穿越断层破碎带隧道初期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隧道初期支护体系。

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。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隧道进行开挖时，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。

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隧道初期支护体系，其结构设计合理、施工简便且使用效果好，多榀全断面支撑结构通过全断面支撑连接结构连接为一体形成结构稳固的整体性支护体系，并且全断面支撑结构中拱墙钢拱架通过两道侧部下垫梁分为位于隧道上部洞体内的上部钢拱架和位于隧道下部洞体内的侧部支架，使隧道上部洞体的初期支护不受隧道下部洞体内初期支护施工的影响，并且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。

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隧道初期支护体系，其特征在于：包括对所施工隧道的隧道洞进行全断面支护的全断面支护体系，所述全断面支护体系沿隧道纵向延伸方向进行布设；所述隧道洞包括隧道上部洞体和位于隧道上部洞体下方的隧道下部洞体；

所述全断面支护体系包括多榀沿隧道纵向延伸方向由后向前布设且对隧道洞进行全断面支护的全断面支撑结构和将多个所述全断面支撑结构紧固连接为一体的全断面支撑连接结构，多榀所述全断面支撑结构的结构均相同且其形状与所述隧道洞的横断面形状相同；每榀所述全断面支撑结构均包括一榀对隧道洞的拱墙进行支护的拱墙钢拱架和一个布设于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隧道上部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所述隧道下部洞体内；

所述隧道上部洞体的左右两侧底部分别设置有一道侧部下垫梁，两道所述侧部下垫梁呈对称布设且二者均沿隧道纵向延伸方向布设；每榀所述全断面支撑结构中所述上部钢拱架的左右两侧底部分别支撑于两道所述侧部下垫梁上，两个所述侧部支架分别固定于两道所述侧部下垫梁底部；每榀所述全断面支撑结构中所述上部钢拱架与两个所述侧部支架之间均通过一道侧部下垫梁进行紧固连接；

所述全断面支撑连接结构包括多道第一纵向连接件，多道所述第一纵向连接件均沿隧道纵向延伸方向布设且其均布设于隧道上部洞体内，多道所述第一纵向连接件沿隧道上部洞体的开挖轮廓线由左至右进行布设；每榀所述全断面支撑结构的上部钢拱架均与多道所述第一纵向连接件紧固连接。

上述穿越断层破碎带隧道初期支护体系，其特征是：每榀所述拱墙钢拱架的左右两侧底部均设置有一个下锁脚锚固件，两个所述下锁脚锚固件均位于所述隧道洞外侧岩体内且二者对称布设于所述隧道下部洞体(8)底部左右两侧；

每榀所述上部钢拱架的左右两侧底部均设置有一个上锁脚锚固件，两个所述上锁脚锚固件均位于所述隧道洞外侧岩体内且二者对称布设于隧道上部洞体底部左右两侧；

每榀所述拱墙钢拱架均与其外侧所设置的两个所述下锁脚锚固件和两个所述上锁脚锚固件布设于同一隧道横断面上。

上述穿越断层破碎带隧道初期支护体系，其特征是：还包括对隧道洞的拱墙进行初期支护的隧道锚网喷支护结构。

上述穿越断层破碎带隧道初期支护体系，其特征是：所述隧道锚网喷支护结构包括对隧道上部洞体进行初期支护的拱墙锚网喷支护结构和两个分别对所述隧道下部洞体的左右两侧边墙进行初期支护的边墙锚网喷支护结构，两个所述边墙锚网喷支护结构对称布设于所述拱墙锚网喷支护结构的左右两侧下方，两个所述边墙锚网喷支护结构均与所述拱墙锚网喷支护结构连接为一体；

所述上部钢拱架和第一纵向连接件连接组成对隧道上部洞体的拱墙进行支护的上部洞体拱墙刚性支护结构，所述拱墙锚网喷支护结构与所述上部洞体拱墙刚性支护结构组成隧道上部洞体的隧道初期支护结构。

上述穿越断层破碎带隧道初期支护体系，其特征是：所述侧部下垫梁为一根沿隧道纵向延伸方向布设的工字钢。

上述穿越断层破碎带隧道初期支护体系，其特征是：所述侧部下垫梁由多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的下垫梁节段拼接而成，前后相邻两个所述下垫梁节段之间均通过纵向连接螺栓进行连接；所述下垫梁节段的长度与相邻两榀所述全断面支撑结构之间的间距相同，前后相邻两个所述下垫梁节段之间的连接位置位于相邻两榀所述全断面支撑结构之间。

上述穿越断层破碎带隧道初期支护体系，其特征是：每个所述下垫梁节段的前后两端均设置有连接垫板，所述连接垫板上开有多个供纵向连接螺栓安装的螺栓安装孔，所述连接垫板与下垫梁节段呈垂直布设，所述纵向下垫梁中前后相邻两个所述下垫梁节段之间的两个所述连接垫板呈平行布设且二者通过纵向连接螺栓紧固连接为一体；

对侧部下垫梁中前后相邻两个所述下垫梁节段进行连接的纵向连接螺栓均位于侧部下垫梁的内侧。

上述穿越断层破碎带隧道初期支护体系，其特征是：所述拱墙钢拱架和隧道仰拱支架均为型钢支架。

上述穿越断层破碎带隧道初期支护体系，其特征是：所述拱墙钢拱架和隧道仰拱支架均由一根型钢弯曲而成。

上述穿越断层破碎带隧道初期支护体系，其特征是：多榀所述全断面支撑结构呈均匀布设，相邻两榀所述全断面支撑结构之间的间距为0.6m～1.2m。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、设计合理且施工简便，投入施工成本较低。

2、所采用的全断面支护体系设计合理且使用效果好，多榀全断面支撑结构通过全断面支撑连接结构紧固连接为一体，全断面支撑结构中拱墙钢拱架通过两道侧部下垫梁分为位于隧道上部洞体内的上部钢拱架和位于隧道下部洞体内的侧部支架，使隧道上部洞体的初期支护不受隧道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隧道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，并且隧道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。

3、上部钢拱架底部均支撑于纵向下垫梁上，隧道上部洞体开挖过程中同步布设纵向下垫梁，避免了在破碎围岩中由于基底软弱引起的拱架下沉，保证了初期支护的稳定性；同时，在隧道上下断面拱脚均打设锁脚锚管并注浆，能进一步减少由于基底软弱引起的拱架下沉。并且，纵向下垫梁本身也能增强隧道上部洞体基坑的抗变形能力。

4、全断面支护体系通过纵向连接结构连接形成结构稳固的整体性支护体系，能有效保证钢架支撑纵向的稳定性，进一步增强了初期支护的整体稳固性。

5、施工简便且使用效果好，采用纵向下垫梁与全断面支护体系相结合进行初期支护，有效避免了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，尤其适用于小断面隧道穿越断层破裂带的初期支护施工过程。

综上所述，本实用新型结构设计合理、施工简便且使用效果好，多榀全断面支撑结构通过全断面支撑连接结构连接为一体形成结构稳固的整体性支护体系，并且全断面支撑结构中拱墙钢拱架通过两道侧部下垫梁分为位于隧道上部洞体内的上部钢拱架和位于隧道下部洞体内的侧部支架，使隧道上部洞体的初期支护不受隧道下部洞体内初期支护施工的影响，并且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。

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为本实用新型的支护状态示意图。

图2为本实用新型侧部下垫梁的纵向连接示意图。

附图标记说明:

1—隧道上部洞体； 2—隧道仰拱支架；

4—上部钢拱架； 5—侧部支架； 6—侧部下垫梁；

7—第一纵向连接件； 8—隧道下部洞体； 9—超前小导管；

11—下垫梁节段； 12—纵向连接螺栓； 13—连接垫板；

14—上锁脚锚固件； 15—下锁脚锚固件；

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括对所施工隧道的隧道洞进行全断面支护的全断面支护体系，所述全断面支护体系沿隧道纵向延伸方向进行布设；所述隧道洞包括隧道上部洞体1和位于隧道上部洞体1下方的隧道下部洞体8；

所述全断面支护体系包括多榀沿隧道纵向延伸方向由后向前布设且对隧道洞进行全断面支护的全断面支撑结构和将多个所述全断面支撑结构紧固连接为一体的全断面支撑连接结构，多榀所述全断面支撑结构的结构均相同且其形状与所述隧道洞的横断面形状相同；每榀所述全断面支撑结构均包括一榀对隧道洞的拱墙进行支护的拱墙钢拱架和一个布设于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；所述拱墙钢拱架包括一榀位于隧道上部洞体1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均位于所述隧道下部洞体8内；

所述隧道上部洞体1的左右两侧底部分别设置有一道侧部下垫梁6，两道所述侧部下垫梁6呈对称布设且二者均沿隧道纵向延伸方向布设；每榀所述全断面支撑结构中所述上部钢拱架4的左右两侧底部分别支撑于两道所述侧部下垫梁6上，两个所述侧部支架5分别固定于两道所述侧部下垫梁6底部；每榀所述全断面支撑结构中所述上部钢拱架4与两个所述侧部支架5之间均通过一道侧部下垫梁6进行紧固连接；

所述全断面支撑连接结构包括多道第一纵向连接件7，多道所述第一纵向连接件7均沿隧道纵向延伸方向布设且其均布设于隧道上部洞体1内，多道所述第一纵向连接件7沿隧道上部洞体1的开挖轮廓线由左至右进行布设；每榀所述全断面支撑结构的上部钢拱架4均与多道所述第一纵向连接件7紧固连接。

本实施例中，所施工隧道为小断面隧道，所述小断面隧道是指隧道横断面积＜50m²的隧道。

本实施例中，每榀所述拱墙钢拱架的左右两侧底部均设置有一个下锁脚锚固件15，两个所述下锁脚锚固件15均位于所述隧道洞外侧岩体内且二者对称布设于所述隧道下部洞体8底部左右两侧；

每榀所述上部钢拱架4的左右两侧底部均设置有一个上锁脚锚固件14，两个所述上锁脚锚固件14均位于所述隧道洞外侧岩体内且二者对称布设于隧道上部洞体1底部左右两侧。

所述隧道上部洞体1开挖过程中，为避免在破碎围岩中由于隧道上部洞体1内的基底软弱引起的拱架(即上部钢拱架4)下沉，并保证隧道上部洞体1内隧道初期支护结构的稳定性，每榀所述上部钢拱架4的左右两侧底部均设置有一个上锁脚锚固件14；相应地，对隧道下部洞体8进行开挖过程中，为避免在破碎围岩中由于基底软弱引起的拱架(即拱墙钢拱架)下沉，每榀所述拱墙钢拱架的左右两侧底部均设置有一个下锁脚锚固件15，两个所述下锁脚锚固件15均位于所述隧道洞外侧岩体内且二者对称布设于所述隧道下部洞体底部左右两侧。

本实施例中，每榀所述拱墙钢拱架均与其外侧所设置的两个所述下锁脚锚固件15和两个所述上锁脚锚固件14布设于同一隧道横断面上，因而锚固更为直接、有力。

另外，由于上部钢拱架4的左右两端均支撑于侧部下垫梁6上，这样能进一步增强拱架的抗下沉能力，能有效避免在破碎围岩中由于基底软弱引起的上部钢拱架4下沉，能有效增强隧道上部洞体1内隧道初期支护结构的稳定性。

本实施例中，所述上锁脚锚固件14和下锁脚锚固件15均为锁脚锚管，上锁脚锚固件14打设在隧道上部洞体1的拱脚上，下锁脚锚固件15打设在所述隧道洞的拱脚上。

所述隧道上部洞体1内上部钢拱架4的左右两端均支撑于侧部下垫梁6上，同时在隧道上下短的拱脚上均采用打设锁脚锚管进行注浆加固的措施，因而能有效保证隧道初期支护的稳固性。本实施例中，所述锁脚锚管的直径为φ50mm且其长度5m。实际施工时，可根据具体需要，对所述锁脚锚管的尺寸进行相应调整。

为确保所述全断面支护体系纵向连接的稳固性，所述全断面支撑连接结构中位于所述隧道洞左右两侧的第一纵向连接件7的数量均不少于三道。所述第一纵向连接件7的环向间距为0.5m。

所述隧道上部洞体1的开挖宽度由上至下逐渐增大，所述隧道下洞体的开挖宽度由上至下逐渐缩小。因而，所述隧道上部洞体1底部为所述隧道洞的最大开挖宽度位置。

为增强支护稳固性，所述拱墙钢拱架和隧道仰拱支架2均为型钢支架均为型钢支架。并且，所述拱墙钢拱架和隧道仰拱支架2均由一根工字钢弯曲而成。

本实施例中，多榀所述全断面支撑结构呈均匀布设。

实际施工时，相邻两榀所述全断面支撑结构之间的间距为0.6m～1.2m。

本实施例中，相邻两榀所述全断面支撑结构之间的间距与所施工大断面隧道的开挖循坏进尺相同。相邻两榀所述全断面支撑结构之间的间距为0.6m或1.2m。

本实施例中，所述拱墙钢拱架和隧道仰拱支架2均由Ⅰ25型钢弯曲而成，因而能有效提高支撑强度。并且，所述上部钢拱架4底部支撑于侧部下垫梁6上。

为提高支撑强度，所述侧部下垫梁6为一根沿隧道纵向延伸方向布设的工字钢。

本实施例中，所述侧部下垫梁6为一根Ⅰ20型钢。

实际施工时，可根据具体需要，对所述拱墙钢拱架、隧道仰拱支架2和侧部下垫梁6所采用的型钢类型和尺寸分别进行相应调整。

如图2所示，所述侧部下垫梁6由多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的下垫梁节段11拼接而成，前后相邻两个所述下垫梁节段11之间均通过纵向连接螺栓12进行连接；所述下垫梁节段11的长度与相邻两榀所述全断面支撑结构之间的间距相同，前后相邻两个所述下垫梁节段11之间的连接位置位于相邻两榀所述全断面支撑结构之间。

本实施例中，前后相邻两个所述下垫梁节段11之间的连接位置位于相邻两榀所述全断面支撑结构之间中部。

如图2所示，每个所述下垫梁节段11的前后两端均设置有连接垫板13，所述连接垫板13上开有多个供纵向连接螺栓12安装的螺栓安装孔，所述连接垫板13与下垫梁节段11呈垂直布设，所述纵向下垫梁中前后相邻两个所述下垫梁节段11之间的两个所述连接垫板13呈平行布设且二者通过纵向连接螺栓12紧固连接为一体，实际安装及拆除均非常简便。

本实施例中，所述连接垫板13为钢垫板。并且，所述钢垫板的厚度为16mm。

为便于后期工序拆除，对侧部下垫梁6中前后相邻两个所述下垫梁节段11进行连接的纵向连接螺栓12均位于侧部下垫梁6的内侧。因而，对侧部下垫梁6进行固定时，仅在连接垫板13内侧上下各设置纵向连接螺栓12。

为确保后期拆除简便，所述纵向连接螺栓12外侧通过土工布或编织布进行包裹。

同时，为确保连接可靠性，所述上部钢拱架4与第一纵向连接件7之间采用焊接方式进行紧固连接，焊缝饱满，保证连接牢固。

本实施例中，本实用新型还包括对隧道洞的拱墙进行初期支护的隧道锚网喷支护结构。

所述隧道锚网喷支护结构包括对隧道上部洞体1进行初期支护的拱墙锚网喷支护结构和两个分别对所述隧道下部洞体8的左右两侧边墙进行初期支护的边墙锚网喷支护结构，两个所述边墙锚网喷支护结构对称布设于所述拱墙锚网喷支护结构的左右两侧下方，两个所述边墙锚网喷支护结构均与所述拱墙锚网喷支护结构连接为一体；

所述上部钢拱架4和第一纵向连接件7连接组成对隧道上部洞体1的拱墙进行支护的上部洞体拱墙刚性支护结构，所述拱墙锚网喷支护结构与所述上部洞体拱墙刚性支护结构组成隧道上部洞体1的隧道初期支护结构。

两个所述边墙锚网喷支护结构、所述隧道仰拱支架2与位于隧道下部洞体8左右两侧的侧部支架5组成隧道下部洞体8的隧道初期支护结构。

对所施工隧道进行施工时，采用台阶法进行开挖。实际施工时，先沿隧道纵向延伸方向由后向前对隧道上部洞体1进行开挖，所述隧道上部洞体1开挖过程中，由后向前在开挖成型的隧道上部洞体1左右两侧底部分别安装侧部下垫梁6，由后向前对隧道上部洞体1的隧道初期支护结构进行施工。所述隧道上部洞体1开挖过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前在开挖成型的隧道上部洞体1下方对隧道下部洞体8进行开挖，所述隧道下部洞体8开挖过程中，由后向前对隧道下部洞体8的隧道初期支护结构进行施工。

对隧道下部洞体8的隧道初期支护结构进行施工时，由后向前在开挖成型的隧道下部洞体8左右两侧分别安装侧部支架5，并使所安装侧部支架5顶部固定在侧部下垫梁6底部；同时，由后向前在开挖成型的隧道下部洞体8底部安装隧道仰拱支架2，并使隧道仰拱支架2的左右两道分别与侧部支架5底部紧固连接。

实际施工时，所述隧道上部洞体1的隧道初期支护结构的稳定性至关重要。为确保施工安全，待所述隧道上部洞体1的隧道初期支护结构施工完成后，还需对隧道上部洞体1的隧道初期支护结构进行变形监测，待隧道上部洞体1内的隧道初期支护结构变形稳定后，再对隧道下部洞体8进行开挖。

本实施例中，本实用新型还包括对隧道上部洞体1拱部进行加固的超前小导管注浆加固结构。

对隧道上部洞体1进行开挖之前，先对隧道上部洞体1进行超前小导管注浆加固；

所述超前小导管注浆加固结构沿所述隧道洞的纵向延伸方向由后向前分为多个加固节段，前后相邻两个所述加固节段之间相互搭接，每个所述加固节段的长度均为3m；每个所述加固节段均包括多根由左至右布设在所述隧道上部洞体1拱部上方的超前小导管9，所述超前小导管9的长度为3m～5m且其直径为Φ40mm～Φ45mm。

本实施例中，多根所述超前小导管9呈均匀布设相邻两根所述超前小导管9的环向间距为0.5m，超前小导管9的外插角为10°～15°，所述超前小导管9的后端与上部钢拱架4焊接。

所述超前小导管9为热轧无缝钢管，外径为Φ42mm，壁厚4mm，长度为4m，管身设孔径Φ8mm且间距为15cm的梅花型钻孔，超前小导管9的尾部(即前端)50cm长度范围内不开设钻孔，超前小导管9的尾部制作成尖椎状。采用超前小导管9进行注浆加固时，注入水灰比为1：1的单液水泥浆。

实际进行超前小导管施工时，需预先在上部钢拱架4上环向开设多个供超前小导管9穿过的通孔，将上部钢拱架4作为导向架。

所述拱墙钢拱架和第一纵向连接件7连接组成隧道拱墙刚性支护结构。

本实施例中，所述隧道锚网喷支护结构包括喷射在所述隧道洞的内壁上的初喷混凝土喷射层、一层挂装在所述隧道洞内壁上的钢筋网和喷射在所述初喷混凝土喷射层上的后喷混凝土喷射层，所述钢筋网位于所述全断面支护体系外侧，所述隧道拱墙刚性支护结构和所述钢筋网均固定于所述初喷混凝土喷射层与所述后喷混凝土喷射层之间。

对隧道上部洞体1进行开挖时，由后向前对开挖成型的隧道上部洞体1进行初期支护；

对隧道上部洞体1进行初期支护时，先在开挖成型的隧道上部洞体1内壁上喷射混凝土形成初喷混凝土喷射层，并在所述初喷混凝土喷射层内侧挂装钢筋网，同时在隧道上部洞体1底部喷射一层混凝土并形成混凝土封闭层；之后，对侧部下垫梁6和所述上部洞体拱墙刚性支护结构分别进行施工，并在隧道上部洞体1的所述初喷混凝土喷射层上喷射混凝土形成后喷混凝土喷射层，完成隧道上部洞体1的初期支护过程。

对隧道下部洞体8进行开挖时，由后向前对开挖成型的隧道下部洞体8分别进行初期支护；

对隧道下部洞体8进行初期支护时，先在开挖成型的隧道下部洞体8左右侧内壁上分别喷射混凝土形成初喷混凝土喷射层，并在所述初喷混凝土喷射层内侧挂装钢筋网；之后，在左右两道所述侧部下垫梁6底部分别安装侧部支架5且在两个侧部支架5底部之间安装隧道仰拱支架2，并在所述初喷混凝土喷射层上喷射混凝土形成后喷混凝土喷射层，完成隧道下部洞体8的初期支护过程。

本实施例中，所述隧道锚网喷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支护结构，每个所述锚杆支护结构均包括多个沿隧道开挖轮廓线布设在隧道上部洞体1拱墙上的初期支护锚杆，多个所述初期支护锚杆均布设在同一个隧道横断面上；前后相邻两个所述初期支护锚杆支护结构中的所述初期支护锚杆呈交错布设。

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。