淺談全封閉鋼拱架在黃土隧洞中的應用

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施工中，通過對鋼拱架初期支護的具體實踐，論述了鋼拱架支護的施工技術。通過對支護斷面的后續變形觀測，論證了鋼拱架的支護效果，為以后的黃土隧洞的施工積累了經驗。

關鍵詞：全封閉鋼拱架；黃土隧洞；應用

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、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，這對支護不太破碎的圍巖并使其穩定是可行的；對于圍巖軟弱破碎嚴重且自穩定性差時，開挖后增設鋼拱架（半封閉）支護，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，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，確保了施工的連續性和安全性。

2 工程地質情況

在引洮二期項目中，引水隧洞穿越了大量黃土地層段，特別是在各隧洞的進出口位置，圍巖地質較差，主要以馬蘭黃土為主，圍巖類別為V1～V2類。馬蘭黃土結構松散，土質均一，具中高壓縮性、自重強濕陷性。黃土狀土結構稍密～中密，土質不均，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，屬黃土隧洞V2 類圍巖，圍巖自身穩定性差。

3 鋼拱架組成及性能

（1）鋼拱架的組成。鋼拱架的受力結構一般由工字鋼、連接鋼板、鎖腳錨桿、連接鋼筋等組成，直接在施工現場采用冷彎機彎制成型；（2）鋼拱架性能特點。1）鋼拱架的整體剛度很大，可以提供較大的早期支護剛度；2）鋼拱架可以很好的與超前管棚、錨桿、鋼筋網、噴射混凝土相結合，構成聯合支護，增強支護的有效性，且受力條件較好；3）鋼拱架的加工制作、洞內架設較為方便。

4 設計要點

（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來設計，即按照P=Ku（P為支護阻力；K為支護剛度；u為位移）來確定初期支護的最大阻力。但由于在軟弱破碎圍巖中，圍巖變形和支護之間的極限平衡隨著支護變形程度而變化，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，因此鋼拱架的設計可按照其單獨承受早期松弛荷載來設計。根據設計、施工經驗、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—剛拱承受的早期松弛荷載；q—圍巖松弛荷載，按照松弛荷載統計公式計算；u—鋼拱架的荷載系數，一般為0.1～0.4；（2）擬定鋼拱架尺寸后，進行強度、剛度、穩定性檢算；（3）鋼拱架的截面高度應與噴射混凝土厚度相適應，一般為16～20cm，且要有一定的保護層；（4）為架設方便，每榀鋼拱架一般分為2～6節，并保證接頭剛度，節數應與斷面大小及開挖方法相適應；（5）每榀鋼拱架拱腳對稱設置鎖腳錨桿，鋼拱架之間應設置直徑不小于22mm的縱向連接筋；（6）當圍巖變形量較小或只容許圍巖有小變形量時，鋼拱架可以設計為固定性。當圍巖流動性強、變形量大，且容許圍巖較大變形時，宜將拱架設計為可縮行，其可縮節點設置在拱頂節點處；（7）基于上述設計要點，本案例中的鋼拱架設計參數為：采用14號工字鋼；鋼拱架之間設置Φ25縱向連接筋（間距50cm）；由于是采用全封閉鋼拱架故不設置鎖腳錨桿；鋼拱架分4節安裝，即拱頂1節、拱墻各1節、仰拱1節，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，故在仰拱位置設置了干硬性砼墊層。

5 鋼拱架施工要點

（1）鋼拱架應緊貼巖面，架設在隧道橫向豎直平面內，其垂直度容許誤差±2°；（2）鋼拱架的拱腳應穩定，一般設有墊、縱向托梁、鎖腳錨桿等；（3）鋼拱架的安設應該在開挖后的兩小時內完成；（4）鋼拱架應盡可能多的與錨桿露頭及鋼筋網焊接，以增強其聯合支護效應；（5）噴射混凝土時，應注意將鋼拱架與巖面之間的間隙噴射密實；（6）噴射混凝土應分層分次噴射完成，初期噴混凝土應盡早完成，復噴混凝土應在量測指導下進行，以保證其適時、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，以避免每循環施作仰拱干硬性砼而影響隧洞開挖進度。仰拱鋼拱架的安裝與掌子面的距離間隔根據圍巖的地質情況分3種類型確定：1）圍巖地質情況較好，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、拱墻鋼拱架同時安裝，并對掌子面進行及時封閉。

6 鋼拱架與錨噴支護的結合

（1）在隧道工程中，為適應地質條件和結構條件變化，常將各種單一結構進行恰當組合，共同構成較為合理的、有效的、經濟的支護結構體系，通常為聯合支護；（2）目前在隧道工程中，作為初期支護，使用最多的組合形式是錨桿（主要指系統錨桿）加噴射混凝土（素噴或者網噴）。因此，初期支護可以稱為噴錨支護，它是一種最基本的組合形式；（3）聯合支護施工不僅應滿足各部件安設施工的技術要求，還應該注意以下事項：1）聯合支護宜聯不宜散，彼此要直接的牢固相連，以充分發揮聯合支護效應；2）鋼筋網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和鋼拱架包裹密實；4）分次施作的聯合支護，應盡快將其連接，如超前管棚與系統錨桿及鋼拱架鏈接。

7 結論

通過將全封閉鋼拱架應用到黃土隧洞開挖及一次支護中，解決了圍巖穩定性差、易變形、坍塌、施工安全風險大、施工進度慢的難題，確保了工程的施工安全、工程質量、施工進度，同時在降低工程投資，節約施工成本方面效果顯著。在一次支護完成后，通過對支護斷面的變形觀測，隧洞周邊變形量均在允許的變形標準值范圍內，論證了全封閉鋼拱架在黃土隧洞中的支護效果，為以后的黃土隧洞的施工積累了經驗。

參考文獻：

［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計手冊》［K］.水利電力出版社,1990（02）.

［3］《錨桿噴射混凝土支護技術規范》GB50086-2001［S］.

［4］《水利水電工程錨噴支護技術規范》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。