漫談礦山法隧道技術(shù)第四講——鋼架

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都　610031)

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漫談礦山法隧道技術(shù)第四講——鋼架

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都610031)

摘要：介紹型鋼鋼架的類型、應(yīng)用要點及功能效果。重點闡述能使型鋼鋼架發(fā)揮支護效果的關(guān)鍵因素(包括： 與圍巖緊密接觸、增強腳部支持力、與噴混凝土形成一體、采用高規(guī)格型鋼鋼架)，強調(diào)應(yīng)堅持鋼架與圍巖間用楔塊楔緊；提出當(dāng)圍巖條件惡劣時，可借鑒日本開發(fā)的用型鋼代替大拱腳的方法；認(rèn)為當(dāng)斷面大、圍巖差時，有必要用高規(guī)格的H型鋼代替工字鋼，可不增加開挖斷面面積和噴混凝土的數(shù)量。介紹瑞士在Gotthard隧道預(yù)計會出現(xiàn)大變形時，采用的可縮式鋼支撐，具有使坑道剛性逐漸提高的效果。我國鋼架多采用人工架設(shè)，速度慢且架設(shè)質(zhì)量難以保證，介紹日本的鋼架架設(shè)設(shè)備(帶舉重臂的一體型噴射臺車和搭載在鉆孔臺車上的架設(shè)機械)，這些設(shè)備可以提高鋼架架設(shè)的安全性和作業(yè)效率。介紹日本對型鋼鋼架的施工管理規(guī)定。從國外隧道施工趨勢來看，采用型鋼鋼架很少，采用格柵鋼架更為普遍。在格柵鋼架的應(yīng)用方面，與國外相比，我國的經(jīng)驗更為成熟。我國的格柵是4肢的，美國、日本、歐洲一些國家的格柵是3肢的。比較詳細(xì)地介紹了挪威的鋼筋肋。日本在二川公路隧道的試驗，認(rèn)為在與標(biāo)準(zhǔn)支護模式同等承載力的條件下，3根主筋構(gòu)成的格柵，每榀比H型鋼大約節(jié)約100 kg鋼材。日本正在研究用高強度噴混凝土代替型鋼鋼架的可行性，值得關(guān)注。最后強調(diào)： 1)鋼架如果與圍巖不緊密接觸，就不可能發(fā)揮其應(yīng)有的支護功能，因此，設(shè)置楔塊必不可少，噴混凝土?xí)r鋼架與圍巖間要噴密實； 2)應(yīng)進(jìn)一步研究格柵鋼架和型鋼鋼架的應(yīng)用及適用條件。

關(guān)鍵詞：隧道； 礦山法； 型鋼鋼架； 可縮式鋼支撐； 機械化架設(shè)； 施工管理； 格柵鋼架； 鋼筋肋； 高強度噴混凝土

0引言

鋼架是從木支撐演變而來的。目前鋼架大體上分為型鋼鋼架和格柵鋼架2類。鋼架的采用與國情和習(xí)慣有關(guān)，日本主要采用型鋼鋼架，而歐美則主要采用格柵鋼架，我國則是型鋼鋼架和格柵鋼架兼用。

一般來說，在初期支護中，鋼架很少單獨應(yīng)用，多數(shù)場合是與噴混凝土或錨桿一道使用。在不良圍巖中，鋼架是必不可少的支護構(gòu)件之一，特別是型鋼鋼架如安裝合理、及時，就能立即發(fā)揮其支護效果，是其他支護構(gòu)件不可比擬的。因此，了解鋼架的基本特性、支護機制及安設(shè)要求是非常重要的。

1型鋼鋼架

圖1為鋼架構(gòu)造的概貌。型鋼鋼架采用的鋼材有H型鋼、鋼管、V型鋼、U型鋼等，我國幾乎都采用I型鋼，局部采用H型鋼。V型鋼和U型鋼是在凈空位移大的特殊場合采用可縮式鋼架用的鋼材。日本主要采用H型鋼或高強度HH型鋼。

圖1　鋼架構(gòu)造概貌

在通常的開挖中，多是上半斷面開挖后再開挖下半斷面。為此，支護腳部要適應(yīng)下半斷面的施工，在下半斷面沒有開挖的部分要設(shè)支護墊板。鋼架的設(shè)置寬度因為比隧道寬度大，故其半徑也要比隧道半徑大，或者用直線段擴展。

鋼架在小斷面隧道中通常分為2段，在拱頂處設(shè)接頭，此接頭位于支護的軸線位置，用2根螺栓連接；因此，接頭不能傳遞彎矩，在構(gòu)造上成為3鉸拱，而且要求接頭部也不能傳遞軸力偏心產(chǎn)生的彎矩。由于偏心產(chǎn)生多余的彎矩會使強度下降，為此，一般都在接頭板上部留有10 mm左右的間隙，在荷載作用下此間隙閉合，就能夠無偏心地傳遞軸力。

鋼架是壓縮構(gòu)件，組裝時要在荷載面內(nèi)保持平面，同時要維持其平面，否則會產(chǎn)生面外屈服。為此，支護間要相互連接，為防止面外方向的變形要設(shè)聯(lián)系構(gòu)件。聯(lián)系構(gòu)件要能應(yīng)對壓縮變形和拉伸變形，應(yīng)對壓縮變形可采用鋼管或圓木，應(yīng)對拉伸變形可采用聯(lián)系螺栓。用噴混凝土埋住鋼架的場合，可不用聯(lián)系構(gòu)件。聯(lián)系構(gòu)件的間隔最好密些，通常采用1.0～1.2 m。

底板的設(shè)置有與支護軸線直交的方法和配合開挖面水平設(shè)置的方法。水平設(shè)置可能造成支護軸力的水平分力使腳部向圍巖側(cè)滑動，因此腳部一定要用楔塊楔緊。與支護軸線直交設(shè)置的場合，支護腳部的開挖要配合底板。

在鋼架安裝正常的情況下，鋼架的功能及效果見表1[1]。

2發(fā)揮型鋼鋼架支護效果的關(guān)鍵

2.1與圍巖緊密接觸

不管采用哪種開挖方法，不管開挖如何精心，開挖面都是凹凸不平的，型鋼鋼架很難與圍巖緊密地、全面地直接接觸，即使有接觸也是局部的；再加上架設(shè)不到位，可以說型鋼鋼架與圍巖是不密貼的，存在局部或全部懸空的狀態(tài)。在這種情況下，型鋼鋼架多數(shù)受局部集中荷載或偏壓荷載的作用，因此，型鋼鋼架是易于變形(易于彎曲或屈服)的支護構(gòu)件。為此，鋼架架設(shè)后要用墊塊、楔塊等楔緊，以調(diào)整力的分布，使之充分發(fā)揮支護作用。

《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》中規(guī)定： “沿鋼架外緣每隔2 m用鋼楔或混凝土預(yù)制塊楔緊”，但在實際工程中沒有做到。

鋼架與圍巖間用鋼楔或木楔等楔緊是非常重要的，因為楔塊的作用不僅僅是楔緊，同時給予鋼架和圍巖以同等的反力，且此反力是可以調(diào)節(jié)的，可大可小，視圍巖狀況決定，一般都設(shè)定在200～300 kPa。由于往往忽視這一點，常造成鋼架局部受力過大而屈服、失穩(wěn)。日本型鋼鋼架用楔塊楔緊的試驗結(jié)果(見圖2和表2)，充分說明了這一點。

表2中，A是有9個楔點的情況，B是有7個楔點的情況，C是有5個楔點的情況，F(xiàn)是楔點具有反力的情況，F(xiàn)a是楔點沒有反力的情況。由表2可知，楔點數(shù)對鋼架的作用影響很大，若9個楔點時鋼架承載力為100%，7個楔點則是80%，5個楔點是60%，承載能力大幅度下降。

表1　鋼架的功能及預(yù)計效果的概念

圖2　鋼架的楔點

Table 2Testing results of influence of wedging points on bearing capacity of steel arch

接觸點狀態(tài)ABCF接觸點有反力的鋼支撐1008060Fa接觸點無反力的鋼支撐907050

在型鋼鋼架上設(shè)楔形塊，使之與圍巖接觸，是國內(nèi)外普遍的做法，這一點一定要堅持。楔塊應(yīng)作為型鋼鋼架的配件予以制備，不能等閑視之。

2.2增強腳部支持力

型鋼鋼架是用軸力來支持荷載的，能夠在很大的軸力下工作，此軸力應(yīng)通過底板確實地傳遞、支持圍巖。若圍巖惡劣，荷載很大，支持力低，則會因支持力不足而引起下沉；特別是在大斷面隧道中，對拱腳的支持力要求很高，此時有必要擴展支持面積，常采用“大拱腳”就是一例，但加大拱腳是有限的，而且要擴幅開挖，使開挖斷面形狀變差。圖3是日本戶田、西松會社共同開發(fā)的用型鋼代替大拱腳的一種方法。

圖3　鋼架腳部構(gòu)造示意圖

在型鋼鋼架腳部設(shè)置確保接地面積的墊板，同時在型鋼兩翼焊接鋼板以分散鋼架的軸力，防止支撐的初期沉降。必要時，在鋼板上設(shè)打入錨桿或側(cè)壁鋼管的孔，來增強防止沉降的效果。這種方法如果與鎖腳錨桿相結(jié)合，可能對控制下沉的效果更佳。

2.3與噴混凝土形成一體的構(gòu)造

鋼架必須與周邊圍巖緊密接觸，同時也必須與噴混凝土形成一體，才能充分發(fā)揮其功能。在噴混凝土初期強度形成之前，圍巖是依靠鋼架獨立支撐的，當(dāng)噴混凝土強度形成之后，鋼架與噴混凝土才能共同發(fā)揮支護作用。因此，應(yīng)盡可能地讓噴混凝土充分包裹鋼架，背后及角部不留空隙是很重要的，只要精心噴射完全可以做到這一點。

2.4采用高規(guī)格型鋼鋼架

大斷面隧道與雙車道隧道相比，開挖寬度幾乎增加2倍，高度增加1.5倍，型鋼鋼架的軸力、彎矩要大得多，同時由于斷面扁平而引起的應(yīng)力集中也大。為此，型鋼鋼架有大型化的必要，隨之鋼架質(zhì)量增加、安裝時間增加、開挖斷面面積也增加，會對隧道開挖速度產(chǎn)生相當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

因此，采用高強度的鋼材，使之輕量化和初期支護薄壁化，以提高其施工性能。高規(guī)格型鋼鋼架的應(yīng)用，經(jīng)過材料特性、FEM解析、彎曲承載力試驗等的性能評價研究及試驗施工，在日本新東名隧道中已經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。日本新東名隧道采用的型鋼鋼架規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3　高規(guī)格鋼架的材料規(guī)格

與過去采用的普通鋼相比，高規(guī)格鋼能夠滿足其性能和特性，而且尺寸經(jīng)濟。

圖4是CⅡ模式下過去采用的鋼材與高規(guī)格鋼材鋼架的比較。

從圖4可以看出，日本的型鋼鋼架經(jīng)歷了工字鋼、H型鋼、HH型鋼的變化，其主要目的是在圍巖比較差的場合，不增加開挖斷面面積，而用低高度的H型鋼以及高強度的HH型鋼。

在Ⅴ級圍巖中開挖隧道，由于采用工字鋼型鋼鋼架，噴混凝土厚度不得不增加到28 cm，這顯然是不合適的，不僅增加了噴混凝土的數(shù)量，而且也擴大了開挖斷面。在這種情況下，采用H型鋼是非常必要的。

圖4　CⅡ模式下過去采用的普通鋼架與高規(guī)格鋼架的比較

Fig. 4Conventional steel arch vs. high-performance steel arch under CⅡ mode

3可縮式鋼架

在瑞士的Gotthard隧道中，因為預(yù)計會出現(xiàn)大變形，采用了可縮式鋼支撐。該支撐不是過去(見圖5)那種單純是縮小的支撐，而是一邊維護支護內(nèi)壓(剛性)、一邊縮小的支撐。具體地說，就是在噴混凝土中設(shè)置“支護應(yīng)力控制器”(見圖6)，其方法有以下2種。

(a)

(b)

1)AT-LSC Elements。是在圓柱內(nèi)部充填特殊的砂漿，壓縮量可達(dá)50%，抗壓強度能夠在1～5 MPa調(diào)整(應(yīng)用于Tauern隧道和Gotthard隧道)。

2)hiDCon。是梁型的高壓縮性砂漿，其變形量可達(dá)50%(應(yīng)用于Lyon—Turin高速鐵道)。

因為兩者都是在內(nèi)部配置有高壓縮性的特殊砂漿，所以能夠?qū)?yīng)不同的凈空位移。

(a)

(b)

Lyon—Turin高速鐵道的SMLP作業(yè)坑道是黑色片巖、砂巖、黏土質(zhì)頁巖夾有煤層的不均質(zhì)破碎帶(埋深350 m以上)，采用可縮式鋼支撐，視距掌子面的距離，具有使坑道剛性逐漸提高的效果。

4鋼架的機械化架設(shè)

國外的鋼架多數(shù)是工廠預(yù)制的，主要采用H型鋼，有特殊情況時采用U型鋼和鋼管。

鋼架架設(shè)占用作業(yè)循環(huán)時間比較長，因此日本曾進(jìn)行過取消鋼架的試驗。我國的鋼架多數(shù)是由人工架設(shè)的，速度慢，且架設(shè)質(zhì)量也存在問題。

鋼架一般多在鉆孔臺車(見圖7)或者噴射機臺車上設(shè)置專用的架設(shè)機械進(jìn)行架設(shè)。圖8是日本在赤巖隧道采用的安裝在一體型噴射機臺車上的架設(shè)機械，目的是提高架設(shè)鋼架的安全性和作業(yè)效率，縮短噴射時間。鋼架搭載在臺車的舉重臂上，用液壓控制調(diào)整器，決定架設(shè)位置，架設(shè)需要5 min，安裝系桿、金屬網(wǎng)需要12 min，架設(shè)十分迅速，可架設(shè)H125～H250鋼架，臂長4 650～8 260 mm，載荷1 250 kg。圖9是洞內(nèi)架設(shè)鋼架概況，圖10是洞外搭載鋼架的狀況。

目前中鐵隧道集團已開發(fā)出鋼架架設(shè)機(見圖11)，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

5型鋼鋼架的施工管理

日本在《隧道施工管理要領(lǐng)》[2]中，對型鋼鋼架的施工管理規(guī)定如下。

施工前應(yīng)提交的報告見表4。

圖7　搭載在鉆孔臺車的架設(shè)機械

圖8　帶舉重臂的一體型噴射臺車

圖9　洞內(nèi)架設(shè)鋼架

圖10　洞外搭載鋼架

(a)

(b)

試驗類型 報告書名 報告書樣式報告書(標(biāo)準(zhǔn))提交份數(shù)需要監(jiān)管員同意鋼支撐基準(zhǔn)試驗日常管理試驗品質(zhì)管理報告書制造廠的規(guī)格證明書制品進(jìn)場后的第2天1○形狀檢查報告書自主保存1品質(zhì)管理報告書制造廠的規(guī)格證明書自主保存1

報告書中的基準(zhǔn)試驗應(yīng)符合表5的規(guī)定。

報告書中的日常管理試驗應(yīng)符合表6的規(guī)定。

6格柵鋼架

格柵鋼架是由鋼筋編織而成的支護構(gòu)件。從國外隧道施工的趨勢看，很少采用型鋼鋼架，普遍采用格柵鋼架，如挪威法、美國法等。與國外比較，我國格柵鋼架的應(yīng)用經(jīng)驗可能更為成熟，值得很好總結(jié)。我國的格柵多數(shù)是4肢的，美國、日本以及歐洲一些國家的格柵基本上是3肢的。挪威更為不同，通常的做法是把6根直徑為16 mm的鋼筋固定在長40～60 cm的鋼條上，用徑向錨桿固定，挪威稱之為鋼筋肋[3](見圖12)，有單排的，也有雙排的，應(yīng)用也是多種多樣的。圖13為鋼筋肋的施工狀況。

表5　報告書中的基準(zhǔn)試驗

表6　報告書中的日常管理試驗

(a) 鋼筋肋的基本構(gòu)造

1—噴混凝土； 2—找平噴混凝土； 3—錨桿； 4—鋼筋肋； 5—噴混凝土保護層； 6—錨桿頭部。

(b) 單排的鋼筋肋

(c) 雙排的鋼筋肋

(a) 噴混凝土前

(b) 噴混凝土后

格柵鋼架與噴混凝土的結(jié)合比型鋼鋼架好，但架設(shè)初期是不能承載的，需要與噴混凝土結(jié)合,并在噴混凝土強度形成后才能承載，其承載性能隨噴混凝土強度的增加而增長。兩者的支護機制是不同的。挪威的鋼筋肋是柔性的，安裝比較方便，并用錨桿固定。

日本在修建二川公路隧道時，作為新技術(shù)對格柵進(jìn)行了試驗施工[4]。試驗施工是在CⅡ級圍巖區(qū)間(延長99.6 m)中的10.8 m(9榀)進(jìn)行的。

試驗采用3根主筋構(gòu)成的格柵，底板和接頭用L形鋼材焊接(見圖14)。

圖14　格柵概貌

格柵的規(guī)格(主筋直徑、斷面尺寸)按與具有標(biāo)準(zhǔn)支護模式同等的承載力決定。表7是決定的格柵規(guī)格和與標(biāo)準(zhǔn)支護模式的H型鋼的比較。圖15是把格柵和H型鋼換算為鋼筋與噴混凝土作為鋼筋混凝土構(gòu)件時的承載力的比較。

據(jù)此，在與標(biāo)準(zhǔn)支護模式具有同等承載力的條件下，每榀格柵比H型鋼少約100 kg的鋼材。

圖16是美國公路隧道采用三角形格柵與噴混凝土構(gòu)成的襯砌斷面，其中包括焊接金屬網(wǎng)(WWF)、格柵、背后注漿用注漿軟管以及聚丙烯纖維噴混凝土的表層。

表7　格柵規(guī)格與H型鋼的比較

圖15　與標(biāo)準(zhǔn)支護模式的承載力比較

圖16　典型的襯砌細(xì)部構(gòu)造

7用高強度噴混凝土代替型鋼鋼架

從日本進(jìn)行的用高強度噴混凝土代替型鋼鋼架的研究中，可以看出有取消型鋼鋼架的傾向。其理由是：在隧道開挖—支護的施工循環(huán)中，型鋼鋼架的架設(shè)所占用的時間比例是比較大的，型鋼鋼架加工、安裝比較費時、費力，取消型鋼鋼架可以縮短作業(yè)時間，有利于快速施工；由于型鋼鋼架與圍巖接觸不良，易造成受力異常而屈服，用高強度噴混凝土代替型鋼鋼架，有利于改善支護的受力狀態(tài)。目前，此項研究仍在進(jìn)行中，這個問題值得關(guān)注。

8小結(jié)

型鋼鋼架存在的主要問題是： 如果不設(shè)置楔塊，是不可能與圍巖緊密接觸的；不緊密接觸，鋼架就不可能發(fā)揮其應(yīng)有的支護功能；鋼架接觸不良，會造成鋼架受力異常，從而導(dǎo)致鋼架變異，施工中出現(xiàn)的鋼架變異多數(shù)與此有關(guān)。因此，設(shè)置楔塊是必不可少的作業(yè)，不可忽視，也要求噴混凝土做到這一點。

其次，對格柵鋼架和型鋼鋼架的應(yīng)用及其適用條件應(yīng)進(jìn)一步設(shè)定，如什么情況下宜采用格柵鋼架，什么情況下宜采用型鋼鋼架。

參考文獻(xiàn)(References)：

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[4]金尾劍一ら.ラチス—ガ—ダ—支保工ほかか新技術(shù)、新工法を試みる[J].トンネルと地下,2011(42): 12.(Kimo Chi.Study on new technologies(i.e. girder)[J]. Tunnel and Underground,2011(42): 12.(in Japanese))

Tunneling by Mining Method: Lecture IV: Steel Arch

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:The types, application key points and functions of shaped-steel arch are presented. The key factors, including closely connecting between shaped-steel arch and surrounding rocks, strengthening the support of arch feet, closely connecting between shaped-steel arch and concrete and using high-performance shaped-steel arch, which can improve the supporting effect of shaped-steel arch, are presented. It is emphasized that the wedge should be used at the connection between steel arch and surrounding rocks. The shaped steel can be used under bad surrounding rocks. The author suggests that the I-shaped steel can be replaced by the H-shaped steel under large construction cross-section and bad surrounding rocks without enlarging the construction cross-section and increasing the concreting amount. The retractable steel support used in Gotthard Tunnel in Switzerland can improve the rigidity of the tunnel. The steel arch is installed by labor in China. The steel arch installing machine used in Japan can improve the construction efficiency and guarantee the construction safety. The construction management of steel arch in Japan is presented. The girder is more popular than steel arch in China and abroad. The construction of girder in China is superior to that abroad. The girder used in China has 4 feet and that used in European countries has 3 feet. The reinforcing rib used in Norway is presented in detail. The testing results of highway tunnel in Japan illustrate that the girder with 3 main ribs is superior to the H-shaped steel under the same bearing capacities. The practicability of high-performance concrete in Japan is studied. The author suggests that the application and applicable conditions of girder and shaped-steel arch should be further studied.

Keywords:tunnel; mining method; shaped-steel arch; retractable steel support; mechanization; construction management; girder; reinforcing rib; concreting

中圖分類號：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)02-0123-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.001

作者簡介：關(guān)寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程教學(xué)和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

收稿日期：2015-07-15