一种隧道轴向减震吸能装置及具有该装置的隧道衬砌结构技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种隧道轴向减震吸能装置及具有该装
置的隧道衬砌结构。
背景技术
山岭隧道相对于地表结构物如桥梁或高楼建筑而言，地震时隧道结构与围岩之间
的相对运动不明显，导致以往工程界对其受震行为与耐震设计并未加以重视。然而，这种传
统的观点被近几十年来的几次大地震证明是片面的，如1995年日本阪神大地震，1999年台
湾集集地震，2008年四川汶川地震，2016年熊本地震。近年来隧道抗震设计中一般采用隔层
抗震方法，而此方法无法很好地防止隧道轴向震害的发生；在隧道轴向设计中采用的伸缩
缝设计是为防止衬砌由于气候温度变化(热胀、冷缩)，使结构产生裂缝或破坏而沿衬砌施
工缝方向的适当部位设置的一条构造缝，而上述隧道伸缩缝仅可以使得隧道能够承受轴向
方向上的滑动，对于如地震波等能量的吸散起不到任何作用，即伸缩缝无法吸收能量，无法
起到很好的减震作用。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种隧道轴向减震吸能装置及
具有该装置的隧道衬砌结构。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种隧道轴向减震吸能装置，包括：
用于连接吸能本体与沿隧道轴向被分割为相邻的衬砌主体结构的两个连接件；其
中，所述吸能本体被设置为沿隧道径向呈刚性，沿隧道轴向可产生用以吸收轴向能量的相
对位移。
在隧道轴向承受地震波等能量作用时，通过吸能本体可以吸收轴向方向上传播的
能量，减缓对隧道衬砌的破坏；与此同时，在隧道径向方向上近乎刚性，能够承受围岩所施
加的径向压力，保证隧道衬砌的完整性。此处的吸能本体被设置为沿隧道径向呈刚性，是指
刚度为衬砌主体结构刚度的0.8-1.5倍。
所述吸能本体由刚性材料层和弹性材料层叠置而成；所述连接件包括吸能本体连
接板和主体结构连接板；所述吸能本体连接板用于沿隧道侧壁平行布置且法线指向隧道的
径向，其内侧连接所述吸能本体；所述主体结构连接板与所述吸能本体连接板刚性连接，用
于与相邻的所述衬砌主体结构固定连接。
所述吸能本体由刚性材料层和弹性材料层沿隧道径向叠置而成，这种结构由于弹
性材料层的柔性特性使得其沿隧道轴向具有一定的柔性，而在垂直于层叠方向上近乎刚
性，配合连接件相应的结构设计，能够实现轴向减震吸能装置的相应性能。
所述弹性材料层为橡胶层，所述刚性材料层为钢板；橡胶和钢板的材料工艺成熟，
取材方便，成本低廉。
所述吸能本体为板状部件，其设有垂直于隧道轴向的用以实现长度位移储备的弯
折；两个所述连接件为平面部件，对置固定于所述板状部件的两侧。当隧道发生轴向位移
时，板状部件在弯折处发生拉伸，以此实现轴向的减震吸能。板状部件的弯折部位会使其在
隧道径向上具有相应的刚性，能够承受围岩所施加的径向压力，保证隧道衬砌的完整性。
所述板状部件呈弹簧板型。
所述连接板由钢筋混凝土制备而成。成本低廉，制备方便。
一种隧道轴向减震吸能装置，包括：用于设置在沿隧道轴向被分割为相邻的两衬
砌主体结构之间的吸能本体，所述吸能本体被设置为沿隧道径向呈刚性，沿隧道轴向可产
生用以吸收轴向能量的相对位移；
所述吸能本体由若干截面呈六边形的金属管状部件以蜂窝状的排列方式组合而
成；所述吸能本体的侧面为平面，且与所述衬砌主体结构固定连接。所述管状部件被配置为
轴向指向隧道的径向；金属管状部件之间以蜂窝状的排列方式组合，在隧道发生轴向位移
时该结构可以发生轴向错动，以此实现轴向的减震吸能。金属管状部件在端口朝向上呈刚
性，因此能够承受围岩所施加的径向压力，保证了隧道衬砌的完整性。
所述吸能本体通过连接板与所述衬砌主体结构固定连接。
一种具有轴向减震吸能装置的隧道衬砌结构，其中衬砌主体结构沿隧道轴向被分
割成若干衬砌单元，相邻的所述衬砌单元之间仅通过沿环向布置的相隔设定间距的若干所
述隧道轴向减震吸能装置连接。在隧道轴向承受地震波等能量作用时，通过吸能本体可以
吸收轴向方向上传播的能量，减缓对隧道衬砌的破坏；与此同时，在隧道径向方向上近乎刚
性，能够承受围岩所施加的径向压力，保证隧道衬砌的完整性。
所述隧道轴向减震吸能装置的设定间距满足以下条件：隧道轴向减震吸能装置沿
着隧道环向均匀分布，且安装数量最小值应满足隧道整体径向整体刚性要求，最大值应满
足成本要求及易于施工与替换的要求。
本发明的有益效果是：
本发明提供的隧道轴向减震吸能装置，由于隧道径向方向的刚性特性而不损害隧
道衬砌整体承受静载的能力；轴向上使隧道具有一定的柔性，能够提高隧道轴向拉压变形
的抗震能力，并能够吸收地震所产生的相位衍生应力和相对变位，具有良好的抗减震效果，
从而保证了地震过程中隧道衬砌结构的安全；且装置安装方便，易替换。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明隧道轴向减震吸能装置安装设计的轴向剖面图；
图2为本发明隧道轴向减震吸能装置安装设计的径向剖面图；
图3为本发明隧道轴向减震吸能装置安装设计的侧视立体图；
图4a为橡胶组合剪切型减震吸能装置的结构示意图；
图4b为橡胶组合剪切型减震吸能装置的第一运动状态示意图；
图4c为橡胶组合剪切型减震吸能装置的第二运动状态示意图；
图5为本发明蜂窝芯型减震吸能装置的安装布置示意图；
图6为本发明弹簧板型减震吸能装置的第一种安装布置示意图；
图7为本发明弹簧板型减震吸能装置的第二种安装布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
如图1所示，隧道1是山体10深埋隧道，将隧道1衬砌沿轴向方向按照预设间隔分
割，各个分割衬砌单元2A沿隧道轴向方向的前后端面21,22通过减震吸能装置3连接形成完
整的隧道衬砌整体，如图2，图3所示，减震吸能装置3按照一定角度间隔沿隧道1横截面环向
安置。隧道轴向减震吸能装置沿着隧道环向均匀分布，且安装数量最小值应满足隧道整体
径向整体刚性要求，最大值应满足成本要求及易于施工与替换的要求。下面结合附图通过
三种实施例对本发明的实施方式进行详细说明：
实施例一
隧道轴向减震吸能装置与隧道衬砌主体结构直接连接，多组装置按照一定角度间
隔在隧道衬砌横截面内呈环向分布；隧道轴向减震吸能装置包括能量吸收模块和刚性连接
板；能量吸收模块呈橡胶组合剪切型，由薄层橡胶和钢板相互交替叠加而成；刚性连接板为
L型钢筋混凝土板，共两个；橡胶组合剪切型能量吸收模块通过两个L型刚性连接板将其叠
层方向两端与隧道衬砌端面进行螺栓连接；安装时叠层方向与隧道径向一致，与隧道轴向
垂直。
具体为：减震吸能装置3的能量吸收模块为橡胶组合剪切型。如图4a-图4c所示，减
震吸能装置由橡胶组合剪切型能量吸收模块4A和刚性连接板5组成。
橡胶组合剪切型能量吸收模块4A通过钢板4a与薄橡胶层4b交替层叠构成，薄橡胶
层4b的厚度小于钢板4a的厚度，因此在层叠方向T上近乎刚性，在层叠方向T垂直方向上由
于薄橡胶层4b的柔性特性具有一定柔性。
刚性连接板5包括外刚性连接板5A和内刚性连接板5B，其中外刚性连接板5A位于
橡胶组合剪切型能量吸收模块4A的第一叠层方向端41与衬砌单元2A沿隧道轴向第一端面
21一侧，内刚性连接板5B位于橡胶组合剪切型能量吸收模块4A的第二叠层方向端42与相邻
衬砌单元2A沿隧道轴向第二端面22一侧。
刚性连接板5由板构件51构成，其截面形状呈L型，包括主体结构连接板52和吸能
本体连接板53，由钢筋混凝土制备而成。刚性连接板5的主体结构连接板52与衬砌单元2A的
第一端面21、第二端面22相连接，吸能本体连接板53通过法兰盘4f与橡胶组合剪切型能量
吸收模块4A在叠层方向T上的叠层方向端41相连接；上述连接方式均为螺栓连接。
如图2所示，沿着隧道1环向按照一定角度间隔安装多个减震吸能装置3，橡胶组合
剪切型能量吸收模块4A的叠层方向T与隧道1径向一致，与隧道1轴向垂直，当隧道发生轴向
变形时，橡胶组合剪切型能量吸收模块4A中的钢板4a沿着薄橡胶层4b发生错动，因此能量
吸收模块4能够沿着隧道1轴向变形，吸收隧道1中传播的能量，起到减震吸能的作用，从而
达到控制隧道衬砌破坏的目的；橡胶组合剪切型能量吸收模块4A在叠层方向T上近乎刚性，
能够承受围岩10所施加的径向压力F3，保证了隧道衬砌的完整性。
实施例二
蜂窝芯型减震吸能装置与隧道衬砌主体结构直接连接，多组装置按照一定角度间
隔在隧道衬砌横截面内呈环向分布。蜂窝芯型减震吸能装置的能量吸收模块为蜂窝芯型。
如图5所示，蜂窝芯型减震吸能装置由蜂窝芯型能量吸收模块4B和刚性连接板组成，蜂窝芯
型能量吸收模块4B呈蜂窝芯型，由多组六角金属管43端口朝向同一侧、背对背对称排列组
合而成；蜂窝芯型能量吸收模块4B通过六角金属管43长度方向侧面与隧道衬砌单元2A端面
21,22连接。连接方式为与混凝土直接耦合连接或通过刚性连接板连接。刚性连接板为平板
型钢筋混凝土板，共两个。
如图5所示，沿着隧道1圆周方向按照一定间隔安装多个具有蜂窝芯型能量吸收模
块4B的减震吸能装置。蜂窝芯型能量吸收模块4B端口朝向隧道径向44且与隧道1轴向垂直，
以便能量吸收模块4B能够沿着隧道1轴向方向变形，控制隧道衬砌1中能量的传播，起到减
震吸能的作用，从而达到控制隧道衬砌破坏的目的。六角金属管43在端口朝向上呈刚性，因
此能够承受围岩10所施加的径向压力F3(图2)，保证了隧道衬砌的完整性。
实施例三
弹簧板型减震吸能装置与隧道衬砌主体结构直接连接，多组装置按照一定角度间
隔在隧道衬砌横截面内呈环向分布；减震吸能装置由能量吸收模块和刚性连接板组成，能
量吸收模块呈弹簧板型；刚性连接板为平板型钢筋混凝土板，共两个；弹簧板型能量吸收模
块通过两个刚性连接板将其伸缩方向两端与隧道衬砌端面进行螺栓连接；安装时伸缩方向
与隧道轴向一致。
减震吸能装置的能量吸收模块为弹簧板型能量吸收模块4C。如图6，图7所示，弹簧
板型减震吸能装置由弹簧板型能量吸收模块4C和刚性连接板4g组成，能量吸收装置4Cc呈
弹簧板型，由可拉压变形的弹簧板构成；弹簧板型能量吸收模块4C的可拉伸方向的两端面
4e分别通过刚性连接板4g与相邻两衬砌单元2A的端面21,22连接，连接方式为螺栓连接。
如图6，图7所示，沿着隧道1圆周方向按照一定间隔安装多个减震吸能装置，弹簧
板型能量吸收模块4C伸缩方向(延伸方向Y1和压缩方向Y2)与隧道1轴向一致，弯曲方向Z与
隧道1轴向垂直，与衬砌径向一致布置(图6)或与衬砌环向相切布置(图7)，以便弹簧板型能
量吸收模块4C能够沿着隧道1轴向方向变形，控制隧道衬砌1中能量的传播，起到减震吸能
的作用，从而达到控制隧道衬砌破坏的目的。弹簧板在隧道径向上呈刚性特性，能够承受围
岩10所施加的径向压力F3(图2)，保证了隧道衬砌的完整性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般
原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明
的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施
例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。