本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种用于隧道改扩建工程的支护结构与方法。
背景技术：
随着我国国民经济的快速发展，交通量增长迅速，一些修建年代久远的公路、甚至是高速公路的隧道由于设计标准较低，通行能力不能满足日益增长的交通需求，从而影响了经济的快速发展，需要改扩建才能达到相应的服务水平。再次，相比重新建一条新的隧道来说，隧道改扩建是在原有隧道的基础上进行的，具有开挖量少，可参考初建时的工程地质、水文地质等资料，或者直接在隧道出现严重病害的位置进行补充调查，可节省大量的勘查工作。
隧道不同于地面结构，因此对于已建隧道的改扩建方案应结合工程的具体条件综合论证，寻求最合理的改扩建方式。同时，隧道改扩建工程中，由于对既有隧道结构实行一侧或两侧拆除扩建，致使隧道围岩在无支护情况下暴露于空气中，严重影响隧道结构的稳定性。如果不能采取有效方法闭合隧道围岩并加以支护，隧道结构必然产生较大变形，危害隧道运营与人民生命。因此，需要对隧道改扩建工程提出有效快速的支护结构与方法，以此满足工程要求的安全、快速与稳定的要求。
综上所述，现有技术中对于隧道结构改扩建施工需要投入大量人力、设备与财力，并容易产生施工风险的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于隧道改扩建工程的支护结构，其通过支护组件形成有效的防止侧向变形的“地下连续墙”结构，以满足软弱地层或浅埋地段隧道结构改扩建的施工与稳定；
进一步的，本发明采用下述技术方案：
一种用于隧道改扩建工程的支护结构，包括第一竖向支护组件和第二竖向支护组件，所述第一竖向支护组件和第二竖向支护组件之间间隔设定距离，所述第一竖向支护组件和第二竖向支护组件均包括多列管组，每列管组均包括多个由上至下依次水平设置的第一管件，相邻列管组的中心线之间具有设定间距；所述第一竖向支护组件和第二竖向支护组件之间设置半环形支护组件。
进一步的，同一管组的相邻所述第一管件之间具有设定距离。
进一步的，相邻列管组的所述第一管件交错布设。
进一步的，所述第一管件由多根管依次连接而成，相邻管之间通过套管连接。
进一步的，所述第一竖向支护组件和第二竖向支护组件高出半环形支护组件设定高度。
进一步的，所述半环形支护组件与第一竖向支护组件、第二竖向支护组件的距离相等。
进一步的，所述半环形支护组件包括多排半环形管组，每排半环形管组均包括多个依次排列围绕成半圆形的第二管件。
进一步的，相邻排所述半环形管组的中心线之间具有设定间距。
进一步的，围绕成半圆形的相邻所述第二管件之间具有设定距离。
进一步的，相邻排半环形管组的所述第二管件交错布设。
进一步的，所述第二管件水平设置。
进一步的，所述第二管件由多根管依次连接而成，相邻管之间通过套管连接。
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于隧道改扩建工程的支护结构的施工方法，包括以下步骤：
1)在工厂预制第一管件和第二管件，并将其运输到施工现场；
2)在施工现场，利用钻机钻孔；钻孔间隔进行，先钻奇数孔，后钻偶数孔；
3)在预设改扩建隧道两侧，分别安装第一竖向支护组件和第二竖向支护组件并进行注浆，形成竖向地下连续墙结构；
4)再沿着预设改扩建隧道顶部界限，在顶部界限上方2～3m钻孔布设半环形支护组件并注浆，从而形成环向地下连续墙结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过竖向支护组件和半环形支护组件形成竖向和环向“地下连续墙”结构，持久地提高隧道改扩建区域围岩的稳定性，有效地减少隧道在改扩建过程中地层的变形；并且，将缩短了施工工期、减少了工程成本，且适应于多种软弱地层、浅埋地层等不良地质条件，具有可调节性。
(1)隧道稳定性方面：能够有效地提高隧道改扩建工程的适用范围，减少隧道改扩建过程中地层的失稳破坏、持久地提高隧道围岩自稳性能，保证隧道改扩建施工和运营期间的人员安全和设备运转。
(2)地质条件适应性方面：适应于多种软弱地层、浅埋地层等不良地质条件，具有可调节性。
(3)施工方面：支护组件完全由预制厂按照设计图纸加工制作，提高了生产效率，减少了对施工环境的污染，且大管棚施工工艺成熟、方便快捷。竖向支护组件和半环形支护组件形成竖向和环向“地下连续墙”结构，与传统隧道改扩建施工相比，缩短了施工工期、减少了工程成本、施工工艺简单易操作，耐久性强。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为竖向支护组件的正视图；
图2为隧道改扩建施工完第一竖向支护组件的平面图；
图3为隧道改扩建施工完第二竖向支护组件的平面图；
图4为隧道改扩建施工完半环形支护组件的平面图；
图5为隧道改扩建隧道开完完成的平面图；
图中，1、第一竖向支护组件；2、需要改扩建的隧道结构；3、第二竖向支护组件；4、半环形支护组件；5、改扩建完成后的隧道结构，6、第一管件，7、第二管件。
具体实施方式
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。
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。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在隧道结构改扩建施工需要投入大量人力、设备与财力的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于隧道改扩建工程的支护结构与方法，有效地控制了隧道改扩建施工风险，具有可以有效适应各种地层隧道入口、浅埋地段等不良地质条件。本申请的支护结构尤其适用于软弱地层或浅埋地层隧道改扩建工程中，以满足软弱地层或浅埋地段隧道结构改扩建的施工与稳定。
本申请的一种典型的实施方式中，如图4所示，图4即为本申请支护结构的设置示意图，本申请提供了一种用于隧道改扩建工程的支护结构，包括第一竖向支护组件1和第二竖向支护组件3，所述第一竖向支护组件1和第二竖向支护组件3之间间隔设定距离，所述第一竖向支护组件1和第二竖向支护组件3均包括多列管组，每列管组均包括多个由上至下依次水平设置的第一管件6，相邻列管组的中心线之间具有设定间距；所述第一竖向支护组件1和第二竖向支护组件3之间设置半环形支护组件4。通过调整各支护组件的加固高度可以适应高低起伏的山岭地层，以到达结构的整体稳定。
同一管组的相邻所述第一管件6之间具有设定距离。
相邻列管组的所述第一管件6交错布设。即对于两竖向支护组件，使第一管件按梅花桩方式布置，布置方式可以不仅对于岩土介质力学强度不均匀的地层起到加固作用，而且还有效控制隧道改扩建施工中侧向变形。
所述第一管件6由多根管依次连接而成，相邻管之间通过套管连接。
所述第一竖向支护组件1和第二竖向支护组件3高出半环形支护组件4设定高度。
所述半环形支护组件4与第一竖向支护组件1、第二竖向支护组件3的距离相等。即，半环形支护组件4设置于第一竖向支护组件1、第二竖向支护组件3之间的中间部位，半环形支护组件4与第一竖向支护组件1的距离等于半环形支护组件4与第二竖向支护组件3的距离。
所述半环形支护组件4包括多排半环形管组，每排半环形管组均包括多个依次排列围绕成半圆形的第二管件7。
相邻排所述半环形管组的中心线之间具有设定间距。
围绕成半圆形的相邻所述第二管件7之间具有设定距离。
相邻排半环形管组的所述第二管件7交错布设。即对于半环形支护组件，使第二管件按梅花桩方式布置，布置方式可以不仅对于岩土介质力学强度不均匀的地层起到加固作用，而且还有效控制隧道改扩建施工中侧向变形。
所述第二管件7水平设置。
所述第二管件7由多根管依次连接而成，相邻管之间通过套管连接。
本申请的两竖向支护组件和半环形支护组件均按大管棚支护形式布设，形成大管棚帷幕带。
本实施例中，第一管件6和第二管件7均长度为20.0m(φ108mm×6mm)，两竖向支护组件布设分别位于隧道改扩建两侧2～4m范围内，各采用两列管组，管组间环向间距20cm，两侧竖向支护组件能够形成有效的“地下连续墙”结构，控制软弱地层或浅埋地段围岩侧向变形，减小对隧道结构的失稳破坏，保证隧道改扩建施工过程中两侧围岩稳定，不会对在建工程产生侧向变形危害；半环形支护组件4沿隧道改扩建设计界限布设，由三排管组布设而成，管组间环向间距20cm，有效控制隧道改扩建施工过程中，隧道顶部围岩的沉降变形和地层变形，减小对工程建设的危害性。以上支护体系形成之后，能够有效地提高隧道改扩建工程的适用范围，减少隧道失稳破坏、持久地提高隧道围岩自稳性能，保证隧道改扩建施工过程中隧道上部围岩稳定，不会产生较大围岩变形或坍塌，保证隧道施工和运营期间的人员安全和设备运转。
为了保证地层的稳定性，隧道两侧竖向支护组件对称设于改扩建后隧道的两侧。
第一管件6和第二管件7均为钢化管，每根长20.0m(由多节管依次连接而成，每节长6.0m，采用长89.0cm套管连接)，施作时每段应交错搭接1.5m，钢管上按间距15.0cm梅花形钻10.0mm的小孔。第一节钢管顶端做成锥型，以便顶进，钢管采用套管联接。
半环形支护组件4设置于改扩建隧道上部，其距离改扩建隧道顶部2.0m-3.0m。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种用于隧道改扩建工程的支护结构的施工方法，包括以下步骤：
1)在工厂预制第一管件和第二管件，并将其运输到施工现场；
2)在施工现场，利用钻机按照支护组件布设图钻孔；为保证成孔质量，防止邻孔钻进时前面的成孔坍塌，钻孔间隔进行，先钻奇数孔，后钻偶数孔，成孔直径为φ140mm；
3)在预设改扩建隧道两侧，分别安装第一竖向支护组件和第二竖向支护组件并进行注浆，形成竖向地下连续墙结构；
4)再沿着预设改扩建隧道顶部界限，在顶部界限上方2～3m钻孔布设半环形支护组件并注浆，从而形成环向地下连续墙结构。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
第一管件6和第二管件7均采用φ108的无缝钢管，钢管采用3m、6m管节逐段接长，连接接头采用厚壁箍，上满丝扣，丝扣长度为15cm；为保证受力均匀性，钢管接头应纵向错开；将钢管安放在台车大臂上后，凿岩机对准已钻好的引导孔，低速推进钢管，其冲击力控制在18～20mpa，推进压力控制在4.0～6.0mpa；为了加强支护组件的刚度和强度，按设计将支护组件钢管全部打好后，先用钻头掏尽钢管内残渣，进行棚管补强。
钢管安装完成后，灌注水泥浆，水泥浆的搅拌应在高速搅拌机内进行，严格按照施工配合比进行投料，在钢管中注水泥水玻璃浆液，其配比为水泥:水玻璃＝1:1，水泥浆水灰比1:1，水玻璃模数m＝2.4，浓度be＝35，注浆时初压0.5～1mpa，终压2.0mpa，注浆结束后用1:1水泥砂浆充填无缝钢管，以增强钢管强度和刚度。当进浆量小于20～25l/min；注浆压力逐步升高，达到设计终压后稳定10min以上；注浆结束后采用1：1水泥砂浆填充无缝钢管。完成支护组件注浆施工后，在管棚支护的保护下，按设计的施工步骤进行开挖。
为了保证改扩建隧道的稳定性，第一竖向支护组件1和第二竖向支护组件3对称设于所述改扩建完成后的隧道结构5的两侧，如图3所示。
如图4所示，半环形支护组件4是由三排围绕成半圆形的钢管组成，钢管按梅花桩布设，环向间距20cm。
本发明的结构通过两侧竖向支护组件能够形成有效的“地下连续墙”结构，控制软弱地层或浅埋地段围岩侧向变形，减小对隧道结构的失稳破坏；另一方面，沿隧道改扩建设计界限布设半环形支护组件，环向间距20cm，有效控制隧道改扩建施工过程中，隧道顶部围岩的沉降变形和地层变形，减小对工程建设的危害性。以上支护体系形成之后，能够有效地提高隧道改扩建工程的适用范围，减少隧道失稳破坏、持久地提高隧道围岩自稳性能。
利用本申请支护结构进行改扩建隧道的过程为：
(1)改扩建隧道左侧第一竖向支护组件制作；
改扩建隧道左侧第一竖向支护组件距离需要改扩建的隧道结构2左侧3.0m，由两排环向间距20.0cm大管棚组成，高度为超过改扩建隧道高度5.0m。
(2)改扩建隧道右侧第二竖向支护组件制作；
改扩建隧道右侧第二竖向支护组件距离设计改扩建完成后的隧道结构5右侧2.0m，由两排环向间距20.0cm大管棚组成，高度为超过改扩建隧道高度5.0m。
(3)沿改扩建隧道径向半环形支护组件制作；
沿改扩建隧道径向半环形支护组件是沿设计改扩建完成后的隧道结构5顶部界限布设，由三排环向间距20.0cm大管棚组成。
(4)改扩建隧道开挖；
当支护结构形成稳定后，按照设计图纸进行隧道改扩建施工。
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。