1.一种变刚度高承载力喷砼-钢架支护结构,包括喷射混凝土层和型钢构件,喷射混凝土层包括初喷混凝土层(21)和复喷混凝土层,初喷混凝土层(21)覆盖围岩(10),型钢构件沿隧道延伸方向间隔架设在初喷混凝土层(21)表面上,复喷混凝土层覆盖型钢构件,其特征是:所述型钢构件包括母插T型钢(30)、公插T型钢(40)和约束面板(50),母插T型钢(30)与公插T型钢(40)相互之间具有插接连接结构;隧道施工初期,沿隧道延伸方向间隔架设的母插T型钢(30)与喷射混凝土层组成第Ⅰ刚度水平的支护结构体系;据隧道纵向空间变形情况,在变形较大段落针对性安装公插T型钢(40),其与对应的母插T型钢(3)组合形成类工型型钢,由母插T型钢(30)、类工型型钢与喷射混凝土层组成第Ⅱ刚度水平的支护结构体系,或者在相邻类工型型钢的公插T型钢(40)外设置将两者连接为一体的约束面板(50),由类工型型钢、约束面板(50)与喷射混凝土层组成第Ⅲ刚度水平的支护结构体系;所述公插T型钢(40)、约束面板(50)在隧道变形较大的部位进行局部安装。
2.如权利要求1所述的一种变刚度高承载力喷砼-钢架支护结构,其特征是:所述公插T型钢(40)具有公插翼缘(41)和垂直于其板面的公插腹板(42),公插腹板(42)的两侧板面上具有横向向外的凸起(43);所述母插T型钢(30)具有母插翼缘(31)和一对垂直于其板面的母插腹板(32),该对母插腹板(32)的内板面上具有横向向外凸起形成的凹槽(33);所述母插腹板(32)、凹槽(33)与公插腹板(42)、凸起(43)构成所述插接连接结构。
3.如权利要求2所述的一种变刚度高承载力喷砼-钢架支护结构,其特征是:所述第Ⅰ刚度水平的支护结构体系中,所述母插T型钢(30)架设间距为0.4m/榀,其母插翼缘(31)板面密贴初喷混凝土层(21),在母插腹板(32)外端可拆卸设置封闭其端口的封堵条(34);所述喷射混凝土层包括由初喷混凝土层(21)喷射至母插翼缘(31)外端的第一复喷混凝土层(22)。
4.如权利要求2所述的一种变刚度高承载力喷砼-钢架支护结构,其特征是:所述第Ⅱ刚度水平的支护结构体系细分为第Ⅱa刚度水平的支护结构体系、第Ⅱb刚度水平的支护结构体系和第Ⅱc刚度水平的支护结构体系;所述第Ⅱa刚度水平的支护结构体系是在第Ⅰ刚度水平的支护结构体系的基础上,若隧道变形速度超过5mm/d,在变形较大段落安装公插T型钢(40),形成“1榀类工型型钢+2榀母插T型钢(30)+1榀类工型型钢”的钢架布设,即类工型型钢间距为1.2m/榀;所述第Ⅱb刚度水平的支护结构体系是在第Ⅱa刚度水平的支护结构体系的基础上,若隧道变形速度仍超过5mm/d,在剩余未安装公插T型钢(40)的2榀母插T型钢(30)中,选择其中1榀安装公插T型钢(40),形成“2榀类工型型钢+1榀母插T型钢(30)+2榀类工型型钢”的钢架布设,即一组2榀类工型型钢的间距为0.8m/榀;所述第Ⅱc刚度水平的支护结构体系是在第Ⅱb刚度水平的支护结构体系的基础上,若隧道变形速度仍超过5mm/d,则继续安装公插T型钢(40),形成间距为0.4m/榀的类工型型钢的布设。
5.如权利要求4所述的一种变刚度高承载力喷砼-钢架支护结构,其特征是:所述第Ⅲ刚度水平的支护结构体系是在第Ⅱc刚度水平的支护结构体系的基础上,若隧道变形速度仍超过5mm/d,在相邻类工型型钢的公插翼缘(41)焊接将其连接为一体的约束面板(50),所述复喷混凝土层包括在该两相邻公插翼缘(41)之间由第一复喷混凝土层(22)至约束面板(50)内表面的第二复喷混凝土层(23);所述约束面板(50)为实体钢板,其纵向尺寸与类工型型钢间距匹配,尺寸参数为沿隧道纵向为0.4m,沿隧道环向为0.1m。
6.如权利要求3、4或5所述的一种变刚度高承载力喷砼-钢架支护结构,其特征是:所述复喷混凝土层还包括第三复喷混凝土层(24),该第三复喷混凝土层(24)覆盖母插T型钢(30)、公插T型钢(40)或约束面板(50),覆盖厚度不小于3mm。
7.如权利要求1至6任意一项所述一种变刚度高承载力喷砼-钢架支护结构的施工方法,包括如下步骤:步骤一:初喷混凝土层(21)覆盖围岩(10),形成平整面,沿隧道纵向架设母插T型钢(30);步骤二:喷射第一复喷混凝土层(22)至母插腹板(32)高度,此时形成第Ⅰ刚度水平的支护结构体系;步骤三:对隧道进行变形监测回归分析,若变形速度超过5mm/d,则在变形较大段落安装公插T型钢(40),形成“1榀类工型型钢+2榀母插T型钢(30)+1榀类工型型钢”的钢架布设,即类工型型钢间距为1.2m/榀,此时形成第Ⅱa刚度水平的支护结构体系;步骤四:继续对隧道进行变形监测回归分析,若变形速度仍超过5mm/d,则在变形仍较大的段落继续安装公插T型钢(40),在剩余未安装公插T型钢(40)的2榀母插T型钢母(30)中,选择其中1榀安装公插T型钢(40),形成“2榀类工型型钢+1榀母插T型钢(30)+2榀类工型型钢”的钢架布设,即一组2榀类工型型钢的间距为0.8m/榀,此时支护结构刚度比第Ⅱa刚度水平更高一级,即第Ⅱb刚度水平的支护结构体系;步骤五:继续对隧道进行变形监测回归分析,若变形速度仍超过5mm/d,则在变形仍较大的段落继续安装公插T型钢(40),形成间距为0.4m/榀的类工型型钢的布设,此时支护结构刚度比第Ⅱb刚度水平更高一级,即第Ⅱc刚度水平的支护结构体系;步骤六:继续对隧道进行变形监测回归分析,若变形速度仍超过5mm/d,则在变形仍较大的段落安装约束面板(50),此时,先在需要安装约束面板(50)范围内用第二复喷混凝土层(23)填平至公插翼缘(41)高度,再安装约束面板(50)并将两侧焊接于类工型型钢的公插翼缘(41)上,以限制型钢之间喷射混凝土的变形,此时形成第Ⅲ刚度水平的支护结构体系;步骤七:在形成新一阶段刚度水平的支护结构体系后,若监测隧道变形速度不超过3mm/d,则喷射第三复喷混凝土层(24)覆盖母插T型钢(30)、公插T型钢(40)或约束面板(50),复喷完成后再进行防水层施工。
8.如权利要求7所述一种变刚度高承载力喷砼-钢架支护结构的施工方法,其特征是:所述第一复喷混凝土层(22)表面与母插腹板(32)高度面误差不超过±5mm,喷射时喷嘴不应对准母插腹板(32),避免覆盖母插腹板(32)端口上的封堵条(34)。
9.如权利要求7所述一种变刚度高承载力喷砼-钢架支护结构的施工方法,其特征是:安装公插T型钢(40)时,先将母插腹板(32)端口内的封堵条(34)取出,清净母插腹板(32)空间,对位公插T型钢(40),使用顶推装置将公插腹板(42)挤入母插腹板(32)槽腔内,使两者凸起(43)、凹槽(33)相互扣牢,形成类工型型钢组合体。