劉占江

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

1 工程概況

蘭渝鐵路為國家“八縱八橫”規(guī)劃中一條重要建設支路，在兩個二級車站線路之間，有一橫斷山脈橫亙在鐵路前進方向上，經前期地勘及多方會審考慮后，研究設計修建一條隧道作為打通鐵路的重要連接支撐。隧道圍巖主要為沉積巖，部分巖體處于中風化，隧道地處橫斷山脈，地形起伏較大。隧道地下孔隙水含量較多，廣泛存在于黏土層中，巖溶水主要存在于灰?guī)r與白云質灰?guī)r巖層中，儲存量較多，外界水交換主要以天然降水與地下水流為主。隧道內掌子面發(fā)育較多節(jié)理，節(jié)理夾層含有眾多軟弱巖層，見圖1。超前地質預報探測表明，圍巖為V級，屬極易發(fā)生地質災害類隧道。

圖1 隧道掌子面

為此，項目組設計采用高強鋼筋格柵開展支護施工，高強鋼筋強度高，能承載較大的變形，與鋼筋材料供應商溝通后，使用QRCG550螺旋肋鋼作為格柵網絡骨架，箍筋及連接筋使用HT800圓鋼。

2 高強格柵加工工藝

高強格柵的使用前提是需要將高強鋼筋原材料加工成格柵架構，圍巖支護效果在一定程度上與高強格柵的加工制作工藝息息相關[1]。本次高強格柵主架構為φ22鋼筋，箍筋使用φ20圓鋼。施工現(xiàn)場高強鋼筋的加工機械主要為鋼筋彎曲機與切斷機，兩種機械均為液壓動力設備，彎曲機主要用于鋼筋彎弧加工，鋼筋彎曲機主要通過前后兩個齒輪帶動轉盤，給鋼筋施加彎矩力，實現(xiàn)鋼筋彎弧。高強格柵架構內的圓鋼也主要使用彎曲機制作，彎曲機制作圓鋼示意圖見圖2。制作圓鋼直徑與彎曲機使用的鋼板厚度及保護層厚度有關，本次彎曲機制作圓鋼時主要使用13mm鋼板及35mm的保護層厚度，保證鋼筋尺寸及材料性能達到設計要求[2]。

在鋼筋彎曲機幫助下，按照如下制作工藝工序實現(xiàn)高強格柵標準制作：結構設計→制作原料→設計模具→結構焊接→檢查驗收。

圖2 鋼筋彎曲機及加工鋼筋原理

2.1 結構設計

按照工程需求與設計要求，全比例布設格柵在各區(qū)域內結構，并標記在設計草圖上。

2.2 制作原料

參考實地標記圖，了解各部分區(qū)域內所需材料，準備好格柵成型材料。格柵主架結構需要肋鋼，強度保證不低于設計值85%，并根據(jù)各部分區(qū)域內需求，采用鋼筋切割機切割成所需長度。圓鋼作為箍筋，強度不能低于900MPa，箍筋需要彎弧的，均要在搭建整個網架結構之前，完成彎曲點標記，保證鋼筋彎曲變形不超過設計值。另外，對于格柵架構內的八字花結構鋼筋，需要按照圖3操作，完成八字花結構筋的壓制，并且每個八字花結構筋均需對其結構安全可靠性進行檢測，確保制備的八字花結構筋不存在缺陷。

圖3 八字花結構鋼筋制作加工

2.3 設計模具

按照前面實地布置好的設計圖樣，制備好格柵模具，格柵模具參照圖樣尺寸設計要求，用工字鋼完成模具制作，模具的卡槽與格柵結構的變形有關，卡槽采用鋼筋彎曲機標準尺寸，調節(jié)好各模具細節(jié)結構的變形，焊接保證穩(wěn)固牢靠[3]。模具制作見圖4。

圖4 格柵模具制作

2.4 結構焊接

格柵網絡完成基本架構布置后，及時對架構主筋結構及箍筋、八字花結構筋進行焊接，保證焊接尺寸與設計要求一致，結合點焊與弧焊、滿焊的焊接方式，避免焊接區(qū)域對格柵結構的損傷。格柵結構內角鋼鉆孔部位應與箍筋等其他結構筋保持一定距離，焊接標準及要求見表1，格柵骨架焊接見圖5。

表1 焊接標準

圖5 格柵骨架焊接

2.5 檢查驗收

成型的格柵結構見圖6，參照驗收標準，對其進行質量檢查，標出各部分結構檢查結果，對比設計要求，若有不合格之處，返工再處理，并記入施工記錄冊。

圖6 成型的高強格柵

3 高強格柵架設

當高強格柵完成基本制作加工后，進行拼裝架設，高強格柵架設見圖7，架設工藝步驟如下。

圖7 高強格柵架設

3.1 拼裝試驗

架設前進行拼裝試驗，及時發(fā)現(xiàn)高強格柵存在的問題，排除結構與材料問題，保證拼裝過程中不出現(xiàn)誤差[4]。

3.2 清面檢測

清理掌子面附近風化巖土層，檢測掌子面應力與變形狀態(tài)，保證掌子面開挖處于穩(wěn)定狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)掌子面的超、欠挖等情形，并處理掌子面超挖與欠挖部位圍巖，保證高強格柵架設時，各個掌子面監(jiān)測點力學狀態(tài)科學合理，否則將對高強格柵的架設產生不利影響。

3.3 確定標線

檢查掌子面各個基準線是否收斂，確定掌子面標線位置，為高強格柵網格骨架安裝提供一定的參考依據(jù)，格柵骨架間距控制在設計值內，在掌子面上標記格柵間距標志線，確保掌子面中線及高程等基準線準確。

3.4 拼裝架設

高強格柵的基底一般為隧道內穩(wěn)固基巖，基礎尺寸保證在15～25cm，高強格柵拼裝過程中各個平面均應與隧道中線垂直，格柵網格之間誤差不超過8mm，格柵的基準線(標高)不低于設計標高值，基準線不可超過鉛錘面2cm。格柵基礎是高強格柵實現(xiàn)穩(wěn)固支護掌子面及保證自身穩(wěn)定性的重要前提。另外，格柵架設完成后，隨即采用連接筋結構將高強格柵各個主筋結構連接，構成穩(wěn)固格柵骨架。

3.5 噴射灌漿

高強格柵拼裝架設及各個主筋、箍筋連接完成后，需對掌子面上高強格柵各個拼裝部位進行檢查，保證不出現(xiàn)箍筋少接、漏接等情形。檢查無誤后，對高強格柵噴射灌漿，噴射混凝土應保證格柵各部位均不遺漏，格柵結構密實度較好且與圍巖接觸平整[5]。

4 高強格柵支護參數(shù)

本項目隧道采用臺階法開挖，開挖過程施工控制參數(shù)影響著高強格柵支護參數(shù)，過長的臺階長度會一定程度影響到掌子面的變形穩(wěn)定與支護施工效率，因而需要確定臺階法開挖參數(shù)[6]。三臺階法適用于Ⅳ～Ⅴ級圍巖，因而本文以三臺階法進行支護開挖參數(shù)分析。

分別按不同臺階長度進行數(shù)值計算，獲得拱頂沉降值變化曲線，見圖8。從圖8可以看出，三臺階開挖施工過程中，不同臺階長度拱頂沉降值表現(xiàn)具有一致性，隨著開挖進行，拱頂沉降值增長速度逐漸由陡升趨于平緩變化；拱頂沉降值與臺階長度成正相關變化關系，12.6m臺階長度下第25步的拱頂沉降是3.6m下的1.2倍。從拱頂沉降值與掌子面擠出量曲線來看，拱頂沉降值隨臺階長度增大逐漸遞增，從曲線增長斜率來看，在臺階長度為7.2m以下時，增長斜率還處于較高幅度，但在此之后，增長逐漸放緩，臺階長度7.2～9.0m時，拱頂沉降值僅僅增長了1.18%，而臺階長度5.4～7.2m時，拱頂沉降值增長了2.37%，表明拱頂沉降值在7.2m臺階長度之后，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。從掌子面擠出量曲線可知，掌子面擠出量隨臺階長度增大逐漸降低，當臺階長度為5.4m時，掌子面擠出量為18.671mm，而臺階長度增大到12.6m時，掌子面擠出量僅有其90%；掌子面擠出量降低量存在一個變化拐點，在臺階長度為7.2m時，掌子面擠出量為18.09mm，之后，掌子面擠出量變化幅度較小。因而，臺階長度為7.2m，是一個較為合理的施工參數(shù)，高強格柵在臺階長度為7.2m時，根據(jù)數(shù)值模擬結果知[見圖8(c)]，高強格柵性能達到90%，既保證了隧道開挖安全進行，也提升了支護結構安全可靠性。

圖8 不同臺階長度對比曲線

5 結 論

基于蘭渝鐵路隧道工程地質分析，設計采用高強鋼筋格柵開展開挖支護，研究了高強格柵加工工藝，分析了高強格柵加工制作關鍵步驟；研究了高強格柵架設施工工藝，從拼裝試驗、清面檢測、確定標線、拼裝架設、噴射混凝土五個工序開展，保證了高強格柵施工質量；從三臺階開挖施工參數(shù)入手，分析了拱頂沉降值特征參數(shù)變化，獲得了三臺階長度在7.2m時，拱頂沉降值與掌子面擠出量處于穩(wěn)定狀態(tài)，高強格柵支護性能亦處于較佳狀態(tài)，為鐵路隧道開挖施工中高強格柵支護施工工藝提供了一定的參考依據(jù)。