拱架在水工隧洞臨時(shí)支護(hù)中的應(yīng)用

劉 放，程 春

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

地下洞室開挖爆破之后，需要及時(shí)對(duì)隧洞進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，以保證施工安全。在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代，水工隧洞在實(shí)際施工中往往選擇剛度較大的型鋼拱架，后來鐵道工程局介入水電建設(shè)，格柵拱架使用才逐漸多了起來。這兩種支護(hù)方式孰優(yōu)孰劣?當(dāng)然要針對(duì)不同的情況而定。

1 型鋼拱架和格柵拱架的比較

1.1 制作與安裝

在青龍電站引水隧洞施工中，型鋼拱架采用I20a型工字鋼，使用機(jī)械彎制成拱形。格柵拱架為四弦桿式，四根主桿用φ25 mm型螺紋筋在操作臺(tái)上人工彎制成拱形，主桿間設(shè)斜桿（φ16 mm）和箍筋（φ10 mm），組合焊接成格柵形式，斷面規(guī)格20 cm×20 cm。

在多諾電站引水隧洞施工中，型鋼拱架采用I16型工字鋼，使用機(jī)械彎制成拱形。格柵拱架為四弦桿式，四根主桿用φ22 mm型螺紋筋在操作臺(tái)上人工彎制成拱形，主桿間設(shè)斜桿（φ16 mm）和箍筋（φ10 mm），組合焊接成格柵形式，斷面規(guī)格15 cm×15 cm。

每榀拱架根據(jù)隧洞斷面長(zhǎng)度分為3或5段，接頭采用鋼板、螺栓連接。安裝時(shí)采用挖掘機(jī)或滑輪吊裝成拱，前后兩榀拱架間均采用型鋼或鋼筋連接，提高拱架聯(lián)合受力的整體剛度。兩種拱架架立后，及時(shí)進(jìn)行掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土覆蓋，使混凝土和拱架聯(lián)合受力，提高支護(hù)強(qiáng)度，封閉圍巖，防止不穩(wěn)定巖體掉塊。拱架應(yīng)盡量接觸圍巖，或者多預(yù)備幾個(gè)規(guī)格的拱架，根據(jù)隧洞開挖后超挖斷面選擇拱架規(guī)格。0.5 m以上的空隙應(yīng)考慮在主拱上方設(shè)附拱。

1.2 使用成本

在水工隧洞施工過程中，以V類圍巖支護(hù)拱架為例，青龍電站隧洞拱架所用材料分別為工字鋼I20a和螺紋鋼φ25 mm，多諾電站隧洞拱架所用材料分別為工字鋼I16和螺紋鋼φ22 mm，拱架和橫向支撐的間距都按l.0 m計(jì)，不考慮噴錨。由此得到兩種拱架的成本，如表1所示。

表1 每米拱架的成本估算 元

根據(jù)上表，格柵拱架每米成本為型鋼拱架的1.05%～1.08%，分析其原因如下：

1）型鋼拱架制作快速，格柵拱架制作工序較多，制作時(shí)間較長(zhǎng)，鋼筋和工字鋼采購(gòu)價(jià)格相差很小，因此格柵拱架制安單價(jià)與型鋼拱架相差不大，實(shí)際制安價(jià)格格柵拱架略高。

2）型鋼和鋼筋型號(hào)應(yīng)根據(jù)電站隧洞斷面進(jìn)行匹配，隧洞斷面越大使用工字鋼和螺紋鋼越粗，經(jīng)過匹配計(jì)算，型鋼拱架和格柵拱架重量相差不大。

1.3 使用環(huán)境

隧洞支護(hù)時(shí)應(yīng)根據(jù)隧洞地質(zhì)圍巖條件選擇不同的拱架支護(hù)，使用拱架的隧洞一般為IV～V類圍巖，巖體完整性差，比較破碎、不穩(wěn)定，施工開挖后圍巖松弛較強(qiáng)，此類圍巖在隧洞開挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行包括拱架在內(nèi)的臨時(shí)支護(hù)，不然可能產(chǎn)生塌方。

格柵拱架和型鋼拱架從材料特性上考慮，普遍認(rèn)為格柵拱架具有相對(duì)柔性，剛度適中，容許圍巖適度變形的能力優(yōu)于型鋼拱架，能及時(shí)提供支護(hù)阻力，適用于巖層比較破碎、不穩(wěn)定的地層。型鋼拱架采用工字鋼材料，其抵抗山巖壓力的能力大于以螺紋筋為材料的格柵拱架，適用于巖層十分破碎、非常不穩(wěn)定的地層。

在電站隧洞實(shí)際施工過程中，V類偏差的圍巖一般使用型鋼拱架，IV類偏差和V類偏好的圍巖一般使用格柵拱架。

2 型鋼拱架和格柵拱架實(shí)際應(yīng)用和原則

2.1 實(shí)際應(yīng)用分析

在多諾電站隧洞（5.2 m×5.6 m）施工期間，基本采用格柵拱架進(jìn)行支護(hù)，而實(shí)際效果也比較好，在工程施工期間（3年）基本未發(fā)生事故。在青龍電站隧洞施工前期，根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)，在V類圍巖支護(hù)中也大量采用格柵拱架。后來在4號(hào)支洞控制主洞下游工作面發(fā)生兩次塌方，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，4號(hào)支洞下游塌方段巖石為花崗斑巖侵入體，侵入體呈巖墻順層侵入，巖層走向基本與洞軸線近于平行，且裂隙相互切割，巖體完整性差，巖體中擠壓破碎帶發(fā)育，充填灰白色巖屑及巖粉，巖塊間嵌合差，巖體以塊裂結(jié)構(gòu)為主，少量碎裂～散體結(jié)構(gòu)，為Ⅴ類圍巖。隧洞開挖后隨著圍巖應(yīng)力釋放，隧洞周邊發(fā)生變形，而格柵拱架雖然有一定的適應(yīng)變形能力，但剛度不夠，導(dǎo)致在部分洞段發(fā)生塌方。后來根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，修改了4號(hào)～5號(hào)支洞間的臨時(shí)支護(hù)措施，將該段的V類圍巖支護(hù)全部改為了型鋼支護(hù)，后期隧洞繼續(xù)開挖期間，雖然隧洞仍有部分變形，但在該部分加強(qiáng)支護(hù)后，再未發(fā)生塌方事故。

2.2 拱架應(yīng)用范圍研究

1）拱架適應(yīng)變形能力。型鋼拱架是工字鋼彎曲而成，有一定的剛度和變形能力，可以適應(yīng)較大的山巖變形，在較大的山巖壓力下依然有支撐能力，從而避免塌方。

格柵拱架是由鋼筋彎曲焊接而成，必須與噴混凝土形成鋼筋混凝土聯(lián)合受力支撐山巖壓力，在較大的山巖變形情況下噴混凝土將崩解，從而形成格柵拱架單獨(dú)受力，變形較大時(shí)格柵拱架可能焊點(diǎn)破壞失去支撐能力，造成隧洞塌方。

在拱架的實(shí)際應(yīng)用中，也發(fā)現(xiàn)型鋼拱架的變形能力相對(duì)格柵拱架要大一些。格柵拱架可以適應(yīng)圍巖一定的變形而不破壞，適用于圍巖變形較小的隧洞。型鋼支撐剛度較大，一般用于圍巖較破碎、變形較大的隧洞，型鋼主要以其剛度抵抗圍巖的變形，如圍巖變形較大，超過其型鋼的支撐能力，型鋼將被破壞，此時(shí)一般的處理是增加其剛度。

2）拱架與隧洞斷面。隧洞斷面越大，隧洞變形和塌方的可能性越大，同時(shí)隧洞山巖壓力越大，因此需要?jiǎng)偠容^大的拱架來作隧洞支護(hù)。根據(jù)隧洞臨時(shí)支護(hù)的穩(wěn)定計(jì)算，以及青龍、多諾以及類似電站的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，隧洞斷面對(duì)于型鋼支撐以及格柵拱架的建議選擇如下：

格柵拱架建議用于跨度5.0 m以內(nèi)的IV、V類圍巖段，以及5～10 m的隧洞IV類圍巖段（巖石為硬巖，變形量較?。?。

型鋼拱架建議用于跨度5.0 m以內(nèi)的V類圍巖軟巖段（較破碎，有地下水、圍巖易變形等不良地質(zhì)洞段），跨度5.0～10.0 m隧洞的V類圍巖軟巖段（圍巖易變形）。

跨度10.0 m以上隧洞因斷面較大，建議全部使用型鋼拱架。

2.3 拱架應(yīng)用原則

在對(duì)型鋼拱架和格柵拱架的選擇上，主要遵循以下原則：

1）應(yīng)根據(jù)隧洞地質(zhì)圍巖條件及支護(hù)安全度選擇不同的拱架支護(hù)。在充分進(jìn)行地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，在保證安全的前提下采取最節(jié)約投資的支護(hù)措施，在投資和安全度上尋找平衡點(diǎn)。

2）無論采取型鋼拱架或格柵拱架，必須認(rèn)識(shí)到拱架支撐僅是起著骨架作用，更應(yīng)該重視的是隨之加固的噴混凝土或混凝土澆筑。噴錨網(wǎng)和拱架體系形成柔性支護(hù)和剛性支護(hù)共同作用、聯(lián)合受力，形成整體結(jié)構(gòu)，起到防止失穩(wěn)的良好作用。

3）支護(hù)完成后要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)（圍巖變形收斂監(jiān)測(cè)），勤觀察，一旦發(fā)現(xiàn)有不利變形，要迅速采取進(jìn)一步的加強(qiáng)支護(hù)；如變形較大且未收斂，則相同圍巖洞段建議加強(qiáng)型鋼剛度；如仍有部分洞段出現(xiàn)拱架變形扭曲，建議及時(shí)澆筑混凝土進(jìn)行襯砌（邊挖邊襯）。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)型鋼拱架和格柵拱架在實(shí)際工程中的應(yīng)用，可以認(rèn)識(shí)到，在水工隧洞施工中，如果計(jì)算和選擇得當(dāng)，單榀格柵拱架與型鋼拱架重量和單價(jià)均相差不多，格柵拱架和型鋼拱架使用費(fèi)用相差并不大。格柵拱架與型鋼拱架相比并未具有很大優(yōu)勢(shì)，實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)隧洞斷面和實(shí)際地質(zhì)條件選擇使用相應(yīng)拱架。

［1］王任國(guó)，張立勇.格柵鋼架與型鋼拱架在隧洞支護(hù)中的比較與應(yīng)用［J］.四川水利，2007（1）.