一种黄土隧道三台阶开挖施工结构的制作方法

本实用新型属于隧道施工技术领域，尤其是涉及一种黄土隧道三台阶开挖施工结构。

背景技术：

黄土是指在地质时代中的第四纪期间，以风力搬运的黄色粉土沉积物。黄土湿陷系数(也称湿陷系数)是评价黄土湿陷性的力学参数，指在一定压力下，黄土湿陷系数是指土样浸水前后高度之差与土样原始高度之比。黄土湿陷系数是评价黄土湿陷性的一个重要指标，可由试验直接测出。根据黄土湿陷系数不同，黄土分为湿陷性黄土和非湿陷性黄土。其中，非湿陷性黄土是指在自重和外部荷载作用下被水浸湿后完全不发生湿陷或黄土湿陷系数＜0.015的黄土。非湿陷性黄土是黄土是在干旱气候条件下形成的特种土，一般为浅黄、灰黄或黄褐色,具有目视可见的大孔和垂直节理。湿陷性黄土是指在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的土，属于特殊土，有些杂填土也具有湿陷性，广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区的黄土多具湿陷性。通过地质勘察发现，黄土地层中黄土的类型较多，根据材质划分为砂质黄土(也称为砂黄土)、黏性黄土(也称为粘性黄土或粘黄土)等，其中砂黄土是指含有细砂颗粒量较高一般大于30％的黄土且其实质是黄土状土，粘黄土是指细砂含量小于15％、粘土含量大于25％的黄土且其实质是黄土状土；根据所处地质年代分为新黄土和老黄土，老黄土是地质年代属于早、中更新世的黄土且其一般不具有湿陷性，新黄土指比老黄土年代晚的黄土，新黄土结构疏松且一般具有湿陷性，新黄土多分布于老黄土之上。

随着我国大力推行“一带一路”及西部大开发政策，在我国西北地区大量建设交通基础设施，使穿越黄土地层的隧道工程越来越多。黄土地层具有多孔性、垂直节理发育、透水性强和沉陷性等地质特性，对于处于黄土地层且隧道上部覆盖层大于隧道洞跨(即隧道开挖宽度)2.5倍的深埋隧道进行施工时，由于深埋隧道的埋深大，洞体周侧土层变形大。尤其是对于隧道开挖断面大于100m²的大断面隧道而言，洞体周侧土层变形非常大，并且开挖施工难度非常大。

对大断面黄土隧道进行开挖时，采用台阶法进行开挖。台阶法是指先开挖隧道上部断面(上台阶)，上台阶超前一定距离后开始开挖下部断面(下台阶，也称隧道上部洞体)，上下台阶同时并进的施工方法。其中，三台阶开挖法(也称为三台阶法)是指将所开挖隧道分为上、中、下三个台阶进行开挖。采用三台阶法对大断面黄土隧道进行开挖时，由于洞体周侧土层变形非常大，施工难度大且施工风险高，必须及时设置合理的支撑结构，一方面防止后续开挖区域坍塌，另一方面对已开挖成型洞体进行有效支护，以确保施工安全。现如今，国内外深埋黄土隧道施工过程中，由于黄土地质松软多孔、垂直节理发育、具有蠕变作用，特别是富水段落，开挖后围岩暴露时间过长极易发生加大变形，存在变形控制难度大、施工进度受到制约等问题。采用传统的三台阶法、三台阶临时仰拱法、三台阶大拱脚临时仰拱法、双侧壁导坑法、cd法等开挖施工方法进行开挖时，存在以下三个方面问题：第一、仰拱未及时封闭成环，围岩变形大，容易发生坍塌事故；第二、将大断面隧道断面分隔成几个小断面(分部)进行施工，开挖施工中需要架设和拆除大量临时支撑，施工工序多、对各小断面支护结构连接的工艺要求高；第三、空间断面被分割，作业空间狭小不利于大型机械施工，无法满足大型机械化施工需求，各工序之间干扰较大，各作业面无法同步作业，功效低，施工速度慢；第四、采用临时仰拱，工程成本高，且拆除过程中存在较大安全风险。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种黄土隧道三台阶开挖施工结构，其结构简单、设计合理且施工简便、使用效果好，采用三台阶开挖方式并对中部洞体开挖面与上部洞体开挖面和下部洞体开挖面之间的间距均进行限定，实现大断面隧道的短台阶或微台阶开挖，确保开挖成型隧道洞的稳定性；并且，采用全断面支撑架结构隧道洞进行分层支护，并采用锚固体系对隧道洞外侧进行整体加固，确保大断面黄土隧道洞的结构稳定性，确保施工安全；同时，将下部洞体开挖面后侧的隧底回填土层作为供湿喷机械手前后移动的临时移动平台，并对上部洞体和中部洞体的开挖高度进行限定，实现开挖过程中通过湿喷机械手进行混凝土喷射的目的，能有效加快施工进度，并能使初期支护快速封闭成环，进一步确保隧道结构稳固性。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种黄土隧道三台阶开挖施工结构，其特征在于：包括对所施工黄土隧道的隧道洞进行支护的全断面支撑结构和布设于所述全断面支撑结构外侧的锚固体系；所述全断面支撑结构包括多榀对隧道洞进行支护的全断面支撑架，多榀所述全断面支撑架沿所施工黄土隧道的隧道纵向延伸方向由后向前布设，所述全断面支撑架的形状与隧道洞的横断面形状相同；所述锚固体系包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的锚固组，每榀所述全断面支撑架外侧均布设有一个所述锚固组，每榀所述全断面支撑架与其上所布设的所述锚固组均布设于隧道洞的同一个横断面上；

所述隧道洞的横断面积大于100m²，所述隧道洞由上至下分为上部洞体、中部洞体和下部洞体；所述上部洞体为由后向前对所施工黄土隧道进行上台阶开挖后形成的洞体，所述中部洞体为由后向前对所施工黄土隧道进行中台阶开挖后形成的洞体，所述下部洞体为由后向前对所施工黄土隧道进行下台阶开挖后形成的洞体；所述中部洞体的开挖面位于上部洞体的开挖面后方且二者之间的水平间距为4m～6m，所述下部洞体的开挖面位于中部洞体的开挖面后方且二者之间的水平间距为4m～6m；

每榀所述全断面支撑架均由一个对隧道洞的拱墙进行支护的拱墙支撑拱架和一个对隧道洞底部进行支护的隧道仰拱支架拼接而成，所述隧道仰拱支架位于所述拱墙支撑拱架的正下方且二者位于同一隧道横断面上，所述隧道仰拱支架与所述拱墙支撑拱架形成一个封闭式全断面支架；

所述拱墙支撑拱架由一个位于上部洞体内的上部拱架、两个对称布设于上部拱架左右两侧下方且均位于中部洞体内的中部侧支架、两个对称布设于上部拱架左右两侧下方且均位于下部洞体内的下部侧支架组成，所述隧道仰拱支架位于下部洞体内；每个所述中部侧支架均连接于一个所述下部侧支架上端与上部拱架之间；所述隧道仰拱支架的左端与一个所述下部侧支架底部紧固连接，所述隧道仰拱支架的右端与另一个所述下部侧支架底部紧固连接；

每个所述锚固组均包括左右两组对称布设于上部拱架左右两侧底部外侧的上锁脚锚管、左右两组对称布设的中锁脚锚管和左右两组对称布设的下锁脚锚管，两组所述上锁脚锚管、两组所述中锁脚锚管和两组所述下锁脚锚管均布设于隧道洞的同一个横断面上；每个所述中部侧支架的底部外侧均设置有一组所述中锁脚锚管，每个所述下部侧支架的底部外侧均设置有一组所述下锁脚锚管；每组所述上锁脚锚管均包括上下两个平行布设的上锁脚锚管，每组所述中锁脚锚管均包括上下两个平行布设的中锁脚锚管，每组所述下锁脚锚管均包括上下两个平行布设的下锁脚锚管；所述上锁脚锚管、中锁脚锚管和下锁脚锚管均为由内至外进入隧道洞周侧土层内的锁脚锚管且三者由内向外逐渐向下倾斜；

所述上部洞体和中部洞体的开挖高度均为3.5m～4.5m，所述下部洞体的开挖面后方设置有隧底回填土层，所述隧底回填土层位于下部洞体内；所述隧底回填土层为供湿喷机械手进行前后移动的临时移动平台。

上述一种黄土隧道三台阶开挖施工结构，其特征是：所述隧道洞的隧道初期支护结构包括所述全断面支撑结构、对隧道洞的拱墙进行初期支护的拱墙网喷支护结构和对隧道洞底部进行初期支护的仰拱初期支护结构；

所述拱墙网喷支护结构与所述全断面支撑结构中的所述拱墙钢拱架组成拱墙初期支护结构，所述仰拱初期支护结构与所述全断面支撑结构中的隧道仰拱支架组成初期支护仰拱，所述隧底回填土层位于初期支护仰拱上；所述拱墙网喷支护结构包括挂装在隧道洞拱墙上的拱墙钢筋网片和一层喷射于隧道洞拱墙上的拱墙混凝土喷射层，所述拱墙钢筋网片固定在所述拱墙钢拱架上，所述拱墙钢筋网片与所述拱墙钢拱架均固定于拱墙混凝土喷射层内；所述仰拱初期支护结构为一层喷射于隧道洞底部的仰拱混凝土喷射层，所述隧道仰拱支架固定于仰拱混凝土喷射层内；

所述拱墙混凝土喷射层和仰拱混凝土喷射层均为采用湿喷机械手喷射形成的混凝土层。

上述一种黄土隧道三台阶开挖施工结构，其特征是：所述全断面支撑结构中多榀所述全断面支撑架呈均匀布设，前后相邻两榀所述全断面支撑架之间的间距为l，其中l的取值范围为0.5m～1m。

上述一种黄土隧道三台阶开挖施工结构，其特征是：所述中锁脚锚管和下锁脚锚管与竖直面之间的夹角均为45°。

上述一种黄土隧道三台阶开挖施工结构，其特征是：所述上部拱架为圆弧形，每个所述上锁脚锚管与其所连接位置处上部拱架的拱架切面之间的夹角均为45°；所述拱架切面为与上部拱架的外轮廓线呈垂直布设的平面。

上述一种黄土隧道三台阶开挖施工结构，其特征是：每个所述下部侧支架底部均垫装有一块泡沫铝垫板或混凝土垫板。

上述一种黄土隧道三台阶开挖施工结构，其特征是：所述拱墙支撑拱架和隧道仰拱支架均为格栅钢架。

上述一种黄土隧道三台阶开挖施工结构，其特征是：所述全断面支撑结构中前后相邻两榀所述全断面支撑架之间均通过多道纵向连接钢筋紧固连接为一体，所述纵向连接钢筋呈水平布设且其沿隧道纵向延伸方向布设，多道所述纵向连接钢筋沿所述全断面支撑架的轮廓线进行布设。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、设计合理且架设简便，施工效率高。

2、所采用的全断面支撑架能对隧道洞进行全断面支护，支护稳固、可靠，并且全断面支撑架由拱墙支撑拱架和隧道仰拱支架拼装而成，拱墙支撑拱架由上部拱架、两个中部侧部支架和两个下部侧部支架拼装而成，实际进行隧道开挖时能简便进行组装，满足隧道洞断面分块支撑需求，使上部洞体的初期支护不受中部洞体和下部洞体内初期支护施工的影响，中部洞体的初期支护也不受下部洞体初期支护施工的影响，并且上部洞体和中部洞体的初期支护均在开挖完成后立即进行施工，因而支护及时、稳固，再加上此时隧道洞尚未全面开挖，因而隧道上部洞体和中部洞体内初期支护结构的支撑稳固性能进一步得到保证，并且隧道上部洞体和中部洞体内的初期支护过程更易于进行，同时支护更有力，更有利于隧道施工安全。

3、采用锚固体系对隧道洞围岩进行全断面固定，进一步提高初期支护稳定性。并且，锚固体系与全断面支撑架连接为一体，进一步提高整体稳固性，同时，施工简便。

4、施工简便且使用效果好，采用三台阶开挖方式并对中部洞体开挖面与上部洞体开挖面和下部洞体开挖面之间的间距均进行限定，实现大断面隧道的短台阶或微台阶开挖，确保开挖成型隧道洞的稳定性；并且，采用全断面支撑架结构隧道洞进行分层支护，并采用锚固体系对隧道洞外侧进行整体加固，确保大断面黄土隧道洞的结构稳定性，确保施工安全；同时，将下部洞体开挖面后侧的隧底回填土层作为供湿喷机械手前后移动的临时移动平台，并对上部洞体和中部洞体的开挖高度进行限定，实现开挖过程中通过湿喷机械手进行混凝土喷射的目的，能有效加快施工进度，并能使初期支护快速封闭成环，进一步确保隧道结构稳固性。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的横向施工状态示意图。

图2为本实用新型的纵向施工状态示意图。

图3为本实用新型湿喷机械手的施工状态示意图。

图4为采用本实用新型对黄土隧道进行开挖施工时的方法流程框图。

附图标记说明:

1—隧道洞；1-1—上部洞体；1-2—中部洞体；

1-3—下部洞体；2—隧道仰拱支架；2-1—上部拱架；

5—中部侧支架；6—下部侧支架；7—隧底回填土层；

8—上锁脚锚管；9—中锁脚锚管；10—下锁脚锚管；

12—拱墙初期支护结构；13—初期支护仰拱；

19—拱墙混凝土喷射层；20—仰拱混凝土喷射层；

21—湿喷机械手。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实用新型包括对所施工黄土隧道的隧道洞1进行支护的全断面支撑结构和布设于所述全断面支撑结构外侧的锚固体系；所述全断面支撑结构包括多榀对隧道洞1进行支护的全断面支撑架，多榀所述全断面支撑架沿所施工黄土隧道的隧道纵向延伸方向由后向前布设，所述全断面支撑架的形状与隧道洞1的横断面形状相同；所述锚固体系包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的锚固组，每榀所述全断面支撑架外侧均布设有一个所述锚固组，每榀所述全断面支撑架与其上所布设的所述锚固组均布设于隧道洞1的同一个横断面上；

所述隧道洞1的横断面积大于100m²，所述隧道洞1由上至下分为上部洞体1-1、中部洞体1-2和下部洞体1-3；所述上部洞体1-1为由后向前对所施工黄土隧道进行上台阶开挖后形成的洞体，所述中部洞体1-2为由后向前对所施工黄土隧道进行中台阶开挖后形成的洞体，所述下部洞体1-3为由后向前对所施工黄土隧道进行下台阶开挖后形成的洞体；所述中部洞体1-2的开挖面位于上部洞体1-1的开挖面后方且二者之间的水平间距为4m～6m，所述下部洞体1-3的开挖面位于中部洞体1-2的开挖面后方且二者之间的水平间距为4m～6m；

每榀所述全断面支撑架均由一个对隧道洞1的拱墙进行支护的拱墙支撑拱架和一个对隧道洞1底部进行支护的隧道仰拱支架2拼接而成，所述隧道仰拱支架2位于所述拱墙支撑拱架的正下方且二者位于同一隧道横断面上，所述隧道仰拱支架2与所述拱墙支撑拱架形成一个封闭式全断面支架；

所述拱墙支撑拱架由一个位于上部洞体1-1内的上部拱架2-1、两个对称布设于上部拱架2-1左右两侧下方且均位于中部洞体1-2内的中部侧支架5、两个对称布设于上部拱架2-1左右两侧下方且均位于下部洞体1-3内的下部侧支架6组成，所述隧道仰拱支架2位于下部洞体1-3内；每个所述中部侧支架5均连接于一个所述下部侧支架6上端与上部拱架2-1之间；所述隧道仰拱支架2的左端与一个所述下部侧支架6底部紧固连接，所述隧道仰拱支架2的右端与另一个所述下部侧支架6底部紧固连接；

每个所述锚固组均包括左右两组对称布设于上部拱架2-1左右两侧底部外侧的上锁脚锚管8、左右两组对称布设的中锁脚锚管9和左右两组对称布设的下锁脚锚管10，两组所述上锁脚锚管8、两组所述中锁脚锚管9和两组所述下锁脚锚管10均布设于隧道洞1的同一个横断面上；每个所述中部侧支架5的底部外侧均设置有一组所述中锁脚锚管9，每个所述下部侧支架6的底部外侧均设置有一组所述下锁脚锚管10；每组所述上锁脚锚管8均包括上下两个平行布设的上锁脚锚管8，每组所述中锁脚锚管9均包括上下两个平行布设的中锁脚锚管9，每组所述下锁脚锚管10均包括上下两个平行布设的下锁脚锚管10；所述上锁脚锚管8、中锁脚锚管9和下锁脚锚管10均为由内至外进入隧道洞1周侧土层内的锁脚锚管且三者由内向外逐渐向下倾斜；

所述上部洞体1-1和中部洞体1-2的开挖高度均为3.5m～4.5m，所述下部洞体1-3的开挖面后方设置有隧底回填土层7，所述隧底回填土层7位于下部洞体1-3内；结合图3，所述隧底回填土层7为供湿喷机械手21进行前后移动的临时移动平台。同时，通过隧底回填土层7也能进一步提高隧道洞1底部的结构稳固性。

本实施例中，所述上部拱架2-1与中部侧支架5之间、所述中部侧支架5与下部侧支架6之间以及所述下部侧支架6与隧道仰拱支架2之间均通过连接螺栓进行固定连接。所述上部拱架2-1的两端、中部侧支架5的两端、下部侧支架6的两端和隧道仰拱支架2的两端均设置有供所述连接螺栓安装的连接钢板。

为确保加工质量并提高现场施工效率，所述全断面支撑架采用工厂化集中加工与配送，并满足所有工作面半小时内配送到位的要求。

实际施工时，所述隧道洞1的开挖高度为11m～15m，所述隧道洞1的开挖宽度为10m～15m。并且，所施工隧道为埋深大于50m的深埋隧道。

本实施例中，所述隧道洞1的开挖高度为12m，所述上部洞体1-1的高度(即上台阶高度)为4m，所述中部洞体1-2的高度(即中台阶高度)为3.5m。实际施工过程中，可根据具体需要，对隧道洞1的开挖高度以及上部洞体1-1的高度和中部洞体1-2的高度分别进行相应调整。

为确保开挖安全，所述上部洞体1-1采用中部预留核心土的方式进行开挖，所述上部洞体1-1内核心土的顶面净空高度为1.5m～1.8m。所述中部洞体1-2和下部洞体1-3开挖过程中是否预留核心土根据掌子面的稳定性而定。

本实施例中，所述隧道洞1的隧道初期支护结构包括所述全断面支撑结构、对隧道洞1的拱墙进行初期支护的拱墙网喷支护结构和对隧道洞1底部进行初期支护的仰拱初期支护结构；

所述拱墙网喷支护结构与所述全断面支撑结构中的所述拱墙钢拱架组成拱墙初期支护结构12，所述仰拱初期支护结构与所述全断面支撑结构中的隧道仰拱支架2组成初期支护仰拱13，所述隧底回填土层7位于初期支护仰拱13上；所述拱墙网喷支护结构包括挂装在隧道洞1拱墙上的拱墙钢筋网片和一层喷射于隧道洞1拱墙上的拱墙混凝土喷射层19，所述拱墙钢筋网片固定在所述拱墙钢拱架上，所述拱墙钢筋网片与所述拱墙钢拱架均固定于拱墙混凝土喷射层19内；所述仰拱初期支护结构为一层喷射于隧道洞1底部的仰拱混凝土喷射层20，所述隧道仰拱支架2固定于仰拱混凝土喷射层20内；

所述拱墙混凝土喷射层19和仰拱混凝土喷射层20均为采用湿喷机械手21喷射形成的混凝土层。

实际施工时，所述隧底回填土层7后端与上部洞体1-1的开挖面之间的水平间距不大于45m。

实际对下部洞体1-3进行开挖过程中，及时对开挖成型的下部洞体1-3进行初期支护，并获得初期支护仰拱13；所述下部洞体1-3初期支护完成后，及时在初期支护仰拱13上对隧底回填土层7进行回填。对隧底回填土层7进行回填时，采用下部洞体1-3内的洞渣(即渣土)对隧底回填土层7进行回填。

对上部洞体1-1、中部洞体1-2和下部洞体1-3进行开挖过程中，均采用挖掘机将开挖形成的洞渣装至自卸汽车，并通过自卸汽车进行外运。对开挖形成的洞渣进行外运时，还需预留用于回填隧底回填土层7所用的洞渣，且将预留的洞渣置于下部洞体1-3的内侧一侧以便及时对隧底回填土层7进行回填。

所述全断面支撑结构中前后相邻两榀所述全断面支撑架之间均通过多道纵向连接钢筋紧固连接为一体，所述纵向连接钢筋呈水平布设且其沿隧道纵向延伸方向布设，多道所述纵向连接钢筋沿所述全断面支撑架的轮廓线进行布设。本实施例中，所述全断面支撑结构中多榀所述全断面支撑架呈均匀布设，前后相邻两榀所述全断面支撑架之间的间距为l，其中l的取值范围为0.5m～1m。

实际施工时，可根据具体需要，对前后相邻两榀所述全断面支撑架之间的间距(即l的取值大小)进行相应调整。

为确保锚固效果，本实施例中，所述中锁脚锚管9和下锁脚锚管10与竖直面之间的夹角均为45°。

所述上部拱架2-1为圆弧形，每个所述上锁脚锚管8与其所连接位置处上部拱架2-1的拱架切面之间的夹角均为45°；所述拱架切面为与上部拱架2-1的外轮廓线呈垂直布设的平面。其中，每个所述上锁脚锚管8所连接位置处上部拱架2-1的拱架切面均为与该上锁脚锚管8所连接位置处上部拱架2-1的外轮廓线呈垂直布设的平面。

本实施例中，所述拱墙支撑拱架和隧道仰拱支架2均为格栅钢架。

并且，每个所述下部侧支架6底部均垫装有一块泡沫铝垫板或混凝土垫板，以控制位移及沉降。

实际施工时，沿隧道纵向延伸方向由后向前对所施工黄土隧道进行开挖，开挖过程中同步由后向前对开挖成型的隧道洞1进行初期支护，获得施工成型的所述隧道初期支护结构。

如图4所示，对所施工黄土隧道进行开挖及初期支护时，包括以下步骤：

步骤b1、上部洞体开挖及初期支护：沿隧道纵向延伸方向由后向前对所施工黄土隧道的上部洞体1-1进行开挖；

所述上部洞体1-1开挖过程中，由后向前对开挖成型的上部洞体1-1拱部进行网喷支护，同时由后向前在开挖成型的上部洞体1-1内安装上部拱架2-1，完成上部洞体1-1的开挖及初期支护施工过程；

步骤b2、中部洞体开挖及初期支护：步骤b1中进行上部洞体开挖及初期支护过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前在已开挖成型的上部洞体1-1下方对中部洞体1-2进行开挖；

所述中部洞体1-2开挖过程中，由后向前对开挖成型的中部洞体1-2左右两侧分别进行网喷支护，同时由后向前在开挖成型的中部洞体1-2左右两侧分别安装中部侧支架5，并使每个所述中部侧支架5均与步骤b1中所述上部拱架2-1紧固连接为一体，完成中部洞体1-2的开挖及初期支护施工过程；

本步骤中，所述中部洞体1-2的开挖面位于上部洞体1-1的开挖面后方且二者之间的水平间距为4m～6m；

步骤b3、下部洞体开挖及初期支护：步骤b2中进行中部洞体开挖及初期支护过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前在已开挖成型的中部洞体1-2下方对下部洞体1-3进行开挖；

所述下部洞体1-3开挖过程中，由后向前对开挖成型的下部洞体1-3左右两侧分别进行网喷支护，网喷支护过程中同步由后向前在开挖成型的下部洞体1-3左右两侧分别安装下部侧支架6，并使每个所述下部侧支架6均与步骤b2中所述中部侧支架5紧固连接为一体；同时，由后向前在隧道洞1底部喷射一层混凝土形成仰拱混凝土喷射层20，混凝土喷射过程中同步由后向前在下部洞体1-3底部安装隧道仰拱支架2，使下部洞体1-3左右两侧所安装的下部侧支架6均与下部洞体1-3底部所安装的隧道仰拱支架2紧固连接为一体，并使隧道仰拱支架2固定于仰拱混凝土喷射层20内，完成下部洞体1-3的开挖及初期支护施工过程；

本步骤中，所述下部洞体1-3的开挖面位于中部洞体1-2的开挖面后方且二者之间的水平间距为4m～6m；

本步骤中，由后向前对下部洞体1-3进行开挖过程中，获得开挖成型的隧道洞1；由后向前对开挖成型的下部洞体1-3左右两侧分别进行网喷支护后，获得施工成型的所述拱墙网喷支护结构；所述拱墙网喷支护结构与仰拱混凝土喷射层20连接。

本实施例中，步骤b1中对上部洞体1-1进行开挖时，采用带松土器的挖掘机进行开挖，并且在上部洞体1-1的四周侧均预留30cm～50cm厚度的土层作为人工修整层，人工修整层由人工采用刀具进行开挖，确保开挖精度，严禁挖掘机触碰所述全断面支撑架，确保安全和防止超挖，必要时预留核心土保证掌子面稳定。

步骤b1中由后向前在开挖成型的上部洞体1-1内安装上部拱架2-1过程中，在每个已安装完成上部拱架2-1的左右两侧底部分别设置泡沫铝垫板或混凝土垫板以控制位移及沉降，并在每个已安装完成上部拱架2-1的左右两侧分别打设上锁脚锚管8；同时，在每个已安装完成上部拱架2-1的左右两侧底部分别铺设一层砂垫层以利于上部拱架2-1与中部侧支架5进行螺栓连接。

步骤b2中对中部洞体1-2进行开挖时，采用带松土器的挖掘机进行开挖，并且在中部洞体1-2的左右两侧和底部均预留30cm～50cm厚度的土层作为人工修整层，严禁机械一次开挖至边，人工修整层由人工采用刀具进行开挖，确保开挖精度，严禁挖掘机触碰所述全断面支撑架，确保安全和防止超挖，必要时预留核心土保证掌子面稳定。

步骤b2中由后向前在开挖成型的中部洞体1-2左右两侧分别安装中部侧支架5过程中，在每个已安装完成中部侧支架5底部分别设置泡沫铝垫板或混凝土垫板以控制位移及沉降，并在每个已安装完成中部侧支架5外侧分别打设中锁脚锚管9；同时，在每个已安装完成中部侧支架5底部分别铺设一层砂垫层以利于中部侧支架5与下部侧支架6进行螺栓连接。

步骤b3中对下部洞体1-3进行开挖时，采用带松土器的挖掘机进行开挖，并且在下部洞体1-3的左右两侧和底部均预留30cm～50cm厚度的土层作为人工修整层，严禁机械一次开挖至边，人工修整层由人工采用刀具进行开挖，确保开挖精度，严禁挖掘机触碰所述全断面支撑架，确保安全和防止超挖，必要时预留核心土保证掌子面稳定。

步骤b3中由后向前在开挖成型的下部洞体1-3左右两侧分别安装下部侧支架6过程中，在每个已安装完成下部侧支架6底部分别设置泡沫铝垫板或混凝土垫板以控制位移及沉降，并在每个已安装完成下部侧支架6外侧分别打设下锁脚锚管10。

由于所施工黄土隧道采用台阶法开挖，对所施工黄土隧道进行开挖过程中，所述全断面支撑架分步进行安装且其暂时不能封闭成环，造成初期支护极易出现较大变形。本发明采用上锁脚锚管8、中锁脚锚管9和下锁脚锚管10分别对上部拱架2-1、中部侧支架5和下部侧支架6的拱脚进行约束，能有效防止上部拱架2-1、中部侧支架5和下部侧支架6的拱脚发生转动和移动，提高钢架整体稳定性，以防止初支出现较大变形。

本实施例中，所述上锁脚锚管8、中锁脚锚管9和下锁脚锚管10均为壁厚5mm、长度4m且直径φ42mm的无缝钢管，上锁脚锚管8、中锁脚锚管9和下锁脚锚管10的内端均通过连接钢筋焊接固定在所述全断面支撑架上。所述上锁脚锚管8、中锁脚锚管9和下锁脚锚管10的长度和打入角度设计合理，不仅有利于限制围岩的变形，而且有助于发挥支护结构的承载力。并且，每个锚固位置处所述上锁脚锚管8、中锁脚锚管9和下锁脚锚管10的数量均为两个，能进一步提高锚固效果。

所述上锁脚锚管8、中锁脚锚管9和下锁脚锚管10为倾斜锚管，对所述倾斜锚管进行安装时，先对所述倾斜锚管所安装的钻孔进行钻设，因作业空间有限，为切实有效保证锁脚锚管的钻孔深度及角度，采用“三次钻进法”进行钻孔，依次选用长度为2m、3m和4m的钻杆，将钻孔深度按1.5m、2.5m和4m的顺序逐步钻进至设计深度。钻孔完成后，对所述倾斜锚管进行安装，安装时用凿岩机接送管器将直接将所述倾斜锚管打入钻孔中。

本实施例中，步骤b1中进行上部洞体开挖及初期支护时，所述上部洞体1-1的开挖进尺为2l～3l；

步骤b2中进行中部洞体开挖及初期支护时，所述中部洞体1-2的开挖进尺为2l～3l；

步骤b3中进行下部洞体开挖及初期支护时，所述下部洞体1-3的开挖进尺为2l～3l。

本实施例中，步骤b1中由后向前对上部洞体1-1拱部进行网喷支护时，先由后向前在上部洞体1-1拱部挂装拱部钢筋网片，同时由后向前在上部洞体1-1内安装上部拱架2-1，并使所挂装的拱部钢筋网片与所安装的上部拱架2-1紧固连接；再由后向前在开挖成型的上部洞体1-1内壁上喷射一层混凝土，形成拱部混凝土喷射层，并使所挂装的拱部钢筋网片与所安装的上部拱架2-1均固定于所述拱部混凝土喷射层内，完成上部洞体1-1的开挖及初期支护施工过程；

步骤b2中由后向前对中部洞体1-2左右两侧分别进行网喷支护时，先由后向前在中部洞体1-2左右两侧分别挂装中部钢筋网片，同时由后向前在中部洞体1-2左右两侧分别安装中部侧支架5，并使所挂装的中部钢筋网片与所安装的中部侧支架5紧固连接，同时使所挂装的中部钢筋网片与步骤b1中所述拱部钢筋网片紧固连接；再由后向前在中部洞体1-2的左右两侧内壁上分别喷射一层混凝土，形成中部混凝土喷射层，使所述中部混凝土喷射层与步骤b1中所述拱部混凝土喷射层连接，并使所挂装的中部钢筋网片与所安装的中部侧支架5均固定于所述中部混凝土喷射层内，完成中部洞体1-2的开挖及初期支护施工过程；

步骤b3中由后向前对下部洞体1-3左右两侧分别进行网喷支护时，先由后向前在下部洞体1-3左右两侧分别挂装下部钢筋网片，同时由后向前在下部洞体1-3左右两侧分别安装下部侧支架6，并使所挂装的下部钢筋网片与所安装的下部侧支架6紧固连接，同时使所挂装的下部钢筋网片与步骤b2中所述中部钢筋网片紧固连接；再由后向前在下部洞体1-3的左右两侧内壁上分别喷射一层混凝土，形成下部混凝土喷射层，使所述下部混凝土喷射层与步骤b2中所述中部混凝土喷射层连接，并使所挂装的下部钢筋网片与所安装的下部侧支架6均固定于所述下部混凝土喷射层内，完成下部洞体1-3左右两侧的网喷支护过程，获得施工成型的所述拱墙网喷支护结构；

步骤b1中所述拱部钢筋网片、步骤b2中所述中部钢筋网片与步骤b3中所述下部钢筋网片由上至下连接组成所述拱墙钢筋网片，步骤b1中所述拱部混凝土喷射层、步骤b2中所述中部混凝土喷射层与步骤b3中所述下部混凝土喷射层由上至下连接组成拱墙混凝土喷射层19。

如图2所示，本实施例中，步骤b1中所述上部洞体1-1的开挖进尺、步骤b2中所述中部洞体1-2的开挖进尺与步骤b3中所述下部洞体1-3的开挖进尺均相同；

步骤一中进行隧道开挖及初期支护时，所述湿喷机械手21通过隧底回填土层7沿隧道纵向延伸方向分多次进行向前移动，每次向前移动距离均与下部洞体1-3的开挖进尺相同；

所述湿喷机械手21每次向前移动到位后，位于隧底回填土层7前方的已开挖成型下部洞体1-3的长度均与下部洞体1-3的开挖进尺相同，此时位于隧底回填土层7前方的已开挖成型下部洞体1-3为当前所开挖下部洞体；

所述湿喷机械手21每次向前移动到位后，先采用湿喷机械手21由后向前对当前所开挖下部洞体内的所述下部混凝土喷射层和仰拱混凝土喷射层20同步进行喷射，同时完成当前所开挖下部洞体的开挖及初期支护施工过程；待当前所开挖下部洞体的开挖及初期支护施工过程完成后，在当前所开挖下部洞体内已施工成型的初期支护仰拱13上施工隧底回填土层7，此时所施工的隧底回填土层7为供湿喷机械手21下一次向前移动所用的移动平台；

待当前所开挖下部洞体内的所述下部混凝土喷射层和仰拱混凝土喷射层20均喷射完成后，再采用湿喷机械手21由后向前对位于当前所开挖下部洞体前方且此时已开挖成型的上部洞体1-1和中部洞体1-2分别进行混凝土喷射，同时完成位于当前所开挖下部洞体前方的上部洞体1-1和中部洞体1-2的开挖及初期支护施工过程；

待位于当前所开挖下部洞体前方且此时已开挖成型的上部洞体1-1和中部洞体1-2内混凝土喷射完成后，对湿喷机械手21进行下一次向前移动。

由上述内容可知，所述初期支护仰拱13的施工过程与下部洞体1-3的开挖过程同步进行，因而下部洞体1-3开挖与初期支护仰拱13施工同步进行，能确保初期支护及时封闭成环，并保证在最短时间内初期支护封闭成环，防治围岩变形过大，确保施工安全。并且，初期支护封闭成环后，为大型机械在洞内移动提高便利，从而能最多限度满足大型机械化施工需求，降低劳动强度，实现上中下台阶同步作业，实现全断面流水施工，能有效提高施工效率，降低工程成本，达到安全、经济、高效的施工目的，实际施工时，所述上部洞体1-1的开挖面与下部洞体1-3的开挖面之间的水平间距为8m～10m。因而，初期支护仰拱13封闭成环(即初期支护封闭成环)的进度与上部洞体1-1的开挖面之间的水平间距为8m～10m，能确保隧道开挖过程安全、可靠顺利，并能确保大断面黄土隧道的稳固性。

并且，由于初期支护仰拱13封闭成环(即初期支护封闭成环)的进度与上部洞体1-1的开挖面之间的水平间距为8m～10m，因而能确保湿喷机械手21的工作长度满足施工需求，确保湿喷机械手21能对前方的上部洞体1-1进行混凝土喷射。

本实施例中，所述拱墙混凝土喷射层19和仰拱混凝土喷射层20的层厚均为30cm且均采用c25混凝土。

所述湿喷机械手21为移动式混凝土喷射机械手。本实施例中，所述湿喷机械手21为中国铁建重工集团有限公司生产的hps3016s型湿喷机械手(也称为hps3016轮胎式混凝土喷射台车)或中铁岩锋成都科技有限公司生产的tkj-20型湿喷机械手(也称为tkj-20型混凝土喷射机械手)。

本实施例中，所述上部洞体1-1和所述中部洞体1-2的开挖高度均能满足湿喷机械手21的操作空间。

对于预留核心土的台阶进行开挖时，在喷射混凝土前进行挖除或局部修整，以确保湿喷机械手21有足够的正常作业空间。

对拱墙混凝土喷射层19和仰拱混凝土喷射层20进行喷射时，先进行初喷，再进行复喷。其中，实际进行初喷时，沿隧道开挖断面从一侧拱脚开始喷射，经过拱部直至另一侧拱脚结束；首次喷射时喷射厚度应控制在边墙10cm～15cm，拱部5cm～10cm。

待初喷混凝土初凝后，按照自下而上的顺序进行复喷。仰拱在喷射时应先喷射中间后喷射两边，中间喷射厚度应大于两边厚度。

边墙复喷时在第一次初喷基础上直接喷射至设计厚度。拱部每次喷射厚度应控制在4cm～5cm，每次喷射间隔5～10min，这样可以大幅减少回弹量。喷射过程中，喷嘴与受喷面间距宜为1.0cm～1.5m，喷嘴喷射过程中作连续、缓慢的横向或环向移动。若受喷面被钢架、钢筋网遮挡时，根据具体情况变换喷嘴的喷射角度和与受喷面的距离，将钢架、钢筋网背后喷填密实。喷射过程中如遇到受喷面有裂隙渗漏水时，应先喷射无水处，逐渐喷射覆盖至有渗水处，在喷射渗水处时速凝剂使用量可在标准用量的基础上增加0.5％～2.0％的掺量，总掺量不得超过水泥用量的6.0％。

喷射混凝土后，应立即进行潮湿性养护，一般养护不少于14d。喷射混凝土作业的环境温度不得低于5℃。

为进一步提高所施工黄土隧道底部的稳定性，所述隧道初期支护结构中前后相邻两榀所述隧道仰拱支架2之间均通过多道由左至右布设的纵向连接件进行紧固连接，多道所述纵向连接件均呈水平布设且其沿所述隧道仰拱支架的轮廓线进行布设。

本实施例中，所述纵向连接件为槽钢。

实际施工时，所述纵向连接件也可以采用其它类型的型钢。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。