小隧洞鋼拱架支護安全控制措施應用及分析

(1.青海省引大濟湟工程建設管理局，青海 西寧 810000；2.青海省海東市民和縣水務局，青海 海東 810800)

安全是隧洞施工中的一個重要和棘手的問題，國內專家通過理論聯系實際，系統地研究了隧洞內安全隱患。戴勝念[1]通過安全風險識別對隧道施工安全風險管理展開系統的探討研究，楊秀權[2]等探討了長大隧道施工安全管理對策,吳拱北[3]通過施工過程中的風險分析為施工安全尋找有效措施，任夠平[4]通過山西大水網隧洞施工總結出了“6因素”預防的新概念和做法、克服“10思想”和正確處理“3關系”等。這些研究均未提及在進行鋼拱架支護時，如何保證裸洞下施工人員的安全。本文詳細論述了青海省引大濟湟工程兩條地質情況不同、施工工藝不同的小斷面隧洞在鋼拱架支護時的安全防護方法，也就是裸洞防護。裸洞防護的主要措施就是在施工人員上方設立一道防護罩，防止掉塊或塌方直接傷害到下面施工人員，使掉塊可以有緩沖或分向。本防護方法既能有效保證施工人員的安全，還可以提高工作效率。

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

a.隧洞1長度700m，分兩個掌子面施工，工程地段分別為黃土段、砂礫石段及軟巖段，所以開挖時大部分按Ⅴ類圍巖斷面開挖，采用人工配合銑挖機進行掘進，嚴禁爆破，并且開挖必須遵循“短進尺、勤支護”的原則。該隧洞Ⅴ類圍巖斷面尺寸為2.84m×2.78m(高×寬)，斷面為城門洞形，如圖1所示，分兩種支護形式。第一種：巖性相對較好的、無地下水影響的采用間距80cm鋼拱架(H140×80)及波浪形噴射混凝土加鋼筋網片支護。第二種：巖石破碎、松散易塌方、有地下水影響的采用間距80cm鋼拱架(H140×80)、超前錨桿(φ22，L=3.0m,外露0.2m)及波浪形噴射混凝土加鋼筋網片支護。頂拱和邊墻噴混凝土厚度10cm，鋼筋網環向、縱向采用HPB300的φ8鋼筋，網片規格尺寸為20cm×20cm，另外邊墻設鎖腳錨桿，錨桿采用φ18的HRB400鋼筋，長度1.5m,入巖長度1.2m。

圖1 隧洞斷面圖

b.隧洞2長度2017.56m，分兩個掌子面施工，工程地質情況為：洞內巖性較為復雜，有黃土、砂巖、砂礫巖、泥巖、震旦系石灰巖、白云質灰巖。黃土結構松散，土質均一。砂巖、砂礫巖及泥巖呈層狀結構或碎裂狀結構，薄層—中厚層，局部有少量滲水現象。震旦系石灰巖及白云質灰巖，屬中等堅硬巖，基本穩定，有斷層發育處巖體較破碎，節理裂隙發育，所以開挖時大部分按Ⅳ、Ⅴ類圍巖斷面開挖,采用“短進尺、弱爆破、勤支護”的原則進行施工，以確保施工質量、安全和進度。該隧洞Ⅳ類圍巖斷面尺寸為3.26m×2.8m(高×寬)，Ⅴ類圍巖斷面尺寸為3.36m×3.22m(高×寬)，斷面為城門洞形，如圖1所示。本隧洞Ⅳ類圍巖洞段采用兩種支護形式。Ⅳ類(1)圍巖采用間距100cm鋼拱架(H160×88)及波浪形噴射混凝土加鋼筋網片支護；Ⅳ類(2)圍巖采用間距80cm鋼拱架(H160×88)及波浪形噴射混凝土加鋼筋網片支護。頂拱和邊墻噴混凝土厚度10cm；鋼筋網環向、縱向采用HPB300的φ8鋼筋，網片規格尺寸為20cm×20cm；另外外墻設鎖腳錨桿，錨桿采用φ18的HRB400級鋼筋，長度1.5m，入巖長度1.2m。Ⅴ類圍巖洞段采用兩種支護形式。Ⅴ類(1)圍巖采用間距80cm鋼拱架(H160×88)及波浪形噴射混凝土加鋼筋網片支護；Ⅴ類(2)圍巖采用間距80cm鋼拱架(H160×88)、超前錨桿(φ22，L=3.0m，外露0.2m)及波浪形噴射混凝土加鋼筋網片支護；頂拱和邊墻噴混凝土厚度10cm；鋼筋網環向、縱向采用HPB300的φ8鋼筋，網片規格尺寸為20cm×20cm；另外，邊墻設鎖腳錨桿。

1.2 工程特點

上述兩條隧洞均為小斷面隧洞[5]，小斷面隧洞最大的特點是施工空間小。在鋼拱架支護時基本是用人工代替專業機械設備來完成，并且洞內風水管道、電線較多等一系列因素會導致隧洞開挖支護難度加大、施工效率降低，且為隧洞內工作人員增加了太多的安全隱患[6]。

2 安全防護方法

2.1 防護棚式防護

將防護棚式防護運用于隧洞1。防護棚所需材料及加工方法如下：

a.材料：φ22鋼管17m、φ8鋼筋30m、φ16鋼筋20m、伸縮節4個。

b.加工方法：首先將φ22鋼管加工成兩個拱梁和4個防護棚支撐腿，并將4個伸縮節分別加裝在4個支撐腿里面以起升降作用，然后將φ8鋼筋和φ16鋼筋焊接成鋼筋網，再將鋼筋網焊接到φ22鋼管拱梁上，最后將防護棚頂拱部分和防護棚支撐腿通過螺栓固定組裝便可利用，如圖2所示，三維效果如圖3所示。

圖2 防護棚詳圖

圖3 防護棚三維效果圖

2.2 扒渣機式防護

將扒渣機式防護運用于隧洞2。由于上述防護棚式防護措施在洞身段運輸時占用時間較多，嚴重影響施工進度，而隧洞2由于圍巖性質采用爆破施工，出渣時利用扒渣機出渣，在扒渣機出完渣后，可以充分利用扒渣機進行鋼拱架安裝，在保證人員施工安全的情況下也能縮短安裝時間。

扒渣機式防護罩的加工方法如下：

a.材料： 50cm×30cm×2cm(長×寬×厚)的鋼板兩塊，扒渣機一臺。

b.加工方法：先將鋼板寬邊的一端切割一個深20cm、寬10cm口子，然后在扒渣機斗子、鋼板的寬邊另一端各打三個眼，最后將鋼板用螺絲固定在扒渣機斗子上。詳細步驟如圖4所示，實物如圖5所示。

圖4 扒渣機式防護詳圖

圖5 扒渣機式防護實物圖

3 防護棚式和扒渣機式防護運用方法

3.1 防護棚運用方法

a.完成人工或者銑挖機開挖、欠挖部分處理、開挖面危石處理，使隧洞內具備立鋼拱架條件。

b.將鋼拱架、連接筋、鋼筋網片、電焊機等材料和工具運至工作面。

c.防護棚就位。

d.在已支護完成的位置將連接筋、鋼筋網片焊接在拱圈外側。

e.將焊接完成的拱圈放在防護棚上并確定穩定牢靠。

f.將防護棚下面的伸縮桿伸長，將拱圈放置在設計位置。

g.立拱人員將拱腿與拱圈連接。

h.連接筋焊接。

i.安裝兩側邊墻鋼筋網片，加密連接筋，使連接筋焊接牢靠。

j.安裝下一榀鋼架。

3.2 扒渣機防護運用方法

a.完成隧洞開挖爆破、欠挖部分處理、開挖面危石處理，使洞內具備立拱條件。

b.將鋼拱架、連接筋、鋼筋網片、電焊機等材料和工具運至工作面。

c.扒渣機就位。

d.在已支護完成的位置將連接筋、鋼筋網片焊接在拱圈外側。

e.將焊接完成的拱圈放在扒渣機斗子上兩塊鋼板的凹槽內，并確定穩定牢靠。

f.扒渣機大臂慢慢升起，將拱圈放置在設計位置。

g.使用兩根鋼管在扒渣機斗子兩側進行支撐，防止油缸突然卸壓。

h.立拱人員將立腿與拱圈連接。

i.連接筋焊接。

j.扒渣機撤出。

k.安裝兩側邊墻鋼筋網片，加密連接筋，使連接筋焊接牢靠。

l.安裝下一榀鋼架。

4 防護棚式和扒渣機式防護效果分析

4.1 防護棚式和扒渣機式防護優點

a.洞內施工危險源有：?開挖后裸洞部分圍巖應力在短時間內未釋放完，容易造成小塊巖體脫落與坍塌導致下面鋼拱架施工人員受傷；?洞內立體交叉作業，容易造成物體打擊傷人；?人工出渣、清理掌子面時，頂拱掉落的巖塊容易造成砸擊傷人。以上危險狀況下，可通過在防護棚下或者扒渣機式防護下的安全空間內施工，降低甚至避免傷害。

b.傳統立拱方法，拱圈需要3～4人相互配合從隧洞底板抬至洞頂設計位置，比較費力、費時，而且施工人員如果相互配合不好，會造成拱圈掉落，從而威脅施工人員安全。而防護棚伸縮桿或者扒渣機的升降功能均可便捷、輕松地將90kg左右的鋼拱架拱圈及上層鋼筋網放置設計高程，因此可提高施工效率、降低施工難度和安全風險。

4.2 防護棚式和扒渣機式防護缺點

4.2.1 防護棚式缺點

防護棚有一定的體積，要長期占用隧洞內空間，這就使作業面更加狹小，對施工人員、施工機械造成不便。如果防護棚材料過于笨重，隨著隧洞的掘進，需要增加施工人員將其在洞內進行搬運，這也會影響施工進度，所以在此建議防護棚采用高強度、低密度材料，以便搬運。

4.2.2 扒渣機式缺點

扒渣機式相對防護棚式占用洞內空間小，主要占用空間的材料就是扒渣機斗子上面的兩塊鋼板，而且鋼板的運輸可以通過扒渣機完成，不會影響施工進度。但是扒渣機式裸洞防護最大的前提就是要有扒渣機，而有些隧洞在施工過程中用不到扒渣機，這就有了一定的局限性。

5 結 語

a.防護棚式和扒渣機式安全防護都能有效地降低隧洞鋼拱架施工時的安全風險，但是扒渣機式防護能充分利用洞內機械，相對而言節省了時間、投資，所以建議在條件允許的情況下將安全隱患解決思路建立在充分利用洞內機械設備上，比如黏土巖在施工時利用銑挖機掘進，將防護棚和銑挖機結合利用，或者在出渣時利用自卸汽車出渣，將防護棚和自卸汽車結合利用等。

b.隧洞內安全控制措施還需依靠現代科技力量，配置自動監測預報系統，對重點部位加強監控，從而提高事故預警能力。比如洞內布設地質超前預報系統、變形監測系統、有害氣體自動報警系統等。