汪萍萍（廣東水電二局股份有限公司,廣州 511340）

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淺談全封閉鋼拱架在黃土隧洞中的應(yīng)用

汪萍萍
（廣東水電二局股份有限公司,廣州 511340）

摘 要：在引水隧洞開挖支護(hù)施工中，通過對鋼拱架初期支護(hù)的具體實(shí)踐，論述了鋼拱架支護(hù)的施工技術(shù)。通過對支護(hù)斷面的后續(xù)變形觀測，論證了鋼拱架的支護(hù)效果，為以后的黃土隧洞的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：全封閉鋼拱架；黃土隧洞；應(yīng)用

1 概述

無論是采用噴射混凝土還是錨桿（抑或是加長、加密錨桿）或是在混凝土中加入鋼筋網(wǎng)、鋼纖維，主要是利用其柔性和韌性，而對其整體剛度并未過多要求，這對支護(hù)不太破碎的圍巖并使其穩(wěn)定是可行的；對于圍巖軟弱破碎嚴(yán)重且自穩(wěn)定性差時(shí)，開挖后增設(shè)鋼拱架（半封閉）支護(hù)，以阻止圍巖的過度變形和承受部分松弛荷載；而對于黃土隧洞，采用全封閉鋼拱架支護(hù)，能夠迅速地支承圍巖，在阻止圍巖拱頂下層、周邊位移等方面效果顯著，確保了施工的連續(xù)性和安全性。

2 工程地質(zhì)情況

在引洮二期項(xiàng)目中，引水隧洞穿越了大量黃土地層段，特別是在各隧洞的進(jìn)出口位置，圍巖地質(zhì)較差，主要以馬蘭黃土為主，圍巖類別為V1～V2類。馬蘭黃土結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)均一，具中高壓縮性、自重強(qiáng)濕陷性。黃土狀土結(jié)構(gòu)稍密～中密，土質(zhì)不均，屬中低壓縮非～輕微濕陷性土。黃土洞段基本無地下水，屬黃土隧洞V1類圍巖；黃土洞段位于地下水位附近，相對持水呈軟塑狀，處于飽水狀態(tài)，屬黃土隧洞V2 類圍巖，圍巖自身穩(wěn)定性差。

3 鋼拱架組成及性能

（1）鋼拱架的組成。鋼拱架的受力結(jié)構(gòu)一般由工字鋼、連接鋼板、鎖腳錨桿、連接鋼筋等組成，直接在施工現(xiàn)場采用冷彎機(jī)彎制成型；（2）鋼拱架性能特點(diǎn)。1）鋼拱架的整體剛度很大，可以提供較大的早期支護(hù)剛度；2）鋼拱架可以很好的與超前管棚、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土相結(jié)合，構(gòu)成聯(lián)合支護(hù)，增強(qiáng)支護(hù)的有效性，且受力條件較好；3）鋼拱架的加工制作、洞內(nèi)架設(shè)較為方便。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）從理論上講，鋼拱架要按其與錨桿、噴射混凝土共同工作狀態(tài)來設(shè)計(jì)，即按照P=Ku（P為支護(hù)阻力；K為支護(hù)剛度；u為位移）來確定初期支護(hù)的最大阻力。但由于在軟弱破碎圍巖中，圍巖變形和支護(hù)之間的極限平衡隨著支護(hù)變形程度而變化，難以確定。另一方面由于軟弱破碎圍巖早期變行快，有可能造成較大變形和一定范圍的松弛荷載，因此鋼拱架的設(shè)計(jì)可按照其單獨(dú)承受早期松弛荷載來設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)、早期松弛荷載的量值一般按照全部松弛荷載的10～40%來考慮，用下式表示：Q=uq。Q—?jiǎng)偣俺惺艿脑缙谒沙诤奢d；q—圍巖松弛荷載，按照松弛荷載統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算；u—鋼拱架的荷載系數(shù)，一般為0.1～0.4；（2）擬定鋼拱架尺寸后，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性檢算；（3）鋼拱架的截面高度應(yīng)與噴射混凝土厚度相適應(yīng)，一般為16～20cm，且要有一定的保護(hù)層；（4）為架設(shè)方便，每榀鋼拱架一般分為2～6節(jié)，并保證接頭剛度，節(jié)數(shù)應(yīng)與斷面大小及開挖方法相適應(yīng)；（5）每榀鋼拱架拱腳對稱設(shè)置鎖腳錨桿，鋼拱架之間應(yīng)設(shè)置直徑不小于22mm的縱向連接筋；（6）當(dāng)圍巖變形量較小或只容許圍巖有小變形量時(shí)，鋼拱架可以設(shè)計(jì)為固定性。當(dāng)圍巖流動性強(qiáng)、變形量大，且容許圍巖較大變形時(shí)，宜將拱架設(shè)計(jì)為可縮行，其可縮節(jié)點(diǎn)設(shè)置在拱頂節(jié)點(diǎn)處；（7）基于上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)，本案例中的鋼拱架設(shè)計(jì)參數(shù)為：采用14號工字鋼；鋼拱架之間設(shè)置Φ25縱向連接筋（間距50cm）；由于是采用全封閉鋼拱架故不設(shè)置鎖腳錨桿；鋼拱架分4節(jié)安裝，即拱頂1節(jié)、拱墻各1節(jié)、仰拱1節(jié)，拱頂與拱墻間采用8mm厚的連接鋼板螺栓連接，仰拱與拱墻間采用焊接；由于隧洞底部為黃土，故在仰拱位置設(shè)置了干硬性砼墊層。

5 鋼拱架施工要點(diǎn)

（1）鋼拱架應(yīng)緊貼巖面，架設(shè)在隧道橫向豎直平面內(nèi)，其垂直度容許誤差±2°；（2）鋼拱架的拱腳應(yīng)穩(wěn)定，一般設(shè)有墊、縱向托梁、鎖腳錨桿等；（3）鋼拱架的安設(shè)應(yīng)該在開挖后的兩小時(shí)內(nèi)完成；（4）鋼拱架應(yīng)盡可能多的與錨桿露頭及鋼筋網(wǎng)焊接，以增強(qiáng)其聯(lián)合支護(hù)效應(yīng)；（5）噴射混凝土?xí)r，應(yīng)注意將鋼拱架與巖面之間的間隙噴射密實(shí)；（6）噴射混凝土應(yīng)分層分次噴射完成，初期噴混凝土應(yīng)盡早完成，復(fù)噴混凝土應(yīng)在量測指導(dǎo)下進(jìn)行，以保證其適時(shí)、有效；（7）本案例中全封閉鋼拱架一般先安裝拱頂及拱墻部分的鋼拱架，仰拱的安裝稍許滯后，采取分段安裝，以避免每循環(huán)施作仰拱干硬性砼而影響隧洞開挖進(jìn)度。仰拱鋼拱架的安裝與掌子面的距離間隔根據(jù)圍巖的地質(zhì)情況分3種類型確定：1）圍巖地質(zhì)情況較好，無地下水滲出，土體含水率小于15%，仰拱鋼拱架的安裝與掌子面的距離可為10m；2）圍巖地質(zhì)情況較好，無地下水滲出，土體含水率為15%～20%，仰拱鋼拱架的安裝與掌子面的距離可為5m；3）圍巖地質(zhì)情況較差，有地下水滲出，土體含水率大于20%，仰拱鋼拱架的安裝必須與拱頂、拱墻鋼拱架同時(shí)安裝，并對掌子面進(jìn)行及時(shí)封閉。

6 鋼拱架與錨噴支護(hù)的結(jié)合

（1）在隧道工程中，為適應(yīng)地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)條件變化，常將各種單一結(jié)構(gòu)進(jìn)行恰當(dāng)組合，共同構(gòu)成較為合理的、有效的、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，通常為聯(lián)合支護(hù)；（2）目前在隧道工程中，作為初期支護(hù)，使用最多的組合形式是錨桿（主要指系統(tǒng)錨桿）加噴射混凝土（素噴或者網(wǎng)噴）。因此，初期支護(hù)可以稱為噴錨支護(hù)，它是一種最基本的組合形式；（3）聯(lián)合支護(hù)施工不僅應(yīng)滿足各部件安設(shè)施工的技術(shù)要求，還應(yīng)該注意以下事項(xiàng)：1）聯(lián)合支護(hù)宜聯(lián)不宜散，彼此要直接的牢固相連，以充分發(fā)揮聯(lián)合支護(hù)效應(yīng)；2）鋼筋網(wǎng)及鋼拱架要盡可能多的與錨桿頭焊連，錨桿頭要適量露頭；3）鋼筋網(wǎng)及鋼拱架要被噴射混凝土所包裹、覆蓋、即噴射混凝土要與鋼筋網(wǎng)和鋼拱架包裹密實(shí)；4）分次施作的聯(lián)合支護(hù)，應(yīng)盡快將其連接，如超前管棚與系統(tǒng)錨桿及鋼拱架鏈接。

7 結(jié)論

通過將全封閉鋼拱架應(yīng)用到黃土隧洞開挖及一次支護(hù)中，解決了圍巖穩(wěn)定性差、易變形、坍塌、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大、施工進(jìn)度慢的難題，確保了工程的施工安全、工程質(zhì)量、施工進(jìn)度，同時(shí)在降低工程投資，節(jié)約施工成本方面效果顯著。在一次支護(hù)完成后，通過對支護(hù)斷面的變形觀測，隧洞周邊變形量均在允許的變形標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，論證了全封閉鋼拱架在黃土隧洞中的支護(hù)效果，為以后的黃土隧洞的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］《水利水電工程施工手冊》［K］.中國電力出版社,2002（12）.

［2］《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊》［K］.水利電力出版社,1990（02）.

［3］《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》GB50086-2001［S］.

［4］《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》SL377-2007［S］.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.087

作者簡介：汪萍萍（1989-），女，湖南桃江人，本科，水工助理工程師。