隧道初期支護格柵鋼架施工技術

陸達鵬

(中鐵七局集團第五工程有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著我國道路建設的快速發展,大量的隧道需要穿越更多更長的黃土地段,這些隧道大多存在地質情況復雜、施工環境要求高、工期短等困難。做好黃土隧道施工工廠化、機械化質量控制是保證隧道施工工期、隧道施工安全的關鍵。為達到蒙華鐵路項目公司提出的隧道工程“機械化”施工的要求以及加快施工進度，通過采用成套格柵鋼架設備進行機械化、工廠化施工，確保項目能夠在保質保量的前提下，按時完成所要求的工作量。同時根據現場機械化施工過程中的每項工序、細化每道工序的節點時間、減少工序之間的銜接時間從而確定出每道單元循環最優的完成時間。

以往隧道格柵鋼架加工制作采用型鋼制作胎模加工，主筋及其余部件均采用人工制作，施工工效低。在機械化施工的條件下，格柵鋼架采用集中加工生產，采購數控加工設備制作“八”字筋、主筋采用鋼筋彎曲機進行預彎加工，制作好的“八”字筋采用專用壓模壓制成形，采用型彎曲機加工制作胎模。加工好的主筋、“八”字筋等在胎模上拼裝點焊成形，最后在集中焊制區統一焊接形成成品。格柵鋼架加工制作設備數控技術，較傳統的人工彎制施工工效大幅提高，節約了人工成本和機械成本。

1 工程概況

蒙華鐵路隧道位于三門峽陜州區，該地區黃土分布地域廣泛。黃土隧道有其自身易塌方、遇水產生濕陷性的特點。根據黃土隧道的施工實踐,合理選擇施工方法,綜合考慮了隧道施工中初期支護格柵鋼架施工安全質量控制的各個方面，強調了施工中必須符合的快速、安全、質量等要求。

2 格柵鋼架施工技術

在隧道施工管理中，充分體現新奧法“初支受力，二襯起安全儲備和裝飾美化作用”的理念，初期支護采用格柵柔性支護，充分發揮圍巖自身的承載能力。以往隧道施工中，格柵“八”字筋采用人工加工，加工質量難以保證，且加工效率低。針對上述問題，“八”字筋采用數控加工，每臺數控鋼筋彎箍機每小時加工180個“八”字筋，相當于15名工人每小時加工量，節約了勞力。且數控設備彎曲精度高，保證了加工質量，提高了生產效率，降低了施工成本。格柵鋼架均為四支格柵鋼架，四根主筋用Φ18或Φ22螺紋筋在模具臺上借助工具彎制成拱形，主筋間安裝八字節，通過組合在模具臺上焊接成格柵形式。格柵鋼架加工過程相比型鋼鋼架加工過程，更加輕便，加工過程中安全系數較高。鋼架安裝時借助在洞室頂部打設的錨桿作為起吊點，用滑輪或電動葫蘆進行起重吊裝，型鋼拱架重量大，一般需要挖掘機或濕噴機械手起吊才能到位，拼裝成功。而格柵鋼架質量相對較輕 ，僅需借助小機具就能完成安裝，顯得更輕便、安全。

格柵鋼架在成本方面優于型鋼拱架，以Vc型襯砌段落為例，型鋼鋼架每榀重量為1 981.5kg，格柵鋼架每榀重量為的986kg，經濟對比情況見表1。格柵鋼架的用鋼量僅僅為型鋼拱架的49.8%，工字鋼的體重大、剛度大，安裝時洞內場地狹小，造成施工極不方便，增加了人力、物力、時間投入。

表1 型鋼和格柵鋼架經濟對比表

格柵鋼架安裝3榀的時間等同于型鋼拱架安裝1榀的時間。型鋼拱架施工速度的緩慢，一是造成工程進度不達標，二是開挖支護掌子面暴露時間延長，給安全帶來不利影響。當隧洞斷面較大、地質條件復雜的時候，特殊危險斷面洞段的處理快慢對隧洞施工總工期的影響是很大的。

3 格柵鋼架施工工藝

3.1 加工單元

根據施工和設計要求需要架設一榀H150格柵鋼架，由A、B、C三個單元組成，單元之間用螺栓連接。用設計規定的角鋼作連接板。根據工程特點，同時為了方便對格柵鋼架管理和質量的保證，采用集中進行加工，出廠預拼，現場安裝。

3.2 加工設備及材料

(1)機械設備主要有電焊機一臺、切斷機GQ40一臺、卷揚機JK2～10T三臺、鋼筋彎曲機GJ7-40四臺、鋼筋調直機 GT4-10a一臺。

(2)材料準備。H150格柵鋼架所需材料：主筋采用22螺紋鋼筋，八字結采用Ф14鋼筋，箍筋采用Ф8圓鋼，定位系筋采用16鋼筋，連接件采用厚度為10mm的鋼板，用Ф24高強螺栓連接。

3.3 工藝流程

H150型格柵鋼架加工工藝流程圖見圖1。

圖1 格柵拱架加工流程圖

(1)模具制作。根據測量組放樣尺寸A單元外弧22長4 530mm，B單元外弧22長4 300mm，C單元外弧22長4 120mm，將定位直立鋼板焊接在平鋪鋼架上作為格柵鋼架焊接模具。格柵鋼架定型模具見圖2。

圖2 格柵拱架加工模具

(2)主筋冷彎。主筋A單元外弧N122長4 530mm，B單元外弧22長4 300mm，C單元外弧22長4 120mm，在冷彎機上進行冷彎。

(3)格柵“八”字筋數控加工。為全面實現自動化、工廠化加工生產，格柵“八”字筋加工采用數控鋼筋彎箍機進行。整根螺紋鋼輸送進鋼筋彎箍平臺中，自動生產出“八”字筋，然后將生產出來的平面“八”字筋通過氣體對焊機焊接接頭，最后通過氣體對壓機將兩個平面“八”字筋擠壓成立體“八”字筋。如圖3～圖6所示。

圖3 數控彎箍機

圖4 氣體對焊機

圖5 對壓機

圖6 “八”字筋成品

(4)連接角鋼加工。H150型格柵鋼架角鋼采用∠125×80×10，孔徑Ф24mm。等離子切割機切割連接角鋼，沖剪機沖螺栓孔。如圖7所示。

圖7 連接角鋼沖剪機加工

(5)“八字節”、連接角鋼與主筋焊接。“八字節”、連接角鋼與主筋焊接在模具定位臺上進行。工作臺為工字鋼和16mm的定位鋼板制成，根據測量組放樣鋼架輪廓線，將定型鋼板豎向焊接在平鋪鋼板上，形成格柵鋼架定型模具。“八字節”、連接角鋼與主筋焊接在模具定位臺上進行，控制變形。格柵鋼架成品如圖8所示。

(6)焊接質量檢驗。鋼架焊接采用40的焊條，焊接完成后，質檢員對鋼架焊接部位檢查，檢查結果為，焊縫較飽滿、長度、寬度符合設計要求。鋼筋上沒有假焊或漏焊的現象，焊縫表面沒有裂紋、焊瘤等缺陷。

圖8 格柵鋼架成品

(7)鋼架試拼。選擇一處相對平整的硬化地面，通過CAD模型放樣出1∶1的鋼架輪廓線；工人按照CAD模型的鋼架單元節數將加工好的各單元鋼架平放在輪廓線上，然后上緊各單元之間的連接螺栓。班組長、技術員、質檢員按照“三檢制”程序和技術交底進行輪廓線、翹曲度等檢查，基中輪廓線誤差為-2cm，平面翹曲偏差為1cm，誤差都在規范允許范圍內。格柵鋼架試拼見圖9。

圖9 格柵鋼架試拼

(8)初期支護施工。蒙華鐵路隧道采用格柵鋼架、掛鋼筋網及濕噴機械手噴射混凝土組成的支護體系。格柵鋼架及初支構建等在鋼結構加工廠集中加工制作配送至作業面, 借助小型機具配合人工架立。隧道無支護時間時對圍巖結構穩定性影響大，必須在開挖后較短時間，一般為4 h完成噴射混凝土, 以防隧道圍巖的黃土失水風化而造成收斂變形過大。初期支護施工順序。

安裝格柵鋼架：安裝鋼架要速度快。開挖斷面完成后經斷面復核檢查滿足要求后立即進行測量放線，緊跟著進行鋼架安裝及連接。鋼架每個節段間用螺栓連接牢固，拱腳置于牢固的基礎墊板上。

掛設鋼筋網：鋼架節段安設及連接后及時掛設鋼筋網作業。安裝鋪網片時需注意網片搭接寬度，搭接寬度不得小于1個網格，并焊接牢固。

鋼架定位系筋：沿鋼架環向左右側間距1m布置Φ16定位系筋(長1m)，并與拱架焊接牢固。

縱向連接筋：縱向連接筋將相鄰2榀鋼架焊接連接成整體，Φ22連接筋沿鋼架環向間距1m布置，并與相鄰拱架焊接牢固。

鎖腳錨管：鎖腳錨管設置在每個臺階底腳部位，每處2根，鎖腳錨管斜向下角度為45°，鎖腳錨管與格柵鋼架通過“L”形連接筋焊接成整體。

噴射混凝土：采用濕噴機械手噴射C25混凝土至圖紙設計厚度。

4 結 語

(1)采用格柵鋼架可減少圍巖及掌子面暴露時間，對于時間的節省具有一定作用。“新奧法”主要考慮到長時間暴露會增加圍巖變形量，因此要求對暴露的圍巖進行及時支護。隧道圍巖要在開挖后及時架設鋼架和焊接鋼筋網，盡早進行噴射混凝土施工，使圍巖形成封閉讓初支整體受力，防止圍巖失穩，而如果型鋼拱架施工時間較長，對于最佳的支護時間不能夠有效利用，將會對施工作用造成不利影響，同時較長的作業時間會增大作業人員在洞內的風險，使得人身安全及設備安全同時受到威脅。

(2)材料特性對支護施工進行考慮，格柵鋼架的柔性相對較強，剛度適中，對于支護的安全性具有較大支撐作用，并且由于其材料特點，與型鋼拱架相比，容許圍巖適度變形的能力較強大，在支護過程中能夠及時提供較大支護阻力，尤其對于巖層較破碎、地層不穩定的施工結構適應性較強。

(3)格柵鋼筋拱架與型鋼拱架相比具有施工便捷、投資節省的優勢，提倡優先使用格柵鋼筋拱架。隧道初支格柵鋼架的應用，不僅節省了投資，提高了工效，而且沒有發生安全事故。