软岩大变形隧道初期支护钢拱架纵向锁定工法

软岩大变形隧道初期支护钢拱架纵向锁定工法

1 前言

兴源隧道位于黑龙江省穆棱市兴源镇境内，起讫里程DK409+090～DK412+517，全长3427m，为双线隧道。隧道所处地质条件十分复杂，有断层、软岩破碎带等不良地质体存在，在隧道施工过程中，由于地质条件的影响，工程的掘进速度受到一定的影响；能否通过厚度较大的软岩断层破碎带，对于初期支护结构的变形控制提出了很高的要求。由中铁二十二局、兰州交通大学等合作单位针对该项目难点成立专门的课题研讨组，形成了一种新型的初期支护中钢拱架纵向连接结构，改变以往连接筋的受力偏弱的状态，提高钢拱架的抗扭性能，从而增强初期支护对围岩变形的约束能力的研究成果。经过鉴定达到了国内领先水平，形成了一系列关键施工技术，申请了一项实用型专利（软岩隧道大变形控制初期支护中钢拱架纵向连接结构），并结合施工工艺、组织管理等，编写了《软岩大变形隧道初期支护钢拱架纵向锁定工法》。

2 工法特点

2.0.1采用这种新型的软岩隧道大变形控制初期支护中钢拱架纵向连接结构，增大了纵向连接构件与钢拱架腹板焊接的有效面积，提高了相邻两榀钢拱架之间的纵向连接能力，增加了钢拱架体系的抗扭能力和整体稳定性，使隧道初期支护对围岩变形的约束能力有了较大的提高。

2.0.2 能有效地控制围岩变形，与围岩形成一个整体，充分发挥围岩的自承能力。

2.0.3能应用量测监控等信息化管理方法指导施工，使整个施工过程均处于受控状态。

2.0.4 施工作业简便，不需用特殊的施工机械和设备。

2.0.5 适用于各种不同的软弱围岩地层，适用范围广。

3 适用范围

本工法适用于各类在初期支护中配置钢拱架的软弱破碎围岩隧道施工，也适用于其它类似的地下工程。

4 工艺原理

通过采用14a号槽钢代替Φ22或Φ25螺纹钢筋进行初期支护中钢拱架的纵向连接，增加了焊接有效面积，加强了钢拱架的纵向连接，提高了初期支护中钢拱架的整体抗扭能力，增加了钢拱架的整体稳定性，提高了隧道初期支护对围岩变形的约束能力，有效的抑制了围岩的变形。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺

参见图5.1.1-1和图5.1.1-2，本实用新型是软岩隧道大变形控制初期支护中钢拱架纵向连接结构，包括钢拱架（1）、钢拱架（2）、纵向连接槽钢（3），其特征在于：采用槽钢（3）将钢拱架（1）和钢拱架（2）沿着环向相隔一定距离在纵向连接在一起，纵向连接槽钢（3）的两端分别焊接在钢拱架（1）和钢拱架（2）

的腹板和翼缘上。

图5.1.1-1

图5.1.1-2

5.2 操作要点

5.2.1作业前准备

根据设计图纸和上下台阶开挖高度划分钢架单元；根据衬砌台车扩大后尺寸与设计规范要求的预留沉落量，在硬化并精确找平的加工场内放出各单元加工大样和拼装大样。对进场的连接钢板、角钢、工钢、钢筋进行原材料检验合格后方可进行加工。

5.2.2钢拱架加工

钢拱架加工采用型钢弯制机按照隧道断面曲率分节进行弯制，弯制完成后，先在

加工场地上对照拼装大样进行试拼。各节钢架拼装，要求尺寸准确，弧形圆顺，要求沿隧道周边轮廓误差不大于3cm ；型钢钢架平放时，平面翘曲小于2cm 。 5.2.3钢拱架节段间连接及安装

各节段钢架间以法兰盘和螺栓连接，并加焊连接钢板。钢架安装前，检查开挖轮廓线、中线及高程，清除底脚下的虚碴及杂物。钢架应置于牢固的基础或支撑块上，并尽可能的贴近围岩或初喷面。钢架安设过程中当钢架与围岩之间有较大的空隙时，沿钢架外缘用混凝土预制块楔紧。钢架之间采用14a 号槽钢连接。 为防止钢架下沉，视地质情况，必要时在拱部钢架底脚增设连接纵梁，与钢架底脚采用焊接连接，以增加钢架底脚的承力面积。机械开挖时，为防止挖掘机等大型机械对已支护好钢架进行碰撞和冲击，造成钢架损坏，因此，开挖时，要委派专人对开挖作业进行指挥，严格限制机械作业界限，以防止碰撞钢架。钢拱架连接示意图见图5.2.3-1和图5.2.3-2所示。

5.2.4锁脚锚管与钢拱架连接

钢拱架底脚采用Φ89锁脚锚管固定，风机钻成孔后，将锁脚锚管按设计要求插入孔中，用游锤或凿岩机直接将锁脚锚管打入。锁脚锚管的打入角度根据实际需要设定为30°。锁脚锚管施作角度示意图见图5.2.4-1 。

图5.2.3-1 钢拱架节段之间的连接

1-连接钢板 2-型钢拱架 3-法兰盘

4-高强度螺栓

图5.2.3-2 A-A

剖面钢拱架节段之

法线

角度

钢拱架

锁脚锚管

图5.2.4-1 锁脚锚管施作角度示意图

将Φ22钢筋弯曲加工成环形钢筋连接件，将钢拱架两侧的锁脚锚管与钢筋连接件焊接在钢拱架上。对于锁脚锚杆，将位于钢拱架左右两侧的锁脚锚杆弯折斜向并列焊接于钢拱架上，焊接面积比传统方式大，使左右侧的锁脚锚杆和钢拱架连接牢固共同受力，极限承载能力得到提高。锁脚锚杆由Φ89螺纹钢制作而成。用锚固剂将锚杆与锚杆孔周边围岩粘结在一起。锁脚锚管连接示意图见图5.2.4-2。

钢拱架

钢筋连接

件

锁脚锚管锁脚锚管

5.2.4-2锁脚锚管连接示意图

6材料与设备

主要材料见表6-1，主要机械设备见表6-2

表6-1 主要材料表

表6-2主要机械设备配置表

7质量控制

7.0.1 隧道施工严格执行《公路工程技术标准》（JTJ B01-2003）、、《公路隧道施工技术规范》（JTJ F42－2009）和《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)等规范要求。

7.0.2 钢架必须有足够的强度和刚度，采用的钢架类型应满足设计要求。

7.0.3 钢拱架的材料必须满足设计要求。

7.0.4 钢拱架加工必须符合施工要求相关规定。

7.0.5 钢架的安装应满足下列要求：

1.钢架必须放在牢固的基础上，应清除底脚的虚渣和其他杂物，脚底超挖部分应用喷射砼填充。

2.钢架应分节段安装，节段与节段之间应按设计要求连接。连接钢板的平面

应与钢架轴线垂直，两块连接钢板采用螺栓和焊接连接，螺栓不少于4颗。

3.两榀钢架之间必须用14a槽钢连接，连接间距不应大于1.0m。

4.钢架应垂直于隧道中线，竖向不倾斜、平面不错位，不扭曲。上下左右允许偏差±50mm，钢架倾斜度小于2°。

7.0.6钢架安装就位后，钢架与围岩之间的间隙应用喷射砼充填密实，避免空洞。喷射砼应由两侧拱脚向上对称喷射，并将钢架覆盖，临空一侧的喷射砼厚度应不小于20mm。

8安全措施

8.0.1 严格遵循《中华人民共和国安全生产法》、《建设工程安全生产管理条例》、《施工现场临时用电安全技术规范》、《建筑机械使用安全技术规程》和《建筑安装工人安全技术操作规程》的规定要求，同时针对具体工序制定相应安全技术措施。

8.0.2进入钢架加工现场应当注意检查电源安全、机械设备安全状态。

8.0.3构件支撑的立柱不得置于虚碴和活动石块上。在软弱围岩地段，立柱底面应加设垫板或垫梁。

8.0.4钢架的安装作业时，作业人员之间应协调动作，在本排钢架未安装完毕，并与相邻的钢架和锚杆连接稳妥之前，不得擅自取消临时支撑。

8.0.5钢架和格栅钢架加工过程中焊工要佩戴焊罩穿绝缘鞋，大量焊接时，焊接变压器不得超负荷，变压器升温不得超过60℃，为此，要特别注意遵守焊机暂载率规定，以免过分发热而损坏。

9环保措施

9.0.1 隧道内必须连续通风；粉尘、有害气体含量低于规范要求值；风量、风速满足规范要求。

9.0.2对施工中产生的污水及油水设置沉淀池进行沉淀过滤，对沉淀池中污油水加以处理，达到环保部门要求的排放标准后方可排放，采取油水、污水分类排放。

9.0.3隧道内污水应集中处理后方可排放。在施工过程中，应避免堵管防止漏浆现象的发生。

9.0.4注浆所使用的水泥应符合相关规范要求，施工用水应达到应用水标准，细骨料应使用天然洁净的河砂，严禁使用海砂，确保浆液达到无毒无污染要求。

9.0.5应对混凝土在搅拌、运输、浇注环节制定相应环境保护措施，尽量避免水泥与外界的直接接触。混凝土搅拌站，应远离生活区，并对其周围进行封闭，对附近经常进行洒水降尘。

10 效益分析

采用槽钢代替螺纹钢筋进行初期支护中钢拱架的纵向连接，增加了焊接有效面积，加强了钢拱架的纵向连接，提高了初期支护中钢拱架的整体抗扭能力，增加了钢拱架的整体稳定性，提高了隧道初期支护对围岩变形的约束能力，有效的抑制了围岩的变形。由于在施工中有效的限制钢拱架的刚体位移，提高了初期支

护变形控制能力，避免了由于钢拱架下沉与偏移造成的隧道失稳以及净空超限，减少了由此造成的误工、返工等经济损失。根据以往施工的经验及数据进行经济分析，可以得出：采用本工法能够节约的经济效益为数千万元以上。

11 应用实例

兴源隧道位于黑龙江省穆棱市兴源镇境内，起讫里程DK409+090～DK412+517，全长3427m，为双线隧道，共设斜井两座，1#斜井长400m，2#斜井长350m。隧道纵坡11.5‰，最大埋深123m。隧道通过低山丘陵区，属老爷岭山系，地形起伏较大，山坡陡峻，地质复杂，有软岩、岩溶等不良地质体存在，隧道洞身有不含水的碎屑岩接触带、断层破碎带、暗河等软弱破碎结构带。在上述软弱围岩区间初期支护的施工中，采用软岩大变形隧道初期支护钢拱架纵向锁定工法，使本工程顺利通过了贯通。