本发明属于隧道技术领域，特别涉及一种适用于大变形隧道的初衬方法及结构。
背景技术：
随着我国交通、水利等基础设施建设的不断发展，越来越多的高地应力软岩隧道需要建设。高地应力软岩隧道容易出现较大的挤压变形，以著名的乌鞘岭隧道为例，其在通过断层破碎带的过程中，围岩平均的变形量达到了0.5-0.6m，约为隧道开挖半径的10%。隧道支护实践表明，传统的喷射混凝土衬砌+工字钢的联合支护方案，在挤压大变形发生时，很容易出现衬砌开裂和钢拱架的扭曲，不能起到很好的支护效果。造成上述后果的一个重要原因时，喷射混凝土+工字钢联合支护方案的变形能力有限，当其当其变形量达到1-2%时，即可能产生喷射混凝土衬砌的开裂和破坏。因此，在挤压大变形隧道中，为防止衬砌结构的破坏，需要提高衬砌的变形能力。
技术实现要素：
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种能够适用于大变形隧道的初衬方案。
第一方面，本申请实施例提供了一种适用于大变形隧道的初衬方法，包括以下步骤：
安装u型钢拱架单元并形成环形钢拱架，具体连接方式为：相邻的所述u型钢拱架单元在连接点处叠置，在所述叠置处包围的设有所述钢拱架连接件，所述钢拱架连接件包括対置的第一包围段和第二包围段，所述第一包围段的第一内壁紧靠上方的所述u型钢拱架单元的至少部分的顶表面，所述第一内壁上设有凸出部，所述凸出部上设有凸轮，所述凸轮的外缘与所述u型钢拱架单元的凹部内表面滑动接触，所述第二包围段的第二内壁紧靠下方的所述u型钢拱架单元的至少部分的底表面，所述第一包围段和所述第二包围段之间设有紧固件，通过调节所述紧固件实现所述拱架连接件对相邻的所述钢拱架单元的夹紧和连接；
沿隧道纵向施做泡沫混凝土块作为变形块，所述泡沫混凝土块中设有垂直于压缩方向的三维玻璃纤维夹层；
向隧道内壁喷射混凝土喷层；
当隧道沿环向的挤压变形达到设定值时，所述凸轮与所述内表面接触方向的曲率半径转动到最大位置，并顶紧所述u型钢拱架单元的凹部内表面从而限制所述u型钢拱架单元之间继续发生相对移动。
在本申请的某些实施例中，初衬方法还包括进行锚杆支护，及向裸露的围岩喷射初喷混凝土层，喷射所述初喷混凝土层的厚度为5-10cm。
在本申请的某些实施例中，安装相邻的所述环形钢拱架的间距控制在0.5-1.0m。
在本申请的某些实施例中，施做所述变形块时，所述变形块的厚度为5-30cm。
在本申请的某些实施例中，向隧道内壁喷射所述混凝土喷层时，避开所述环形钢拱架和所述变形块。
在本申请的某些实施例中，当隧道沿环向的挤压变形达到所述设定值时，重点针对所述u型钢拱架单元的所述连接点处进行喷射混凝土的复喷。
第二方面，本申请实施例还提供了一种适用于大变形隧道的初衬结构，包括环形钢拱架，变形块和混凝土喷层，其中：
所述环形钢拱架由若干u型钢拱架单元沿环向拼接而成，相邻的所述u型钢拱架单元在连接点处叠置，在所述叠置处包围的设有所述钢拱架连接件，所述钢拱架连接件包括対置的第一包围段和第二包围段，所述第一包围段的第一内壁紧靠上方的所述u型钢拱架单元的至少部分的顶表面，所述第一内壁上设有凸出部，所述凸出部上设有凸轮，所述凸轮的外缘与所述u型钢拱架单元的凹部内表面滑动接触，所述第二包围段的第二内壁紧靠下方的所述u型钢拱架单元的至少部分的底表面，所述第一包围段和所述第二包围段之间设有紧固件，通过调节所述紧固件实现所述拱架连接件对相邻的所述钢拱架单元的夹紧和连接；
所述变形块为泡沫混凝土块，所述泡沫混凝土块中设有垂直于压缩方向的三维玻璃纤维夹层；
所述混凝土喷层填充于隧道初衬的其余空间；
当隧道沿环向的挤压变形达到设定值时，所述凸轮与所述内表面接触方向的曲率半径转动到能转动到的最大位置，并顶紧所述u型钢拱架单元的凹部内表面从而限制所述u型钢拱架单元之间继续发生相对移动。
在本申请的某些实施例中，所述初衬结构还包括锚杆支护结构，及位于所述环形钢拱架、变形块和混凝土喷层内侧的初喷混凝土层。
在本申请的某些实施例中，所述钢拱架连接件设在所述变形块的附近，可以更加有利于结构的压缩。
在本申请的某些实施例中，相邻的所述钢拱架单元之间通过多个所述钢拱架连接件共同连接。
本申请实施例提供的适用于大变形隧道的初衬方案，由于喷射混凝土受水泥水化作用的影响，其在喷射之处强度较低，需要在1-2天内才能到达强度要求，且受变形块的影响，其提供的支护力相对较小。而环形钢拱架在围岩变形起始阶段，由于沿环向可以产生变形，协同变形块的设置，因此能够允许围岩释放一定的变形能。在围岩释放变形能时，变形块中的泡沫混凝土可以发生较大变形，而设于泡沫混凝土块中的三维玻璃纤维，则可以增强泡沫混凝土的延性，改善其峰后力学特性。
当围岩变形能释放到一定程度时，如果围岩继续变形将会使岩体内部结构改变，从而使受力恶化。此时环形钢拱架中u型钢拱架单元在连接处发生自锁，可以提供及时稳定的支护力，并且有利于混凝土喷层的完整性，有利于混凝土喷层力学性能的发挥。自锁后的环形钢拱架、混凝土喷层和峰后力学特性得以显著改善的变形块一起协同作用，可以更好的控制围岩大变形，防止因支护力不足而发生塌方事故。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了本申请实施例的隧道支护横截面示意图；
图2示出了本申请实施例中变形块位置纵断面图；
图3示出了本申请实施例中变形块纵断面细部图；
图4示出了本申请实施例中钢拱架连接件的结构图。
1、第一包围段，2、第二包围段，3、顶表面，4、凸出部，5、凸轮，6、凹部内表面，7、第一内壁，8、第二内壁，10、变形块，11、钢拱架，12、混凝土喷层，13、上方钢拱架单元，14、下方钢拱架单元，15、锚杆，16、初喷混凝土层，17、钢拱架连接件，18、三维玻璃纤维夹层，19、泡沫混凝土块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1，其示出了本申请实施例提供的适用于大变形隧道的衬砌结构，包括锚杆15，环形钢拱架11，变形块10和混凝土喷层12，其中：
所述环形钢拱架11由若干u型钢拱架单元沿环向拼接而成，相邻的所述u型钢拱架单元在连接点处叠置，在所述叠置处包围的设有所述钢拱架连接件17，所述钢拱架连接件包括対置的第一包围段1和第二包围段2，所述第一包围段1的第一内壁7紧靠上方钢拱架单元13的至少部分的顶表面3，所述第一内壁7上设有凸出部4，所述凸出部4上设有凸轮5，所述凸轮5的外缘与所述u型钢拱架单元的凹部内表面6滑动接触，所述第二包围段2的第二内壁8紧靠下方钢拱架单元14的至少部分的底表面，所述第一包围段1和所述第二包围段2之间设有紧固件，通过调节所述紧固件实现所述拱架连接件对相邻的所述钢拱架单元的夹紧和连接。
钢拱架连接件的结构简单，具有强度高、刚性较大、工作阻力稳定、型钢滑移平稳等优点，当相互搭接的型钢因受力而产生相互滑动时，凸轮5由于其与型钢凹部内表面6接触所产生的摩擦力而随之转动。由于凸轮5的曲率半径逐渐变化，凸轮5转动后，凸轮5与型钢凹部内表面6之间越挤越紧，因压力越来越大，因而所产生的摩擦力即型钢的滑动阻力迅速增大。当凸轮5随型钢的滑动而转动到能够转动到的最大位置时，型钢的滑动阻力随之达到最大值。其后，随着巷道压力的增大，型钢继续被压缩，但型钢的滑动阻力保持不变,支架在恒阻状态下工作。
所述变形块10包括泡沫混凝土块19，所述泡沫混凝土块19中设有与压缩方向垂直的三维玻璃纤维夹层18；所述混凝土喷层12填充于隧道初衬的其余空间；当隧道沿环向的挤压变形达到设定值时，所述凸轮5与所述内表面接触方向的曲率半径转动到最大位置，并顶紧所述u型钢拱架单元的凹部内表面6从而限制所述u型钢拱架单元之间继续发生相对移动。
所述初衬结构还包括位于所述环形钢拱架、变形块10和混凝土喷层12内侧的初喷混凝土层16。相邻的所述环形钢拱架的间距为0.5-1.0m。所述变形块10的厚度为5-30cm。
上述安装了变形块10的喷射混凝土层，当围岩发生大变形时，变形块10将随着围岩的变形而变形，从而增大喷射混凝土层的变形能力。所述变形块10根据围岩荷载沿隧道周向的分布情况布置。一般在隧道的拱顶、拱肩、和拱腰处予以对称设置。变形块10的大小应根据围岩的大变形能力进行设置，一般为5-30cm为宜。
钢拱架可以保证随着围岩的变形而变形，并能提供稳定的支护力。
上述支护结构现场的施工过程如下：
（1）隧道开挖后，进行第一层喷射混凝土施工，喷射厚度5-10cm，使的围岩表明平整；
（2）钢拱架安装，钢拱架的安装间距控制在0.5-1.0m的范围内；
（3）泡沫混凝土块的安装和固定，泡沫混凝土块中设有三维玻璃纤维夹层。泡沫混凝土块可以采用膨胀螺丝或钢板进行固定，泡沫混凝土块的数量，应根据隧道大变形量值确定，单个泡沫混凝土块的长度控制在5-20cm范围内；
（4）喷射混凝土施工，施工过程中应注意不能将钢拱架连接头、泡沫混凝土块的保护，防止其失去压缩变形能力；
（5）当隧道的挤压变形量达到设计研究时，进行喷射混凝土复喷，对泡沫混凝土块、钢拱架可压缩接头位置进行重点复喷，使其失去变形能力，使可压缩衬砌变为不可缩衬砌结构，提高衬砌刚度，防止围岩继续变形。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。