所述的装配式隧道11包括拱顶管片3、左边墙管片4、右边墙管片5、左底 板管片6、右底板管片7五部分，管片之间采用楔形连接件8固定；其中拱顶管 片包括拱顶和拱肩部分，边墙管片包括隧道边墙和拱腰部分，底板管片包括拱脚 和底板部分，各部分管片均成拱形凸向注浆加固区围岩，便于承受较大围岩压力。
[0049] 所述的楔形连接件位于每一管片的横向边缘，相邻管片之间的楔形连接件形 成互补。在装配管片时首先装配左、右底板管片，保证相邻管片之间的楔形连接 件耦合；再装配左、右边墙管片，此时需要采用一定辅助装置对管片进行支撑， 防止出现倾倒；最后装配拱顶管片，需要同时保证拱顶管片与左、右边墙管片顶 部的耦合。
[0050] 所述的装配式隧道各管片采用高强度钢材模铸成型，管片中间采用中空格栅 式设计，在保证管片强度的情况下可以有效减轻重量，同时允许一定幅度的变形， 可以抵消一部分断层活动对隧道造成的直接影响。
[0051] 所述的管片外覆橡胶垫层10覆盖于管片外径表面，具有一定厚度，直接与 注浆加固区2紧密接触。
[0052] 上述的楔形连接件8用于隧道同一横截面上的相邻管片之间的连接，弹性变 形件18、自动复位键9用于实现沿隧道轴向设置的，相邻管片之间的连接。
[0053] 如图2所示，所述的楔形连接件8包括管片楔形凹槽12、管片楔形凸榫13、 常温形状记忆合金层14和楔形连接件橡胶密封层15。其中常温形状记忆合金层14焊接固定于每个管片的楔形凸榫13的边缘侧面，与下一管片的楔形凹槽12 发生垂直挤压接触。所述的楔形连接件橡胶密封层15覆盖于管片楔形凹槽、管 片楔形凸榫的楔形表面处，在挤压作用下发挥密封效果。
[0054] 所述的楔形连接件橡胶密封层压密性好，耐久性好，覆盖于楔形连接件楔形 表面处，当常温形状记忆合金层恢复常温形状时由于楔形体的收口作用而受到挤 压、摩擦应力，将产生压密效果，保证管片横向之间的防水性和密闭性。
[0055] 所述的常温形状记忆合金层采用具有双程记忆效应的
镍钛合金，其转变温度 低于隧道常年运营的最低温度。装配管片时首先用低温气流降低合金温度，使其 恢复低温时的收缩形态；待相邻管片装配完成后，用常温气流使合金温度恢复常 温，形状恢复常温时的膨胀状态。当合金膨胀时正好对相邻管片楔形凹槽产生垂 直挤压应力，从而使得楔形连接件固定。
[0056] 所述的管片外覆橡胶垫层位于装配式隧道和注浆加固区之间，起到缓震、防 水、抵消断层错动位移、耦合装配式隧道和注浆加固区的作用。
[0057] 如图3所示，所述的弹性变形件18主要由金属簧板17和簧板两侧的焊接端 构成。所述的金属簧板17通过簧板两侧的焊接端焊接于相邻两纵向管段之间， 形成弹性变形件
18。
[0058] 所述的金属簧板焊接于相邻两纵向管段之间，采用高弹性钢材压铸成型，允 许隧道发生一定幅度的任意径向位移错动、轴向拉伸和压缩错动以及弯曲作用。 金属簧板表面有防锈层，耐久性好。
[0059] 所述的弹性变形缝焊接连接相邻两隧道管段，在变形情况下仍旧能保证其连 接和防水性。当断层活动发生后能够抵消一部分位移错动的能量，保护隧道整体 的安全，保证隧道断层活动后的正常运营。
[0060] 如图4所示，所述的自动复位键9包括刚性固定头19、固定螺孔20和超弹 性形状记忆合金杆21。其中刚性固定头19通过固定螺孔20将超弹性形状记忆合 金杆21固定于相邻两纵向管片之间的楔形连接件8附近，所述的超弹性形状记 忆合金杆21采取阵列构造，相邻两合金段之间预留变形空间22。
[0061] 超弹性形状记忆合金在常温下表现为奥氏体状态，受到断层错动、拉压外力 发生较大变形，起到消散耗能作用，保证隧道结构的整体性。去除外力后，大变 形完全恢复，便于隧道在断层错动位移后的恢复运营。
[0062] 自动复位键采用刚性固定头通过固定螺孔固定在相邻管段的每一管片的环 向两边靠近楔形连接件处，避免超弹性形状记忆合金变形和变形恢复时产生较大 的应力集中，同时保证合金与相邻管段之间的有效连接。
[0063] 本发明的应用方法如下：
[0064] A、进行断层破碎带的开挖，在开挖断面洞周进行高聚物浆液压注，形成注 浆加固区2；
[0065] B、装配隧道管片，首先装配左、右底板管片6、7，再装配左、右边墙管片 4、5，最后装配拱顶管片3，完成装配式隧道11第一管段的装配；
[0066] 在装配管片时首先装配左、右底板管片，保证相邻管片之间的楔形连接件耦 合；再装配左、右边墙管片，此时需要采用一定辅助装置对管片进行支撑，防止 出现倾倒；最后装配拱顶管片，需要同时保证拱顶管片与左、右边墙管片顶部的 耦合。
[0067] 装配管片时首先用低温气流降低合金温度，使其恢复低温时的收缩形态；待 相邻管片装配完成后，用常温气流使合金温度恢复常温，形状恢复常温时的膨胀 状态。当合金膨胀时正好对相邻管片楔形凹槽产生垂直挤压应力，从而使得楔形 连接件固定。
[0068] C、在第一管段尾部焊接金属簧板17，进行第二管段装配式隧道11的装配， 装配完成后将此金属簧板17未焊接端与第二管段头部焊接，完成弹性变形件18 的布设；
[0069] D、进行第一管段与第二管段之间自动复位键9的安装；
[0070] E、重复A-D步骤即可完成隧道的不断推进，直至穿越断层破碎带。
[0071] 从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
[0072] (1)本发明为隧道穿越断层破碎带提供了一种装配式半活动连接隧道，该隧 道应用形状记忆合金相关性质，采用预制成型的装配式复合隧道管片，相邻管段 之间采用特制半活动连接，可以在断层活动时起到有效的消散耗能作用，避免了 断层活动对隧道的整体破坏。
[0073] (2)本发明采用的构件均为预制成型，结构强度高，精度高，现场直接吊装 或者安装、连接即可，省却大量人力的消耗，提高工作效率节约成本，增加结构 整体强度，提高隧道的安全性。
[0074] (3)本装置能够在断层发生活动时吸收断层破碎带对隧道产生的拉压应力、 剪切应力、弯矩等，有效降低隧道整体结构破坏的可能性，并且装置本身具有自 动复位功能，为断层活动发生后隧道结构的抢修节省了大量人力物力和时间成 本。
[0075] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域 的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内， 所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
