林 冬 冬

(中交一公局總承包經(jīng)營(yíng)分公司，北京 100024)

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隧道鋼拱架加工偏差分析及控制原理

林 冬 冬

(中交一公局總承包經(jīng)營(yíng)分公司，北京 100024)

根據(jù)隧道鋼拱架加工的基本原理，分析了鋼架安裝后侵限以及同一榀鋼架不在同一斷面的原因，探討了控制隧道鋼架加工偏差的措施，使鋼架加工作業(yè)滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

隧道，鋼拱架，加工偏差，千斤頂

0 引言

隧道初期支護(hù)施工中鋼架安裝后侵限及同一榀鋼架不在同一斷面的現(xiàn)象是隧道施工業(yè)界的通病，往往造成施工單位為此付出沉重的代價(jià)。初支侵限造成襯砌厚度不足，施工單位不得不請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)院進(jìn)行踏勘及檢算，甚至是拆除返工；而同一榀鋼架不在同一斷面則是每一次檢查都被通報(bào)的問題，嚴(yán)重的同樣造成拆除返工。對(duì)此，有的單位把這些歸結(jié)為施工過程管理不到位、有的則歸結(jié)為工人技術(shù)熟練程度不夠或設(shè)備是在磨合調(diào)試階段不可避免的一個(gè)過程，但是卻沒有幾個(gè)單位、幾個(gè)管理人員或技術(shù)人員從技術(shù)的角度來分析和解決這些問題。本文就從技術(shù)及原理的角度來分析、解決這一問題，為以后的隧道初期支護(hù)鋼架問題提供一個(gè)解決的技術(shù)參考。

1 隧道鋼架加工基本(數(shù)學(xué))原理

隧道鋼架是初期支護(hù)的一部分，是限制洞身圍巖初期變形、提高圍巖自穩(wěn)能力的有效措施；為了最大限度地發(fā)揮鋼架的作用、同時(shí)也是為方便施工，鋼架按照開挖斷面設(shè)計(jì)緊貼洞壁圍巖安裝，因此鋼架的加工就要從這一設(shè)計(jì)目的和用途出發(fā)嚴(yán)格按照大樣圖進(jìn)行加工。

鋼架采用型鋼彎曲機(jī)進(jìn)行加工，彎曲機(jī)由兩個(gè)固定外支點(diǎn)(A和B)及活動(dòng)中支點(diǎn)(千斤頂C)組成，鋼架的曲率大小通過活動(dòng)支點(diǎn)(千斤頂C)由千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)量來調(diào)節(jié)。由設(shè)備的結(jié)構(gòu)及加工圖可以看出型鋼彎曲機(jī)的工作原理是平面幾何中圓的知識(shí)——在弦長(zhǎng)L固定的條件下半徑R與正矢H的函數(shù)關(guān)系(如圖1所示)。

由圖1可知：兩個(gè)固定支點(diǎn)間的距離是已知的(固定值)，而半徑是在施工圖中已經(jīng)確定的定值(即弦長(zhǎng)AB=L、半徑為R)，此時(shí)要確定一個(gè)圓(弧)只需要確定它的正矢(中間活動(dòng)支點(diǎn)千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)量CD)；根據(jù)平面幾何中圓的知識(shí)得：

正矢CD的延伸是垂直于弦AB的一個(gè)半徑R，則：

正矢CD=半徑R-垂距OC

(1)

(2)

式(2)求正矢的公式就是在加工鋼架時(shí)確定中支點(diǎn)千斤頂伸長(zhǎng)量的數(shù)學(xué)原理公式。

2 隧道鋼架加工偏差分析

2.1 鋼架加工偏差引起侵限的原因分析

隧道鋼架安裝后發(fā)生侵限的具體表現(xiàn)有兩種情況：

1)拱頂正好而拱腳侵限(見圖2)；

2)拱腳正好而拱頂侵限(見圖3)。

從圖2可以看出，鋼架的曲率明顯大于隧道開挖輪廓線的曲率，這是造成鋼架拱腳侵限的根本原因。

從圖3可以看出，鋼架的曲率明顯小于隧道開挖輪廓線的曲率，這是造成鋼架拱頂侵限的根本原因。

一個(gè)圓(圓弧)的大小是由其半徑(曲率)的大小決定的，而隧道斷面的半徑一般都比較大，在鋼架加工的過程中要測(cè)量半徑非常的不方便，因此在加工過程中都是根據(jù)上述加工原理控制正矢(中支點(diǎn)千斤頂伸長(zhǎng)量)來達(dá)到控制鋼架弧度及偏差。

2.2 同一榀鋼架不在同一斷面的原因分析

在實(shí)際施工過程中鋼架加工與安裝常常發(fā)生的另一個(gè)通病就是“同一榀鋼架不在同一斷面”，這主要有以下兩個(gè)方面的原因：

1)鋼架本身在運(yùn)輸和加工過程中發(fā)生了輕微的翹曲，致使拼接安裝后不在同一斷面；

2)鋼架接頭問題(鋼架的連接板與鋼架的軸線不垂直)引起拼裝的鋼架嚴(yán)重翹曲。

前者造成鋼架翹曲的幅度小，自然對(duì)鋼架支護(hù)作用的影響就小，而后者造成的鋼架翹曲占據(jù)了絕大多數(shù)，且往往造成整榀鋼架翹曲幅度偏大，對(duì)鋼架支護(hù)作用的影響最大。

3 隧道鋼架加工偏差控制

由以上分析可知，在鋼架加工過程中控制加工偏差的核心就是控制鋼架加工的曲率，而控制曲率偏差從根本上則是控制千斤頂伸長(zhǎng)量的偏差；以下就從技術(shù)理論的角度來分析如何控制千斤頂伸長(zhǎng)量的偏差。

從圖1可以看出型鋼彎曲機(jī)在加工鋼架時(shí)兩個(gè)固定支點(diǎn)(A和B)在鋼架的外側(cè)(外輪廓線)，而千斤頂(活動(dòng)中支點(diǎn)C)卻在鋼架的內(nèi)側(cè)(內(nèi)輪廓線)；加工鋼架的這一過程就猶如一塊鋼梁(被加工的型鋼)在兩個(gè)固定支點(diǎn)(A和B)作用下形成一簡(jiǎn)支梁在跨中集中荷載(中支點(diǎn)千斤頂)的作用下彎曲變形(見圖4)，這是鋼架加工的工程力學(xué)原理。

將圖4中的核心部分(圈起部分)獨(dú)立出來放大就是圖5，這就是鋼架在彎曲機(jī)下的實(shí)際加工數(shù)學(xué)模型圖，從圖中可以得到：

千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)量D=千斤頂歸零時(shí)距離兩固定支點(diǎn)的垂距d+正矢H-型鋼截面高度h

(3)

其中，千斤頂歸零時(shí)距離兩固定支點(diǎn)的垂距d為定值(由該型號(hào)的彎曲機(jī)參數(shù)確定)；型鋼截面高度h為已知數(shù)(由具體施工圖中所用的型鋼規(guī)格參數(shù)確定)；正矢H為由所加工的鋼架具體使用部位根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)的隧道開挖斷面的尺寸按上述的式(2)計(jì)算確定。

即，將式(2)代入式(3)得：

(4)

其中，R，L等參數(shù)的意義同上。

得到的這個(gè)公式(式(4))就是鋼架加工過程中用來控制其形狀尺寸的參數(shù)“千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)量D”的計(jì)算公式。

以上是從鋼架加工的工程力學(xué)原理出發(fā)，近似認(rèn)為鋼架加工過程中型鋼與兩個(gè)固定支點(diǎn)(A和B)的接觸點(diǎn)(支點(diǎn))的位置不變，但實(shí)際情況卻是這兩個(gè)支點(diǎn)間的距離是逐漸變小到某個(gè)值的(見圖6)。那么上述理論得出來的公式能否保證加工出來的鋼架偏差滿足規(guī)范要求，以下就根據(jù)實(shí)際情況下彎曲機(jī)加工鋼架的模型圖進(jìn)行分析(見圖6)。

如圖6所示，型鋼在加工的過程中與固定支點(diǎn)的接觸點(diǎn)由E點(diǎn)逐漸滑動(dòng)到F點(diǎn)，決定鋼架最終形狀尺寸的弦長(zhǎng)就由最初的AB最終減小到2×GC，減小量為2×EG。

由圖6可以得出：

直角三角形AOK∽直角三角形JAE∽直角三角形JFG，則有：

(5)

那么，最終弦長(zhǎng):

(6)

將式(6)代入式(4)得：

(7)

得到的式(7)就是在考慮了固定支點(diǎn)(A和B)與型鋼的接觸點(diǎn)(支點(diǎn))隨著型鋼彎曲變形而滑移的情況下，理論“千斤頂伸長(zhǎng)量D′”的公式。

現(xiàn)有的規(guī)范對(duì)鋼架加工的允許偏差沒有明確要求，只規(guī)定鋼架安裝后不得侵入二襯；但圖紙的規(guī)定是：加工后的鋼架沿隧道周邊拼裝輪廓誤差為±3cm，即鋼架加工半徑的允許偏差為±1.5cm。由式(4)反推得：

(8)

由式(7)反推得：

(9)

由式(8)，式(9)得：

(10)

根據(jù)該型鋼彎曲機(jī)的型號(hào)參數(shù)可知：AB弦長(zhǎng)L=213 cm、固定支點(diǎn)的半徑r=5 cm、千斤頂歸零時(shí)距離兩固定支點(diǎn)的垂距d=50 cm，而隧道開挖斷面(雙線隧道)的最小半徑都在721 cm以上，將這些數(shù)據(jù)代入式(10)得：

鋼架加工半徑偏差ΔR=-0.109 16 cm遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定允許的偏差±1.5 cm。

因此，簡(jiǎn)單化建立的公式(式(4))求得的彎曲機(jī)加工鋼架的千斤頂伸長(zhǎng)量滿足實(shí)際偏差的需要，同時(shí)還使問題簡(jiǎn)單化便于實(shí)際解決。

4 結(jié)語

隧道鋼拱架加工偏差的控制就是在實(shí)際操作過程中嚴(yán)格按照(式(4))準(zhǔn)確計(jì)算的彎曲機(jī)千斤頂伸長(zhǎng)量進(jìn)行實(shí)際偏差控制確保鋼架加工偏差滿足設(shè)計(jì)要求，在這一過程中技術(shù)人員首先要根據(jù)施工圖準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)單元鋼架加工時(shí)的彎曲機(jī)千斤頂伸長(zhǎng)量，其次作業(yè)人員在加工時(shí)準(zhǔn)確按照計(jì)算的千斤頂伸長(zhǎng)量進(jìn)行設(shè)置；只要這兩步都處于可控狀態(tài)，鋼架加工的偏差自然就滿足設(shè)計(jì)要求，鋼架安裝后就不會(huì)發(fā)生侵限。

[1] 鐵建設(shè)[2010]241號(hào),高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

[2] TB 10753—2010,高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.新建鐵路張家口至呼和浩特鐵路施工圖——初期支護(hù)及輔助措施參考圖[R].2013：6.

Analysis on tunnel steel arch process deviation and control principle

Lin Dongdong

(FHECofCCCCGeneralContractingBusinessBranch,Beijing100024,China)

According to the basic principle of tunnel steel arch process, this paper analyzed the invasion after steel frame installation and the causes of unified common trusses steel frame under same cross section, discussed the measures to control the tunnel steel frame process deviation, made the steel frame process operation meet the design requirement specifications.

tunnel, steel arch, process deviation, jack

1009-6825(2016)10-0193-03

2016-01-23

林冬冬(1985- )，男，助理工程師

U455

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