穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系的制作方法
本实用新型属于隧道施工技术领域，尤其是涉及一种穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系。
背景技术：
近年来，正在修建及规划的铁路隧道、公路隧道、城市地铁等地下工程中，软岩隧道(也称软弱围岩隧道)占有很高的比例，而且隧道的长度和跨度也越来越大，大量隧道还处于特殊地质中，如具有大孔隙结构的黄土、富水的全强风化花岗岩、富水断层破碎带、碎屑流地层、砂卵石地层及松散的堆积体等。在这些地层中修建大断面、大跨隧道极为困难，施工中常常出现塌方现象。其中，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。穿越断层破碎带的软弱围岩隧道施工难度非常大，尤其是当所处地层为富水地层时，所穿越的断层破碎带为富水断层带，岩体破碎为地下水的赋存与富集提供了更有利条件，极易出现隧道泥石流、碎屑流、滑坡等突涌现象，给隧道工程带来了极强的破坏，施工难度非常大。因而，当隧道穿越断层内富含地下水时，岩体多为碎屑岩，在高水压作用下，掌子面极易突发涌水、涌泥等地质灾害，施工风险高，施工难度大且施工进度慢。
实际对穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道进行开挖时，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。采用台阶法对穿越地层破碎带的富水软弱围岩隧道进行开挖时，由于开挖断面分块较多，施工难度大且施工风险高，尤其是当隧道开挖断面较大时，开挖难度非常大，在开挖过程中容易引起拱顶大面积下沉，具有开挖后拱顶变形速率快，短时间内下沉量过大、边墙片帮、拱架扭曲变形侵限，严重情况下导致隧洞垮塌等特点，此种情况下，若采用常规的支护体系，很控制变形，并且施工时间长，围岩长期暴露，容易造成围岩大面积侵限、喷射混凝土剥落掉块、钢架扭曲变形等情形，进一步增加坍塌风险，安全质量无法保证得同时，也严重制约工期。因而，必须及时设置合理的支护结构，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，提供一种穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其结构设计合理、施工简便且使用效果好，开挖之前采用自钻式管棚对富水软弱围岩隧道的上部洞体进行超前支护，并在上部洞体下部左右两侧设置的锚固体系能对管棚支护区域下方围岩进行加固，将自钻式管棚与锚固体系相结合组成对隧道洞外侧围岩进行整体加固的洞外围岩整体加固结构，确保隧道结构稳固性；并且，锚固体系与隧道初期支护结构内的全断面支撑结构紧固连接为一体，将洞外围岩整体加固结构与洞内的隧道初期支护结构和隧道二次衬砌连接形成结构稳固的整体性支护体系，能有效提高富水软弱围岩隧道的结构稳固性，确保后期隧道结构安全。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征在于：包括对所施工隧道进行超前支护的隧道超前支护结构、对所施工隧道进行初期支护的隧道初期支护结构、布设于所述隧道初期支护结构内壁上的防水层和位于防水层内侧的隧道二次衬砌，所述隧道初期支护结构和隧道二次衬砌均为对所施工隧道的隧道洞进行全断面支护的全断面支护结构；所述隧道洞的横断面积大于100m2，所述隧道洞分为上部洞体和位于所述上部洞体正下方的下部洞体；所述隧道洞的开挖高度大于10m，所述上部洞体的开挖高度为h，h的取值范围为6.5m～8m；所施工隧道沿隧道纵向延伸方向由后向前分为多个隧道节段；所述隧道二次衬砌为钢筋混凝土衬砌；
所述隧道超前支护结构包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前对所述上部洞体进行超前支护的超前管棚支护结构，所述超前管棚支护结构的数量与所施工隧道中所包括隧道节段的数量相同，每个所述超前管棚支护结构均位于一个所述隧道节段外侧，每个所述隧道节段均通过一个所述超前管棚支护结构进行超前支护；每个所述隧道节段的长度为28m～34m；
每个所述超前管棚支护结构沿隧道纵向延伸方向的长度均为l，其中l＝b+c；b为该超前管棚支护结构所支护隧道节段的长度，b的取值范围为28m～34m；c为该超前管棚支护结构的管棚前段支撑长度且其为该超前管棚支护结构与位于其前方的一个所述超前管棚支护结构之间的搭接长度，
每个所述超前管棚支护结构均为自钻式管棚且其包括多根由后向前钻进至所支护隧道节段掌子面前方岩层内的管棚管，多根所述管棚管沿所述上部洞体的开挖轮廓线由左至右进行布设，所述管棚管的外倾角为3°；每个所述超前管棚支护结构中多根所述管棚管呈均匀布设，相邻两根所述管棚管后端之间的环向间距为400mm～800mm，所述管棚管的外径为φ70mm～φ80mm且其壁厚为13mm～18mm；
每根所述管棚管均为自钻式管棚管，所述自钻式管棚管包括平直管体和安装在所述平直管体前端的钻头，所述钻头上沿圆周方向开有多个注浆孔，所述平直管体由多个由前向后布设于同一直线上的管段拼装而成，每个所述管段均为外壁上由前至后均设置有外螺纹的螺纹钢管；多个所述管段的横截面结构和尺寸均相同，相邻两个所述管段之间均通过一个螺纹连接套进行紧固连接；
所述隧道初期支护结构包括对所述隧道洞进行全断面支护的全断面支撑结构，所述全断面支撑结构外侧布设有锚固体系；所述上部洞体分为预留核心土区域洞体和位于预留核心土区域洞体外侧的上部周侧洞体；所述全断面支撑结构和所述锚固体系均沿隧道纵向延伸方向布设；
所述全断面支撑结构包括多榀对所施工隧道进行全断面支护的型钢拱架和多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的拱架连接结构，多榀所述型钢拱架的结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向由后向前布设，多榀所述型钢拱架呈均匀布设，每榀所述型钢拱架均位于所施工隧道的一个隧道横断面上；
每榀所述型钢拱架的形状均与所述隧道洞的横断面形状相同；每榀所述型钢拱架均包括一榀对所述隧道洞的拱墙进行支护的拱墙钢拱架、一个位于上部周侧洞体内的竖向临时支撑柱和一个布设于所述隧道洞内侧底部的隧道仰拱支架，所述隧道仰拱支架位于所述拱墙钢拱架的正下方且二者均位于同一隧道横断面上，所述隧道仰拱支架的左端与所述拱墙钢拱架的左侧底部紧固连接，所述隧道仰拱支架的右端与所述拱墙钢拱架的右侧底部紧固连接，所述隧道仰拱支架与所述拱墙钢拱架形成一个封闭式全断面支架；所述拱墙钢拱架包括一榀位于上部周侧洞体内的上部钢拱架和两个对称布设于上部钢拱架左右两侧底部下方的侧部支架，两个所述侧部支架均位于下部洞体内；所述竖向临时支撑柱支撑于上部钢拱架的中部正下方，所述竖向临时支撑柱顶部与上部钢拱架中部紧固连接，所述上部钢拱架的中部底面上设置有一个用于连接竖向临时支撑柱的水平连接板，所述竖向临时支撑柱底部支撑于上部周侧洞体的内侧底部；每榀所述型钢拱架中所述上部钢拱架、侧部支架、隧道仰拱支架和竖向临时支撑柱均位于同一隧道横断面上；
多个所述拱架连接结构的结构均相同，前后相邻两榀所述型钢拱架之间均通过一个所述拱架连接结构进行紧固连接；每个所述拱架连接结构均包括多道连接于前后相邻两榀所述拱墙钢拱架之间的纵向连接件，多道所述纵向连接件沿所施工隧道的拱墙开挖轮廓线布设于同一隧道断面上；每道所述纵向连接件均为一道呈水平布设的型钢，每道所述纵向连接件均沿隧道纵向延伸方向进行布设；相邻两个所述拱架连接结构中的纵向连接件呈交错布设；
所述锚固体系包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的锚固结构，每榀所述上部钢拱架外侧均设置有一个所述锚固结构，每榀所述上部钢拱架均与其外侧所设置的锚固结构布设于同一隧道横断面上；每个所述锚固结构均布设于一榀所述上部钢拱架外侧，每个所述锚固结构均包括左右两个对称布设的锚固组，两个所述锚固组分别布设于一榀所述上部钢拱架的下部左右两侧；每个所述锚固组均包括一个下锁脚锚管和多个由上至下布设的上锁脚锚杆，多个所述上锁脚锚杆均位于下锁脚锚管正上方且其均布设于同一竖直面上，所述上锁脚锚杆和下锁脚锚管均由内至外进入所述隧道洞外侧的岩层内且二者均由内向外逐渐向下倾斜；多个所述上锁脚锚杆均呈平行布设且其与水平面之间的夹角为a1，a1的取值范围为25°～35°；所述下锁脚锚管与水平面之间的夹角为a2，a2的取值范围为38°～45°；所述下锁脚锚管为中空自进式锚杆且其为注浆锚杆，所述下锁脚锚管的长度不小于4m；所述上锁脚锚杆为中空注浆锚杆，多个所述上锁脚锚杆的长度均相同且其长度均不小于3m；所述上锁脚锚杆和下锁脚锚管的内端均固定于位于其内侧的上部钢拱架上。
上述穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征是：每个所述隧道节段外侧布设所述超前管棚支护结构的区域为超前支护区，所述超前支护区位于所述锚固体系上方。
上述穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征是：所述防水层由布设于所述隧道初期支护结构内壁上的防水板铺设而成。
上述穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征是：所述防水层与隧道二次衬砌之间留有预留变形腔，所述预留变形腔的横截面为拱形且其拱部厚度为13mm～17mm。
上述穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征是：所述隧道初期支护结构的厚度为28mm～35mm，所述隧道二次衬砌的厚度为45mm～55mm。
上述穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征是：每个所述超前管棚支护结构中多根所述管棚管的长度均相同，每根所述管棚管的长度均为l′，其中
上述穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征是：所述隧道初期支护结构还包括对所述隧道洞的拱墙进行初期支护的拱墙初期支护结构和对所述隧道洞底部进行初期支护的仰拱初期支护结构，所述仰拱初期支护结构位于所述拱墙初期支护结构的正下方；所述仰拱初期支护结构为一层喷射于所述隧道洞底部的仰拱混凝土喷射层，所述隧道仰拱支架固定于仰拱混凝土喷射层内。
上述穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征是：所述拱墙初期支护结构包括挂装在所述隧道洞拱墙上的拱墙钢筋网片和一层喷射于所述隧道洞拱墙上的拱墙混凝土喷射层，所述拱墙钢筋网片固定在所述拱墙钢拱架上，所述拱墙钢筋网片、所述拱墙钢拱架和水平连接板均固定于拱墙混凝土喷射层内；所述拱墙混凝土喷射层与位于其下方的仰拱混凝土喷射层连接为一体。
上述穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征是：所述拱墙初期支护结构还包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的锚杆组，每个所述锚杆组均布设在一榀所述型钢拱架外侧，每个所述锚杆组均与位于其内侧的所述型钢拱架布设于同一隧道横断面上；每个所述锚杆组均包括多个对所述隧道洞的拱墙进行支护的注浆锚杆，多个所述注浆锚杆沿所述隧道洞的拱墙开挖轮廓线进行布设；前后相邻两个所述锚杆组的注浆锚杆呈交错布设；每个所述注浆锚杆均由内至外进入所述隧道洞外侧的岩层内，每个所述注浆锚杆的内端均固定在位于其内侧的所述型钢拱架上。
上述穿越断层破碎带的富水软弱围岩隧道支护体系，其特征是：所述上部钢拱架、侧部支架和隧道仰拱支架均为一根工字钢弯曲而成，所述纵向连接件为槽钢或工字钢。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、结构设计合理、施工简便且投入的施工成本较低。
2、所采用的隧道超前支护结构设计合理、施工简便且施工效率高，每个管棚超前支护结构沿隧道纵向延伸方向的长度为30m左右，能有效加快断层破碎带地层的隧道超前支护施工进度，节约施工工期，并降低施工成本。
3、管棚超前支护结构对上部洞体150°范围内进行稳固支护，能有效提高隧道结构稳固；并且，管棚超前支护结构为自钻式管棚，对周侧围岩扰动小，并且超前支护效果好，由于对断层破碎带地层隧道施工中，管棚超前支护的作用在于加固围岩，避免岩块冒落，保证隧道稳定和施工安全；同时，限制围岩进一步松动，防止围岩过度变形和顶板过度下沉，为后期二次支护施工创造有利条件，采用所述自钻式管棚对富水软弱围岩隧道进行超前加固后，具有以下优点：第一、自钻式管棚能有效改善围岩自身岩体性质，实现软岩塑性变形与蠕变变形的减小；自进式管棚作为一种集注浆、钻进、支护为一体的长管棚，利用充分注浆，使掌子面前方塑性松动圈内围岩形成有效胶结，进而围岩性质得到改变，隧道开挖后围岩的塑性变形与蠕变变形减小；第二、自钻式管棚能有效改良塑性松动圈围岩性质，形成共同承载体系；由于自进式管棚在钻进过程中同步注浆，因此注浆覆盖范围更好，浆液使管棚体、松动圈围岩充分胶结，加固整个塑性区的围岩强度，有效提高了塑形松动圈围岩的自承载能力，并在一定程度上实现变形沉降的控制；第三、自钻式管棚利用棚架体系高刚度、高强度特性，在预支护阶段实现掌子面前方围岩预收敛变形的有效控制，且通过注浆实现初期支护、管棚体与围岩的有效胶结并形成整体棚架体系，进而有效控制了隧道掌子面前方围岩的预收敛变形。
4、所采用的型钢拱架结构设计合理、加工及支设简便且使用效果好，每榀拱墙钢拱架的中部正下方均设置有一个竖向临时支撑柱，在隧道拱墙初期支护结构施工完成前对隧道拱顶进行稳固支撑，有效增强隧道拱顶的支护强度和支护效果，能有效防止隧道拱墙初期支护结构施工完成前隧道拱顶发生变形、下沉等问题，进一步确保隧道结构稳定性，尤其是对大断面隧道而言，使用效果更佳。
5、所采用的拱架连接结构设计合理、加工及连接方便且使用效果好，拱架连接结构采用多道型钢对前后相邻两榀型钢拱架进行连接，能有效增强相邻两榀型钢拱架之间的纵向连接强度，使多榀型钢拱架连接形成结构稳固的纵向支撑结构，能有效抵抗隧道轴向外力，并能有效增强隧道初支的支护强度，防止隧道初支因纵向变形过大发生变形、倾倒等问题，有效增强所施工成型隧道初支的三维约束能力。并且，在架设初期，由多榀型钢拱架连接形成的纵向支撑结构均能承受隧道轴向外力和爆破引起的振动，使纵向支撑结构整体的强度均得到有效提高。
6、多榀型钢拱架通过拱架连接结构紧固连接为一体，每榀型钢拱架的拱墙钢拱架均包括一榀位于上部周侧洞体内的上部钢拱架和两个对称布设于上部钢拱架左右两侧底部下方的侧部支架，使上部洞体的初期支护不受下部洞体内初期支护施工的影响，并且隧道上部洞体的初期支护过程在下部洞体开挖之前进行，此时隧道洞尚未全面开挖，因而隧道上部洞体内初期支护结构的支撑稳固性能进一步得到保证，并且上部洞体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。
7、所采用的全断面支撑结构设计合理、施工简便且使用效果好，采用多道型钢对前后相邻两榀型钢拱架进行连接，同时在每榀型钢拱架的顶部下方均设置有一个竖向临时支撑柱，能有效避免断层破碎带围岩松散堆积压力所造成的初期支护开裂下沉并侵入二次衬砌净空、钢架扭曲变形、喷射混凝土掉块等严重安全质量隐患，保障了施工安全。
8、所采用的锚固体系结构设计合理、施工简便且使用效果好，两个所述锚固组分别布设于一榀上部钢拱架的下部左右两侧，在上部周侧洞体开挖完成后，便可对两个锚固组分别进行施工，从而能及时、迅速对隧道周侧围岩进行注浆加固，能以最快速度限制隧道变形，从而能进一步确保隧道结构稳定性；并且，两个锚固组能直接、快速由上至下对隧道洞最大开挖处的周侧围岩进行有效加固，从而能有效确保隧道洞的整体稳固性；另外，由上至下对隧道洞最大开挖处的周侧围岩进行有效加固后，下部洞体无需再设置锁脚锚杆，能有效加快下部洞体的初期支护进度，节约施工工期，从而使隧道洞的初期支护能及时、快速封闭，从而能进一步确保施工成型初期支护结构的稳固性和整体性，进一步确保隧道结构稳固。
9、使用效果好且实用价值高，开挖之前采用自钻式管棚对富水软弱围岩隧道的上部洞体进行超前支护，并在上部洞体下部左右两侧设置的锚固体系能对管棚支护区域下方围岩进行加固，将自钻式管棚与锚固体系相结合组成对隧道洞外侧围岩进行整体加固的洞外围岩整体加固结构，确保隧道结构稳固性；并且，锚固体系与隧道初期支护结构内的全断面支撑结构紧固连接为一体，将洞外围岩整体加固结构与洞内的隧道初期支护结构和隧道二次衬砌连接形成结构稳固的整体性支护体系，能有效提高富水软弱围岩隧道的结构稳固性，确保后期隧道结构安全。
同时，隧道初期支护结构中采用通过多道型钢组成的拱架连接结构将多榀型钢拱架连接成的全断面支撑结构对隧道进行稳固支撑，能有效抵抗隧道轴向外力，并能有效增强隧道初支的支护强度，防止隧道初期支护结构因纵向变形过大发生变形、倾倒等问题，有效增强所施工成型隧道初期支护结构的三维约束能力；并且，在每榀型钢拱架的顶部下方均设置有一个竖向临时支撑柱，能有效保证拱顶的稳定性并有效限定拱顶下沉；同时，采用与全断面支撑结构连接为一体的锚固体系对隧道洞外围岩进行有效加固，形成结构稳固的整体性支护体系，能有效避免初期支护变形并能有效保证初期支护的稳定性。
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为本实用新型自钻式管棚的横断面结构示意图。
图3为本实用新型自钻式管棚的纵断面结构示意图。
图4为本实用新型型钢拱架与锚固体系的横断面布设位置示意图。
图5为本实用新型全断面支撑结构的纵向连接状态示意图。
图6为本实用新型型钢拱架在隧道洞内的布设位置示意图。
图7为图6中a处的局部放大示意图。
附图标记说明:
1—所施工隧道；1-1—预留核心土区域洞体；
1-2—上部周侧洞体；1-3—下部洞体；2—隧道仰拱支架；
3—纵向连接件；4—上部钢拱架；5—侧部支架；
6—竖向临时支撑柱；7—水平连接板；8—水平垫板；
9—下锁脚锚管；10—上锁脚锚杆；11—注浆锚杆；
12—拱墙混凝土喷射层；13—仰拱混凝土喷射层；14—隧道二次衬砌；
15—防水层；16—管棚管；17—预留变形腔；
18—隧道节段。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实用新型包括对所施工隧道1进行超前支护的隧道超前支护结构、对所施工隧道1进行初期支护的隧道初期支护结构、布设于所述隧道初期支护结构内壁上的防水层15和位于防水层15内侧的隧道二次衬砌14，所述隧道初期支护结构和隧道二次衬砌14均为对所施工隧道1的隧道洞进行全断面支护的全断面支护结构；所述隧道洞的横断面积大于100m2，所述隧道洞分为上部洞体和位于所述上部洞体正下方的下部洞体1-3；所述隧道洞的开挖高度大于10m，所述上部洞体的开挖高度为h，h的取值范围为6.5m～8m；所施工隧道1沿隧道纵向延伸方向由后向前分为多个隧道节段18；所述隧道二次衬砌14为钢筋混凝土衬砌；
结合图2、图3，所述隧道超前支护结构包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前对所述上部洞体进行超前支护的超前管棚支护结构，所述超前管棚支护结构的数量与所施工隧道1中所包括隧道节段18的数量相同，每个所述超前管棚支护结构均位于一个所述隧道节段18外侧，每个所述隧道节段18均通过一个所述超前管棚支护结构进行超前支护；每个所述隧道节段18的长度为28m～34m；
每个所述超前管棚支护结构沿隧道纵向延伸方向的长度均为l，其中l＝b+c；b为该超前管棚支护结构所支护隧道节段18的长度，b的取值范围为28m～34m；c为该超前管棚支护结构的管棚前段支撑长度且其为该超前管棚支护结构与位于其前方的一个所述超前管棚支护结构之间的搭接长度，
每个所述超前管棚支护结构均为自钻式管棚且其包括多根由后向前钻进至所支护隧道节段18掌子面前方岩层内的管棚管16，多根所述管棚管16沿所述上部洞体的开挖轮廓线由左至右进行布设，所述管棚管16的外倾角为3°；每个所述超前管棚支护结构中多根所述管棚管16呈均匀布设，相邻两根所述管棚管16后端之间的环向间距为400mm～800mm，所述管棚管16的外径为φ70mm～φ80mm且其壁厚为13mm～18mm；
每根所述管棚管16均为自钻式管棚管，所述自钻式管棚管包括平直管体和安装在所述平直管体前端的钻头，所述钻头上沿圆周方向开有多个注浆孔，所述平直管体由多个由前向后布设于同一直线上的管段拼装而成，每个所述管段均为外壁上由前至后均设置有外螺纹的螺纹钢管；多个所述管段的横截面结构和尺寸均相同，相邻两个所述管段之间均通过一个螺纹连接套进行紧固连接；
如图4所示，所述隧道初期支护结构包括对所述隧道洞进行全断面支护的全断面支撑结构，所述全断面支撑结构外侧布设有锚固体系；所述上部洞体分为预留核心土区域洞体1-1和位于预留核心土区域洞体1-1外侧的上部周侧洞体1-2；所述全断面支撑结构和所述锚固体系均沿隧道纵向延伸方向布设；
所述全断面支撑结构包括多榀对所施工隧道1进行全断面支护的型钢拱架和多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的拱架连接结构，多榀所述型钢拱架的结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向由后向前布设，多榀所述型钢拱架呈均匀布设，每榀所述型钢拱架均位于所施工隧道1的一个隧道横断面上；
结合图5、图6，每榀所述型钢拱架的形状均与所述隧道洞的横断面形状相同；每榀所述型钢拱架均包括一榀对所述隧道洞的拱墙进行支护的拱墙钢拱架、一个位于上部周侧洞体1-2内的竖向临时支撑柱6和一个布设于所述隧道洞内侧底部的隧道仰拱支架2，所述隧道仰拱支架2位于所述拱墙钢拱架的正下方且二者均位于同一隧道横断面上，所述隧道仰拱支架2的左端与所述拱墙钢拱架的左侧底部紧固连接，所述隧道仰拱支架2的右端与所述拱墙钢拱架的右侧底部紧固连接，所述隧道仰拱支架2与所述拱墙钢拱架形成一个封闭式全断面支架；结合图7，所述拱墙钢拱架包括一榀位于上部周侧洞体1-2内的上部钢拱架4和两个对称布设于上部钢拱架4左右两侧底部下方的侧部支架5，两个所述侧部支架5均位于下部洞体1-3内；所述竖向临时支撑柱6支撑于上部钢拱架4的中部正下方，所述竖向临时支撑柱6顶部与上部钢拱架4中部紧固连接，所述上部钢拱架4的中部底面上设置有一个用于连接竖向临时支撑柱6的水平连接板7，所述竖向临时支撑柱6底部支撑于上部周侧洞体1-2的内侧底部；每榀所述型钢拱架中所述上部钢拱架4、侧部支架5、隧道仰拱支架2和竖向临时支撑柱6均位于同一隧道横断面上；
多个所述拱架连接结构的结构均相同，前后相邻两榀所述型钢拱架之间均通过一个所述拱架连接结构进行紧固连接；每个所述拱架连接结构均包括多道连接于前后相邻两榀所述拱墙钢拱架之间的纵向连接件3，多道所述纵向连接件3沿所施工隧道1的拱墙开挖轮廓线布设于同一隧道断面上；每道所述纵向连接件3均为一道呈水平布设的型钢，每道所述纵向连接件3均沿隧道纵向延伸方向进行布设；相邻两个所述拱架连接结构中的纵向连接件3呈交错布设；
所述锚固体系包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的锚固结构，每榀所述上部钢拱架4外侧均设置有一个所述锚固结构，每榀所述上部钢拱架4均与其外侧所设置的锚固结构布设于同一隧道横断面上；每个所述锚固结构均布设于一榀所述上部钢拱架4外侧，每个所述锚固结构均包括左右两个对称布设的锚固组，两个所述锚固组分别布设于一榀所述上部钢拱架4的下部左右两侧；每个所述锚固组均包括一个下锁脚锚管9和多个由上至下布设的上锁脚锚杆10，多个所述上锁脚锚杆10均位于下锁脚锚管9正上方且其均布设于同一竖直面上，所述上锁脚锚杆10和下锁脚锚管9均由内至外进入所述隧道洞外侧的岩层内且二者均由内向外逐渐向下倾斜；多个所述上锁脚锚杆10均呈平行布设且其与水平面之间的夹角为a1，a1的取值范围为25°～35°；所述下锁脚锚管9与水平面之间的夹角为a2，a2的取值范围为38°～45°；所述下锁脚锚管9为中空自进式锚杆且其为注浆锚杆，所述下锁脚锚管9的长度不小于4m；所述上锁脚锚杆10为中空注浆锚杆，多个所述上锁脚锚杆10的长度均相同且其长度均不小于3m；所述上锁脚锚杆10和下锁脚锚管9的内端均固定于位于其内侧的上部钢拱架4上。
其中，每个所述管段的管壁均为封闭式管壁，因而每根所述管棚管16的管体无孔。
如图1所示，本实施例中，每个所述隧道节段18外侧布设所述超前管棚支护结构的区域为超前支护区，所述超前支护区位于所述锚固体系上方。
本实施例中，所述超前支护区的圆心角为a，其中a＝150°。
本实施例中，所述防水层15由布设于所述隧道初期支护结构内壁上的防水板铺设而成。并且，为进一步增强防水效果，所述防水层15的内壁上还铺设有一层土工布。
为确保隧道结构稳定，所述防水层15与隧道二次衬砌14之间留有预留变形腔17，所述预留变形腔17的横截面为拱形且其拱部厚度为13mm～17mm。所述预留变形腔17为所述隧道初期支护结构的预留变形区域。
所述隧道初期支护结构的厚度为28mm～35mm，所述隧道二次衬砌14的厚度为45mm～55mm。本实施例中，所述隧道初期支护结构的厚度为31mm，所述隧道二次衬砌14的厚度为50mm。实际施工时，可根据具体需要，对所述隧道初期支护结构和隧道二次衬砌14的厚度分别进行相应调整。
结合图3，每个所述超前管棚支护结构中多根所述管棚管16的长度均相同，每根所述管棚管16的长度均为l′，其中
本实施例中，两个所述锚固组分别布设于一榀所述上部钢拱架4的下部左右两侧，因而在上部周侧洞体1-2开挖完成后，便可对两个所述锚固组分别进行施工，从而能及时、迅速对隧道周侧围岩进行注浆加固，能以最快速度限制隧道变形，从而能进一步确保隧道结构稳定性；并且，两个所述锚固组的施工过程不会对所述上部洞体的初期支护过程造成影响，使所述上部洞体的初期支护过程在上部周侧洞体1-2开挖完成后便可直接、快速进行，因而能进一步确保隧道初期支护的稳固性，并能有效提高施工效率，缩短施工工期。
本实施例中，所述下部洞体1-3的开挖高度为3.5m～4.5m。
所述隧道洞的最大开挖处位于所述上部洞体内，为确保隧道结构稳固，在上部周侧洞体1-2开挖完成后，便采用两个所述锚固组对所述上部洞体外侧围岩进行注浆加固，确保所述上部洞体的稳固性；另一方面，将两个所述锚固组分别布设于上部钢拱架4的下部左右两侧，不仅施工简便，并且所述上锁脚锚杆10和下锁脚锚管9的内端均位于所述隧道洞的最大开挖处上方，这样两个所述锚固组的锚固处位于所述隧道洞的最大开挖处上方，由于上锁脚锚杆10和下锁脚锚管9均由内至外进入所述隧道洞外侧的岩层内，因而能直接、快速由上至下对所述隧道洞最大开挖处的周侧围岩进行有效加固，从而能有效确保所述隧道洞的整体稳固性；另外，由上至下对所述隧道洞最大开挖处的周侧围岩进行有效加固后，所述下部洞体1-3无需再设置锁脚锚杆，从而能有效加快下部洞体1-3的初期支护进度，从而使所述隧道洞的初期支护能及时、快速封闭，从而能进一步确保施工成型初期支护结构的稳固性和整体性，进一步确保隧道结构稳固。
本实施例中，所述上锁脚锚杆10和下锁脚锚管9均为上部钢拱架锁脚锚杆，所述上部钢拱架锁脚锚杆内端与所述上部洞体底部之间的竖向间距为0.8m～1.8m。
本实施例中，所述上锁脚锚杆10的长度为3.5m，所述下锁脚锚管9的长度为5m。
实际施工时，可根据具体需要，对上锁脚锚杆10和下锁脚锚管9的长度以及所述上部钢拱架锁脚锚杆内端与所述上部洞体底部之间的竖向间距进行相应调整。
本实施例中，所述上部洞体采用中部预留核心土的方式进行开挖，所述上部洞体内核心土的顶面净空高度为1.5m～1.8m。实际施工时，可根据具体需要，对所述上部洞体内核心土的顶面净空高度进行相应调整。并且所述竖向临时支撑柱6底部支撑于所述上部洞体内核心土的顶面上。
同时，所述隧道初期支护结构还包括对所述隧道洞的拱墙进行初期支护的拱墙初期支护结构和对所述隧道洞底部进行初期支护的仰拱初期支护结构，所述仰拱初期支护结构位于所述拱墙初期支护结构的正下方；所述仰拱初期支护结构为一层喷射于所述隧道洞底部的仰拱混凝土喷射层13，所述隧道仰拱支架2固定于仰拱混凝土喷射层13内。
本实施例中，所述拱墙初期支护结构包括挂装在所述隧道洞拱墙上的拱墙钢筋网片和一层喷射于所述隧道洞拱墙上的拱墙混凝土喷射层12，所述拱墙钢筋网片固定在所述拱墙钢拱架上，所述拱墙钢筋网片、所述拱墙钢拱架和水平连接板7均固定于拱墙混凝土喷射层12内；所述拱墙混凝土喷射层12与位于其下方的仰拱混凝土喷射层13连接为一体。
为进一步增强支护效果，所述拱墙初期支护结构还包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的锚杆组，每个所述锚杆组均布设在一榀所述型钢拱架外侧，每个所述锚杆组均与位于其内侧的所述型钢拱架布设于同一隧道横断面上；每个所述锚杆组均包括多个对所述隧道洞的拱墙进行支护的注浆锚杆11，多个所述注浆锚杆11沿所述隧道洞的拱墙开挖轮廓线进行布设；前后相邻两个所述锚杆组的注浆锚杆11呈交错布设；每个所述注浆锚杆11均由内至外进入所述隧道洞外侧的岩层内，每个所述注浆锚杆11的内端均固定在位于其内侧的所述型钢拱架上。实际施工时，通过多个所述锚杆组对所述隧道洞拱墙外侧围岩进行有效加固，并且多个所述锚杆组不仅对所述隧道洞的拱部进行支护，同时对所述隧道洞的左右两侧边墙分别进行支护，形成一个对所述隧道洞拱墙进行全断面支护的注浆支护结构，进一步提高隧道结构的稳固性。
本实施例中，所述注浆锚杆11的长度为4m。实际施工时，可根据具体需要，对注浆锚杆11的长度进行相应调整。
实际进行隧道施工时，尤其是在软弱围岩地质条件下，易出现以下三种情况：
第一、由于在软弱围岩条件下，隧道开挖易使围岩产生较大的松弛变形，迫使初期支护结构上的荷载增大，同时由于软弱围岩条件下隧道初期支护拱、墙脚地基承载力较低，若地层含水量大、拱脚积水，则随着隧道初期支护上荷载的增大，拱、墙脚易产生较大的沉降变形；
第二、隧道现场施工过程中，采用台阶法或分部开挖法进行开挖施工时，往往较难按照《公路隧道施工技术细则》(jtg/tf60.2009)规定拱、墙脚预留一定厚度原状岩土，使拱、墙脚初期支护不能落在较坚实的原状岩土上，造成支护下沉，且此种情况在施工中较难把握，尤其在以钻爆法及机械开挖方式进行隧道掘进中；
第三、软弱围岩隧道在进行台阶法作业中，下台阶马口(或仰拱)开挖，往往造成该处上台阶(或整个拱、墙部)初期支护在一定范围内处于悬空状态，此时初期支护由原来的无铰拱(一次超静定结构)转为悬臂梁结构，降低了支护的承载能力。若施工中稍有不当，马口(或仰拱)开挖长度把握不好，围岩较差，甚至两侧马口(或仰拱)同时开挖，使初期支护同一断面两侧拱脚(墙脚)同时悬空，此时初期支护成为不稳定结构，承载能力大大降低，将引起该处初期支护较大的下沉及净空位移，进而增大围岩的松弛范围，使围岩条件恶化，隧道变形加剧。
本实施例中，由于所述锚固体系位于所述上部洞体外侧，能有效解决上述三个问题，所述锚固体系的每个所述锚固组中均采用一道一个下锁脚锚管9和多个由上至下布设的上锁脚锚杆10对上部钢拱架4左右两侧拱脚外侧的围岩进行多重加固，从根源上解决洞外周侧围岩不稳定的情况，能有确保隧道结构的稳定性，并使软弱围岩条件下上部钢拱架4左右两侧拱脚支撑位置处的地基承载力大幅提高，能有效限制上部钢拱架4左右两侧拱脚发生沉降变形；并且，使所述上部洞体内的隧道支护结构更加稳固，杜绝所述上部洞体内隧道支护结构处于悬空、不稳定的情况。
并且，下锁脚锚管9和上锁脚锚杆10的尾端(即内端)与结构稳固的全断面支撑结构紧固连接为一体，能进一步增强隧道初期支护的整体性，充分发挥初期支护的承载能力。所述下锁脚锚管9和上锁脚锚杆10均能起到良好的支承作用，并且具有简便、快速加固周侧围岩，对隧道进行超前支护等作用。同时，所述下锁脚锚管9和上锁脚锚杆10与上部钢拱架4紧固连接后，也能进一步限制所述型钢拱架与整个初期支护的下沉，并能有效防止初期支护向隧道净空方向位移，进而充分发挥初期支护承载作用，增加围岩自稳时间。
实际施工时，所述纵向连接件3为槽钢或工字钢。
本实施例中，所述纵向连接件3为工字钢，并且纵向连接件3的腹板呈竖直向布设且其沿隧道纵向延伸方向布设。
为加工简便，所述上部钢拱架4、侧部支架5和隧道仰拱支架2均由一根工字钢弯曲而成。并且，所述上部钢拱架4、侧部支架5和隧道仰拱支架2的腹板均呈竖直向布设。
对前后相邻两榀所述型钢拱架进行连接时，将各纵向连接件3分别连接于前后相邻两榀所述型钢拱架的腹板之间，实际连接简便且牢靠。本实施例小，所述纵向连接件3与所述型钢拱架之间以焊接方式进行固定连接。
多榀所述型钢拱架紧固连接形成一个结构稳固、可靠的纵向支撑结构，避免了在破碎围岩中由于纵向支撑结构不稳固引起的拱架下沉，能有效保证所述型钢拱架支撑的纵向稳定性，进一步增强了初期支护的整体稳固性。
为确保支撑稳固，前后相邻两榀所述型钢拱架之间的间距为l，其中l的取值范围为0.6m～1.2m。本实施例中，l＝0.8m。实际施工时，可根据具体需要，对l的取值大小进行相应调整。
本实施例中，每个所述拱架连接结构中的多道所述纵向连接件3呈均匀布设。
每个所述拱架连接结构中相邻两道所述纵向连接件3之间的环向间距为0.8m～1.2m。本实施例中，每个所述拱架连接结构中相邻两道所述纵向连接件3之间的环向间距为1m。实际施工时，可根据具体需要，对每个所述拱架连接结构中相邻两道所述纵向连接件3之间的环向间距进行相应调整。
为确保支撑强度，所述水平连接板7为钢板且其焊接固定在上部钢拱架4的中部底面上。本实施例中，所述水平连接板7焊接固定在上部钢拱架4的中部底面上。待竖向临时支撑柱6拆除后，所述水平连接板7无需拆除，省工省时，并且水平连接板7能有效增强上部钢拱架4中部的支撑强度。同时，采用水平连接板7使竖向临时支撑柱6连接稳固且支撑牢靠。
为连接简便，所述竖向临时支撑柱6与水平连接板7之间通过连接螺栓进行连接或以焊接方式进行固定连接。本实施例中，所述竖向临时支撑柱6与水平连接板7之间以焊接方式进行固定连接。对竖向临时支撑柱6进行拆除时，只需采用切割设备对竖向临时支撑柱6与水平连接板7之间的连接焊缝进行切割即可。
同时，所述竖向临时支撑柱6底部设置有水平垫板8。并且，所述竖向临时支撑柱6为型钢。本实施例中，所述水平垫板8为平直钢板，能确保竖向临时支撑柱6平稳支撑，并能避免破碎围岩中由于基底软弱引起的竖向临时支撑柱6支撑不稳固、造成拱架下沉等问题，保证了支护初期隧道初期支护结构的稳定性。
本实施例中，所述竖向临时支撑柱6为方形钢管。所述竖向临时支撑柱6与水平垫板8之间以焊接方式进行固定连接。
实际施工时，所述下部洞体1-3为对所施工隧道1进行下台阶开挖后形成的洞体，所述上部洞体为对所施工隧道1进行上台阶开挖后形成的洞体。对所施工隧道1进行施工时，由后向前对所施工隧道1中的多个所述隧道节段18分别进行施工，多个所述隧道节段18的施工方法均相同；
对任一个所述隧道节段18进行施工，先对当前所施工隧道节段18进行上台阶开挖时，且采用预留核心土开挖法(具体是中部预留核心土的方式)进行开挖，先由后向前对上部周侧洞体1-2进行开挖，再由后向前对预留核心土区域洞体1-1进行开挖，所述预留核心土区域洞体1-1的开挖面位于上部周侧洞体1-2后方，并且待上部周侧洞体1-2开挖完成后，便能直接对上部钢拱架4进行支撑并将所支撑的上部钢拱架4与位于其后侧的上部钢拱架4之间通过多道纵向连接件3进行稳固连接，从而确保上部周侧洞体1-2的支护强度和支护效果；并且，待上部周侧洞体1-2开挖完成后，便能对所述锚固组进行施工，并相应完成所述上部洞体的初期支护过程，而预留核心土区域洞体1-1的开挖进度不会对所述上部洞体的初期支护进度造成任何影响，使所上部洞体的初期支护不受预留核心土区域洞体1-1和下部洞体1-3内开挖施工的影响，并且所述上部洞体的初期支护过程是在预留核心土区域洞体1-1和下部洞体1-3开挖之前进行，此时所述隧道洞仅上部周侧洞体1-2完成开挖，因而所述上部洞体内初期支护结构的支撑稳固性能进一步得到保证，并且所述上部洞体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。
另外，为进一步确保支撑强度，对预留核心土区域洞体1-1进行开挖之前，还需在上部钢拱架4的中部正下方设置竖向临时支撑柱6，进一步提高所述上部洞体的结构稳固性；同时，为后续开挖提供更多的安全保障。由后向前对预留核心土区域洞体1-1进行开挖过程中，再由后向前对临时支撑柱6进行拆除。
由上述内容可知，由后向前对上部周侧洞体1-2进行开挖过程中，同步由后向前在上部周侧洞体1-2内安装上部钢拱架4，并且同步由后向前对上部周侧洞体1-2进行锚网喷支护，完成所述上部洞体的开挖及初期支护施工过程。
并且，由后向前对所述上部洞体进行开挖过程中，同步由后向前对下部洞体1-3进行开挖；由后向前对下部洞体1-3进行开挖过程中，由后向前对开挖成型的下部洞体1-3左右两侧分别进行网喷支护，网喷支护过程中同步由后向前在开挖成型的下部洞体1-3左右两侧分别安装侧部支架5，并使每个所述侧部支架5均与位于其上方的上部钢拱架4紧固连接为一体；同时，由后向前在下部洞体1-3底部安装隧道仰拱支架2并使所安装隧道仰拱支架2与下部洞体1-3左右两侧所安装的侧部支架5紧固连接为一体；所述隧道仰拱支架2安装过程中，同步由后向前在隧道洞1底部喷射一层混凝土形成仰拱混凝土喷射层13，并使隧道仰拱支架2固定于仰拱混凝土喷射层13内，完成下部洞体1-3的开挖及初期支护施工过程。
由后向前对下部洞体1-3进行开挖过程中，由后向前在施工成型的所述隧道初期支护结构内壁上施工防水层15，并且在防水层15内侧施工隧道二次衬砌14。
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。
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