(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110847928 A(43)申请公布日 2020.02.28
(21)申请号 201911101685.8(22)申请日 2019.11.12
(71)申请人 中南林业科技大学
地址 410004 湖南省长沙市天心区韶山南
路498号(72)发明人 江学良 张继琪 杨慧 喻雷
刘文杰 (74)专利代理机构 长沙永星专利商标事务所
(普通合伙) 43001
代理人 邓淑红(51)Int.Cl.
E21D 11/00(2006.01)E21F 17/00(2006.01)
权利要求书1页 说明书3页 附图3页
(54)发明名称
一种隧道减震方法及其应用的消能构件及构件的应用方法(57)摘要
本发明公开了一种隧道减震方法及其应用的消能构件及构件的应用方法，减震方法通过沿隧道走向选定多个断面，至少在每个断面的不同应力集中位置分别安装与隧道衬砌连为一体的消能构件。消能构件包括固定筒及连接于其内腔中可滑动的弹性组件，弹性组件的两端与隧道衬砌中预埋的支座钢板连接固定，使各消能构件与隧道衬砌刚性连接，使隧道衬砌在受到地震作用力时，能很快将力传递给消能构件，通过消能构件的弹性变形来吸收消化，从而大大减小地震作用力对隧道衬砌的破坏能力，保护隧道衬砌的稳定，提高隧道安全系数和可靠性。另外，消能构件能对隧道提供支撑保护作用，避免隧道的大变形。
CN 110847928 ACN 110847928 A
权 利 要 求 书
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1.一种隧道减震方法，通过沿隧道走向选定多个断面，至少在每个端面的不同应力集中位置分别安装与隧道衬砌连为一体的消能构件，主要通过消能构件的弹性变形来吸收隧道衬砌受到的地震波能量，减小隧道衬砌受到的应力，从而减小隧道衬砌变形，保护隧道衬砌稳定，提高隧道安全系数。
2.一种用于权利要求1所述方法的消能构件，其特征在于：它包括固定筒及连接于其内腔中可滑动的弹性组件，弹性组件的两端与隧道衬砌中预埋的支座钢板连接固定。
3.如权利要求2所述的消能构件，其特征在于：所述固定筒为两端开口的方形筒，其两对侧板的内壁分别对称焊接有多块导向板，相邻的导向板之间形成滑槽；侧板和导向板均采用低碳钢板。
4.如权利要求3所述的消能构件，其特征在于：所述所述弹性组件包括一对方形的滑动板和垂直连接于两滑动板之间的多根消能弹簧，滑动板的四周各侧缘有外伸的滑块，滑块的数量与所述滑槽的数量相同。
5.如权利要求4所述的消能构件，其特征在于：所述消能弹簧采用低碳钢材质的螺旋弹簧，其两端分别与所述滑动板连接固定。
6.如权利要求5所述的消能构件，其特征在于：所述滑动板的外侧连接有多根钢杆，钢杆的外端所述支座钢板连接。
7.如权利要求6所述的消能构件，其特征在于：所述滑动板和消能弹簧及钢杆的整体件通过所述滑块和滑槽配合安装于所述固定筒的内腔中。
8.一种权利要求2所述消能构件的应用方法，包括以下步骤：(1)根据隧道的横截面形状，确定同一断面上的应力集中位置作为各消能构件的安装位置，同时使各消能构件的安装位置均处于隧道的基本建筑限界外；
(2)根据消能构件的不同安装位置，确定相应消能构件两滑动板之间消能弹簧的数量及其具体链接位置；
(3)在隧道开挖成形并铺设钢筋网后隧道衬砌浇筑前，根据断面上各消能构件的安装位置，在每个安装位置处将两块相同的方形钢板焊接固定在钢筋网上对应消能构件两端的位置，作为连接消能构件与衬砌的支座板；
(4)待衬砌浇筑完成并稳定形成设计强度后，在消能构件的安装位置凿除部分衬砌混凝土作为消能构件的安装槽，注意使步骤(3)中固定的方形钢板暴露于安装槽中；
(5)将各消能构件两端的钢杆分别连接固定于相应端的方形钢板上，使消能构件与隧道衬砌连成一体，注意钢杆与方形钢板连接固定前，使消能构件的消能弹簧处于预应力状态，为隧道衬砌提供初始的支撑保护力。
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说 明 书
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一种隧道减震方法及其应用的消能构件及构件的应用方法
技术领域
[0001]本发明属于隧道工程和地震工程领域，具体为一种隧道减震方法及其应用的消能构件及构件的应用方法。
背景技术
[0002]我国正处于隧道建设快速发展的时期，并已建成大量隧道。其中相当一部分隧道建在地震区，强烈的地震造成隧道衬砌出现裂缝、错台等灾害，汶川地震中大量隧道破坏就是其中鲜明的案例。地震灾害给国民经济及交通运输造成损失。隧道的钢筋混凝土衬砌一旦被地震破坏，即是永久破坏，因此，对隧道的减震消能保护相当重要。当前，在实际工程中对于隧道工程的减震消能还没有较好的措施。
发明内容
[0003]本发明的目的之一在于提供一种能减小隧道应变，有效保护隧道衬砌的隧道减震方法，目的之二在于提供一种隧道减震方法中应用的消能构件，目的之三在于提供一种消能构件在隧道中的应用方法，最终提高隧道的抗震安全系数。[0004]本发明提供的这种隧道减震方法，通过沿隧道走向选定多个断面，至少在每个断面的不同应力集中位置分别安装与隧道衬砌连为一体的消能构件，主要通过消能构件的弹性变形来吸收隧道衬砌受到的地震波能量，减小隧道衬砌受到的应力，从而减小隧道衬砌变形，保护隧道衬砌稳定，提高隧道安全系数。
[0005]本发明提供的这种适用于上述方法的消能构件，包括固定筒及连接于其内腔中可滑动的弹性组件，弹性组件的两端与隧道衬砌中预埋的支座钢板连接固定。[0006]上述消能构件的一种实施方式中，所述固定筒为两端开口的方形筒，其两对侧板的内壁分别对称焊接有多块导向板，相邻的导向板之间形成滑槽；侧板和导向板均采用低碳钢板。
[0007]上述消能构件的一种实施方式中，所述所述弹性组件包括一对方形的滑动板和垂直连接于两滑动板之间的多根消能弹簧，滑动板的四周各侧缘有外伸的滑块，滑块的数量与所述滑槽的数量相同。
[0008]上述消能构件的一种实施方式中，所述消能弹簧采用低碳钢材质的螺旋弹簧，其两端分别与所述滑动板连接固定。
[0009]上述消能构件的一种实施方式中，所述滑动板的外侧连接有多根钢杆，钢杆的外端所述支座钢板连接。
[0010]上述消能构件的一种实施方式中，所述滑动板和消能弹簧及钢杆的整体件通过所述滑块和滑槽配合安装于所述固定筒的内腔中。
[0011]本发明提供的这种上述消能构件的应用方法，包括以下步骤：[0012](1)根据隧道的横截面形状，确定同一断面上的应力集中位置作为各消能构件的安装位置，同时使各消能构件的安装位置均处于隧道的基本建筑限界外；
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说 明 书
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(2)根据消能构件的不同安装位置，确定相应消能构件两滑动板之间消能弹簧的
数量及其具体链接位置；[0014](3)在隧道开挖成形并铺设钢筋网后隧道衬砌浇筑前，根据断面上各消能构件的安装位置，在每个安装位置处将两块相同的方形钢板焊接固定在钢筋网上对应消能构件两端的位置，作为连接消能构件与衬砌的支座板；[0015](4)待衬砌浇筑完成并稳定形成设计强度后，在消能构件的安装位置凿除部分衬砌混凝土作为消能构件的安装槽，注意使步骤(3)中固定的方形钢板暴露于安装槽中；[0016](5)将各消能构件两端的钢杆分别连接固定于相应端的方形钢板上，使消能构件与隧道衬砌连成一体，注意钢杆与方形钢板连接固定前，使消能构件的消能弹簧处于预应力状态，为隧道衬砌提供初始的支撑保护力。[0017]本发明沿隧道走向选定多个断面，在每个断面的不同应力集中位置分别安装于隧道衬砌连为一体的消能构件，首先，消能构件能对隧道提供支撑保护作用，避免隧道的大变形。在地震波波作用时，消能构件能产生一定的弹性变形来吸收由隧道衬砌传过来的地震波能量，释放隧道衬砌受到的地震作用力，提高隧道安全系数和可靠性。根据相关研究，地震作用下隧道衬砌应力集中的位置为拱脚、拱肩、拱顶和仰拱处，所以本发明至少在这些应力集中位置分别安装消能构件，使各消能构件与隧道衬砌刚性连接，使隧道衬砌在受到地震作用力时，能很快将力传递给消能构件，通过消能构件的弹性变形来吸收消化，从而大大减小地震作用力对隧道衬砌的破坏能力，保护隧道衬砌的稳定。附图说明
[0018]图1为本发明中消能构件一个实施例的端面放大结构示意图。[0019]图2为图1中的A-A示意图(未示出滑动板周缘的滑块)。[0020]图3为本实施例中消能构件的轴侧结构示意图。[0021]图4为本实施例在隧道断面的安装示意图。
具体实施方式
[0022]结合图1、图2可以看出，本实施例公开的这种隧道减震消能构件，包括固定筒1、滑动板2、钢杆3和消能弹簧4。[0023]如图1所示，固定筒1为由四块低碳钢材质的侧板11焊接形成的方形筒体，每块侧板的两对侧板的内壁对称焊接有固定筒长度方向的导向板12，相邻的导向板12之间形成滑槽。
[0024]结合图1、图2可以看出，滑动板2有相同的两块，为方形板，其四周侧缘对称连接有滑块21，滑块21的数量与滑槽的数量相同，滑块位于滑槽中。
[0025]即固定筒1通过其内壁四周导向板12之间的滑槽使滑动板2能稳定的沿固定筒1的长度方向滑动，避免滑动板2在滑动过程中的失稳。[0026]从图2可以看出，消能弹簧4有多根，采用低碳钢材质的螺旋弹簧，各消能弹簧平行布置于两滑动板2之间，其两端分别与滑动板2焊接，以避免消能弹簧在使用过程中的脱落。[0027]消能弹簧的具体性能参数选择或者具体数量的选择根据隧道的具体情况选定。[0028]从图1至图3可以看出，滑动板2的外侧连接有多根钢杆3。
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说 明 书
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钢杆在滑动板上的焊接角度根据消能构件在断面上不同的安装位置确定，如图4
所示。
固定筒1的侧板11、导向板12、滑动板2和消能弹簧4均采用低碳钢材质，利用低碳
钢良好的焊接性、塑性和韧性，使消能弹簧4在受到挤压时能产生较大的变形，以吸收更多的能量。消能弹簧的具体参数及数量及在滑动板上的固定位置，根据隧道的实际情形确定，可适当增减。
[0031]滑动板2和消能弹簧4固定后形成的弹性组件在固定筒1内安装时，消能弹簧4的长度方向与固定筒1的长度方向一致，两滑动板2四周的滑块21分别位于固定筒1内壁导向板12之间相应的滑槽中。[0032]消能构件在隧道中安装时，根据设计要求沿隧道走向间隔一定距离选择一个断面，至少在选择断面的应力较大位置处分别安装消能构件，如断面的拱脚、拱肩、拱顶和仰拱位置以及连拱隧道的中隔墙等位置，但注意各消能构件的安装位置均处于隧道的基本建筑限界外，即不得干扰隧道相关通信电路线路、消防设施、道路行车空间等。如图4所示。[0033]消能构件在各断面处的具体安装过程如下：[0034](1)在隧道开挖成形铺设钢筋网后隧道衬砌浇筑前，根据选定断面处各消能构件的安装位置，在每个安装位置处将两块相同的方形钢板焊接固定在钢筋网上对应消能构件两端的位置，作为连接消能构件与衬砌的支座板；[0035](2)待衬砌浇筑完成并稳定形成强度后，在消能构件的安装位置凿除一定深度的衬砌混凝土作为消能构件的安装槽，使钢筋网上固定的方形钢板暴露于安装槽中，以使消能构件安装后能更好的镶嵌于衬砌中；[0036](3)将各消能构件两端的钢杆分别焊接于相应端的方形钢板上，同时注意钢杆与方形钢板焊接前将消能弹簧有一定的压缩量，即使消能弹簧处于预应力状态，为隧道衬砌提供初始的支撑保护力。钢杆与预埋的支座板焊接固定后注浆加固，以保证隧道衬砌和消能构件更好的整体性，从而更好的通过钢杆很快传给滑动板来释放衬砌受到地震作用力。[0037]本发明的消能构件在地震发生时其减震作用的原理如下：[0038]地震发生时，首先消能构件的安装可对隧道道提供一定的支撑保护作用，增大隧道阻尼，从而减小隧道衬砌的较大变形。隧道衬砌的变形通过固定于衬砌混凝土中钢筋网上的支座板传给消能构件两端的钢杆，钢杆受力将滑动板推动，滑动板同时将消能弹簧挤压变形吸收能量。即整个过程中，隧道衬砌受到的地震波能量先通过滑动板释放，滑动板释放的能量由消能弹簧变形吸收，从而使隧道衬砌减震。
[0030]
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说 明 书 附 图
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图1
图2
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说 明 书 附 图
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图3
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说 明 书 附 图
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图4
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