高強(qiáng)格柵在鐵路隧道工程中施工工藝研究

劉占江

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

1 工程概況

蘭渝鐵路為國家“八縱八橫”規(guī)劃中一條重要建設(shè)支路，在兩個(gè)二級(jí)車站線路之間，有一橫斷山脈橫亙?cè)阼F路前進(jìn)方向上，經(jīng)前期地勘及多方會(huì)審考慮后，研究設(shè)計(jì)修建一條隧道作為打通鐵路的重要連接支撐。隧道圍巖主要為沉積巖，部分巖體處于中風(fēng)化，隧道地處橫斷山脈，地形起伏較大。隧道地下孔隙水含量較多，廣泛存在于黏土層中，巖溶水主要存在于灰?guī)r與白云質(zhì)灰?guī)r巖層中，儲(chǔ)存量較多，外界水交換主要以天然降水與地下水流為主。隧道內(nèi)掌子面發(fā)育較多節(jié)理，節(jié)理夾層含有眾多軟弱巖層，見圖1。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)表明，圍巖為V級(jí)，屬極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害類隧道。

圖1 隧道掌子面

為此，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)鋼筋格柵開展支護(hù)施工，高強(qiáng)鋼筋強(qiáng)度高，能承載較大的變形，與鋼筋材料供應(yīng)商溝通后，使用QRCG550螺旋肋鋼作為格柵網(wǎng)絡(luò)骨架，箍筋及連接筋使用HT800圓鋼。

2 高強(qiáng)格柵加工工藝

高強(qiáng)格柵的使用前提是需要將高強(qiáng)鋼筋原材料加工成格柵架構(gòu)，圍巖支護(hù)效果在一定程度上與高強(qiáng)格柵的加工制作工藝息息相關(guān)[1]。本次高強(qiáng)格柵主架構(gòu)為φ22鋼筋，箍筋使用φ20圓鋼。施工現(xiàn)場(chǎng)高強(qiáng)鋼筋的加工機(jī)械主要為鋼筋彎曲機(jī)與切斷機(jī)，兩種機(jī)械均為液壓動(dòng)力設(shè)備，彎曲機(jī)主要用于鋼筋彎弧加工，鋼筋彎曲機(jī)主要通過前后兩個(gè)齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤，給鋼筋施加彎矩力，實(shí)現(xiàn)鋼筋彎弧。高強(qiáng)格柵架構(gòu)內(nèi)的圓鋼也主要使用彎曲機(jī)制作，彎曲機(jī)制作圓鋼示意圖見圖2。制作圓鋼直徑與彎曲機(jī)使用的鋼板厚度及保護(hù)層厚度有關(guān)，本次彎曲機(jī)制作圓鋼時(shí)主要使用13mm鋼板及35mm的保護(hù)層厚度，保證鋼筋尺寸及材料性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2]。

在鋼筋彎曲機(jī)幫助下，按照如下制作工藝工序?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)格柵標(biāo)準(zhǔn)制作：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→制作原料→設(shè)計(jì)模具→結(jié)構(gòu)焊接→檢查驗(yàn)收。

圖2 鋼筋彎曲機(jī)及加工鋼筋原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照工程需求與設(shè)計(jì)要求，全比例布設(shè)格柵在各區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)，并標(biāo)記在設(shè)計(jì)草圖上。

2.2 制作原料

參考實(shí)地標(biāo)記圖，了解各部分區(qū)域內(nèi)所需材料，準(zhǔn)備好格柵成型材料。格柵主架結(jié)構(gòu)需要肋鋼，強(qiáng)度保證不低于設(shè)計(jì)值85%，并根據(jù)各部分區(qū)域內(nèi)需求，采用鋼筋切割機(jī)切割成所需長(zhǎng)度。圓鋼作為箍筋，強(qiáng)度不能低于900MPa，箍筋需要彎弧的，均要在搭建整個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)之前，完成彎曲點(diǎn)標(biāo)記，保證鋼筋彎曲變形不超過設(shè)計(jì)值。另外，對(duì)于格柵架構(gòu)內(nèi)的八字花結(jié)構(gòu)鋼筋，需要按照?qǐng)D3操作，完成八字花結(jié)構(gòu)筋的壓制，并且每個(gè)八字花結(jié)構(gòu)筋均需對(duì)其結(jié)構(gòu)安全可靠性進(jìn)行檢測(cè)，確保制備的八字花結(jié)構(gòu)筋不存在缺陷。

圖3 八字花結(jié)構(gòu)鋼筋制作加工

2.3 設(shè)計(jì)模具

按照前面實(shí)地布置好的設(shè)計(jì)圖樣，制備好格柵模具，格柵模具參照?qǐng)D樣尺寸設(shè)計(jì)要求，用工字鋼完成模具制作，模具的卡槽與格柵結(jié)構(gòu)的變形有關(guān)，卡槽采用鋼筋彎曲機(jī)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，調(diào)節(jié)好各模具細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的變形，焊接保證穩(wěn)固牢靠[3]。模具制作見圖4。

圖4 格柵模具制作

2.4 結(jié)構(gòu)焊接

格柵網(wǎng)絡(luò)完成基本架構(gòu)布置后，及時(shí)對(duì)架構(gòu)主筋結(jié)構(gòu)及箍筋、八字花結(jié)構(gòu)筋進(jìn)行焊接，保證焊接尺寸與設(shè)計(jì)要求一致，結(jié)合點(diǎn)焊與弧焊、滿焊的焊接方式，避免焊接區(qū)域?qū)Ω駯沤Y(jié)構(gòu)的損傷。格柵結(jié)構(gòu)內(nèi)角鋼鉆孔部位應(yīng)與箍筋等其他結(jié)構(gòu)筋保持一定距離，焊接標(biāo)準(zhǔn)及要求見表1，格柵骨架焊接見圖5。

表1 焊接標(biāo)準(zhǔn)

圖5 格柵骨架焊接

2.5 檢查驗(yàn)收

成型的格柵結(jié)構(gòu)見圖6，參照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢查，標(biāo)出各部分結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果，對(duì)比設(shè)計(jì)要求，若有不合格之處，返工再處理，并記入施工記錄冊(cè)。

圖6 成型的高強(qiáng)格柵

3 高強(qiáng)格柵架設(shè)

當(dāng)高強(qiáng)格柵完成基本制作加工后，進(jìn)行拼裝架設(shè)，高強(qiáng)格柵架設(shè)見圖7，架設(shè)工藝步驟如下。

圖7 高強(qiáng)格柵架設(shè)

3.1 拼裝試驗(yàn)

架設(shè)前進(jìn)行拼裝試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)格柵存在的問題，排除結(jié)構(gòu)與材料問題，保證拼裝過程中不出現(xiàn)誤差[4]。

3.2 清面檢測(cè)

清理掌子面附近風(fēng)化巖土層，檢測(cè)掌子面應(yīng)力與變形狀態(tài)，保證掌子面開挖處于穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)掌子面的超、欠挖等情形，并處理掌子面超挖與欠挖部位圍巖，保證高強(qiáng)格柵架設(shè)時(shí)，各個(gè)掌子面監(jiān)測(cè)點(diǎn)力學(xué)狀態(tài)科學(xué)合理，否則將對(duì)高強(qiáng)格柵的架設(shè)產(chǎn)生不利影響。

3.3 確定標(biāo)線

檢查掌子面各個(gè)基準(zhǔn)線是否收斂，確定掌子面標(biāo)線位置，為高強(qiáng)格柵網(wǎng)格骨架安裝提供一定的參考依據(jù)，格柵骨架間距控制在設(shè)計(jì)值內(nèi)，在掌子面上標(biāo)記格柵間距標(biāo)志線，確保掌子面中線及高程等基準(zhǔn)線準(zhǔn)確。

3.4 拼裝架設(shè)

高強(qiáng)格柵的基底一般為隧道內(nèi)穩(wěn)固基巖，基礎(chǔ)尺寸保證在15～25cm，高強(qiáng)格柵拼裝過程中各個(gè)平面均應(yīng)與隧道中線垂直，格柵網(wǎng)格之間誤差不超過8mm，格柵的基準(zhǔn)線(標(biāo)高)不低于設(shè)計(jì)標(biāo)高值，基準(zhǔn)線不可超過鉛錘面2cm。格柵基礎(chǔ)是高強(qiáng)格柵實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固支護(hù)掌子面及保證自身穩(wěn)定性的重要前提。另外，格柵架設(shè)完成后，隨即采用連接筋結(jié)構(gòu)將高強(qiáng)格柵各個(gè)主筋結(jié)構(gòu)連接，構(gòu)成穩(wěn)固格柵骨架。

3.5 噴射灌漿

高強(qiáng)格柵拼裝架設(shè)及各個(gè)主筋、箍筋連接完成后，需對(duì)掌子面上高強(qiáng)格柵各個(gè)拼裝部位進(jìn)行檢查，保證不出現(xiàn)箍筋少接、漏接等情形。檢查無誤后，對(duì)高強(qiáng)格柵噴射灌漿，噴射混凝土應(yīng)保證格柵各部位均不遺漏，格柵結(jié)構(gòu)密實(shí)度較好且與圍巖接觸平整[5]。

4 高強(qiáng)格柵支護(hù)參數(shù)

本項(xiàng)目隧道采用臺(tái)階法開挖，開挖過程施工控制參數(shù)影響著高強(qiáng)格柵支護(hù)參數(shù)，過長(zhǎng)的臺(tái)階長(zhǎng)度會(huì)一定程度影響到掌子面的變形穩(wěn)定與支護(hù)施工效率，因而需要確定臺(tái)階法開挖參數(shù)[6]。三臺(tái)階法適用于Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖，因而本文以三臺(tái)階法進(jìn)行支護(hù)開挖參數(shù)分析。

分別按不同臺(tái)階長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得拱頂沉降值變化曲線，見圖8。從圖8可以看出，三臺(tái)階開挖施工過程中，不同臺(tái)階長(zhǎng)度拱頂沉降值表現(xiàn)具有一致性，隨著開挖進(jìn)行，拱頂沉降值增長(zhǎng)速度逐漸由陡升趨于平緩變化；拱頂沉降值與臺(tái)階長(zhǎng)度成正相關(guān)變化關(guān)系，12.6m臺(tái)階長(zhǎng)度下第25步的拱頂沉降是3.6m下的1.2倍。從拱頂沉降值與掌子面擠出量曲線來看，拱頂沉降值隨臺(tái)階長(zhǎng)度增大逐漸遞增，從曲線增長(zhǎng)斜率來看，在臺(tái)階長(zhǎng)度為7.2m以下時(shí)，增長(zhǎng)斜率還處于較高幅度，但在此之后，增長(zhǎng)逐漸放緩，臺(tái)階長(zhǎng)度7.2～9.0m時(shí)，拱頂沉降值僅僅增長(zhǎng)了1.18%，而臺(tái)階長(zhǎng)度5.4～7.2m時(shí)，拱頂沉降值增長(zhǎng)了2.37%，表明拱頂沉降值在7.2m臺(tái)階長(zhǎng)度之后，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。從掌子面擠出量曲線可知，掌子面擠出量隨臺(tái)階長(zhǎng)度增大逐漸降低，當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度為5.4m時(shí)，掌子面擠出量為18.671mm，而臺(tái)階長(zhǎng)度增大到12.6m時(shí)，掌子面擠出量?jī)H有其90%；掌子面擠出量降低量存在一個(gè)變化拐點(diǎn)，在臺(tái)階長(zhǎng)度為7.2m時(shí)，掌子面擠出量為18.09mm，之后，掌子面擠出量變化幅度較小。因而，臺(tái)階長(zhǎng)度為7.2m，是一個(gè)較為合理的施工參數(shù)，高強(qiáng)格柵在臺(tái)階長(zhǎng)度為7.2m時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果知[見圖8(c)]，高強(qiáng)格柵性能達(dá)到90%，既保證了隧道開挖安全進(jìn)行，也提升了支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠性。

圖8 不同臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)比曲線

5 結(jié) 論

基于蘭渝鐵路隧道工程地質(zhì)分析，設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)鋼筋格柵開展開挖支護(hù)，研究了高強(qiáng)格柵加工工藝，分析了高強(qiáng)格柵加工制作關(guān)鍵步驟；研究了高強(qiáng)格柵架設(shè)施工工藝，從拼裝試驗(yàn)、清面檢測(cè)、確定標(biāo)線、拼裝架設(shè)、噴射混凝土五個(gè)工序開展，保證了高強(qiáng)格柵施工質(zhì)量；從三臺(tái)階開挖施工參數(shù)入手，分析了拱頂沉降值特征參數(shù)變化，獲得了三臺(tái)階長(zhǎng)度在7.2m時(shí)，拱頂沉降值與掌子面擠出量處于穩(wěn)定狀態(tài)，高強(qiáng)格柵支護(hù)性能亦處于較佳狀態(tài)，為鐵路隧道開挖施工中高強(qiáng)格柵支護(hù)施工工藝提供了一定的參考依據(jù)。