本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种挤压大变形围岩隧道开挖与让压-刚性联合支护设计施工方法。
背景技术：
现有挤压大变形围岩隧道初期支护破坏甚至安全问题较为突出，传统开挖-支护设计施工方法难以解决上述问题。在目前的现有技术中，针对挤压大变形围岩隧道，主要采用“强支硬顶”的方式，但是在该种方式下，依然会出现钢拱架破坏、二衬开裂等问题。究其原因，是因为“强支硬顶”属被动承压支护，约束了围岩的变形发展，岩体形变能得不到有效释放，诱发了过大的围岩压力。在论文文献《刘钦,李术才,李利平,等.软弱破碎围岩隧道大变形施工力学行为及支护对策研究[j].山东大学学报(工学版),2011,41(3):118-125.》中初期支护采用双层支护：第1层拱墙架设钢支撑，喷射混凝土；第2层采用格栅钢架，系统锚杆采用注浆小导管，然后注浆加固。结果表明，该支护方式在一定程度上控制了围岩变形，但是拱墙部位出现大变形开裂，拱腰部位钢拱架出现严重变形扭曲。因此，“强支硬顶”的支护方式对于挤压大变形围岩隧道并不能很好的适用。
因此，部分现有技术中针对挤压大变形围岩隧道采用了让压支护方式。让压支护是在保持结构恒阻条件下，允许其产生一定的位移量，要求支护具备自动让压功能，由此能够释放一定的围岩变形。例如，在论文文献《孟繁亮.浅析挤压性围岩隧道大变形的特殊支护措施[j].民营科技,2012(3):240-240.》中公开了挤压性围岩隧道大变形的若干支护措施，例如喷射混凝土预留间隙、可缩钢架支撑、可缩式锚杆等。然而，挤压大变形围岩隧道开挖时单独采用让压支护也存在问题，其施作时机、支护强度以及与其他开挖工序的配合等因素依然会影响隧道整体变形情况。
因此，针对挤压大变形围岩隧道的开挖支护是一个综合问题，需要对支护方式、开挖方式进行合理设计，方能够控制围岩变形，保持隧道结构安全。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决挤压大变形围岩隧道开挖过程中，容易发生初期支护破坏甚至出现安全问题，不能合理发挥挤压大变形围岩自承能力等问题，并提供一种挤压大变形围岩隧道全断面开挖与让压-刚性联合支护设计施工方法。
在申请人的工程实践中证明：(1)在保持隧道掌子面基本稳定前提下，短开挖及时支护封闭成环，可以减少围岩挤压变形；(2)挤压大变形围岩隧道开挖后初期变形是必能的，稳定-让压支护控制围岩一定变形有利于合理发挥围岩自承能力；(3)在没有足够径向支护强度条件下，挤压大变形围岩的自承结构较难形成，同时支护结构也极易失效，围岩很难形成稳定有效的承载结构。
因此，基于该认知，本发明具体提供了如下技术方案：
挤压大变形围岩隧道开挖与让压-刚性联合支护设计施工方法，其步骤如下：
1)针对待开挖的挤压大变形围岩隧道，以超前管棚注浆或者超前小导管注浆方式，形成隧道超前强预支护；
2)在隧道超前强预支护的保护下，采用超短台阶法对隧道掌子面进行开挖，且上下台阶均预留核心土，上下台阶循环掘进，每次进尺1～2m；
3)隧道掌子面开挖后，在隧道超前强预支护的保护下，及时沿隧道纵向(此处，沿隧道走向为纵向)每隔50～80cm设置h180～h200工字钢拱架，且所述工字钢拱架中连接有定量让压装置，同时向围岩表面喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成一次让压支护；
4)在隧道超前强预支护的保护下，距离一次让压支护前端3～5m处，在一次让压支护的内侧沿隧道纵向每隔50～80cm设置h180～h200工字钢拱架，同时再喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成二次刚性支护；一次让压支护和二次刚性支护联合形成强初期支护并承担全部荷载；
5)在二次刚性支护基础上，施工仰拱和二次衬砌。
本发明中，主要通过两方面联合作用来确保挤压大变形围岩隧道开挖过程中的支护稳定。一方面是选择用超短台阶预留核心土法，超前强预支护保护下通过设置上下台阶，以近似全断面的开挖方式小进尺(1～2m)掘进；另一方面是利用两层支护方式，即让压-刚性联合支护形成强初期支护。这两方面因素相辅相成，超短台阶法缩短了开挖支护施工长度，使得隧道分部开挖支护施工接近平面力学问题，缩短了开挖到支护的间隔时间，有效地减少了施工过程中的围岩变形；而让压-刚性联合支护能够在具有较高的支护强度的同时适当形成让压空间，以消纳挤压大变形隧道开挖后必然会出现的初期变形量。假如单独采用超短台阶法辅以单独让压支护或单独刚性支护，会导致隧道的围岩挤压变形过大或过小；而单独采用让压-刚性联合支护不辅以超短台阶法，则会导致支护施工前的开挖过程中围岩就出现了累计较大挤压变形，围岩本身的稳定性被破坏，对初期支护产生破坏。
因此，超短台阶法和让压-刚性联合支护在本发明中是一个整体性方案。而且让压-刚性联合支护时，应当先进行让压支护，再进行刚性支护，两者的支护时间具有一定的时间差。这样做的目的是在超短台阶预留核心土法开挖后，立即用一次让压支护对围岩施加支护强度，围岩的初期变形量被定量让压装置吸纳后，钢拱架的支护就能够使围岩发挥本身具有的自承能力，避免围岩的稳定性破坏，防止变形扩大；而随后的二次刚性支护则能够进一步加强围岩自身稳定性，保证支护结构可靠性。
作为优选，一次让压支护和二次刚性支护的工字钢拱架一一对应设置，二次刚性支护的工字钢拱架支顶于一次让压支护的工字钢拱架内侧；二次刚性支护的混凝土喷射于二次刚性支护的混凝土内侧。
作为优选，隧道超前强预支护的施工方法为：在隧道围岩中，沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角，每隔45～55cm间距，打设φ108～120mm超前管棚，以5～8pa压力在超前管棚中注满20号水泥砂浆，形成隧道超前预支护。
作为另一种优选，隧道超前强预支护的施工方法为：在隧道的开挖掌子面中，每隔100cm间距，打设φ20～26水平超前小导管并注浆加固掌子面，使其处于临界稳定状态，形成隧道超前强预支护。
上述两种隧道超前强预支护措施可以择一采用或者视情况同步采用。
作为优选，采用超短台阶法对隧道掌子面进行开挖时，上台阶比下台阶超前1～2m。
作为优选，隧道施作一次让压支护和二次刚性支护后，及时进行隧道监控量测。监控量测可以判断围岩稳定性及支护效果，指导后续的施工，例如确定二衬施作时机等。
作为优选，所述的让压装置为定量让压装置。
本发明相对于现有技术而言，通过超短台阶近似全断面开挖法和让压-刚性联合支护施工方法，可以有效避免现有挤压大变形围岩隧道开挖-支护方式发生初期支护破坏的问题，达到合理发挥挤压大变形围岩自承能力，保证隧道支护结构安全的目的。
附图说明
图1为超短台阶预留核心土近似全断面施工方法示意图；左图为横截面，右图为纵断面；
图2为一次让压支护的工字钢拱架示意图；
图3为一次让压支护的工字钢拱架受力变形规律示意图；
图4为挤压大变形围岩隧道支护示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述和说明。
本发明针对现有挤压大变形围岩隧道开挖-支护方式容易发生初期支护破坏甚至出现安全问题，不能合理发挥挤压大变形围岩自承能力。采用近似全断面开挖与让压-刚性联合支护设计施工方法可以有效避免上述问题，达到合理发挥挤压大变形围岩自承能力的目的。
针对围岩等级为iv、v级的挤压大变形围岩隧道，可以采用如下近似全断面开挖与让压-刚性联合支护方法进行施工：
(1)首先，当挤压大变形围岩隧道施工过程中掌子面临界稳定时或掌子面通过加固后处于临界稳定时，宜采用超短台阶预留核心土近似全断面施工方法，以减少围岩挤压变形。其具体步骤如下：
隧道超前强预支护的施工方法为：在隧道围岩中，沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角，每隔45～55cm间距，打设φ108～120mm超前管棚，以5～8pa压力在超前管棚中注满20号水泥砂浆，形成隧道超前预支护。
(1.1)针对待开挖的挤压大变形围岩隧道，首先需要施作超前强预支护。超前强预支护可以采用超前管棚注浆或者超前小导管注浆两种方式。
超前管棚注浆的施工方法为：沿着隧道轮廓线外缘以2°～10°倾角，每隔50cm间距，打设
(1.2)在隧道超前强预支护的保护下，采用超短台阶法对掌子面进行开挖，开挖面分为上台阶和下台阶，且上下台阶均预留核心土。如图1右图所示，超短台阶法开挖时，上台阶比下台阶超前1～2m，上下台阶平均每次进尺为1～2m，循环掘进。1～2m的进尺能够控制隧道的纵向施工长度，使得隧道分部开挖支护施工接近平面力学问题。
(2)完成一个进尺的隧道掘进后，立即对开挖部分通过一次让压支护、二次刚性支护形成联合初期支护，有利于合理发挥挤压大变形围岩自承能力。具体施工过程如下：
(2.1)隧道掌子面开挖后，在隧道超前强预支护的保护下，及时沿隧道纵向每隔50～80cm设置h180～h200工字钢拱架作为支撑结构。且如图2所示，每个工字钢拱架中的多个位置连接有让压装置。在设置钢拱架的同时，还需要向围岩表面喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成一次让压支护。
让压装置可以采用定量让压装置，该装置在受压时具有特定的荷载位移曲线形式。如图3所示，该装置在受压初期阻力f随变形s增大而迅速增大，当阻力f达到一定程度时变形s继续增加，而f保持不变。该装置可以采用具有稳定性能好的市售产品或现有技术中的设备来实现。
(2.2)在隧道超前强预支护的保护下，距离一次让压支护前端3～5m处(即距离最新施作一次让压支护的位置3～5m处)，根据监控量测情况在一次让压支护对应位置适时做好纵向每隔50～80cm、h180～h200工字钢、喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成二次刚性支护。
当隧道的下一个循环进尺施作一次让压支护后，二次刚性支护也要跟进施作。但总体上，二次刚性支护的施作时间晚于一次让压支护，即两者的施作位置相差3～5m。某处的一次让压支护施作完后继续向前开挖、支护3～5m后，才开始在该处的一次让压支护基础上施工二次刚性支护。因此，一次让压支护能够在提供一定的支护强度情况下，消纳围岩初期变形。
实际施工过程中，一次让压支护和二次刚性支护的工字钢拱架一一对应设置，两者的纵向间距相同，二次刚性支护的工字钢拱架支顶于一次让压支护的工字钢拱架内侧，二次刚性支护的混凝土喷射于二次刚性支护的混凝土内侧。
让压-刚性联合支护形成了强初期支护，并承担隧道围岩的全部荷载，确保隧道结构施工过程稳定平衡。
(3)根据让压-刚性联合支护监控量测情况，选择合适的时机做好仰拱和二次衬砌，完成挤压大变形围岩隧道近似全断面开挖与让压-刚性联合支护的循环施工，最终的隧道断面如图4所示。
下面以实施例来展示本发明方法的技术效果。
实施例1
某隧道的挤压大变形地段，原始方案采用规范中的三台阶法开挖(台阶长15～20m)，开挖后施作一次刚性初期支护。在该做法下，隧道左线zk97+930断面累计拱顶沉降值为507.88mm，累计周边收敛值615.26mm。仰拱成环后收敛及沉降速率明显减小，仍需一段时间稳定，致使初期支护侵限或压坏，换拱后及时做二次衬砌，部分二次衬砌开裂渗水。
由于支护结构遭到破坏，因此对挤压大变形地段的施工方案进行调整，主要调整加强初期支护参数，并及时做二次衬砌，但效果依然达不到规范要求。
对该隧道做围岩岩性试验分析情况如下：
表1自由膨胀率检测
在上述分析结果情况下，确认该隧道存在围岩挤压大变形问题。因此，在隧道的挤压大变形地段采用本发明的近似全断面开挖与让压-刚性联合支护方法，以减少、适应、控制围岩变形，具体步骤如上述(1)～(2)所述，不再赘述。采用该方法施作后，隧道左线zk97+890累计拱顶沉降值为127.3mm，累计周边收敛值为90.5mm，仰拱成环后收敛及沉降速率趋于稳定，后面最好的二次衬砌没有开裂渗水现象。其余的挤压大变形地段也均没有发生初期支护破坏的现象，各项监控量测参数满足规范要求。
由此表明，本发明的施工方法能够合理发挥挤压大变形围岩自承能力，保证支护结构稳定不会损坏。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。