李志雙

隧道型鋼拱架在洞外分節(jié)段加工，洞內(nèi)分節(jié)段安裝定位。由于鋼拱架相鄰節(jié)段的連接鋼板間的對(duì)接誤差、孔位偏差、安裝誤差造成現(xiàn)場(chǎng)拼裝的鋼架連接鋼板不密貼，連接板螺栓孔錯(cuò)位等質(zhì)量問(wèn)題，影響隧道初期支護(hù)鋼架整體受力。本文從鋼拱架加工源頭分析，采用等離子切割機(jī)、自動(dòng)剪板機(jī)，沖孔機(jī)，并通過(guò)簡(jiǎn)易定位模架輔助定位焊接連接鋼板，達(dá)到拱架加工精準(zhǔn)定位連接鋼板的目的。

目前我國(guó)大部分隧道施工是以新奧法為主，新奧法施工原理是充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，通過(guò)噴、錨、網(wǎng)、鋼支護(hù)形式穩(wěn)固圍巖。初期支護(hù)質(zhì)量決定隧道整體的施工質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)通車安全保障。型鋼拱架作為圍巖的承載環(huán)，相鄰節(jié)段的鋼板連接處為圍巖變形拱架受力薄弱點(diǎn)，若發(fā)生拱架加工不規(guī)范、拱架運(yùn)輸過(guò)程變形、作業(yè)人員施工隨意等因素，將導(dǎo)致初期支護(hù)拱架變形、噴射混凝土開(kāi)裂等不可控現(xiàn)象，增大隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)。作為拱架施工的第一道作業(yè)——型鋼拱架的加工尤為重要，保證拱架加工的合格率才能有效避免拱架連接偏差的問(wèn)題。本文以萬(wàn)州環(huán)線一分部天德村隧道鋼拱架加工工藝改進(jìn)為例，通過(guò)等離子切割機(jī)、剪板機(jī)自動(dòng)剪裁鋼板，沖孔機(jī)沖孔等加工設(shè)備，再依靠簡(jiǎn)易定位模架輔助定位焊接連接鋼板，取代了連接鋼板制作和定位大多依靠放線畫(huà)樣、目測(cè)定位切割的工藝，提高了拱架加工效率和連接板加工定位精度。

一、工程概況

天德村隧道位于重慶市萬(wàn)州區(qū)新田鎮(zhèn)，左線全長(zhǎng)354m，右線全長(zhǎng)320m。隧道圍巖均為V級(jí)圍巖，最大埋深36m，整座隧道為淺埋偏壓隧道，地質(zhì)較差，巖層為順層地質(zhì)，頁(yè)巖與砂層互層。隧道洞口臨近S105省道，洞身長(zhǎng)距離下穿省道，洞頂距離省道最大埋深僅為24m。天德村隧道作為中交一公局在建重點(diǎn)關(guān)注隧道，其具有“淺埋、偏壓、極小凈距、地質(zhì)順層、下穿省道”五大施工難點(diǎn)，并且全洞均為V級(jí)圍巖，圍巖極破碎。依據(jù)新奧法施工原理，初期支護(hù)采用噴錨網(wǎng)鋼架形式，大量使用到型鋼拱架支護(hù)，相鄰節(jié)段的型鋼拱架連接質(zhì)量是隧道初期支護(hù)施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

二、現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

隧道內(nèi)拱架安裝屬狹小空間作業(yè)，單榀拱架運(yùn)輸進(jìn)洞及定位安裝不便，故隧道初期支護(hù)所用的型鋼拱架在洞外分單元加工，洞內(nèi)分節(jié)段安裝。工字鋼端部的連接鋼板是相鄰節(jié)段工字鋼連接的媒介。當(dāng)前連接鋼板制作和定位大多依靠放線畫(huà)樣、目測(cè)定位切割，人工手持焊具輔助焊接，造成工字鋼與連接鋼板的焊接角度位置偏差，直接影響到鋼拱架相鄰節(jié)段拼接的安裝質(zhì)量和作業(yè)效率。拱架安裝超過(guò)規(guī)范允許偏差，將導(dǎo)致鋼拱架無(wú)法拼接、螺栓孔對(duì)不上、連接鋼板間存在縫隙等缺陷，若掌子面為軟弱圍巖變形過(guò)大，將在拱架薄弱受力點(diǎn)連接鋼板處折斷、變形，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生隧道坍塌的“關(guān)門”事故，給掌子面施工的作業(yè)人員帶來(lái)極大的安全隱患。

三、工藝流程

從鋼拱架加工源頭入手，通過(guò)改良鋼拱架連接鋼板的加工質(zhì)量，提高鋼拱架連接鋼板的精確對(duì)中率，達(dá)到提升隧道初期支護(hù)拱架連接施工質(zhì)量的目的。施工工藝流程包括：鋼板進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)→等離子機(jī)切割→剪板機(jī)裁剪→沖孔機(jī)沖孔→定位模架輔助焊接→成品試拼裝。

四、施工工藝

1.鋼板切割

連接鋼板采用等離子機(jī)自動(dòng)切割技術(shù)、保證每塊鋼板尺寸一致，減少相鄰節(jié)段鋼拱架連接過(guò)程中鋼板不密貼，螺栓孔不對(duì)中的情況。

數(shù)控等離子切割機(jī)是以氧氣+乙炔或丙烷的壓縮氣體為工作氣體，以高溫高速的火焰為熱源，將被切割的金屬局部熔化，并同時(shí)用高速氣流將已熔化的金屬吹走，形成狹窄切縫。該設(shè)備不僅切割速度快、切縫狹窄、切口平整、熱影響區(qū)小，而且作業(yè)人員操作簡(jiǎn)單，施工效率高。

天德村隧道鋼拱架施工連接鋼板采用厚度為10mm的Q235鋼板，原材鋼板尺寸為6m*1.5m，加工鋼板時(shí)首先沿橫向切割出長(zhǎng)條鋼板，長(zhǎng)條鋼板寬度按設(shè)計(jì)分為18cm（I16型鋼拱架）、20cm（I18型鋼拱架）、22cm（I20b型鋼拱架）。切割時(shí)固定好軌道，專人操作，勻速切割。

采用等離子機(jī)切割鋼板相較于人工切割具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）速度快，效率高，機(jī)械切割速度比人工切割速度快6~8倍；

（2）切割領(lǐng)域?qū)?，可切割所有金屬板材?/p>

（3）切割精度比人工切割高，切口平整，線條順直，外觀優(yōu)良。

2.長(zhǎng)條鋼板剪切

長(zhǎng)條鋼板切割完成后，需要對(duì)其進(jìn)行剪板，連接鋼板設(shè)計(jì)長(zhǎng)度均為20cm，通過(guò)剪板機(jī)剪切出標(biāo)準(zhǔn)連接鋼板尺寸。

剪板機(jī)是在上下刀片相對(duì)運(yùn)動(dòng)下，對(duì)待加工的金屬板材施加剪切力，促使板材按所需要的尺寸斷裂分離。剪切前對(duì)長(zhǎng)條鋼板進(jìn)行畫(huà)線，按設(shè)計(jì)每20cm做一道標(biāo)記，將長(zhǎng)條鋼板送入剪板機(jī)機(jī)床并加以固定，逐塊剪切出標(biāo)準(zhǔn)連接鋼板。通過(guò)在剪板機(jī)工作臺(tái)上點(diǎn)焊定位裝置，高效，簡(jiǎn)易控制連接板裁剪尺寸及成品線型。

人工氣割鋼板不僅割口粗糙，而且伴有較嚴(yán)重的熱變形，成品質(zhì)量控制較難。因此采用剪板機(jī)切割鋼板效率高、質(zhì)量好、成本低。

剪板機(jī)裁剪鋼板需注意對(duì)刀片刃口的保護(hù)，定期對(duì)機(jī)器進(jìn)行檢修及保養(yǎng)，同時(shí)在剪切作業(yè)時(shí)禁止同時(shí)剪切兩種不同型號(hào)的材料，更不允許進(jìn)行重疊剪切操作。

3.連接板沖孔

連接板裁剪完成后，進(jìn)行沖孔作業(yè)。鋼板沖孔加工人員只需根據(jù)連接鋼板螺栓孔布置形式及尺寸，制作輔助連接鋼板螺栓孔定位卡槽，應(yīng)用沖孔機(jī)對(duì)螺栓孔精確沖孔，可達(dá)到快速、準(zhǔn)確沖孔的目的，進(jìn)而加強(qiáng)初期支護(hù)拱架連接合格率。

4.連接板定位焊接

連接鋼板沖孔完成后，與工字鋼進(jìn)行焊接形成鋼拱架單元。隧道拱架連接鋼板采用定位模架，將連接鋼板穿在定位模架螺栓上，然后通過(guò)定位模架底部三角支架固定在工字鋼上，連接鋼板與工字鋼完全固定好后，將連接鋼板與工字鋼進(jìn)行滿焊，完成鋼拱架單元的制作。

通常隧道拱架連接板與工字鋼采用劃線焊接，加工時(shí)無(wú)固定輔助加工模具，螺栓孔位制作精度差，孔位難以對(duì)中，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)多節(jié)段拱架拼裝質(zhì)量差，影響鋼架整體受力，增大了隧道圍巖應(yīng)力釋放造成隧道連接板部位初期支護(hù)變形、扭曲、坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 連接板焊接輔助定位簡(jiǎn)易模架裝置

為解決上述問(wèn)題，參考國(guó)內(nèi)其它隧道對(duì)連接鋼板定位模架的使用情況，設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)易模架輔助定位連接板焊接施工裝置（圖1）。

簡(jiǎn)易模架由三腳架、螺栓定位架、縱向鋼管組成，每個(gè)簡(jiǎn)易定位模架長(zhǎng)度為80cm，設(shè)置兩組三腳架，三腳架間距50cm，端部焊接螺栓定位架，三腳架和螺栓定位架尺寸和拱架型號(hào)相對(duì)應(yīng)。連接板定位步驟如下：現(xiàn)將加工好的連接板固定在螺栓定位架上，然后將三腳架固定在工字鋼腹板槽內(nèi)，前后固定定位模架使連接板與工字鋼端部緊貼，焊工對(duì)連接板與工字鋼進(jìn)行滿焊作業(yè)，完成一個(gè)拱架單元的制作。

五、成果及效益分析

通過(guò)改進(jìn)對(duì)鋼拱架連接鋼板的施工工藝，以機(jī)械化方式代替全人工加工模式，在連接板加工質(zhì)量、效率上均得到了極大提升。

采用劃線放樣、目測(cè)定位傳統(tǒng)連接鋼板加工工藝，存在焊接位置、角度偏差大等缺陷。新工藝采用機(jī)械化代替人工作業(yè)，減少職業(yè)病傷害，同時(shí)在鋼板標(biāo)準(zhǔn)尺寸加工、螺栓孔精準(zhǔn)定位、鋼板與工字鋼的焊接質(zhì)量均有較大改善。經(jīng)對(duì)成品拱架單元的鋼板尺寸、螺栓眼位對(duì)中情況、連接板焊縫質(zhì)量、連接板平整度進(jìn)行抽檢取樣，合格率均有大幅度提升，不僅減少了拱架薄弱點(diǎn)的產(chǎn)生，也對(duì)初期支護(hù)的鋼拱架安裝質(zhì)量?jī)?yōu)良?jí)|定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，。

從經(jīng)濟(jì)效益上分析，采用新工藝施工在人工成本上也得到了較大的節(jié)約。

表1 連接板加工新老工藝成本分析

天德村隧道全長(zhǎng)674m，洞內(nèi)鋼拱架單元超過(guò)1200榀，平均每榀加工成本節(jié)余167元，全隧可節(jié)省成本20萬(wàn)元，洞身長(zhǎng)度越大，經(jīng)濟(jì)效益越加突出。

六、結(jié)語(yǔ)

隧道初期支護(hù)施工質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵在于單榀鋼拱架整體連接質(zhì)量，本文提及的拱架連接板加工設(shè)備實(shí)用高效，簡(jiǎn)易定位模架使拱架的工字鋼與連接鋼板位置準(zhǔn)確、角度無(wú)偏差、螺栓眼位能精確對(duì)中，確保了鋼拱架的拼接質(zhì)量，增強(qiáng)了初期支護(hù)穩(wěn)定性，降低了隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，操作簡(jiǎn)便，作業(yè)效率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。本文闡述的連接板加工、焊接的工藝可以運(yùn)用到其它隧道的鋼拱架加工。