浅谈全封闭钢拱架在黄土隧洞中的应用

汪萍萍（广东水电二局股份有限公司,广州 511340）



浅谈全封闭钢拱架在黄土隧洞中的应用

汪萍萍
（广东水电二局股份有限公司,广州 511340）

摘 要：在引水隧洞开挖支护施工中，通过对钢拱架初期支护的具体实践，论述了钢拱架支护的施工技术。通过对支护断面的后续变形观测，论证了钢拱架的支护效果，为以后的黄土隧洞的施工积累了经验。

关键词：全封闭钢拱架；黄土隧洞；应用

1 概述

无论是采用喷射混凝土还是锚杆（抑或是加长、加密锚杆）或是在混凝土中加入钢筋网、钢纤维，主要是利用其柔性和韧性，而对其整体刚度并未过多要求，这对支护不太破碎的围岩并使其稳定是可行的；对于围岩软弱破碎严重且自稳定性差时，开挖后增设钢拱架（半封闭）支护，以阻止围岩的过度变形和承受部分松弛荷载；而对于黄土隧洞，采用全封闭钢拱架支护，能够迅速地支承围岩，在阻止围岩拱顶下层、周边位移等方面效果显著，确保了施工的连续性和安全性。

2 工程地质情况

在引洮二期项目中，引水隧洞穿越了大量黄土地层段，特别是在各隧洞的进出口位置，围岩地质较差，主要以马兰黄土为主，围岩类别为V1～V2类。马兰黄土结构松散，土质均一，具中高压缩性、自重强湿陷性。黄土状土结构稍密～中密，土质不均，属中低压缩非～轻微湿陷性土。黄土洞段基本无地下水，属黄土隧洞V1类围岩；黄土洞段位于地下水位附近，相对持水呈软塑状，处于饱水状态，属黄土隧洞V2 类围岩，围岩自身稳定性差。

3 钢拱架组成及性能

（1）钢拱架的组成。钢拱架的受力结构一般由工字钢、连接钢板、锁脚锚杆、连接钢筋等组成，直接在施工现场采用冷弯机弯制成型；（2）钢拱架性能特点。1）钢拱架的整体刚度很大，可以提供较大的早期支护刚度；2）钢拱架可以很好的与超前管棚、锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合，构成联合支护，增强支护的有效性，且受力条件较好；3）钢拱架的加工制作、洞内架设较为方便。

4 设计要点

（1）从理论上讲，钢拱架要按其与锚杆、喷射混凝土共同工作状态来设计，即按照P=Ku（P为支护阻力；K为支护刚度；u为位移）来确定初期支护的最大阻力。但由于在软弱破碎围岩中，围岩变形和支护之间的极限平衡随着支护变形程度而变化，难以确定。另一方面由于软弱破碎围岩早期变行快，有可能造成较大变形和一定范围的松弛荷载，因此钢拱架的设计可按照其单独承受早期松弛荷载来设计。根据设计、施工经验、早期松弛荷载的量值一般按照全部松弛荷载的10～40%来考虑，用下式表示：Q=uq。Q—刚拱承受的早期松弛荷载；q—围岩松弛荷载，按照松弛荷载统计公式计算；u—钢拱架的荷载系数，一般为0.1～0.4；（2）拟定钢拱架尺寸后，进行强度、刚度、稳定性检算；（3）钢拱架的截面高度应与喷射混凝土厚度相适应，一般为16～20cm，且要有一定的保护层；（4）为架设方便，每榀钢拱架一般分为2～6节，并保证接头刚度，节数应与断面大小及开挖方法相适应；（5）每榀钢拱架拱脚对称设置锁脚锚杆，钢拱架之间应设置直径不小于22mm的纵向连接筋；（6）当围岩变形量较小或只容许围岩有小变形量时，钢拱架可以设计为固定性。当围岩流动性强、变形量大，且容许围岩较大变形时，宜将拱架设计为可缩行，其可缩节点设置在拱顶节点处；（7）基于上述设计要点，本案例中的钢拱架设计参数为：采用14号工字钢；钢拱架之间设置Φ25纵向连接筋（间距50cm）；由于是采用全封闭钢拱架故不设置锁脚锚杆；钢拱架分4节安装，即拱顶1节、拱墙各1节、仰拱1节，拱顶与拱墙间采用8mm厚的连接钢板螺栓连接，仰拱与拱墙间采用焊接；由于隧洞底部为黄土，故在仰拱位置设置了干硬性砼垫层。

5 钢拱架施工要点

（1）钢拱架应紧贴岩面，架设在隧道横向竖直平面内，其垂直度容许误差±2°；（2）钢拱架的拱脚应稳定，一般设有垫、纵向托梁、锁脚锚杆等；（3）钢拱架的安设应该在开挖后的两小时内完成；（4）钢拱架应尽可能多的与锚杆露头及钢筋网焊接，以增强其联合支护效应；（5）喷射混凝土时，应注意将钢拱架与岩面之间的间隙喷射密实；（6）喷射混凝土应分层分次喷射完成，初期喷混凝土应尽早完成，复喷混凝土应在量测指导下进行，以保证其适时、有效；（7）本案例中全封闭钢拱架一般先安装拱顶及拱墙部分的钢拱架，仰拱的安装稍许滞后，采取分段安装，以避免每循环施作仰拱干硬性砼而影响隧洞开挖进度。仰拱钢拱架的安装与掌子面的距离间隔根据围岩的地质情况分3种类型确定：1）围岩地质情况较好，无地下水渗出，土体含水率小于15%，仰拱钢拱架的安装与掌子面的距离可为10m；2）围岩地质情况较好，无地下水渗出，土体含水率为15%～20%，仰拱钢拱架的安装与掌子面的距离可为5m；3）围岩地质情况较差，有地下水渗出，土体含水率大于20%，仰拱钢拱架的安装必须与拱顶、拱墙钢拱架同时安装，并对掌子面进行及时封闭。

6 钢拱架与锚喷支护的结合

（1）在隧道工程中，为适应地质条件和结构条件变化，常将各种单一结构进行恰当组合，共同构成较为合理的、有效的、经济的支护结构体系，通常为联合支护；（2）目前在隧道工程中，作为初期支护，使用最多的组合形式是锚杆（主要指系统锚杆）加喷射混凝土（素喷或者网喷）。因此，初期支护可以称为喷锚支护，它是一种最基本的组合形式；（3）联合支护施工不仅应满足各部件安设施工的技术要求，还应该注意以下事项：1）联合支护宜联不宜散，彼此要直接的牢固相连，以充分发挥联合支护效应；2）钢筋网及钢拱架要尽可能多的与锚杆头焊连，锚杆头要适量露头；3）钢筋网及钢拱架要被喷射混凝土所包裹、覆盖、即喷射混凝土要与钢筋网和钢拱架包裹密实；4）分次施作的联合支护，应尽快将其连接，如超前管棚与系统锚杆及钢拱架链接。

7 结论

通过将全封闭钢拱架应用到黄土隧洞开挖及一次支护中，解决了围岩稳定性差、易变形、坍塌、施工安全风险大、施工进度慢的难题，确保了工程的施工安全、工程质量、施工进度，同时在降低工程投资，节约施工成本方面效果显著。在一次支护完成后，通过对支护断面的变形观测，隧洞周边变形量均在允许的变形标准值范围内，论证了全封闭钢拱架在黄土隧洞中的支护效果，为以后的黄土隧洞的施工积累了经验。

参考文献：

［1］《水利水电工程施工手册》［K］.中国电力出版社,2002（12）.

［2］《水利水电工程施工组织设计手册》［K］.水利电力出版社,1990（02）.

［3］《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001［S］.

［4］《水利水电工程锚喷支护技术规范》SL377-2007［S］.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.087

作者简介：汪萍萍（1989-），女，湖南桃江人，本科，水工助理工程师。