CN108868834B - 隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，包括布设于需换拱段内的临时仰拱和多个由前至后布设的门架式支撑结构，临时仰拱位于隧道上部洞体内侧底部；需换拱段内除起始更换拱架之外的需更换拱架均为需支撑钢拱架，每榀需支撑钢拱架均通过一个门架式支撑结构支撑，临时仰拱包括多个临时仰拱支架和纵向连接结构，每个门架式支撑结构均包括一个门式支撑架和与门式支撑架布设于同一隧道横断面上的支撑组件。本发明结构设计合理、施工简便且使用效果好，以临时仰拱为基础并采用门架式支撑结构，结构整体性强，基础稳固，能有效解决隧道换拱钢架倾斜、垮塌等问题，换拱施工过程安全可靠，并且不影响隧道施工进度。

Description

隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，尤其是涉及一种隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置。

背景技术

随着高速铁路的迅猛发展，公路运能要求不断加大，双线大断面客专隧道，三车道、四车道公路大断面隧道屡见不鲜。

目前隧道工程一般仍为钻爆法施工，采用新奥法原理：即利用围岩自身的承载力，软弱围岩开挖后施作钢架（也称为钢拱架或拱架）支撑，锚、网、喷柔性初期支护限制围岩变形，即隧道初期支护结构；待围岩变形收敛后，再行施作二次衬砌。隧道支护结构和后期支护结构（即隧道二次衬砌）组成隧道复合式衬砌结构。相较于小断面隧道而言，大断面隧道施工更容易引起初期支护侵限，地质条件差、施工作业不规范、施工工艺或施工组织不合理等因素导致初期支护拱顶下沉、边墙收敛，拱架变形侵入二次衬砌范围。为保障隧道二衬结构厚度就必须将隧道初期支护侵限段的需更换拱架拆除更换，也称为隧道拱墙初期支护侵限换拱施工。隧道初期支护侵限段（也称为隧道拱墙初期支护侵限段）是指隧道初期支护结构发生变形并侵入隧道二次衬砌所处施工断面的隧道段（也称为隧道节段），简称侵限段。

传统的需更换拱架拆除更换做法是停止开挖作业，封闭掌子面，对侵限段拱架基础采用钢板做垫板架立竖撑或斜撑用以支撑需更换拱架，注浆后拆除拱架，扩挖并安装新拱架，最后喷锚支护。此种传统换拱方法在影响隧道开挖施工进度的同时，仍然存在安全隐患，存在一定缺陷：如单点竖撑或斜撑的纵、横向没有连接，基础不稳固，拆除混凝土多使用冲击破碎锤，很容易因竖向或斜向支点受力不均导致拱架倾斜垮塌；严重时将造成“关门”事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其结构设计合理、施工简便且使用效果好，以临时仰拱为基础并采用门架式支撑结构，结构整体性强，基础稳固，能有效解决隧道换拱钢架倾斜、垮塌等问题，换拱施工过程安全可靠，并且不影响隧道施工进度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：包括布设于需换拱段内的临时仰拱和多个由前至后布设于所述临时仰拱上且对需更换拱架进行支撑的门架式支撑结构，所述需换拱段为隧道上部洞体内的隧道初期支护结构已施工完成且隧道下部洞体未开挖的隧道段；所述临时仰拱沿隧道纵向延伸方向布设，所述临时仰拱位于隧道上部洞体内侧底部；所述需更换拱架为所述隧道初期支护结构中对隧道上部洞体的拱墙进行支护的钢拱架，所述需换拱段内所述隧道初期支护结构中的所有钢拱架均为需更换拱架；所述需换拱段的一端为起始换拱端，所述需换拱段内最靠近所述起始换拱端的一榀所述需更换拱架为起始更换拱架，所述需换拱段内除所述起始更换拱架之外的所有需更换拱架均为需支撑钢拱架；每榀所述需支撑钢拱架均通过一个所述门架式支撑结构进行支撑，每榀所述需支撑钢拱架均与对其进行支撑的所述门架式支撑结构布设于同一隧道横断面上；所述需换拱段为所施工隧道中需进行换拱的隧道段且其由侵限段和两个分别位于侵限段前后两侧的延伸段连接而成，所述侵限段为隧道上部洞体内的隧道初期支护结构发生变形侵限的隧道段，两个所述延伸段均为所施工隧道中与所述侵限段相邻且相互连通的隧道段，两个所述延伸段内所述需更换拱架的数量均不少于3榀；

所述临时仰拱包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的临时仰拱支架和将多个所述临时仰拱支架紧固连接为一体的纵向连接结构，所述纵向连接结构包括多道沿临时仰拱支架的长度方向由左至右布设的纵向连接件，所述纵向连接件沿隧道纵向延伸方向布设，每道所述纵向连接件均与多个所述临时仰拱支架紧固连接；所述临时仰拱支架为布设于隧道上部洞体内侧底部的拱形支架，每榀所述需更换拱架的正下方均设置有一个所述临时仰拱支架，每榀所述需更换拱架均与位于其正下方的临时仰拱支架布设于同一隧道横断面上且二者组成一个封闭式支撑架，每个所述临时仰拱支架的左右两端分别与位于其正上方的需更换拱架的左右两侧下部紧固连接；每个所述封闭式支撑架内均设置有一个所述门架式支撑结构，每个所述封闭式支撑架中的需更换拱架与临时仰拱支架均通过所述门架式支撑结构紧固连接为一体；

每个所述门架式支撑结构均包括一个固定于临时仰拱支架上且对需更换拱架进行支撑的门式支撑架和与门式支撑架布设于同一隧道横断面上的支撑组件，所述支撑组件布设于门式支撑架上；所述门式支撑架位于同一个所述封闭式支撑架中的临时仰拱支架与需更换拱架之间，所述门式支撑架与需更换拱架之间通过所述支撑组件紧固连接为一体，所述支撑组件包括支撑于门式支撑架左侧与需更换拱架左侧下部之间的左侧支撑件、支撑于门式支撑架右侧与需更换拱架右侧下部之间的右侧支撑件和多根由左至右支撑于门式支撑架顶部与需更换拱架之间的顶部支撑件，所述左侧支撑件、右侧支撑件和顶部支撑件均布设于同一平面上。

上述隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征是：两个所述延伸段内所述需更换拱架的数量均为3榀。

上述隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征是：所述临时仰拱支架支撑于所述需换拱段内的隧道下部未开挖岩体上，所述临时仰拱还包括在隧道下部未开挖岩体上浇筑成型的仰拱混凝土浇筑结构，所述仰拱混凝土浇筑结构位于所述门架式支撑结构下方；所述临时仰拱支架和所述纵向连接结构均浇筑于仰拱混凝土浇筑结构内。

上述隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征是：所施工隧道为大断面隧道；所述临时仰拱支架为左右两侧逐渐向上弯曲的拱形支架。

上述隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征是：所述临时仰拱支架为型钢支架，所述临时仰拱支架的两端与需更换拱架之间均塞填有钢垫板，所述钢垫板与临时仰拱支架和需更换拱架均焊接固定为一体。

上述隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征是：所述临时仰拱支架由一根工字钢弯曲而成。

上述隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征是：所述门式支撑架为由多根型钢杆件拼装成型的支撑架，所述左侧支撑件、右侧支撑件和顶部支撑件均为型钢杆件，所述左侧支撑件、右侧支撑件和顶部支撑件与门式支撑架和需更换拱架之间均以焊接方式进行固定连接。

上述隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征是：所述纵向连接件为纵向连接型钢；所述纵向连接结构还包括多组纵向连接钢筋，相邻两道所述纵向连接型钢之间均布设有一组所述纵向连接钢筋，每组所述纵向连接钢筋均包括多道由左至右布设的纵向连接钢筋，所述纵向连接钢筋沿隧道纵向延伸方向布设，每道所述纵向连接钢筋均与多个所述临时仰拱支架紧固连接。

上述隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征是：每榀所述需更换拱架的左右两侧下部均布设有一个支撑牛腿，每榀所述需更换拱架上的两个所述支撑牛腿均对称布设于临时仰拱支架上方且二者均位于需更换拱架内侧，临时仰拱支架的左右两端与需更换拱架的左右两侧下部之间均通过一个所述支撑牛腿进行紧固连接；所述需更换拱架为格栅钢架，每个所述支撑牛腿均包括多道平行连接于临时仰拱支架与需更换拱架之间的螺纹钢筋，所述螺纹钢筋由外至内逐渐向下倾斜，多道所述螺纹钢筋由上至下布设且其均与所连接的需更换拱架布设于同一平面上。

上述隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征是：所述门式支撑架呈竖直向布设，所述需更换拱架、门式支撑架和临时仰拱支架均布设于同一竖直面上；所述门式支撑架包括下横梁、位于下横梁正上方的上横梁、多根由左至右支撑于下横梁与上横梁之间的竖向支杆和两个对称支撑于下横梁左右两侧下方的竖向支架，所述下横梁的长度大于上横梁的长度，所述上横梁和下横梁均位于临时仰拱支架的正上方；两个所述竖向支架之间的净距不小于4.5m，所述下横梁与临时仰拱支架中部之间的净距不小于4.5m。

本发明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、所采用的临时仰拱结构设计合理、施工简便且能提供一个坚实、稳固的支撑基础，临时仰拱包括与需更换拱架对应设置的临时仰拱支架、将所有临时仰拱支架连接为一体的纵向连接结构和支撑于隧道下部未开挖岩体上的仰拱混凝土浇筑结构，临时仰拱支架与侵限拱架组成门式支撑架能使需换拱段内隧道上部洞体的隧道初期支护结构简便、快速封闭成环，纵向连接结构和临时仰拱支架均浇筑于仰拱混凝土浇筑结构内，结构整体性强，支撑牢靠。

4、由门式支撑架和支撑组件组成的门架式支撑结构与需更换拱架对应设置，以临时仰拱为基础并采用门架式支撑结构进行支撑，彻底解决了隧道换拱钢架倾斜垮塌等安全隐患。

5、门架式支撑结构可作为施工平台，便利作业人员进行逐榀换拱。

6、换拱施工过程中洞内交通不受影响，掌子面各工序可正常作业，不影响隧道施工进度。

7、换拱施工简便、使用效果好且实用价值高，换拱前采用临时仰拱与门架式支撑结构连接对隧道进行支撑加固，支撑稳固，能有效保证施工安全；并且，换拱作业过程基本不影响掌子面正常施工，具有施工简便、不影响隧道正常施工进度、安全可靠等显著特点。本发明提出一种全新的大断面隧道换拱施工方法，采用临时仰拱与门架式支撑结构组成的换拱支撑结构，具有安全系数高、操作方便、前方掌子面能够正常开挖施工、不影响工期等显著特点；另外，由于隧道拱墙初期支护侵限通常是隧道上部洞体内初期支护侵限严重，所采用的换拱支撑结构为隧道上部洞体内的支撑结构，隧道换拱施工过程仅在隧道上部洞体内进行，能大幅度节约换拱施工成本，简化换拱施工过程，节约工期，并且隧道换拱施工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，因而换拱支撑结构的支撑稳固性能进一步得到保证，并且换拱施工过程更易于进行，同时隧道拱墙支护更有力，更有力于隧道施工安全，尤其适用于大断面隧道换拱施工。同时，换拱施工过程安全、可靠，钢拱架更换过程中，各门架式支撑结构逐个后移并对后侧相邻的已更换钢拱架进行持续支撑，能有效保证换拱期间所有门架式支撑结构均处于有效支撑状态，最大程度上确保隧道支护效果，有效克服了传统换拱施工方法的缺陷。

综上所述，本发明结构设计合理、施工简便且使用效果好，以临时仰拱为基础并采用门架式支撑结构，结构整体性强，基础稳固，能有效解决隧道换拱钢架倾斜、垮塌等问题，换拱施工过程安全可靠，并且不影响隧道施工进度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明临时仰拱支架与门架式支撑结构的支撑状态示意图。

图2为本发明临时仰拱支架与门架式支撑结构的结构示意图。

图3为本发明临时仰拱的平面结构示意图。

图4为本发明支撑牛腿的支撑状态示意图。

附图标记说明:

具体实施方式

如图1、图2及图3所示，本发明包括布设于需换拱段内的临时仰拱和多个由前至后布设于所述临时仰拱上且对需更换拱架4进行支撑的门架式支撑结构，所述需换拱段为隧道上部洞体1内的隧道初期支护结构已施工完成且隧道下部洞体未开挖的隧道段；所述临时仰拱沿隧道纵向延伸方向布设，所述临时仰拱位于隧道上部洞体1内侧底部；所述需更换拱架4为所述隧道初期支护结构中对隧道上部洞体1的拱墙进行支护的钢拱架，所述需换拱段内所述隧道初期支护结构中的所有钢拱架均为需更换拱架4；所述需换拱段的一端为起始换拱端，所述需换拱段内最靠近所述起始换拱端的一榀所述需更换拱架4为起始更换拱架，所述需换拱段内除所述起始更换拱架之外的所有需更换拱架4均为需支撑钢拱架；每榀所述需支撑钢拱架均通过一个所述门架式支撑结构进行支撑，每榀所述需支撑钢拱架均与对其进行支撑的所述门架式支撑结构布设于同一隧道横断面上；所述需换拱段为所施工隧道中需进行换拱的隧道段且其由侵限段和两个分别位于侵限段前后两侧的延伸段连接而成，所述侵限段为隧道上部洞体1内的隧道初期支护结构发生变形侵限的隧道段，两个所述延伸段均为所施工隧道中与所述侵限段相邻且相互连通的隧道段，两个所述延伸段内所述需更换拱架4的数量均不少于3榀；

所述临时仰拱包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的临时仰拱支架2和将多个所述临时仰拱支架2紧固连接为一体的纵向连接结构，所述纵向连接结构包括多道沿临时仰拱支架2的长度方向由左至右布设的纵向连接件，所述纵向连接件沿隧道纵向延伸方向布设，每道所述纵向连接件均与多个所述临时仰拱支架2紧固连接；所述临时仰拱支架2为布设于隧道上部洞体1内侧底部的拱形支架，每榀所述需更换拱架4的正下方均设置有一个所述临时仰拱支架2，每榀所述需更换拱架4均与位于其正下方的临时仰拱支架2布设于同一隧道横断面上且二者组成一个封闭式支撑架，每个所述临时仰拱支架2的左右两端分别与位于其正上方的需更换拱架4的左右两侧下部紧固连接；每个所述封闭式支撑架内均设置有一个所述门架式支撑结构，每个所述封闭式支撑架中的需更换拱架4与临时仰拱支架2均通过所述门架式支撑结构紧固连接为一体；

每个所述门架式支撑结构均包括一个固定于临时仰拱支架2上且对需更换拱架4进行支撑的门式支撑架3和与门式支撑架3布设于同一隧道横断面上的支撑组件，所述支撑组件布设于门式支撑架3上；所述门式支撑架3位于同一个所述封闭式支撑架中的临时仰拱支架2与需更换拱架4之间，所述门式支撑架3与需更换拱架4之间通过所述支撑组件紧固连接为一体，所述支撑组件包括支撑于门式支撑架3左侧与需更换拱架4左侧下部之间的左侧支撑件5、支撑于门式支撑架3右侧与需更换拱架4右侧下部之间的右侧支撑件6和多根由左至右支撑于门式支撑架3顶部与需更换拱架4之间的顶部支撑件7，所述左侧支撑件5、右侧支撑件6和顶部支撑件7均布设于同一平面上。

所述隧道初期支护结构为隧道拱墙初期支护结构。

本实施例中，两个所述延伸段内所述需更换拱架4的数量均为3榀。

实际施工时，可根据具体需要，对两个所述延伸段内所述需更换拱架4的数量进行相应调整。其中，所述延伸段内需更换拱架4的数量越多，所述延伸段的长度越长。通过在所述侵限段前后两侧分别设置延伸段，能有效确保施工安全，使换拱施工后隧道结构更稳固。

所述临时仰拱支架2支撑于所述需换拱段内的隧道下部未开挖岩体8上，所述临时仰拱还包括在隧道下部未开挖岩体8上浇筑成型的仰拱混凝土浇筑结构10，所述仰拱混凝土浇筑结构10位于所述门架式支撑结构下方。

本实施例中，所述临时仰拱支架2和所述纵向连接结构均浇筑于仰拱混凝土浇筑结构10内。

因而，所述临时仰拱的整体性强，结构稳固，能对临时仰拱支架2提供稳固基础，以对需更换拱架4进行稳固支撑。

所施工隧道的支护结构为复合式衬砌结构，所述复合式衬砌结构包括隧道初支结构和位于所述隧道初支结构内侧的隧道二次衬砌。所施工隧道的围岩为Ⅳ级围岩或Ⅴ级围岩，围岩稳定性较差。并且，所施工隧道为大断面隧道。

所述大断面隧道是指隧道横断面积＞50m²的隧道。本实施例中，所述大断面隧道的开挖宽度不小于10m且其隧道高度不小于8m。其中，开挖宽度是指考虑了二次衬砌、隧道初期支护结构和预留变形量后开挖轮廓的最大开挖宽度，因而开挖宽度为隧道开挖轮廓线的最大宽度。隧道高度为隧道开挖轮廓线的最大高度，即隧道开挖轮廓线中部的高度。

本实施例中，对所施工隧道进行开挖时，采用台阶开挖法进行开挖；所施工隧道的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。所述隧道初支结构包括对隧道上部洞体1的拱墙进行初期支护的所述隧道初期支护结构和两个对所述隧道下部洞体的左右两侧边墙进行支护的边墙初期支护结构，两个所述边墙初期支护结构对称布设于所述隧道初期支护结构的左右两侧下方，两个所述边墙初期支护结构与所述隧道初期支护结构紧固连接为一体。

采用台阶开挖法对所施工隧道进行开挖时，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，开挖过程中同步由后向前对开挖成型的隧道上部洞体1进行初期支护，并获得所述隧道初期支护结构；对隧道上部洞体1进行开挖过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前对所述隧道下部洞体同步进行开挖；所述隧道下部洞体的开挖进度晚于隧道上部洞体1的开挖进度。

采用台阶开挖法进行开挖时，采用上下台阶开挖法或三台阶法进行开挖。采用上下台阶开挖法进行开挖时，所述临时仰拱支架2支撑于下台阶上；采用三台阶法进行开挖时，所述临时仰拱支架2支撑于中台阶上。

所述侵限段为隧道上部洞体1内的隧道初期支护结构发生变形侵限的隧道段，实际施工时，沿隧道纵向延伸方向由后向前隧道上部洞体1进行初期支护过程中，采用隧道变形监测系统对施工成型的所述隧道初期支护结构进行变形监测，并根据监测结果判断隧道初期支护结构是否发生变形侵限，并对隧道初期支护结构发生变形侵限的隧道段进行确定，具体是对隧道初期支护结构发生变形侵限的隧道段的前后端位置分别进行确定。

如图1、图2所示，所述临时仰拱支架2为左右两侧逐渐向上弯曲的拱形支架。因而，所述临时仰拱支架2为反拱形。相比直线形支架，反拱形的临时仰拱支架2通过底部收拢与支撑能有效提高需更换拱架4对外侧围岩的支护力，并能对需更换拱架4进行稳固支撑，同时所形成的封闭式支撑架整体性更强，并且更便于与需更换拱架4下部可靠连接。

为支撑牢靠，所述隧道上部洞体1的底部形状与临时仰拱支架2的形状相同，因而隧道上部洞体1的底部为反拱形，这样所成型隧道上部洞体1的结构更稳固。实际施工时，所述隧道上部洞体1的底部也可以为平面。

本实施例中，所述仰拱混凝土浇筑结构10的横断面形状与临时仰拱支架2的形状相同。所述仰拱混凝土浇筑结构10的横断面为反拱形。

为加工简便及支撑牢靠，所述临时仰拱支架2为型钢支架。本实施例中，为进一步增强临时仰拱支架2与仰拱混凝土浇筑结构10的连接可靠性，并且更便于临时仰拱支架2的简便、平稳安装，所述临时仰拱支架2由一根工字钢弯曲而成。

本实施例中，为确保临时仰拱支架2与需更换拱架4之间的连接可靠性，所述临时仰拱支架2的两端与需更换拱架4之间均塞填有钢垫板9，所述钢垫板9与临时仰拱支架2和需更换拱架4均焊接固定为一体。

本实施例中，所述仰拱混凝土浇筑结构10的上表面与临时仰拱支架2的上表面相平齐，所述门式支撑架3底部与临时仰拱支架2焊接固定。

如图3所示，所述纵向连接件为纵向连接型钢12。为进一步增强纵向连接型钢12与仰拱混凝土浇筑结构10的连接可靠性，进一步提高所述临时仰拱的整体性，并且更便于纵向连接型钢12的简便、平稳安装，所述纵向连接型钢12为槽钢且其槽口朝上。

为后期拆除简便，并且减少用钢量，节约施工成本，所述纵向连接结构还包括多组纵向连接钢筋13，相邻两道所述纵向连接型钢12之间均布设有一组所述纵向连接钢筋13，每组所述纵向连接钢筋13均包括多道由左至右布设的纵向连接钢筋13，所述纵向连接钢筋13沿隧道纵向延伸方向布设，每道所述纵向连接钢筋13均与多个所述临时仰拱支架2紧固连接。

本实施例中，所述临时仰拱支架2为I22型钢支架或I20型钢支架，所述临时仰拱支架2与需更换拱架4对应设置，并且临时仰拱支架2与需更换拱架4紧固连接为一体并形成封闭式支撑架，施工成型的临时仰拱使所述需换拱段的拱墙闭合成环，能有效减少隧道上部洞体1进行进一步收敛和下沉。

相邻两道所述纵向连接型钢12之间的间距为140cm～160cm，每组所述纵向连接钢筋13中相邻两道所述纵向连接钢筋13之间的间距为40cm～60cm。本实施例中，所述纵向连接型钢12为[100mm槽钢且其与临时仰拱支架2焊接为一体，纵向连接钢筋13为φ22mm钢筋，相邻两道所述纵向连接型钢12之间的间距为150cm，每组所述纵向连接钢筋13中相邻两道所述纵向连接钢筋13之间的间距为50cm。实际施工时，可根据具体需要，对纵向连接型钢12所采用槽钢的尺寸、纵向连接钢筋13的直径、相邻两道所述纵向连接型钢12之间的间距以及每组所述纵向连接钢筋13中相邻两道所述纵向连接钢筋13之间的间距分别进行相应调整。

如图1、图2所示，为拼接方便且支撑稳固，所述门式支撑架3为由多根型钢杆件拼装成型的支撑架，所述左侧支撑件5、右侧支撑件6和顶部支撑件7均为型钢杆件，所述左侧支撑件5、右侧支撑件6和顶部支撑件7与门式支撑架3和需更换拱架4之间均以焊接方式进行固定连接。

本实施例中，为进一步增强支撑稳固性，所述型钢杆件为工字钢。

本实施例中，所述左侧支撑件5与右侧支撑件6呈对称布设。因而，所述支撑组件采用辐射状支撑方式，对需更换拱架4进行对称、多点位、全方位支撑，能有效减少需更换拱架4进一步下沉。

如图1、图2所示，所述门式支撑架3呈竖直向布设，所述需更换拱架4、门式支撑架3和临时仰拱支架2均布设于同一竖直面上；所述门式支撑架3包括下横梁3-1、位于下横梁3-1正上方的上横梁3-2、多根由左至右支撑于下横梁3-1与上横梁3-2之间的竖向支杆3-4和两个对称支撑于下横梁3-1左右两侧下方的竖向支架3-3，所述下横梁3-1的长度大于上横梁3-2的长度，所述上横梁3-2和下横梁3-1均位于临时仰拱支架2的正上方；两个所述竖向支架3-3之间的净距不小于4.5m，所述下横梁3-1与临时仰拱支架2中部之间的净距不小于4.5m。这样，使门式支撑架3能有效保障掌子面开挖施工机械通行，并且支撑牢靠、稳定。

本实施例中，所述顶部支撑件7的数量为三根，所述下横梁3-1和上横梁3-2的左右两侧上方均对称设置有一个所述顶部支撑件7，所述顶部支撑件7为竖向支撑杆；所述左侧支撑件5和右侧支撑件6的数量均为一根且二者均为由外至内逐渐向下倾斜的倾斜支撑杆，所述左侧支撑件5和右侧支撑件6均连接于竖向支架3-3与需更换拱架4之间。

实际施工时，可根据具体需要，对顶部支撑件7、左侧支撑件5和右侧支撑件6的数量以及布设位置分别进行相应调整。

如图4所示，为进一步增强临时仰拱支架2与需更换拱架4的连接可靠性，每榀所述需更换拱架4的左右两侧下部均布设有一个支撑牛腿11，每榀所述需更换拱架4上的两个所述支撑牛腿11均对称布设于临时仰拱支架2上方且二者均位于需更换拱架4内侧，临时仰拱支架2的左右两端与需更换拱架4的左右两侧下部之间均通过一个所述支撑牛腿11进行紧固连接。

本实施例中，所述需更换拱架4为格栅钢架，每个所述支撑牛腿11均包括多道平行连接于临时仰拱支架2与需更换拱架4之间的螺纹钢筋，所述螺纹钢筋由外至内逐渐向下倾斜，多道所述螺纹钢筋由上至下布设且其均与所连接的需更换拱架4布设于同一平面上。

为确保支撑牛腿11与所述临时仰拱之间的连接强度，进一步增强结构的整体性，所述隧道上部洞体1的底部左右两侧均设置有拱脚混凝土浇筑结构14，每榀所述需更换拱架4的左右两侧拱脚均固定于一个所述拱脚混凝土浇筑结构14上，两个所述拱脚混凝土浇筑结构14呈对称布设且二者与仰拱混凝土浇筑结构10浇筑为一体；所述拱脚混凝土浇筑结构14沿隧道纵向延伸方向布设，每榀所述需更换拱架4上的两个所述支撑牛腿11分别浇筑于两个所述拱脚混凝土浇筑结构14内，每个所述拱脚混凝土浇筑结构14的上表面均与其内部的支撑牛腿11的上表面相平齐。

这样，每榀所述需更换拱架4均通过支撑牛腿11、拱脚混凝土浇筑结构14和仰拱混凝土浇筑结构10与位于其正下方的临时仰拱支架2紧固连接为一体，所述需换拱段内的所有需更换拱架4均通过两个所述拱脚混凝土浇筑结构14与所述临时仰拱紧固连接为一体。

本实施例中，所述螺纹钢筋与临时仰拱支架2与需更换拱架4之间均以焊接方式紧固连接，因而连接可靠。

实际进行换拱作业前，先对本发明进行施工，具体是先在所施工隧道中需进行换拱的需换拱段内施工临时仰拱，再在施工成型的所述临时仰拱上架立多个对需更换拱架4进行支撑的门架式支撑结构。

实际进行临时仰拱施工时，过程如下：

步骤101、临时仰拱支架施工：在所述需换拱段的每榀所述需更换拱架4的正下方均设置一个所述临时仰拱支架2，并使每个所述临时仰拱支架2均与位于其正上方的需更换拱架4紧固连接为一体；

步骤102、纵向连接结构施工：待所述需换拱段所有需更换拱架4的正下方均设置临时仰拱支架2后，对所述纵向连接结构进行施工，并通过所述纵向连接结构将多个所述临时仰拱支架2紧固连接为一体；

步骤103、仰拱混凝土浇筑：对仰拱混凝土浇筑结构10进行混凝土浇筑。

实际施工时，根据隧道横断面大小及围岩地质条件，所述临时仰拱支架2采用I22型钢或I20型钢钢架；所述临时仰拱支架2与需更换拱架4之间采用钢垫板塞紧焊牢，塞钢垫板前，需将需更换拱架4的表层混凝土凿除；尤其当需更换拱架4为格栅钢架，则采用在需更换拱架4两侧均采用3组φ22mm螺纹钢筋进行加强连接的方式，将临时仰拱支架2与需更换拱架4焊接成牛腿连接形式，牛腿内灌注C20砼，以增加稳固性。因而，所述拱脚混凝土浇筑结构14的混凝土强度等级为C20。

为便于后期对所述临时仰拱进行拆除，所述仰拱混凝土浇筑结构10的混凝土强度等级为C15或C10，并且对仰拱混凝土浇筑结构10进行浇筑时，混凝土需灌满捣固密实。

待仰拱混凝土浇筑结构10所浇筑混凝土终凝后，在所述临时仰拱上逐榀架立门式支撑架3，门式支撑架3的顶部及两侧呈放射状架立I20型钢（即所述支撑组件）用来支撑原初期支护拱架（即需更换拱架4），并将所述支撑组件与需更换拱架4顶紧焊牢。

为进一步确保支撑稳固性，所述需换拱段内所有门式支撑架3通过多道纵向连接构件紧固连接为一体，所述纵向连接构件沿隧道纵向延伸方向布设。本实施例中，所述纵向连接构件由多个从后向前布设的型钢节段拼接而成，每个所述型钢节段均连接于相邻两个所述门式支撑架3之间。所述型钢节段为I20型钢。

由于所述门式支撑架3的净空不小于4.5m ×4.5m，条件允许时，净宽设置为5m，因而能确保掌子面开挖施工机械能顺利通行，所述临时仰拱与所述门架式支撑结构不影响掌子面正常施工。

实际施工时，可以在门式支撑架3上搭设网片，所述门式支撑架3一方面可作为换拱、喷混凝土作业平台，安全系数高；另一方面，所述门式支撑架3对下部过往车辆、人员通行起到有效的防护作用。

本实施例中，当所述更换钢拱架4为型钢拱架时，所述需更换拱架4的左右两侧下部无需设置支撑牛腿11；当所述更换钢拱架4为格栅拱架时，所述需更换拱架4的左右两侧下部均布设一个支撑牛腿11，并在隧道上部洞体1的底部左右两侧均设置有拱脚混凝土浇筑结构14。

采用所述临时仰拱与所述门架式支撑结构，能使所述需换拱段内环向快速闭合，有利于控制进一步沉降、收敛。

本实施例中，所述换拱端为所述需换拱段的后端；

实际进行换拱施工时，从所述起始换拱端开始，由后向前对所述需换拱段内的所述隧道初期支护结构进行拆除。

本实施例中，所述隧道上部洞体1内的隧道初期支护结构为采用钢拱架与锚网喷联合支护方法施工成型的钢拱架与锚网喷联合支护结构且二者的结构均相同，所述钢拱架与锚网喷联合支护结构为对隧道上部洞体1的隧道拱墙进行支护的拱墙初支结构。

所述钢拱架与锚网喷联合支护结构包括多榀沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的所述钢拱架、多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的锚杆支护结构、挂装在多个所述钢拱架上的钢筋网片和喷射在隧道洞内壁上的混凝土喷射层，所述钢筋网片和多个所述钢拱架均固定于混凝土喷射层内；所述钢拱架位于所述钢筋网片内侧；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拱墙上的锚杆，多个所述锚杆均布设在同一个隧道横断面上；前后相邻两个所述锚杆支护结构中的锚杆呈交错布设。

本实施例中，所述隧道初期支护结构中的多榀所述钢拱架呈均匀布设，相邻两榀所述钢拱架之间的间距为d，因而所述延伸段的长度为3d。

实际施工时，每榀所述钢拱架的左右两侧底部外侧均设置有一个锁脚锚杆15。

实际进行换拱施工时，从所述起始换拱端开始，对所述需换拱段内的所述隧道初期支护结构进行拆除，拆除过程中同步对所述需换拱段进行初期支护施工，获得更换后隧道初期支护结构。

对所述隧道初期支护结构进行拆除时，根据预先设计的所述需换拱段的开挖轮廓线，沿隧道纵向延伸方向由后向前凿除所述混凝土喷射层，并对所述需换拱段进行二次开挖；

对所述混凝土喷射层进行凿除过程中，由后向前对所述混凝土喷射层凿除后外露的所述钢拱架进行逐一更换。

对所述混凝土喷射层进行凿除过程中，由后向前同步对仰拱混凝土浇筑结构10的左右两侧分别进行凿除，所述仰拱混凝土浇筑结构10左右两侧的凿除进度与所述混凝土喷射层的凿除进度相同。

本实施例中，对所述需换拱段内的所述隧道初期支护结构进行拆除时，先对所述起始更换拱架进行更换，再沿隧道纵向延伸方向由后向前对所述需支撑钢拱架进行逐榀更换；

对所述起始更换拱架进行更换时，将所述起始更换拱架拆除，并在所述起始更换拱架所处位置处重新架立钢拱架，重新架立的钢拱架为已更换钢拱架；

对所述需支撑钢拱架进行更换时，先断开该需支撑钢拱架与所述门架式支撑结构之间的连接，再对该所述需支撑钢拱架进行拆除，并在该需支撑钢拱架所处位置处重新架立钢拱架，重新架立的钢拱架为已更换钢拱架；对该需支撑钢拱架进行拆除过程中，将对该需支撑钢拱架进行支撑的所述门架式支撑结构向后移动并对该需支撑钢拱架后侧相邻的已更换钢拱架进行支撑。

由上述内容可知，从拟拆除换拱的首榀钢钢架（即所述起始更换拱架）开始拆除原钢拱架，重新施作钢拱架，并进行锚网喷等初期支护施工；根据现场具体情况，拆除前一榀所述门架式支撑结构移位到已换拱钢拱架（即已更换钢拱架）上。因而，钢拱架拆除，重新施作钢拱架，锚网喷初期支护与前榀门架门架式支撑结构后移至已换拱钢拱架上为一榀所述钢拱架的换拱施工工序，多次循环进行，直至完成所述需换拱段内所有钢拱架的全部换拱施工过程。由于拆除前一榀所述门架式支撑结构均移位到已换拱钢拱架（即已更换钢拱架）上，因而能有效保证换拱施工期间多个所述门架式支撑结构与临时仰拱同时对所述需换拱段的整体、联合支撑，确保施工过程安全、可靠。

换拱施工过程中以及换拱施工完成后，均采用隧道变形监测系统对更换后隧道初期支护结构进行变形监测，待所述更换后隧道初期支护结构变形稳定后，再沿隧道纵向延伸方向由后向前对所述隧道下部洞体进行开挖；对所述隧道下部洞体进行开挖过程中，由后向前对本发明进行拆除，同时由后向前对所述隧道下部洞体进行初期支护。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明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，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：包括布设于需换拱段内的临时仰拱和多个由前至后布设于所述临时仰拱上且对需更换拱架（4）进行支撑的门架式支撑结构，所述需换拱段为隧道上部洞体（1）内的隧道初期支护结构已施工完成且隧道下部洞体未开挖的隧道段；所述临时仰拱沿隧道纵向延伸方向布设，所述临时仰拱位于隧道上部洞体（1）内侧底部；所述需更换拱架（4）为所述隧道初期支护结构中对隧道上部洞体（1）的拱墙进行支护的钢拱架，所述需换拱段内所述隧道初期支护结构中的所有钢拱架均为需更换拱架（4）；所述需换拱段的一端为起始换拱端，所述需换拱段内最靠近所述起始换拱端的一榀所述需更换拱架（4）为起始更换拱架，所述需换拱段内除所述起始更换拱架之外的所有需更换拱架（4）均为需支撑钢拱架；每榀所述需支撑钢拱架均通过一个所述门架式支撑结构进行支撑，每榀所述需支撑钢拱架均与对其进行支撑的所述门架式支撑结构布设于同一隧道横断面上；所述需换拱段为所施工隧道中需进行换拱的隧道段且其由侵限段和两个分别位于侵限段前后两侧的延伸段连接而成，所述侵限段为隧道上部洞体（1）内的隧道初期支护结构发生变形侵限的隧道段，两个所述延伸段均为所施工隧道中与所述侵限段相邻且相互连通的隧道段，两个所述延伸段内所述需更换拱架（4）的数量均不少于3榀；

所述临时仰拱包括多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的临时仰拱支架（2）和将多个所述临时仰拱支架（2）紧固连接为一体的纵向连接结构，所述纵向连接结构包括多道沿临时仰拱支架（2）的长度方向由左至右布设的纵向连接件，所述纵向连接件沿隧道纵向延伸方向布设，每道所述纵向连接件均与多个所述临时仰拱支架（2）紧固连接；所述临时仰拱支架（2）为布设于隧道上部洞体（1）内侧底部的拱形支架，每榀所述需更换拱架（4）的正下方均设置有一个所述临时仰拱支架（2），每榀所述需更换拱架（4）均与位于其正下方的临时仰拱支架（2）布设于同一隧道横断面上且二者组成一个封闭式支撑架，每个所述临时仰拱支架（2）的左右两端分别与位于其正上方的需更换拱架（4）的左右两侧下部紧固连接；每个所述封闭式支撑架内均设置有一个所述门架式支撑结构，每个所述封闭式支撑架中的需更换拱架（4）与临时仰拱支架（2）均通过所述门架式支撑结构紧固连接为一体；

每个所述门架式支撑结构均包括一个固定于临时仰拱支架（2）上且对需更换拱架（4）进行支撑的门式支撑架（3）和与门式支撑架（3）布设于同一隧道横断面上的支撑组件，所述支撑组件布设于门式支撑架（3）上；所述门式支撑架（3）位于同一个所述封闭式支撑架中的临时仰拱支架（2）与需更换拱架（4）之间，所述门式支撑架（3）与需更换拱架（4）之间通过所述支撑组件紧固连接为一体，所述支撑组件包括支撑于门式支撑架（3）左侧与需更换拱架（4）左侧下部之间的左侧支撑件（5）、支撑于门式支撑架（3）右侧与需更换拱架（4）右侧下部之间的右侧支撑件（6）和多根由左至右支撑于门式支撑架（3）顶部与需更换拱架（4）之间的顶部支撑件（7），所述左侧支撑件（5）、右侧支撑件（6）和顶部支撑件（7）均布设于同一平面上。

2.按照权利要求1所述的隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：两个所述延伸段内所述需更换拱架（4）的数量均为3榀。

3.按照权利要求1或2所述的隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：所述临时仰拱支架（2）支撑于所述需换拱段内的隧道下部未开挖岩体（8）上，所述临时仰拱还包括在隧道下部未开挖岩体（8）上浇筑成型的仰拱混凝土浇筑结构（10），所述仰拱混凝土浇筑结构（10）位于所述门架式支撑结构下方；所述临时仰拱支架（2）和所述纵向连接结构均浇筑于仰拱混凝土浇筑结构（10）内。

4.按照权利要求1或2所述的隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：所施工隧道为大断面隧道；所述临时仰拱支架（2）为左右两侧逐渐向上弯曲的拱形支架。

5.按照权利要求1或2所述的隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：所述临时仰拱支架（2）为型钢支架，所述临时仰拱支架（2）的两端与需更换拱架（4）之间均塞填有钢垫板（9），所述钢垫板（9）与临时仰拱支架（2）和需更换拱架（4）均焊接固定为一体。

6.按照权利要求1或2所述的隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：所述临时仰拱支架（2）由一根工字钢弯曲而成。

7.按照权利要求1或2所述的隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：所述门式支撑架（3）为由多根型钢杆件拼装成型的支撑架，所述左侧支撑件（5）、右侧支撑件（6）和顶部支撑件（7）均为型钢杆件，所述左侧支撑件（5）、右侧支撑件（6）和顶部支撑件（7）与门式支撑架（3）和需更换拱架（4）之间均以焊接方式进行固定连接。

8.按照权利要求1或2所述的隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：所述纵向连接件为纵向连接型钢（12）；所述纵向连接结构还包括多组纵向连接钢筋（13），相邻两道所述纵向连接型钢（12）之间均布设有一组所述纵向连接钢筋（13），每组所述纵向连接钢筋（13）均包括多道由左至右布设的纵向连接钢筋（13），所述纵向连接钢筋（13）沿隧道纵向延伸方向布设，每道所述纵向连接钢筋（13）均与多个所述临时仰拱支架（2）紧固连接。

9.按照权利要求1或2所述的隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：每榀所述需更换拱架（4）的左右两侧下部均布设有一个支撑牛腿（11），每榀所述需更换拱架（4）上的两个所述支撑牛腿（11）均对称布设于临时仰拱支架（2）上方且二者均位于需更换拱架（4）内侧，临时仰拱支架（2）的左右两端与需更换拱架（4）的左右两侧下部之间均通过一个所述支撑牛腿（11）进行紧固连接；所述需更换拱架（4）为格栅钢架，每个所述支撑牛腿（11）均包括多道平行连接于临时仰拱支架（2）与需更换拱架（4）之间的螺纹钢筋，所述螺纹钢筋由外至内逐渐向下倾斜，多道所述螺纹钢筋由上至下布设且其均与所连接的需更换拱架（4）布设于同一平面上。

10.按照权利要求1或2所述的隧道拱墙初期支护侵限换拱施工临时支护装置，其特征在于：所述门式支撑架（3）呈竖直向布设，所述需更换拱架（4）、门式支撑架（3）和临时仰拱支架（2）均布设于同一竖直面上；所述门式支撑架（3）包括下横梁（3-1）、位于下横梁（3-1）正上方的上横梁（3-2）、多根由左至右支撑于下横梁（3-1）与上横梁（3-2）之间的竖向支杆（3-4）和两个对称支撑于下横梁（3-1）左右两侧下方的竖向支架（3-3），所述下横梁（3-1）的长度大于上横梁（3-2）的长度，所述上横梁（3-2）和下横梁（3-1）均位于临时仰拱支架（2）的正上方；两个所述竖向支架（3-3）之间的净距不小于4.5m，所述下横梁（3-1）与临时仰拱支架（2）中部之间的净距不小于4.5m。

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