穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道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，尤其是涉及一种穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构。

背景技术：

断层破碎带是指断层两盘相对运动，相互挤压，使附近的岩石破碎，形成与断层面大致平行的破碎带，简称断裂带。在国内，断面倾角大于45°或30°的高角度逆断层称为逆冲断层，穿越高角度逆冲断层的隧道施工难度非常大，上述高角度逆冲断层指断面倾角大于60°的逆冲断层。尤其是当所处地层为富水富砂地层时，施工难度更大。富水富砂地层也称为富水砂地层，是指地层中富含地下水且含有砂层，该地层既为富水地层，也为富砂地层。在富水富砂地层中，岩体破碎为地下水的赋存与富集提供了更有利条件，施工难度非常大，加上地层中含有砂层，施工中极易发生涌水涌砂，再加上断层断面倾角大于60°，易造成灾难性后果，严重影响到施工安全与效益。因而，当隧道穿越断层内富含地下水，岩体多为碎屑岩，并且富含沙土、砂石的高角度逆冲富水富砂断层时，所存在的施工风险非常大，待开挖至高角度富水逆冲断层时，在高水压作用下，掌子面极易突发涌水、涌砂等地质灾害，施工风险高，施工难度大且施工进度慢。

对穿越高角度逆冲富水富砂断层的隧道进行开挖时，需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。采用三台阶法对穿越高角度富水逆冲断层的隧道进行开挖时，由于开挖断面分块多，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。

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，提供一种穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其结构简单、设计合理且施工简便、使用效果好，采用组装式支护架与拆装简便的临时支撑结构相配合对台阶法开挖成型的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，能对大断面隧道洞进行稳固，确保施工安全。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征在于：包括对所施工隧道洞进行支护的组装式支护架、与所述组装式支护架连接为一体的临时支撑结构和布设于所述组装式支护架外侧的锚固体系；所述临时支撑结构布设在所述组装式支护架内，所述组装式支护架、所述临时支撑结构和所述锚固体系均布设于所述隧道洞的同一个横断面上；所述组装式支护架的形状与所述隧道洞的横断面形状相同，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，所述上部洞体分为左侧导洞和位于左侧导洞右侧的右侧导洞；

所述组装式支护架由一个对所述隧道洞的拱墙进行支护的拱墙支撑拱架和一个对所述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对位于所述上部洞体内的上部拱架和两个对称布设于上部拱架左右两侧下方的侧部支架拼接而成，两个所述侧部支架均位于中部洞体内；所述隧道仰拱支架位于下部洞体内，所述隧道仰拱支架的左端与一个所述侧部支架底部紧固连接，所述隧道仰拱支架的右端与另一个所述侧部支架底部紧固连接；所述上部拱架由位于左侧导洞内的左侧拱架和位于右侧导洞内的右侧拱架拼接而成，所述临时支撑结构包括支撑于左侧拱架右端下方的临时竖向支撑柱和连接于左侧拱架底部与临时竖向支撑柱底部之间的临时仰拱支架，所述临时竖向支撑柱和临时仰拱支架均位于所述上部洞体内；

所述锚固体系包括位于左侧拱架与右侧拱架之间连接处外侧的拱部锁脚锚管和两个对称布设于上部拱架左右两侧底部外侧的上锁脚锚管，两个所述侧部支架的中部外侧均设置有一个所述中锁脚锚管，两个所述侧部支架的底部外侧均设置有一个所述下锁脚锚管，两个所述中锁脚锚管呈对称布设，两个所述下锁脚锚管呈对称布设；所述拱部锁脚锚管、上锁脚锚管、中锁脚锚管和下锁脚锚管均为由内至外进入所述隧道洞周侧岩层内的锁脚锚管。

上述穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征是：所述左侧拱架右端设置有用于连接临时竖向支撑柱的拱部连接板，所述临时竖向支撑柱顶端与拱部连接板连接。

上述穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征是：所述临时仰拱支架为水平支架。

上述穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征是：所述拱部锁脚锚管、每个所述上锁脚锚管、每个所述中锁脚锚管和每个所述下锁脚锚管均包括两根呈平行布设的锁脚锚管。

上述穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征是：所述拱部锁脚锚管、上锁脚锚管、中锁脚锚管和下锁脚锚管的内端均通过锚管连接板固定在所述组装式支护架上，所述锚管连接板固定于所述组装式支护架上；所述拱部锁脚锚管、上锁脚锚管、中锁脚锚管和下锁脚锚管的长度均不小于5m。

上述穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征是：所述拱部锁脚锚管由内至外逐渐向右倾斜，所述上锁脚锚管、中锁脚锚管和下锁脚锚管均由内至外逐渐向下倾斜。

上述穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征是：所述临时竖向支撑柱底部设置有水平底座板，所述水平底座板底部与所述上部洞体底部相平齐。

上述穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征是：所述临时仰拱支架的左端设置有用于与左侧拱架底部连接的左侧连接板，所述临时仰拱支架的右端设置有用于与临时竖向支撑柱底部连接的右侧连接板。

上述穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征是：所述上部拱架、侧部支架和隧道仰拱支架均为型钢支架。

上述穿越高角度逆冲富水富砂断层隧道开挖施工结构，其特征是：所述上部拱架、侧部支架和隧道仰拱支架均为由一根工字钢弯曲而成的拱形支架；

所述临时竖向支撑柱和临时仰拱支架均为工字钢。

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、所采用的组装式支护架能对隧道洞进行全断面支护，支护稳固、可靠，并且组装式支护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和两个侧部支架拼装而成，而上部拱架又分为左侧拱架和右侧拱架，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。

针对隧道上部洞体初期支护难度更大且要求更高的问题，在上部洞体内同时设置临时支撑结构，临时支撑结构包括支撑于左侧拱架右端下方的临时竖向支撑柱和连接于左侧拱架底部与临时竖向支撑柱底部之间的临时仰拱支架，支设简便、支撑稳固且拆装方便，并能且进一步提高上部洞体内的初期支护效果，确保后续开挖施工安全，并能确保中部洞体与下部洞体开挖施工快速、安全进行。同时，临时支撑结构与上部拱架相配合配合，能对上部洞体进行有效支护，确保施工过程安全可靠；同时，临时支撑结构与上部拱架紧固连接为一体，能进一步提高上部洞体内上部拱架的整体稳固性，从而能有效保证上部拱架(尤其是左侧拱架)的支护效果，支护强度高，能确保上部洞体的隧道初期支护效果。

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，锚固体系与组装式支护架连接为一体，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，采用组装式支护架与拆装简便的临时支撑结构相配合对台阶法开挖成型的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，能对大断面隧道洞进行稳固，确保施工安全。

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为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型临时支撑结构的结构示意图。

图3为本实用新型拆除临时支撑结构后的结构示意图。

附图标记说明:

1-11—左侧导洞； 1-12—右侧导洞； 1-2—中部洞体；

1-3—下部洞体； 2—隧道仰拱支架； 3—临时竖向支撑柱；

4—上部拱架； 4-1—左侧拱架； 4-2—右侧拱架；

5—侧部支架； 6—拱部连接板； 7—左侧连接板；

8—拱部锁脚锚管； 9—上锁脚锚管； 10—中锁脚锚管；

11—下锁脚锚管； 12—临时仰拱支架； 13—水平底座板；

14—右侧连接板。

具体实施方式

如图1、图2及图3所示，本实用新型包括对所施工隧道洞进行支护的组装式支护架、与所述组装式支护架连接为一体的临时支撑结构和布设于所述组装式支护架外侧的锚固体系；所述临时支撑结构布设在所述组装式支护架内，所述组装式支护架、所述临时支撑结构和所述锚固体系均布设于所述隧道洞的同一个横断面上；所述组装式支护架的形状与所述隧道洞的横断面形状相同，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1-2和下部洞体1-3，所述上部洞体分为左侧导洞1-11和位于左侧导洞1-11右侧的右侧导洞1-12；

所述组装式支护架由一个对所述隧道洞的拱墙进行支护的拱墙支撑拱架和一个对所述隧道洞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对位于所述上部洞体内的上部拱架4和两个对称布设于上部拱架4左右两侧下方的侧部支架5拼接而成，两个所述侧部支架5均位于中部洞体1-2内；所述隧道仰拱支架2位于下部洞体1-3内，所述隧道仰拱支架2的左端与一个所述侧部支架5底部紧固连接，所述隧道仰拱支架2的右端与另一个所述侧部支架5底部紧固连接；所述上部拱架4由位于左侧导洞1-11内的左侧拱架4-1和位于右侧导洞1-12内的右侧拱架4-2拼接而成，所述临时支撑结构包括支撑于左侧拱架4-1右端下方的临时竖向支撑柱3和连接于左侧拱架4-1底部与临时竖向支撑柱3底部之间的临时仰拱支架12，所述临时竖向支撑柱3和临时仰拱支架12均位于所述上部洞体内；

所述锚固体系包括位于左侧拱架4-1与右侧拱架4-2之间连接处外侧的拱部锁脚锚管8和两个对称布设于上部拱架4左右两侧底部外侧的上锁脚锚管9，两个所述侧部支架5的中部外侧均设置有一个所述中锁脚锚管10，两个所述侧部支架5的底部外侧均设置有一个所述下锁脚锚管11，两个所述中锁脚锚管10呈对称布设，两个所述下锁脚锚管11呈对称布设；所述拱部锁脚锚管8、上锁脚锚管9、中锁脚锚管10和下锁脚锚管11均为由内至外进入所述隧道洞周侧岩层内的锁脚锚管。

本实施例中，所述上部洞体、中部洞体1-2和下部洞体1-3的高度均大于3m。所述隧道洞位于高角度逆冲富水富砂断层内。

本实施例中，所述左侧拱架4-1右端设置有用于连接临时竖向支撑柱3的拱部连接板6，所述临时竖向支撑柱3顶端与拱部连接板6连接。实际连接简便，并且拆除方便。

如图2所示，所述临时仰拱支架12为水平支架。

为提高锚固稳固性，所述拱部锁脚锚管8、每个所述上锁脚锚管9、每个所述中锁脚锚管10和每个所述下锁脚锚管11均包括两根呈平行布设的锁脚锚管。

实际安装时，所述拱部锁脚锚管8、上锁脚锚管9、中锁脚锚管10和下锁脚锚管11的内端均通过锚管连接板固定在所述组装式支护架上，所述锚管连接板固定于所述组装式支护架上，因而连接简便、可靠；所述拱部锁脚锚管8、上锁脚锚管9、中锁脚锚管10和下锁脚锚管11的长度均不小于5m。

本实施例中，所述锁脚锚管的长度为5m、外径为φ50mm且其壁厚为6mm。同时，在所述锁脚锚管内注入砂浆，能有效保证隧道初期支护的稳固性。

实际施工时，可根据具体需要，所述锁脚锚管的长度、外径和壁厚分别进行相应调整。

本实施例中，所述拱部锁脚锚管8由内至外逐渐向右倾斜，所述上锁脚锚管9、中锁脚锚管10和下锁脚锚管11均由内至外逐渐向下倾斜。

为提高支撑平稳性，所述临时竖向支撑柱3底部设置有水平底座板13，所述水平底座板13底部与所述上部洞体底部相平齐。

为便于连接与拆装简便，所述临时仰拱支架12的左端设置有用于与左侧拱架4-1底部连接的左侧连接板7，所述临时仰拱支架12的右端设置有用于与临时竖向支撑柱3底部连接的右侧连接板14。

本实施例中，所述上部拱架4、侧部支架5和隧道仰拱支架2均为型钢支架。

并且，所述上部拱架4、侧部支架5和隧道仰拱支架2均为由一根工字钢弯曲而成的拱形支架。

本实施例中，所述临时竖向支撑柱3和临时仰拱支架12均为工字钢。

实际施工时，对所述隧道洞进行开挖时，包括以下步骤：

步骤一、隧道上部洞体开挖，过程如下：

步骤101、左侧导洞开挖：沿隧道纵向延伸方向由后向前对左侧导洞1-11进行开挖；

所述左侧导洞1-11开挖过程中，由后向前在开挖成型的左侧导洞1-11内安装左侧拱架4-1，并在左侧拱架4-1右端下方安装临时竖向支撑柱3，且通过临时仰拱支架12将左侧拱架4-1与临时竖向支撑柱3紧固连接为一体，结构稳固且整体性强；所述左侧拱架4-1和临时竖向支撑柱3的底部均支撑于开挖成型的左侧导洞1-11底部，所述临时仰拱支架12水平支撑于左侧导洞1-11底部；

步骤102、右侧导洞开挖：步骤101中所述左侧导洞1-11开挖过程中，沿隧道纵向延伸方向同步由后向前对右侧导洞1-12进行开挖，获得开挖成型的所述上部洞体；

所述右侧导洞1-12开挖过程中，由后向前在开挖成型的右侧导洞1-12内安装右侧拱架4-2，并使右侧拱架4-2与左侧拱架4-1紧固连接为一体，获得施工成型的上部拱架4，详见图1；

对右侧导洞1-12进行开挖时，所述右侧导洞1-12的掌子面位于左侧导洞1-11的掌子面后侧；

步骤二、隧道中部洞体开挖：步骤一中隧道上部洞体开挖过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前对中部洞体1-2进行开挖；

所述中部洞体1-2开挖过程中，由后向前在开挖成型的中部洞体1-2左右两侧分别安装侧部支架5，并使所安装侧部支架5与上部拱架4固定连接；开挖过程中，所述左侧导洞1-11和右侧导洞1-12的掌子面均位于中部洞体1-2的掌子面前侧；

本步骤中，所述中部洞体1-2内左右两个所述侧部支架5与上部拱架4连接组成所述拱墙拱架；

步骤二中隧道中部洞体开挖过程中，由后向前对所述临时支撑结构进行拆除；

步骤三、隧道下部洞体开挖：步骤二中隧道中部洞体开挖过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前对下部洞体1-3进行开挖，获得开挖成型的所述隧道洞；

所述下部洞体1-3开挖过程中，由后向前在开挖成型的所述隧道洞底部安装隧道仰拱支架2，并使所安装隧道仰拱支架2与步骤二中所述拱墙拱架连接形成所述组装式支护架；开挖过程中，所述中部洞体1-2的掌子面位于下部洞体1-3的掌子面前侧。

步骤101中进行左侧导洞开挖过程中，还需沿隧道纵向延伸方向由后向前在开挖成型的左侧导洞1-11内对拱部锁脚锚管8进行施工；步骤102中进行右侧导洞开挖过程中，还需沿隧道纵向延伸方向由后向前在开挖成型的所述上部洞体内对两个所述上锁脚锚管9分别进行施工；步骤二中隧道中部洞体开挖过程中，还需沿隧道纵向延伸方向由后向前在开挖成型的中部洞体1-2内对两个所述中锁脚锚管10分别进行施工；步骤三中隧道下部洞体开挖施工过程中，还需沿隧道纵向延伸方向由后向前在开挖成型的下部洞体1-3内对两个所述下锁脚锚管11分别进行施工。

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。