隧道初期支护格栅钢架施工技术

陆达鹏

(中铁七局集团第五工程有限公司，河南 郑州 450000)

随着我国道路建设的快速发展,大量的隧道需要穿越更多更长的黄土地段,这些隧道大多存在地质情况复杂、施工环境要求高、工期短等困难。做好黄土隧道施工工厂化、机械化质量控制是保证隧道施工工期、隧道施工安全的关键。为达到蒙华铁路项目公司提出的隧道工程“机械化”施工的要求以及加快施工进度，通过采用成套格栅钢架设备进行机械化、工厂化施工，确保项目能够在保质保量的前提下，按时完成所要求的工作量。同时根据现场机械化施工过程中的每项工序、细化每道工序的节点时间、减少工序之间的衔接时间从而确定出每道单元循环最优的完成时间。

以往隧道格栅钢架加工制作采用型钢制作胎模加工，主筋及其余部件均采用人工制作，施工工效低。在机械化施工的条件下，格栅钢架采用集中加工生产，采购数控加工设备制作“八”字筋、主筋采用钢筋弯曲机进行预弯加工，制作好的“八”字筋采用专用压模压制成形，采用型弯曲机加工制作胎模。加工好的主筋、“八”字筋等在胎模上拼装点焊成形，最后在集中焊制区统一焊接形成成品。格栅钢架加工制作设备数控技术，较传统的人工弯制施工工效大幅提高，节约了人工成本和机械成本。

1 工程概况

蒙华铁路隧道位于三门峡陕州区，该地区黄土分布地域广泛。黄土隧道有其自身易塌方、遇水产生湿陷性的特点。根据黄土隧道的施工实践,合理选择施工方法,综合考虑了隧道施工中初期支护格栅钢架施工安全质量控制的各个方面，强调了施工中必须符合的快速、安全、质量等要求。

2 格栅钢架施工技术

在隧道施工管理中，充分体现新奥法“初支受力，二衬起安全储备和装饰美化作用”的理念，初期支护采用格栅柔性支护，充分发挥围岩自身的承载能力。以往隧道施工中，格栅“八”字筋采用人工加工，加工质量难以保证，且加工效率低。针对上述问题，“八”字筋采用数控加工，每台数控钢筋弯箍机每小时加工180个“八”字筋，相当于15名工人每小时加工量，节约了劳力。且数控设备弯曲精度高，保证了加工质量，提高了生产效率，降低了施工成本。格栅钢架均为四支格栅钢架，四根主筋用Φ18或Φ22螺纹筋在模具台上借助工具弯制成拱形，主筋间安装八字节，通过组合在模具台上焊接成格栅形式。格栅钢架加工过程相比型钢钢架加工过程，更加轻便，加工过程中安全系数较高。钢架安装时借助在洞室顶部打设的锚杆作为起吊点，用滑轮或电动葫芦进行起重吊装，型钢拱架重量大，一般需要挖掘机或湿喷机械手起吊才能到位，拼装成功。而格栅钢架质量相对较轻 ，仅需借助小机具就能完成安装，显得更轻便、安全。

格栅钢架在成本方面优于型钢拱架，以Vc型衬砌段落为例，型钢钢架每榀重量为1 981.5kg，格栅钢架每榀重量为的986kg，经济对比情况见表1。格栅钢架的用钢量仅仅为型钢拱架的49.8%，工字钢的体重大、刚度大，安装时洞内场地狭小，造成施工极不方便，增加了人力、物力、时间投入。

表1 型钢和格栅钢架经济对比表

格栅钢架安装3榀的时间等同于型钢拱架安装1榀的时间。型钢拱架施工速度的缓慢，一是造成工程进度不达标，二是开挖支护掌子面暴露时间延长，给安全带来不利影响。当隧洞断面较大、地质条件复杂的时候，特殊危险断面洞段的处理快慢对隧洞施工总工期的影响是很大的。

3 格栅钢架施工工艺

3.1 加工单元

根据施工和设计要求需要架设一榀H150格栅钢架，由A、B、C三个单元组成，单元之间用螺栓连接。用设计规定的角钢作连接板。根据工程特点，同时为了方便对格栅钢架管理和质量的保证，采用集中进行加工，出厂预拼，现场安装。

3.2 加工设备及材料

(1)机械设备主要有电焊机一台、切断机GQ40一台、卷扬机JK2～10T三台、钢筋弯曲机GJ7-40四台、钢筋调直机 GT4-10a一台。

(2)材料准备。H150格栅钢架所需材料：主筋采用22螺纹钢筋，八字结采用Ф14钢筋，箍筋采用Ф8圆钢，定位系筋采用16钢筋，连接件采用厚度为10mm的钢板，用Ф24高强螺栓连接。

3.3 工艺流程

H150型格栅钢架加工工艺流程图见图1。

图1 格栅拱架加工流程图

(1)模具制作。根据测量组放样尺寸A单元外弧22长4 530mm，B单元外弧22长4 300mm，C单元外弧22长4 120mm，将定位直立钢板焊接在平铺钢架上作为格栅钢架焊接模具。格栅钢架定型模具见图2。

图2 格栅拱架加工模具

(2)主筋冷弯。主筋A单元外弧N122长4 530mm，B单元外弧22长4 300mm，C单元外弧22长4 120mm，在冷弯机上进行冷弯。

(3)格栅“八”字筋数控加工。为全面实现自动化、工厂化加工生产，格栅“八”字筋加工采用数控钢筋弯箍机进行。整根螺纹钢输送进钢筋弯箍平台中，自动生产出“八”字筋，然后将生产出来的平面“八”字筋通过气体对焊机焊接接头，最后通过气体对压机将两个平面“八”字筋挤压成立体“八”字筋。如图3～图6所示。

图3 数控弯箍机

图4 气体对焊机

图5 对压机

图6 “八”字筋成品

(4)连接角钢加工。H150型格栅钢架角钢采用∠125×80×10，孔径Ф24mm。等离子切割机切割连接角钢，冲剪机冲螺栓孔。如图7所示。

图7 连接角钢冲剪机加工

(5)“八字节”、连接角钢与主筋焊接。“八字节”、连接角钢与主筋焊接在模具定位台上进行。工作台为工字钢和16mm的定位钢板制成，根据测量组放样钢架轮廓线，将定型钢板竖向焊接在平铺钢板上，形成格栅钢架定型模具。“八字节”、连接角钢与主筋焊接在模具定位台上进行，控制变形。格栅钢架成品如图8所示。

(6)焊接质量检验。钢架焊接采用40的焊条，焊接完成后，质检员对钢架焊接部位检查，检查结果为，焊缝较饱满、长度、宽度符合设计要求。钢筋上没有假焊或漏焊的现象，焊缝表面没有裂纹、焊瘤等缺陷。

图8 格栅钢架成品

(7)钢架试拼。选择一处相对平整的硬化地面，通过CAD模型放样出1∶1的钢架轮廓线；工人按照CAD模型的钢架单元节数将加工好的各单元钢架平放在轮廓线上，然后上紧各单元之间的连接螺栓。班组长、技术员、质检员按照“三检制”程序和技术交底进行轮廓线、翘曲度等检查，基中轮廓线误差为-2cm，平面翘曲偏差为1cm，误差都在规范允许范围内。格栅钢架试拼见图9。

图9 格栅钢架试拼

(8)初期支护施工。蒙华铁路隧道采用格栅钢架、挂钢筋网及湿喷机械手喷射混凝土组成的支护体系。格栅钢架及初支构建等在钢结构加工厂集中加工制作配送至作业面, 借助小型机具配合人工架立。隧道无支护时间时对围岩结构稳定性影响大，必须在开挖后较短时间，一般为4 h完成喷射混凝土, 以防隧道围岩的黄土失水风化而造成收敛变形过大。初期支护施工顺序。

安装格栅钢架：安装钢架要速度快。开挖断面完成后经断面复核检查满足要求后立即进行测量放线，紧跟着进行钢架安装及连接。钢架每个节段间用螺栓连接牢固，拱脚置于牢固的基础垫板上。

挂设钢筋网：钢架节段安设及连接后及时挂设钢筋网作业。安装铺网片时需注意网片搭接宽度，搭接宽度不得小于1个网格，并焊接牢固。

钢架定位系筋：沿钢架环向左右侧间距1m布置Φ16定位系筋(长1m)，并与拱架焊接牢固。

纵向连接筋：纵向连接筋将相邻2榀钢架焊接连接成整体，Φ22连接筋沿钢架环向间距1m布置，并与相邻拱架焊接牢固。

锁脚锚管：锁脚锚管设置在每个台阶底脚部位，每处2根，锁脚锚管斜向下角度为45°，锁脚锚管与格栅钢架通过“L”形连接筋焊接成整体。

喷射混凝土：采用湿喷机械手喷射C25混凝土至图纸设计厚度。

4 结 语

(1)采用格栅钢架可减少围岩及掌子面暴露时间，对于时间的节省具有一定作用。“新奥法”主要考虑到长时间暴露会增加围岩变形量，因此要求对暴露的围岩进行及时支护。隧道围岩要在开挖后及时架设钢架和焊接钢筋网，尽早进行喷射混凝土施工，使围岩形成封闭让初支整体受力，防止围岩失稳，而如果型钢拱架施工时间较长，对于最佳的支护时间不能够有效利用，将会对施工作用造成不利影响，同时较长的作业时间会增大作业人员在洞内的风险，使得人身安全及设备安全同时受到威胁。

(2)材料特性对支护施工进行考虑，格栅钢架的柔性相对较强，刚度适中，对于支护的安全性具有较大支撑作用，并且由于其材料特点，与型钢拱架相比，容许围岩适度变形的能力较强大，在支护过程中能够及时提供较大支护阻力，尤其对于岩层较破碎、地层不稳定的施工结构适应性较强。

(3)格栅钢筋拱架与型钢拱架相比具有施工便捷、投资节省的优势，提倡优先使用格栅钢筋拱架。隧道初支格栅钢架的应用，不仅节省了投资，提高了工效，而且没有发生安全事故。