自制钢拱架在V类围岩隧洞施工中的应用

摘要：随着社会经济的飞速发展，水利工程的投入不断加大，引水工程隧洞在复杂地质条件下的施工问题越来越受到广大水利工作者的重视，本文主要对自制钢拱架在V类围岩隧洞施工中的应用进行了详细阐述，结合自身工作经验提出相关问题及看法，希望通过本文可以给广大同行提供借鉴参考。关键词：钢拱架； v类围岩；隧洞施工

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

一、研究背景

我公司承建的南沟门水利枢纽引洛入葫输水隧洞工程，洞挖工作要求时间紧，任务重，控制节点工期事关整个枢纽工程能否如期运行。该工程主体为1891m无压自流输水隧洞，断面为4.1m×4.55m（V类围岩开挖断面）圆拱直墙形。隧洞出口段揭示的岩性以泥（页）岩为主，间夹砂岩，围岩风化程度高，节理、裂隙较发育，岩体较破碎，地下水位高于洞顶，可见渗水～线状流水，泥（页）岩遇水易软化崩解，围岩类别确定为V类，由于开挖后混凝土衬砌前围岩暴露时间长，安全问题尤为突出，所以科学合理的进行围岩支护是本工程的重点和难点。

（一）目前研究现状

在大量的地下工程实践中，人们普遍认识到, 隧道的核心问题都归结在开挖和支护两个关键工序上, 即如何开挖才能更有利于洞室的稳定和便于支护。一种理论的核心内容是：稳定的岩体有自稳能力, 不产生荷载，不稳定的岩体则可能产生坍塌, 需要用支护结构予以支撑。同时,该理论也是在传统矿山法的基础上提出来的, 它类似于地面工程考虑问题的思路, 至今仍被广泛地应用着；另一种理论的核心内容是：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力, 不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的。如果在这个过程中提供必要的帮助式限制, 则围岩仍然能够进入稳定状态。这是一种比较现代的理论,它已经脱离了地面工 程考虑问题的思路, 而更接近于地下工程实际。近半个世纪以来已被广泛接受和推广应用,并且表现出了广阔的发展前景。

（二）支护主要解决的问题

支护主要解决的是因掘进造成的应力场的改变，花最小的代价维护使之达到新的应力平衡状态。

现代支护理论认为：围岩是主要承载部分, 故在施工中尽可能地保护围岩, 减少扰动；初期支护和永久衬砌仅对围岩起约束作用, 应既允许围岩产生有限变形, 以后发挥其承载能力, 又阻止围岩变形过度而产生失稳, 故初期支护宜采用薄壁柔性结构；围岩的应力应变动态预示着它是否能进入稳定状态, 因此,以监控量测作为手段掌握围岩动态进行施工监控和修正设计, 以便适时提供适当支护；整体失稳通常是由局部破坏发展所致, 故支护结构应尽早封闭, 全面约束围岩,尤其是围岩破碎软弱时, 应及时修正仰拱, 使支护和围岩共同 构成一个封闭的承载环, 有效的发挥岩体自身承载自稳能力。

二、研发过程

（一）制定施工方案

为了加强隧道喷锚支护中喷层的刚度和强度，以控制V类围岩地段开挖后产生的早期荷载，限制围岩变形与松弛，一般采取钢拱架支护。在隧道施工过程中，钢拱架施工质量好坏关系到整个工程的进度、安全及企业的形象，钢拱架包括钢筋格栅钢拱架、工字钢钢拱架、Ｕ形钢钢拱架等，而工字钢钢拱架刚度较大，具有独立承载能力等特点，在钢拱架支护中应用最为广泛。

钢拱架施工主要由钢拱架加工、钢拱架架设、钢拱架喷砼等工序组成，主要机械采用冷弯机，冷弯机虽然一次投入较大，但减少了人工工作量，加快了施工进度，成型质量高，与洞顶结合相对较好，保证了工字钢的连续性和承载能力，有效地解决了钢拱架支护施工的质量和安全问题。

（二）施工准备

1、加工厂准备：首先选择一块地势平坦、开阔坚实的平整场地，并搭建防雨棚做为钢拱架加工厂，加工场地应进行硬化处理。

2、施工材料准备：主要是I14工字钢、8mm厚连接钢板、氧气、乙炔、电焊条、螺栓/螺帽等。

3、施工设备：冷弯机、电焊机、台钻、切割机等。

4、人员组织：钢拱架加工人员主要由电焊工和辅助工组成。人员数量根据钢拱架的类型、进度要求、加工机械等因素综合考虑。

5、测量控制点复核：为保证拱架准确定位，施工前对测量控制点进行了复测，并在洞口附近加密测量控制点。

三、主要施工方法简介

（一）施工程序

1、钢拱架制作工艺

1.1根据钢拱架的设计图，合理设计钢拱架的节段数目，段数目越小，承载能力就越大；反之，段数目越大， 承载能力就越小。因此，考虑架设难度的同时，钢拱架的节段数目尽量小些。

本工程根据隧洞开挖轮廓线设计钢拱架加工图纸，钢拱架在加工厂分三段进行加工，一段为拱顶圆弧段，轴线长度461cm，重77kg；另两段分别为两侧立柱段，轴线长度分别为355cm，重60kg，整榀拱架共重197kg。

1.2将整根工字钢一端放入冷弯机轨道，根据设计弧度调整好液压缸行程，启动液压机，滚轮带动工字钢连续弯曲成形。随着工字钢的弯曲成型，剩余段不足拱顶圆弧段的时候，将另一根工字钢和剩余段尾端用电焊焊接加长。

1.3根据圆弧段两端设计角度在两端用粉笔划线，用气割按线切割成设计角度。

1.4用气割切割立柱段工字钢符合设计尺寸要求。

1.5用气割切割钢板成设计尺寸，然后多块钢板一组在台钻上同心钻螺栓孔（Ф18mm），以方便拱架组装。

1.6按设计尺寸把连接钢板焊接在拱顶圆弧段和立柱段工字钢两端。

1.7试拼装:在第一榀钢拱架（三段）加工好以后，在放好样（1:1）的校正平台上进行试拼，用螺栓联接各段，检查其形状、尺寸等是否符合设计要求，合格后按以上所述工艺批量加工制作，并定期检查各部尺寸。

2、钢拱架安装工艺

因为Ⅴ类围岩的不稳定性，每钻爆循环进尺不会超过2m，且拱架间距要求为0.6～1.0m，所以每循环支立钢拱架的数量一般为2～4榀，安装拱架工艺如下：

2.1搭设拱架安装架子，以便安装拱架及打上部锚杆。

2.2检查拱架各段外观尺寸，用30型装载机运输至工作面附近。

2.3对钢拱架安装位置进行测量布置，清除钢拱架底脚处虚渣，整平垫实垫稳，保证有足够的承载力。

2.4首先支立立柱段钢拱架，相邻两榀钢拱架用Φ22mm钢筋连接，连接筋长度为钢拱架间距与搭接的总长，连接筋环向间距为1m，用连接筋将立柱段钢拱架进行固定，然后人工抬起圆弧段钢拱架至立柱段顶端，用Ф16mm螺栓通过连接板进行连接，调整好各部位间距尺寸及前后左右垂直度以后，将螺栓拧紧牢固，对每榀钢拱架进行固定。

2.5安装焊接钢筋网片。

2.6每榀拱架用4～8根Φ22锁脚锚杆（L=2.5m）进行固定，防止拱架位移，保证围岩稳定，具体根数根据围岩条件变化进行调整。

2.7报验合格后进行喷射砼联合支护。

（二）施工过程主要事项及问题处理

1、由于安装钢拱架的部位围岩条件差，对钢拱架的受力要求较为严格，所以必须保证钢拱架的安装精度。

2、为保证钢拱架可靠地承受荷载，其底脚必须置于可靠地基础上。

3、相邻钢拱架之间联接必须牢靠，有利于钢拱架做为整体承受荷载，提高承载能力。

4、将钢拱架与锚杆可靠连接，有利于钢拱架与围岩共同发挥作用，提高承载能力。

5、要求钢筋网片不被钢拱架隔断，是为了保证钢筋网喷射砼支护的整体性。

6、用喷射砼将钢拱架与岩面之间的空隙充填密实，有利于钢拱架与喷砼层及围岩共同发挥作用，提高承载能力。

（三）施工质量主要控制指标

1、钢拱架：

横向间距和高程为±50mm，垂直度为±2°。

2、锚杆：

2.1同组锚杆的抗拔力平均值应符合设计要求。

2.2任意一根锚杆的抗拔力不应低于设计值的90%。

3、喷射砼：

3.1喷射砼应采用在喷射作业时喷大板的取样方法进行，当有特殊要求时还应用现场取芯的方法进行检查。

3.2一般情况下，对喷射砼只检测28天龄期的抗压强度。

4、喷层厚度检查。