隧道初期支護格柵鋼架施工技術(shù)

陸達(dá)鵬

(中鐵七局集團第五工程有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著我國道路建設(shè)的快速發(fā)展,大量的隧道需要穿越更多更長的黃土地段,這些隧道大多存在地質(zhì)情況復(fù)雜、施工環(huán)境要求高、工期短等困難。做好黃土隧道施工工廠化、機械化質(zhì)量控制是保證隧道施工工期、隧道施工安全的關(guān)鍵。為達(dá)到蒙華鐵路項目公司提出的隧道工程“機械化”施工的要求以及加快施工進(jìn)度，通過采用成套格柵鋼架設(shè)備進(jìn)行機械化、工廠化施工，確保項目能夠在保質(zhì)保量的前提下，按時完成所要求的工作量。同時根據(jù)現(xiàn)場機械化施工過程中的每項工序、細(xì)化每道工序的節(jié)點時間、減少工序之間的銜接時間從而確定出每道單元循環(huán)最優(yōu)的完成時間。

以往隧道格柵鋼架加工制作采用型鋼制作胎模加工，主筋及其余部件均采用人工制作，施工工效低。在機械化施工的條件下，格柵鋼架采用集中加工生產(chǎn)，采購數(shù)控加工設(shè)備制作“八”字筋、主筋采用鋼筋彎曲機進(jìn)行預(yù)彎加工，制作好的“八”字筋采用專用壓模壓制成形，采用型彎曲機加工制作胎模。加工好的主筋、“八”字筋等在胎模上拼裝點焊成形，最后在集中焊制區(qū)統(tǒng)一焊接形成成品。格柵鋼架加工制作設(shè)備數(shù)控技術(shù)，較傳統(tǒng)的人工彎制施工工效大幅提高，節(jié)約了人工成本和機械成本。

1 工程概況

蒙華鐵路隧道位于三門峽陜州區(qū)，該地區(qū)黃土分布地域廣泛。黃土隧道有其自身易塌方、遇水產(chǎn)生濕陷性的特點。根據(jù)黃土隧道的施工實踐,合理選擇施工方法,綜合考慮了隧道施工中初期支護格柵鋼架施工安全質(zhì)量控制的各個方面，強調(diào)了施工中必須符合的快速、安全、質(zhì)量等要求。

2 格柵鋼架施工技術(shù)

在隧道施工管理中，充分體現(xiàn)新奧法“初支受力，二襯起安全儲備和裝飾美化作用”的理念，初期支護采用格柵柔性支護，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。以往隧道施工中，格柵“八”字筋采用人工加工，加工質(zhì)量難以保證，且加工效率低。針對上述問題，“八”字筋采用數(shù)控加工，每臺數(shù)控鋼筋彎箍機每小時加工180個“八”字筋，相當(dāng)于15名工人每小時加工量，節(jié)約了勞力。且數(shù)控設(shè)備彎曲精度高，保證了加工質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了施工成本。格柵鋼架均為四支格柵鋼架，四根主筋用Φ18或Φ22螺紋筋在模具臺上借助工具彎制成拱形，主筋間安裝八字節(jié)，通過組合在模具臺上焊接成格柵形式。格柵鋼架加工過程相比型鋼鋼架加工過程，更加輕便，加工過程中安全系數(shù)較高。鋼架安裝時借助在洞室頂部打設(shè)的錨桿作為起吊點，用滑輪或電動葫蘆進(jìn)行起重吊裝，型鋼拱架重量大，一般需要挖掘機或濕噴機械手起吊才能到位，拼裝成功。而格柵鋼架質(zhì)量相對較輕 ，僅需借助小機具就能完成安裝，顯得更輕便、安全。

格柵鋼架在成本方面優(yōu)于型鋼拱架，以Vc型襯砌段落為例，型鋼鋼架每榀重量為1 981.5kg，格柵鋼架每榀重量為的986kg，經(jīng)濟對比情況見表1。格柵鋼架的用鋼量僅僅為型鋼拱架的49.8%，工字鋼的體重大、剛度大，安裝時洞內(nèi)場地狹小，造成施工極不方便，增加了人力、物力、時間投入。

表1 型鋼和格柵鋼架經(jīng)濟對比表

格柵鋼架安裝3榀的時間等同于型鋼拱架安裝1榀的時間。型鋼拱架施工速度的緩慢，一是造成工程進(jìn)度不達(dá)標(biāo)，二是開挖支護掌子面暴露時間延長，給安全帶來不利影響。當(dāng)隧洞斷面較大、地質(zhì)條件復(fù)雜的時候，特殊危險斷面洞段的處理快慢對隧洞施工總工期的影響是很大的。

3 格柵鋼架施工工藝

3.1 加工單元

根據(jù)施工和設(shè)計要求需要架設(shè)一榀H150格柵鋼架，由A、B、C三個單元組成，單元之間用螺栓連接。用設(shè)計規(guī)定的角鋼作連接板。根據(jù)工程特點，同時為了方便對格柵鋼架管理和質(zhì)量的保證，采用集中進(jìn)行加工，出廠預(yù)拼，現(xiàn)場安裝。

3.2 加工設(shè)備及材料

(1)機械設(shè)備主要有電焊機一臺、切斷機GQ40一臺、卷揚機JK2～10T三臺、鋼筋彎曲機GJ7-40四臺、鋼筋調(diào)直機 GT4-10a一臺。

(2)材料準(zhǔn)備。H150格柵鋼架所需材料：主筋采用22螺紋鋼筋，八字結(jié)采用Ф14鋼筋，箍筋采用Ф8圓鋼，定位系筋采用16鋼筋，連接件采用厚度為10mm的鋼板，用Ф24高強螺栓連接。

3.3 工藝流程

H150型格柵鋼架加工工藝流程圖見圖1。

圖1 格柵拱架加工流程圖

(1)模具制作。根據(jù)測量組放樣尺寸A單元外弧22長4 530mm，B單元外弧22長4 300mm，C單元外弧22長4 120mm，將定位直立鋼板焊接在平鋪鋼架上作為格柵鋼架焊接模具。格柵鋼架定型模具見圖2。

圖2 格柵拱架加工模具

(2)主筋冷彎。主筋A(yù)單元外弧N122長4 530mm，B單元外弧22長4 300mm，C單元外弧22長4 120mm，在冷彎機上進(jìn)行冷彎。

(3)格柵“八”字筋數(shù)控加工。為全面實現(xiàn)自動化、工廠化加工生產(chǎn)，格柵“八”字筋加工采用數(shù)控鋼筋彎箍機進(jìn)行。整根螺紋鋼輸送進(jìn)鋼筋彎箍平臺中，自動生產(chǎn)出“八”字筋，然后將生產(chǎn)出來的平面“八”字筋通過氣體對焊機焊接接頭，最后通過氣體對壓機將兩個平面“八”字筋擠壓成立體“八”字筋。如圖3～圖6所示。

圖3 數(shù)控彎箍機

圖4 氣體對焊機

圖5 對壓機

圖6 “八”字筋成品

(4)連接角鋼加工。H150型格柵鋼架角鋼采用∠125×80×10，孔徑Ф24mm。等離子切割機切割連接角鋼，沖剪機沖螺栓孔。如圖7所示。

圖7 連接角鋼沖剪機加工

(5)“八字節(jié)”、連接角鋼與主筋焊接?！鞍俗止?jié)”、連接角鋼與主筋焊接在模具定位臺上進(jìn)行。工作臺為工字鋼和16mm的定位鋼板制成，根據(jù)測量組放樣鋼架輪廓線，將定型鋼板豎向焊接在平鋪鋼板上，形成格柵鋼架定型模具。“八字節(jié)”、連接角鋼與主筋焊接在模具定位臺上進(jìn)行，控制變形。格柵鋼架成品如圖8所示。

(6)焊接質(zhì)量檢驗。鋼架焊接采用40的焊條，焊接完成后，質(zhì)檢員對鋼架焊接部位檢查，檢查結(jié)果為，焊縫較飽滿、長度、寬度符合設(shè)計要求。鋼筋上沒有假焊或漏焊的現(xiàn)象，焊縫表面沒有裂紋、焊瘤等缺陷。

圖8 格柵鋼架成品

(7)鋼架試拼。選擇一處相對平整的硬化地面，通過CAD模型放樣出1∶1的鋼架輪廓線；工人按照CAD模型的鋼架單元節(jié)數(shù)將加工好的各單元鋼架平放在輪廓線上，然后上緊各單元之間的連接螺栓。班組長、技術(shù)員、質(zhì)檢員按照“三檢制”程序和技術(shù)交底進(jìn)行輪廓線、翹曲度等檢查，基中輪廓線誤差為-2cm，平面翹曲偏差為1cm，誤差都在規(guī)范允許范圍內(nèi)。格柵鋼架試拼見圖9。

圖9 格柵鋼架試拼

(8)初期支護施工。蒙華鐵路隧道采用格柵鋼架、掛鋼筋網(wǎng)及濕噴機械手噴射混凝土組成的支護體系。格柵鋼架及初支構(gòu)建等在鋼結(jié)構(gòu)加工廠集中加工制作配送至作業(yè)面, 借助小型機具配合人工架立。隧道無支護時間時對圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響大，必須在開挖后較短時間，一般為4 h完成噴射混凝土, 以防隧道圍巖的黃土失水風(fēng)化而造成收斂變形過大。初期支護施工順序。

安裝格柵鋼架：安裝鋼架要速度快。開挖斷面完成后經(jīng)斷面復(fù)核檢查滿足要求后立即進(jìn)行測量放線，緊跟著進(jìn)行鋼架安裝及連接。鋼架每個節(jié)段間用螺栓連接牢固，拱腳置于牢固的基礎(chǔ)墊板上。

掛設(shè)鋼筋網(wǎng)：鋼架節(jié)段安設(shè)及連接后及時掛設(shè)鋼筋網(wǎng)作業(yè)。安裝鋪網(wǎng)片時需注意網(wǎng)片搭接寬度，搭接寬度不得小于1個網(wǎng)格，并焊接牢固。

鋼架定位系筋：沿鋼架環(huán)向左右側(cè)間距1m布置Φ16定位系筋(長1m)，并與拱架焊接牢固。

縱向連接筋：縱向連接筋將相鄰2榀鋼架焊接連接成整體，Φ22連接筋沿鋼架環(huán)向間距1m布置，并與相鄰拱架焊接牢固。

鎖腳錨管：鎖腳錨管設(shè)置在每個臺階底腳部位，每處2根，鎖腳錨管斜向下角度為45°，鎖腳錨管與格柵鋼架通過“L”形連接筋焊接成整體。

噴射混凝土：采用濕噴機械手噴射C25混凝土至圖紙設(shè)計厚度。

4 結(jié) 語

(1)采用格柵鋼架可減少圍巖及掌子面暴露時間，對于時間的節(jié)省具有一定作用?！靶聤W法”主要考慮到長時間暴露會增加圍巖變形量，因此要求對暴露的圍巖進(jìn)行及時支護。隧道圍巖要在開挖后及時架設(shè)鋼架和焊接鋼筋網(wǎng)，盡早進(jìn)行噴射混凝土施工，使圍巖形成封閉讓初支整體受力，防止圍巖失穩(wěn)，而如果型鋼拱架施工時間較長，對于最佳的支護時間不能夠有效利用，將會對施工作用造成不利影響，同時較長的作業(yè)時間會增大作業(yè)人員在洞內(nèi)的風(fēng)險，使得人身安全及設(shè)備安全同時受到威脅。

(2)材料特性對支護施工進(jìn)行考慮，格柵鋼架的柔性相對較強，剛度適中，對于支護的安全性具有較大支撐作用，并且由于其材料特點，與型鋼拱架相比，容許圍巖適度變形的能力較強大，在支護過程中能夠及時提供較大支護阻力，尤其對于巖層較破碎、地層不穩(wěn)定的施工結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較強。

(3)格柵鋼筋拱架與型鋼拱架相比具有施工便捷、投資節(jié)省的優(yōu)勢，提倡優(yōu)先使用格柵鋼筋拱架。隧道初支格柵鋼架的應(yīng)用，不僅節(jié)省了投資，提高了工效，而且沒有發(fā)生安全事故。