本发明涉及分离式隧道的支护结构，特别涉及分离式隧道换拱支护结构及其施工方法。
背景技术：
国家发展战略中心正从东部沿海地区向中西部内陆地区转移，需要大力发展交通，而我国中西部山峦叠嶂，在修建公路或者铁路的过程中需要修建隧道以穿越山区。隧道的安全问题主要有施工期间出现的裂缝以及变形，如不加以控制修缮，会对隧道的整个结构的安全造成重大影响，因此需要对隧道的初期支护结构变形处进行换拱施工。
传统的换拱施工，一般是在换拱过程中搭设的满堂支架，该施工模式需要花费大量的人力、物力，且在搭设过程中容易发生事故，故已不适应当前的施工要求；目前主流的隧道换拱施工是采用注浆支护结构，但注浆管的布设，注浆压力，临时支撑的设置因工程地质条件，隧道形式等方面的不同会发生较大的变化，尤其是支撑结构。例如：文献cn201210220525.7中提到的换拱施工方法，需要大量设置临时支撑，在整个换拱期间要不断安装，拆除临时支撑，虽然保证了安全施工，但施工工期无法得到保证；文献cn201720057979.5中提到的换拱施工结构需要在钢拱架圆心处设置基础梁，并以基础梁为基点，在隧道内部设置竖向、斜向和横向支撑来保证换拱期间的隧道结构稳定，但存在与上述同样的问题，即支撑结构的搭设耗时费力。
综上所述，目前十分迫切的寻找一种快速简便，施工安全系数高的分离式隧道换拱支护结构及其施工方法。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供分离式隧道换拱支护结构及其施工方法。
所述的分离式隧道换拱支护结构，其特征在于：包括支护结构本体，所述支护结构本体上设有空洞注浆孔、原有钢架、新钢架、注浆小导管、矮边墙、临时仰拱结构、钢筋网、空洞注浆孔、仰拱及二次衬砌结构，临时仰拱结构由工型钢钢架与锁脚钢管组成，搭设在隧道中间高度处并通过木楔加固；仰拱位于隧道底面下；原有钢架和新钢架架设在隧道内，注浆小导管设置在原有钢架断面内，矮边墙位于隧道内两侧，注浆钢花管设于隧道拱脚、拱腰及矮边墙墙角处，钢筋网设置在钢架之间，二次衬砌结构位于钢筋网内侧。
所述的分离式隧道换拱支护结构，其特征在于：隧道上设有地表监测点和隧道内部监测点，两种测点布置在同一断面，地表监测点沿隧道中线对称布置，且横向间距不小于5m，隧道内部监测点包括拱顶下沉测点、拱腰监测点与拱底监测点。
所述的分离式隧道换拱支护结构，其特征在于空洞注浆孔预留在初支结构背后，注浆小导管布置在隧道环向位置，在原有钢架周围置换新钢架后，隧道内部环向布置注浆锚杆，注浆钢花管设于隧道拱脚、拱腰及矮边墙墙角处。
所述的分离式隧道换拱支护结构，其特征在于：仰拱包括仰拱垫层，仰拱外侧布置防水板，仰拱内部预埋中埋式橡胶止水带，仰拱垫层上设有仰拱钢架，仰拱钢架周围安装坡度精确控制仰拱沟槽顶模与仰拱滑移式侧模，进行仰拱结构混凝土浇筑，浇筑结束后坡度精确控制仰拱沟槽顶模与仰拱滑移式侧模拆除。
所述的分离式隧道换拱支护结构，其特征在于每一仰拱施工时，在左侧拱脚处设集水坑。
所述的分离式隧道换拱支护结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）第一步是在地表布设地表监测点，在原有钢架断面打设注浆小导管，沿隧道环向注浆加固围岩结构；
2）第二步是在隧道底部铺设型钢轨道，搭设轨道滑移升降式定型化操作监控平台，包括伸缩套筒连接、牛腿安装、压型钢板铺设以及可调易拆分离式临时辅助拱架支撑安装等；
3）第三步是利用轨道滑移升降式定型化操作监控平台，进行换拱施工：先对待更换的两个原有钢架间的混凝土进行拆除，包括矮边墙和拱结构的混凝土，并预留好钢筋网搭接预留空间，然后置换并安装新钢架，并设置工型钢钢架和锁脚钢管做临时仰拱支撑；
4）第四步是沿隧道内部环向布置注浆锚杆，并在矮边墙、隧道拱脚及拱腰位置布置注浆钢花管，通过注浆钢花管进行混凝土喷射，重复步骤3）和步骤4），对下一榀拱架区间内重复换拱施工，并利用预留的纵向直螺纹套筒快连钢筋将相邻新钢架进行连接；再对隧道内部做二次衬砌施工以及布设隧道内部监测点，隧道内部监测点包括拱顶下沉测点、拱腰监测点与拱底监测点；
5）第五步是进行仰拱和二次衬砌结构施工仰拱在每四个换拱施工结束后施工一次，拆除部分型钢轨道后进行反挖，首先施工仰拱垫层，再布置仰拱钢架与坡度精确控制仰拱沟槽顶模与仰拱滑移式侧模，在仰拱安装中埋式橡胶止水带，进行防水施工，最后进行仰拱混凝土浇筑与仰拱衬砌的施工。
所述的分离式隧道换拱支护结构，其特征在于轨道滑移升降式定型化操作监控平台分为三层，轨道滑移升降式定型化操作监控平台的平台柱由三层的伸缩套筒通过高强螺栓连接构成，平台柱外侧安装牛腿，内侧安装平台梁，牛腿安装在平台侧面中间的伸缩套筒上，平台梁与牛腿均通过抱箍结构连接平台柱，平台梁上铺设压型钢板，平台柱底部设有滑轮，滑轮与隧道底面上设置的型钢轨道匹配连接，并由插口锁紧刹车固定，所述牛腿上布置可调易拆分离式斜向临时辅助拱架支撑，压型钢板上布置可调易拆分离式竖向临时辅助拱架支撑。
所述的分离式隧道换拱支护结构，其特征在于可调易拆分离式竖向临时辅助拱架支撑包括钢套管、伸缩系统、套管连接环以及弧板，伸缩系统包括千斤顶和固定装置，千斤顶通过固定装置安装在钢套管顶部，千斤顶另一端顶在弧板上，钢套管底部设置在上层的压型钢板上。
通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
1）本发明设置的轨道滑移升降式定型化操作监控平台，无需搭设满堂支架，可显著减少施工量，并能有效避免搭设施工的安全隐患，并能够保证隧道结构换拱施工期间的结构稳定；
2）本发明使用的注浆小导管、注浆钢花管、注浆锚杆以及空洞注浆孔，可增强隧道拱结构的强度；地表及隧道内部设置的监测点，可及时了解隧道的变形，在施工便利的同时，大大提高了施工质量。
附图说明
图1是分离式隧道换拱支护的结构示意图；
图2是轨道滑移升降式定型化操作监控平台的结构示意图；
图3是可调易拆分离式竖向临时辅助拱架支撑示意图；
图4是换拱施工顺序示意图；
图5是注浆小导管布置图；
图6是临时仰拱示意图；
图7是地表监测点布置图；
图8是隧道内部监测点布置图。
其中：1-原有钢架；2-新钢架；3-钢筋网搭接预留空间；4-注浆小导管；5-矮边墙；6-工型钢钢架；7-锁脚钢管；8-注浆钢花管；9-注浆锚杆；10-钢筋网；11-空洞注浆孔；12-仰拱；13-中埋式橡胶止水带；14-集水坑；15-防水板；16-地表监测点；17-隧道内部监测点；18-二次衬砌结构；19-型钢轨道；20-插口锁紧刹车；21-滑轮；22-轨道滑移升降式定型化操作监控平台；23-伸缩套筒；24-高强螺栓；25-牛腿；26-压型钢板；27-可调易拆分离式斜向临时辅助拱架支撑；28-可调易拆分离式竖向临时辅助拱架支撑；29-钢套管；30-伸缩系统；31-弧板；32-千斤顶；33-固定装置；34-套管连接环；35-纵向直螺纹套筒快连钢筋；36-仰拱垫层；37-仰拱钢架；38-仰拱衬砌；39-坡度精确控制仰拱沟槽顶模；40-仰拱滑移式侧模。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
如图1-8所示，本发明的分离式隧道换拱支护结构，包括支护结构本体，所述支护结构本体上设有空洞注浆孔11、原有钢架1、新钢架2、注浆小导管4、矮边墙5、临时仰拱结构、钢筋网10、空洞注浆孔11、仰拱12及二次衬砌结构18，临时仰拱结构由工型钢钢架6与锁脚钢管7组成，搭设在隧道中间高度处并通过木楔加固；空洞注浆孔11预留在初支结构背后，注浆小导管4布置在隧道环向位置，在原有钢架1周围置换新钢架2后，隧道内部环向布置注浆锚杆9，注浆钢花管8设于隧道拱脚、拱腰及矮边墙5墙角处；仰拱12位于隧道底面下；原有钢架1和新钢架2架设在隧道内，注浆小导管4设置在原有钢架1断面内，矮边墙5位于隧道内两侧，注浆钢花管8设于隧道拱脚、拱腰及矮边墙5墙角处，钢筋网10设置在钢架之间，二次衬砌结构18位于钢筋网10内侧。
为了能及时了解隧道的变形，本发明在隧道上设有地表监测点16和隧道内部监测点17，如图6和图7所示，两种测点布置在同一断面，地表监测点16沿隧道中线对称布置，且横向间距不小于5m，隧道内部监测点17包括拱顶下沉测点、拱腰监测点与拱底监测点。
如图1所示，本发明的仰拱12左边拱脚处设有集水坑14，仰拱12包括仰拱垫层36，仰拱12外侧布置防水板15，仰拱12内部预埋中埋式橡胶止水带13，仰拱垫层36上设有仰拱钢架37，仰拱钢架37周围安装坡度精确控制仰拱沟槽顶模39与仰拱滑移式侧模40，进行仰拱结构混凝土浇筑，浇筑结束后坡度精确控制仰拱沟槽顶模39与仰拱滑移式侧模40拆除，且每一仰拱12施工时，在左侧拱脚处设集水坑14。
本发明为了换拱施工方便，在换拱施工时借助于轨道滑移升降式定型化操作监控平台22，如图2和图3所示，本发明施工时所用的轨道滑移升降式定型化操作监控平台22分为三层，轨道滑移升降式定型化操作监控平台22的平台柱由三层的伸缩套筒23通过高强螺栓24连接构成，平台柱外侧安装牛腿25，内侧安装平台梁，牛腿25安装在平台侧面中间的伸缩套筒23上，平台梁与牛腿25均通过抱箍结构连接平台柱，平台梁上铺设压型钢板26，平台柱底部设有滑轮21，滑轮21与隧道底面上设置的型钢轨道19匹配连接，并由插口锁紧刹车20固定，所述牛腿25上布置可调易拆分离式斜向临时辅助拱架支撑27，压型钢板26上布置可调易拆分离式竖向临时辅助拱架支撑28；可调易拆分离式竖向临时辅助拱架支撑28包括钢套管29、伸缩系统30、套管连接环34以及弧板31，伸缩系统30包括千斤顶32和固定装置33，千斤顶32通过固定装置33安装在钢套管29顶部，千斤顶32另一端顶在弧板31上，弧板31弧度匹配支撑处的隧道弧度，钢套管29底部设置在上层的压型钢板26上。
本发明实施例中，轨道滑移升降式定型化操作监控平台22从下至上高度为4m、3m、3m，轨道滑移升降式定型化操作监控平台22的平台柱由三层的伸缩套筒23通过高强螺栓24连接构成，底层的伸缩套筒23采用外直径为36mm的钢管，端部设有两排贯通的数个螺栓孔，中间层的伸缩套筒23外直径为24mm，顶层的伸缩套筒23外直径为16mm。
本发明的钢套管29采用20mm直径的钢管，套管连接环34内直径也为20mm，分别套在两钢管端部，配合螺栓进行连接。弧板31弧度匹配支撑处的隧道弧度。将轨道滑移升降式定型化操作监控平台22滑移至施工位置，利用插口锁紧刹车20固定。
所述可调易拆分离式竖向临时辅助拱架支撑28包括钢套管29、伸缩系统30、套管连接环34以及弧板31，伸缩系统30包括千斤顶32和固定装置33，千斤顶32通过固定装置33安装在钢套管29顶部，千斤顶32另一端顶在弧板31上，钢套管29底部设置在上层的压型钢板26上。
如图所示，本发明的分离式隧道换拱支护结构的施工方法，包括以下步骤：
1）第一步是在换拱施工正式开始前应先布设好变形监测点，包括地表监测点16如图7所示，地表监测点16沿隧道中线对称布置，其横向间距不小于5m，靠外侧的第二个地表监测点16与隧道底面呈45°角；原有钢架1断面搭设注浆小导管4，沿隧道环向注浆加固围岩结构，注浆小导管4尺寸为长3m，直径为42mm，注浆小导管4间距为1m（环向）×1m（纵向），其效果如图5所示，注浆采用1:1水泥浆，注浆压力1.2~1.4mpa，根据实测变形数据，按实际设计需要，确定是否进行换拱施工；
第二步是在隧道底面铺设型钢轨道19，然后在型钢轨道19上方搭建轨道滑移升降式定型化操作监控平台22，该平台底部设有与型钢轨道19相匹配的滚轮21，压型钢板26可做施工人员操作平台用，最后在牛腿25上布置可调易拆分离式斜向临时辅助拱架支撑27，在压型钢板26上布置可调易拆分离式竖向临时辅助拱架支撑28，布置形式如图1所示，可调易拆分离式竖向临时辅助拱架支撑28结构形式参考图3，将轨道滑移升降式定型化操作监控平台22滑移至施工位置后，利用插口锁紧刹车20固定，之后进行下一步施工。
第三步是先凿除图4所示的两原有钢架1之间的混凝土，拆除宽度为1.05m，两侧各预留0.225m作钢筋网搭接预留空间3，拆除的顺序按先拆除拱部混凝土，再拆除矮边墙5；先拆除变形较大一侧，然后拆除变形较小一侧，矮边墙5拆除采取松动爆破配合人工风镐的施工方式，炮眼间距为30*30cm梅花型布置，深度为15cm，拆除至钢筋网10或连接筋混凝土面时，要优先切断钢筋网10及连接筋，确保全部切断后方可对剩余混凝土进行凿除。在拆除喷射砼过程中对既有的钢筋网10及连接筋采用水焊进行切割处理，拆除后进行扩挖至设计轮廓线，预留沉降量为15cm，扩挖后对岩面进行混凝土初喷。初喷封闭围岩后再进行初期支护结构施工。待拱部换拱工序结束之后方可进行边墙砼拆除及支护结构工程，原则为先拆除变形较大侧然后拆除变形较小侧。完成上述步骤后在隧道内架设新钢架2，型号为工20a，钢架间距为75cm，新钢架2外露10cm的纵向直螺纹套筒快连钢筋35，以此连接下一榀钢架，架立新钢架2拱脚采用c25砼垫块垫设。在安装钢筋网10时预埋初支背后空洞注浆孔11，其孔径50mm，纵向每1.5m设一个，环向每3m设一个。最后利用工型钢钢架6和锁脚钢管7，在隧道中间高度处搭设临时仰拱结构，间距为1.5m，临时仰拱采用钢管，两侧采用木楔加固，如图6所示。
第四步先在隧道拱脚处打设φ42mm注浆钢花管8，两边拱腰、拱脚及墙角每节点各2根，如图1所示，每根长4m，注水泥浆；安装φ8钢筋网10，网格尺寸20×20cm；安装φ22mm注浆锚杆9；纵向每2榀新钢架2采用φ22mm钢筋纵向连接，环向间距100cm，外露10cm作为搭接预留筋；喷射厚27cm的c25混凝土。然后按照上述顺序，沿隧道入口方向对下一榀拱架区间内重复换拱施工，即图1所示的由左向右。并利用预先留出的纵向直螺纹套筒快连钢筋35将新钢架2进行连接，紧接着进行二次衬砌结构18的施工，每循环9m，仰拱施工3个循环后进行二次衬砌施工，二次衬砌施工采用v级加强衬砌，c35钢筋混凝土结构；最后按照图8所示布设隧道内部监测点17，如图8所示，隧道内部监测点17和地表监测点16布置在同一断面上，隧道内部监测点17分为拱顶下沉测点，拱腰监测点与拱底监测点。
第五步是进行仰拱12施工，每循环3m，初期支护结构换拱4个循环进行一次仰拱12施工，采用工20a型钢钢架，0.75m/榀，钢架间用φ22mm纵向拉杆焊接在一起，拉杆环向间距1m。仰拱施工首先是进行仰拱垫层36的施工，厚度为5cm，然后在仰拱12最外侧布置防水板15，仰拱12内部预埋中埋式橡胶止水带13，之后布置仰拱钢架37，随后安装坡度精确控制仰拱沟槽顶模39与仰拱滑移式侧模40，再进行仰拱结构混凝土浇筑，施工时要确保浇筑与仰拱的施工缝不在同一平面，错缝距离至少达30cm。另外值得注意的是，每一循环仰拱12施工时，需在距洞内左侧拱脚1.5m处设0.5m（长）×0.5m（宽）×1m（深）的集水坑14。最后对应该仰拱12进行仰拱衬砌38的浇注施工。