鐵路隧道格柵鋼架機械化加工及應用研究

劉 剛

（中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750）

近年來我國鐵路建設(shè)迅猛發(fā)展，復合式襯砌已成為隧道最主要的支護形式，對于軟弱破碎或土質(zhì)圍巖隧道，鋼架的使用往往是不可或缺的［1］，其中初期支護大都采用錨噴支護與鋼架一起配合使用［2-3］。陳翰等［4］通過有限元數(shù)值分析，對比分析了型鋼鋼架和格柵鋼架初期支護的變形規(guī)律和破壞模式。王剛等［5］利用模型試驗的方法，設(shè)計多種格柵鋼架試件，對“8”字型格柵鋼架腹筋的力學作用進行了研究。龔鋮［6］對格柵鋼架進行一定優(yōu)化，通過模型試驗和現(xiàn)場試驗確定其破壞形態(tài)和極限承載力，并提出了進一步的優(yōu)化方案。石江維等［7］對鐵路隧道“8”字型格柵鋼架的設(shè)計進行了詳細的歸納總結(jié)。于富才等［8］通過對主筋的替換，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上提高其力學性能。張靖煒［9］對格柵鋼架各部分構(gòu)造進行優(yōu)化，對其極限承載能力和破壞形態(tài)進行了一定研究。綜合分析可以看出，國內(nèi)學者對格柵鋼架的受力特性和支護效果的研究較為全面，而對于格柵鋼架加工技術(shù)的研究還屬匱乏。在修建長大鐵路隧道或者隧道群時，往往需要多作業(yè)面施工。為了確保施工安全及提升施工進度，初期支護鋼架的生產(chǎn)供應必須能滿足施工生產(chǎn)要求。鑒于此，本文針對格柵鋼架的快速機械化加工工藝進行研究并應用于實際工程，以期為加快鐵路隧道的建設(shè)提供支持。

1 格柵鋼架機械化加工

1.1 機械化加工工藝原理

目前國內(nèi)隧道施工中多以人工制作或依靠簡單工具進行加工制作，但是由于格柵鋼架組件多，彎制、焊接工作量大，故而存在工人勞動強度大，加工質(zhì)量基本取決于工人的熟練程度，加工質(zhì)量難以保證等缺點。傳統(tǒng)加工模式不僅嚴重影響工人的工作效率，同時也會降低工程施工速度，增加隧道開挖支護的危險系數(shù)。

格柵鋼架各部件均采用機械化作業(yè)，從而實現(xiàn)安裝精度高、速度快、工人作業(yè)強度低的目標。其中格柵鋼架“8”字筋半成品件先采用全自動化機械彎制，后使用液壓擠壓器成型，對焊機焊接完成，其自動化程度高、彎制成型質(zhì)量高、焊接速度快，能夠有效保證制作質(zhì)量。格柵鋼架連接板焊接則采用自制連接板定位器，保證格柵鋼架連接板的高精度定位及鋼架安裝質(zhì)量。同時自制各類型焊接平臺，使其操作更簡單，能夠提高格柵鋼架整體焊接效率。加工采用工廠化集中加工成型，格柵鋼架由各類半成品組件構(gòu)成。本工藝通過各類自動化設(shè)備逐一進行加工，形成生產(chǎn)流水線，后分節(jié)段焊接完成，達到使用標準，最后配送至各隧道洞口使用，具體流程見圖1。機械加工過程中主要設(shè)備配置如表1。

圖1 加工流程圖

1.2 格柵鋼架模具制作技術(shù)

（1）數(shù)控冷彎機組（見圖2）接入電源進行試運行正常后，把工字鋼放在冷彎機上，與減速帶動的滾輪接觸后，將壓緊手柄進給鎖緊，啟動電機油泵組，工作油缸推進，將工字鋼與3個支撐游輪壓緊并從發(fā)生彎曲變形開始計算。油缸推進的長度進程為10～15mm，開主電機帶動工字鋼工作。

表1 主要設(shè)備配置

圖2 數(shù)控冷彎機組

（2）根據(jù)技術(shù)交底圖紙尺寸，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置油缸的推進長度，制作符合精度要求的工字鋼模具，同時根據(jù)格柵鋼架型號，制作相應的模具卡扣。

（3）在工字鋼模具上每隔0.5～1m設(shè)置一處卡扣，便于控制格柵鋼架尺寸，在模具下方焊接支腿以便施工。

1.3 主筋制作技術(shù)

根據(jù)施工圖紙中設(shè)計尺寸，確定主筋下料長度，主筋均采用φ22螺紋鋼筋。由于格柵鋼架弧度較大，需對主筋進行機械彎曲，將下料主筋用彎弧機進行預彎制。將彎制好的主筋按型號、尺寸長度分類堆放，并注明標簽便于使用。其中彎曲過程中彎曲點必須做標記，鋼筋的彎曲形狀必須正確，且保證平面上沒有翹起不平的現(xiàn)象。

1.4 格柵鋼架“8”字筋制作技術(shù)

（1）采用WGZ12B型全自動數(shù)控鋼筋彎曲機（見圖3）彎制“8”字筋。使用前注入L-HM46液壓油至油箱液位設(shè)計高度。接通設(shè)備電源，查看電機運轉(zhuǎn)情況。根據(jù)設(shè)備廠商提供的各種型號“8”字筋彎曲參數(shù)進行設(shè)置。

圖3 全自動數(shù)控鋼筋彎曲機

（2）將平順的“8”字結(jié)接頭放到接入對焊機對焊位置處，按下對焊按鈕→對焊→松開對焊按鈕→完成。

1.5 連接角鋼與墊鋼板的設(shè)置

（1）確定連接角鋼型號及尺寸要求：H1230、H180型拱架采用160角鋼，H150、H130采用125角鋼，按照設(shè)計圖紙要求確定尺寸。

（2）液壓多功能機接入380V電壓，并根據(jù)設(shè)計尺寸設(shè)置參數(shù)，調(diào)試設(shè)備。

定義1 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)防御體系下的系統(tǒng)脆弱性(簡稱為脆弱性)，記為mvul，mvul=〈id,〈P1,Δt1〉,〈P2,Δt2〉,…,〈Pn,Δtn〉〉，n∈N(N為自然數(shù))，其中id為脆弱性標識，Pi(1≤i≤n)表示針對該脆弱性實施入侵所利用的系統(tǒng)屬性，同時也是NDD機制的變換對象；Δti(1≤i≤n)表示NDD技術(shù)對Pi屬性實施變換的變換周期.

（3）將角鋼原材放到入料口處并啟動設(shè)備切割角鋼（見圖4）。將切割好的角鋼放到打眼位置處，操作人員啟動按鈕完成成孔。

（4）格柵鋼架下導需設(shè)置16mm厚的墊鋼板，墊鋼板由液壓閘式剪板機按要求加工，液壓閘式剪板機根據(jù)設(shè)計尺寸設(shè)置參數(shù)。將鋼板原材放到入料口處并啟動設(shè)備切割鋼板。

圖4 角鋼制作

1.6 格柵鋼架焊接制作

（1）焊接前接頭清潔要求在坡口兩側(cè)30mm范圍內(nèi)將影響焊縫質(zhì)量的毛刺、油污、水銹臟物、氧化皮清潔干凈，焊前應對CO2、焊機送絲順暢情況和氣體流量作認真檢查。合理調(diào)整焊機的輸出電流及電壓并進行試焊。

（2）將兩端角鋼與模具端頭平齊放好，2根主筋放置在對應的模具卡槽下方，然后放置“8”字筋，放置“8”字筋時需注意與其他相鄰型號格柵鋼架的“8”字筋縱橫位置，然后間距6cm擺好，點焊牢固（見圖5）。

圖5 字筋與主筋點焊

（3）放置上層2根主筋，同時端頭角鋼用相應的端頭模具確定位置，然后依次點焊。抬出點焊好的鋼架，放到地面上進行滿焊。焊接采用CO2保護焊，保證焊接質(zhì)量（見圖6）。

2 質(zhì)量控制技術(shù)

（1）鋼筋及其他原材料應平直、無損傷，表面不得有裂紋。各類型鋼架首件制作后進行試拼，鋼架變形應在允許誤差內(nèi)，沿隧道周邊輪廓線誤差不大于3cm，各單元螺栓連接，螺栓孔眼中心間誤差不超過±0.5cm，鋼架平放時，平面翹曲應小于2cm，鋼架傾斜段不大于2°，任何部位偏離鉛垂面不宜大于50mm，主要誤差要求見表2。

表2 主要誤差要求

（2）鋼筋加工場對生產(chǎn)的鋼架結(jié)構(gòu)尺寸全部檢驗，檢驗合格產(chǎn)品粘貼生產(chǎn)合格牌，準許出廠。格柵鋼架集中加工、配送至洞口，洞口分類碼放，制作醒目標識，防止作業(yè)人員運輸錯誤。

3 安全控制措施

對于格柵鋼架機械化加工工藝，采用工廠化、流水線作業(yè)，加工環(huán)境往往復雜多變，需采用多種措施保證安全。鋼筋斷料、配料、彎料等工作應在地面進行，不準在高空操作。采用機械進行除銹、調(diào)直、斷料和彎曲等加工時，機械傳動裝置要設(shè)防護罩，并由專人使用和保管。電機等設(shè)備要妥善進行保護接地或接零。鋼筋焊接人員需配戴防護罩、絕緣鞋、手套和工作帽，防止眼傷和皮膚灼傷。鋼筋頭應及時清理，成品堆放要整齊，照明燈必須加網(wǎng)罩。

4 經(jīng)濟效益

鋼架機械快速加工工藝能夠有效提高經(jīng)濟效益，具體如表3所示。機械加工工藝能縮短大量的制作時間，從而節(jié)約人工成本；且機械加工工藝對提高加工精度有利，傳統(tǒng)加工工藝會對夾板，鋼楔等加工附件造成浪費，故前者能有效節(jié)約一定的材料數(shù)量；針對每榀米鋼架，總成本能節(jié)約31%。

表3 每榀米剛架成本估算

5 柵鋼架現(xiàn)場支護效果評價

5.1 依托工程

新建蒙華鐵路王家灣隧道位于陜西省延安市安塞縣境內(nèi)，隧道最大埋深約220m，進口里程DK266+945，出口里程DK274+233，全長7288m。隧道區(qū)地層從新至老地層巖性依次為：第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4dl+pl）砂質(zhì)新黃土，上更新統(tǒng)風積（Q3eol）砂質(zhì)新黃土、黏質(zhì)新黃土，中更新統(tǒng)洪積層（Q2al+pl）黏質(zhì)老黃土、細砂，白堊系下統(tǒng)洛河組（K1L）砂巖。隧道洞身地層為砂巖，強風化、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層至巨厚層狀交錯層理構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，呈塊碎狀鑲結(jié)構(gòu)。

5.2 支護參數(shù)

全隧采用復合式襯砌，其中Ⅳ級圍巖斷面形式見圖7，噴射混凝土30cm，二次襯砌60cm。通過現(xiàn)場試驗并結(jié)合理論分析，明確隧道以初期支護為主要承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌則只作為安全儲備。蒙華鐵路隧道軟弱圍巖地段均采用格柵鋼架作為初期支護體系，同時格柵鋼架也用來加強鎖腳錨桿，基腳則采用輕質(zhì)墊塊進行墊實，可充分保證鋼架的穩(wěn)定性。

圖7 襯砌斷面圖

5.3 監(jiān)測方案

經(jīng)過對格柵鋼架機械化加工技術(shù)的研究以及制作，擬在蒙華鐵路王家灣隧道進行現(xiàn)場試驗，對格柵鋼架在實際工程中的應用效果作進一步的研究。選取里程為DK270+445～DK270+530設(shè)計施工段作為標準監(jiān)測數(shù)據(jù)采集段，選取地質(zhì)情況相近的斷面里程，對比分析傳統(tǒng)加工工藝與機械加工工藝所生產(chǎn)的格柵鋼架支護效果，具體鋼架設(shè)置位置見表4。將監(jiān)控量測各點及傳感器位置進行編號，拱頂測量點GD，拱肩測線SL1和邊墻測線SL2以及鋼架應力（見圖8-9）。其中監(jiān)測斷面的變形監(jiān)測從隧道開挖開始，直到二次襯砌鋪設(shè)防水板［11］。

表4 初期支護鋼架類型

圖8 傳感器布置

圖9 現(xiàn)場傳感器安裝

5.4 圍巖變形及收斂

從圖10可以看出，里程DK270+445試驗斷面最大拱頂沉降值為16.42mm，拱肩最大收斂值為16.85mm，邊墻最大收斂值在13.12mm。里程DK270+445試驗斷面前期拱頂位移增加較快，而后變得平緩，最大拱頂沉降值為18.22mm，拱肩最大收斂值為11.85mm，邊墻最大收斂值在9.73mm。里程DK270+510試驗斷面最大拱頂沉降值為19.75mm，拱肩最大收斂值為15.94mm，邊墻最大收斂值在14.68mm。里程DK270+515試驗斷面最大拱頂沉降值為16.15mm，拱肩最大收斂值為18.03mm，邊墻最大收斂值在17.28mm。對于圍巖收斂情況，各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)相差不大，總體上各個試驗段拱頂沉降及邊墻收斂均在初期支護封閉完成之后逐漸收斂，趨于穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求值。說明機械化快速加工的格柵鋼架在初期支護過程中同樣能在一段時間后提供較大的支護力，有效約束圍巖變形，保證隧道的安全。

圖10 沉降收斂時程曲線

5.5 鋼架應力

從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，里程DK270+480和DK270+485試驗斷面的格柵鋼架外側(cè)鋼筋應力均為負值，而內(nèi)側(cè)鋼筋應力只有極少出現(xiàn)正值，且數(shù)值都很小，即表明各試驗測試段初期支護所受到的軸力大多為負值，承受壓荷載，少數(shù)情況下受力情況為彎拉，且受拉側(cè)為臨空一側(cè)，這種受力模式是相對有利的。各試驗斷面鋼筋內(nèi)外側(cè)應力均趨于收斂，最終達到平穩(wěn)，表明各試驗段格柵鋼架都能在所處圍巖壓力下，充分承受圍巖壓力，保證圍巖與洞室的穩(wěn)定性。故機械加工工藝鋼架與傳統(tǒng)加工工藝鋼架所達到的支護效果大致相同。

圖11 鋼架應力時程曲線

6 結(jié)束語

本文通過對格柵鋼架機械化加工工藝的研究，并結(jié)合現(xiàn)場典型斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

（1）格柵鋼架機械化加工工藝相對傳統(tǒng)加工工藝，能夠有效提高工作效率，降低隧道工程支護風險，提高經(jīng)濟效益和社會效益，同時還能提供與傳統(tǒng)加工工藝相同的初期支護效果。

（2）兩類加工工藝所生產(chǎn)的格柵鋼架在初期支護過程中，經(jīng)歷一段時間后都能提供較大的支撐作用，承擔圍巖壓力及約束圍巖變形，且均滿足規(guī)范要求，鋼架應力趨于收斂，故能夠有效保證洞室安全。

（3）通過模具對鋼架進行定尺，采用各類自動化設(shè)備逐一加工，采用工廠化，標準化生產(chǎn)能夠保證格柵鋼架的精度和質(zhì)量，具有較好的適用性和技術(shù)效益，在隧道建設(shè)領(lǐng)域值得推廣使用。