軟弱圍巖隧道鋼拱架施工質量控制技術

李 宏

（中鐵十七局集團城市建設有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 引言

公路軟弱圍巖隧道襯砌設計時，V級圍巖一般采用型鋼拱架+噴射混凝土的初期支護體系。鋼支撐作為初期支護的主要承載構件，對初期支護的結構穩定發揮著重要作用。受隧道開挖方式和安裝空間的限制，鋼拱架預先在隧道外分單元加工完成，施工時通過拱架單元間連接鋼板的螺栓連接和焊接完成拱架單元的拼接，這就存在了諸多影響鋼拱架安裝質量的因素，鋼拱架的加工精度和拼裝精度是質量控制的關鍵。軟弱圍巖隧道存在的大變形和拱腳下沉導致施工期間存在初期支護受荷載過大，噴射混凝土出現開裂、掉塊、鋼拱架扭曲變形等現象，對隧道拱架單元間的拼裝極其不利，上斷面施工完成的拱架單元變形使得下斷面施工時拱架的拼裝精度難以控制。軟弱圍巖隧道施工中變形控制和質量控制是相輔相成的，首先要對隧道進行拱腳下沉控制，保證隧道鋼拱架的施工質量，從而減小隧道初期支護變形和圍巖松弛，提高隧道初期支護質量，保障施工期間的安全。

2 鋼拱架的特點

2.1 鋼拱架的力學特點

通過對型鋼拱架初期支護的坍塌破壞過程研究發現，型鋼拱架初期支護承受荷載過大時，首先出現豎向裂縫，局部噴射混凝土掉塊，隨后裂縫繼續發展，裂縫寬度逐漸變寬，鋼架外側噴射混凝土大面積脫落且鋼架扭曲變形，最后發生失穩坍塌，說明了型鋼拱架與噴射混凝土的黏結性、協調變形性較差，型鋼拱架的剛度較大，極限承載能力較高，屬于剛性支護體系。因此，型鋼拱架是軟弱圍巖隧道支護設計的主要形式。

2.2 鋼拱架的施工特點

由于隧道開挖方式和作業空間的限制，鋼拱架預先在隧道外分單元加工完成，施工時通過拱架單元間連接鋼板的高強螺栓連接和焊接完成拱架單元的拼接。若拱架單元間的拼接誤差較大，拱架中心線存在偏差，拱架連接處將產生較大的附加應力，減弱了初期支護的極限承載能力，進而誘發初期支護大變形或坍塌的事故。

3 影響拱架施工質量的關鍵因素

3.1 鋼拱架的加工精度

根據現在的生產水平，鋼拱架采用型鋼彎拱機進行加工，鋼拱架的曲率、長度等參數均能良好控制，連接鋼板采用聯合沖剪機加工，鋼板的剪板、沖孔加工精度高，連接鋼板和型鋼之間的焊接多采用人工焊接方式，生產過程中常常會存在人為誤差，連接鋼板的焊接位置不精確，螺栓孔位偏差較大，螺栓孔位不能很好對應，導致拱架拼裝后鋼板不能良好貼合，存在縫隙，鋼拱架拼裝完成后中心線存在偏差，拱架連接處承受剪力增大，降低了鋼拱架的承載能力。圖1為拱架單元連接示意圖。

圖1 拱架單元連接示意圖

3.2 鋼拱架的拼裝精度

公路隧道斷面尺寸較大，通常將掌子面分為多個小斷面施工，開挖上斷面洞身后開展初期支護，噴射混凝凝土達到一定強度后再施工下斷面，先行開挖施工的上斷面噴射混凝土作業容易造成上臺階拱架連接鋼板的污染，螺栓孔及連接鋼板覆滿噴射混凝土，連接鋼板表面不平整，對連接鋼板上噴射混凝土采用人工清理，殘留混凝土仍會影響拱架拼裝精度。分臺階施工的隧道做好已施工拱架連接鋼板的保護和避免污染措施是保障鋼拱架拼裝精度的關鍵。圖2為拱架單元示意圖。

圖2 拱架單元示意圖

3.3 拱腳下沉對鋼拱架拼裝精度的影響

軟弱圍巖隧道地質情況主要為全、強風化巖，圍巖軟化系數高、穩定性差，開挖后圍巖呈塑性變形，很難發揮圍巖的自穩性，初期支護需要承受較大的土壓力，加上拱腳處地基承載力較低，易受剪切破壞。在隧道初期支護體系未閉合成環之前，拱腳承載力不足引起拱腳和周邊圍巖的下沉，進而加大了圍巖松弛區域，初期支護承受荷載繼續增大，造成初期支護鋼架變形扭曲、連接鋼板角度改變，是影響鋼拱架拼裝精度的重要因素。軟弱圍巖隧道施工需先解決拱腳下沉的問題，才能有效提高鋼拱架的拼裝精度。

4 技術對策

4.1 利用連接鋼板定位器提高焊接精度

針對工字鋼與連接鋼板的焊接存在人為因素影響，采用加工一個連接鋼板定位器輔助焊接作業的方法，利用連接鋼板定位器將連接鋼板精確定位，避免長期生產中存在的人為因素影響。定位器加工簡單、成本低廉、可實施性較強。

（1）加工一個連接鋼板定位器，根據不同規格型號工字鋼上下翼緣板間內寬、不同拱架連接板尺寸及螺栓孔位置，確定定位器寬、高和定位器螺栓位置，采用6mm厚的鋼板與螺栓焊接成定位器的前控制板。

（2）加工后控制板及板肋，后控制板寬度與前控制板相同，以剛好能嵌入工字鋼翼緣板間即可，板肋加工長度滿足方便使用即可，焊接前后控制板及板肋，完成定位器的加工，后控制板和肋板主要以能良好固定定位器為目的，尺寸可視情況加工。

（3）連接鋼板焊接時，將定位器放置于工字鋼上，連接鋼板螺栓孔穿過定位器螺栓進行定位，使連接鋼板緊貼工字鋼后點焊連接鋼板四周，完成固定，滿焊完成連接鋼板焊接。圖3為連接鋼板定位器大樣圖、圖4為連接鋼板定位器E視圖。

圖3 連接鋼板定位器大樣圖

圖4 連接鋼板定位器E視圖

4.2 拱架連接鋼板的保護措施

如圖5所示，以CD法進行洞身開挖的隧道為例，在Ⅰ導坑初期支護施作后進行Ⅱ導坑開挖，再施工Ⅱ導坑初期支護，拱架單元B的連接鋼板通常會受Ⅰ導坑噴射混凝土的污染，可采用土工布包裹連接鋼板法應對。

圖5 CD法施工拱架單元加工示意圖

在進行上斷面鋼拱架安裝時，根據連接鋼板尺寸確定土工布尺寸，將土工布切割后包裹于上下斷面拱架單元拱腳連接鋼板上，并用鐵絲綁扎牢固，包裹完成后的拱架即可用于安裝。在下斷面開挖后施工初期支護時，將土工布清除即可進行鋼拱架的拼接作業。

4.3 拱腳下沉控制

目前，控制軟弱圍巖拱腳下沉的技術已經越來越完善，處理方法多樣，每種處理方法的施工便捷性、作業效率、占用每循環作業時長等均存在較大差異。實際應用時，根據項目實際的工期要求、造價預算等因素進行篩選，選擇適合的處理方法對施工工期、造價控制具有重要意義。

拱腳下沉的處理主要有兩大類思路：一是通過應力擴散措施增大拱腳與圍巖接觸面積，拱腳傳遞給圍巖的應力小于圍巖承載力，即可達到控制下沉的效果。二是通過對拱腳處圍巖的改良或補強提高拱腳處圍巖承載力。

4.3.1 應力擴散的措施

①臨時仰拱（見圖6）。臨時仰拱的設置提前了初期支護體系閉合的時間，對于隧道拱頂沉降和周邊位移控制具有良好的效果。臨時仰拱拱架與上斷面拱架相連接，將上斷面拱腳部分荷載分散至臨時仰拱設置范圍的圍巖對上斷面已施工的初期支護拱腳下沉控制效果顯著，但臨時仰拱在施工下斷面時需拆除，施工工序繁瑣，影響隧道施工進度，且臨時仰拱拆除時初期支護體系受力特性的改變容易造成變形等隱患。

圖6 臨時仰拱

②擴大拱腳噴射混凝土（見圖7）。通過擴大拱腳處噴射混凝土的厚度，加厚區域相當于一道連續的縱梁和初期支護共同受力，增大了拱腳與圍巖的接觸面積，減小拱腳應力。加厚區域高度約為拱腳以上0.6～1m范圍，寬度越大，受力面積增大，應力減小，效果越明顯，但是需考慮噴射混凝土的受沖切破壞，加厚角度應控制在45°以內。因此，加厚區域寬度和高度基本一致，擴大拱腳噴射混凝土法施工便捷、作業效率高。

圖7 擴大拱腳噴射混凝土

③拱腳設置墊塊。鋼拱架的拱腳設置尺寸加大的墊塊來提高拱腳接觸面積，在實際施工時，墊塊的設置較麻煩，難以控制墊塊達到與圍巖良好接觸且平整的效果。

4.3.2 提高拱腳承載力的措施

①拱腳圍巖補強。拱腳圍巖補強可采用設置腳部補強錨桿+注漿的措施，全長黏結型錨桿的搭設能有效提高圍巖的抗剪強度，補強錨桿長度一般為2～4m，錨桿搭設角度向開挖線外側傾斜，通過注漿充填圍巖裂隙、固結，結合錨桿共同受力，增加拱腳圍巖的承載力。拱腳補強施工簡單、便捷。

②拱腳支撐樁的設置。拱腳支撐樁的設置可采用Φ108鋼管樹根樁和高壓噴射攪拌樁等。處理后的拱腳承載力大，但處理成本高、施工繁瑣、作業效率低，高壓噴射攪拌樁的施工需要專用設備，只在特定的情況下使用。

4.3.3 拱腳下沉處理的方法比較

拱腳下沉處理的方法比較見表1。

表1 拱腳下沉處理的方法比較

5 結語

該施工工藝在貴州省都勻至安順高速公路隧道施工中得到了廣泛應用，采用連接鋼板定位器輔助連接鋼板與型鋼的焊接作業，將型鋼與連接鋼板的焊接精度控制到了1mm以內；采用擴大拱腳噴射混凝土的方法控制隧道軟弱圍巖拱腳下沉，將拱腳下沉控制到了2cm以內；采用土工布包裹法防止拱架單元連接鋼板受噴射混凝土污染，解決了上下斷面拱架單元的拼裝偏差問題，將鋼拱架一次安裝質量檢驗合格率由83%提高至95%。該工藝技術方案經濟、便捷、施工簡單，應用效果良好，具有較大的推廣性和參考性。