黃土地區隧道內鋼拱架支護穩定性研究

諶文玉

（中鐵十六局集團鐵運工程有限公司，河北 高碑店 074000）

0 引言

鋼拱常用于巷道松散破碎條件下的初步支護，或單獨支護，或與噴混凝土網聯合支護，或與管頂聯合支護形成預支護體系；鋼拱由于其受力本領的優勢，鋼拱架成為預防和加固隧道強度的重要舉措，為隧道施工安全提供了必要保障。但是在項目實施應用過程中發現在隧道施工中仍然存在很大的問題，一方面是由于鋼拱的架設的不合理所導致，另一方面是由于施工企業管理層缺乏相關的本領導致鋼拱不能完全發揮作用。這樣不僅使得材料不能充分利用，并且使得安全措施形同虛設。本文對鋼拱支架的穩定性進行了分析，為其他同行采用鋼拱框架提供了參考，具有十分重要的工程實踐意義。

1 鋼拱架失穩原因分析

針對鋼拱架的特點要求在對其安裝設計時要完全符合設計要求，鋼拱架的尺寸特點嚴格而言為高度大，寬度小等特點。這類構件在主平面上具有較大的抗彎承載力，由于其結構特點的影響就決定了其對側向的抵抗力較小，對扭矩也缺乏抵抗力[1]。鋼拱的穩定與其所在截面的承載的力息息相關，所受的力越小鋼拱就越穩定，反之就是力越大，鋼拱的側向支撐薄弱時，鋼拱將處于主平面內。在達到撓度之前，突然發生橫向彎曲甚至扭轉，使鋼拱失去承載力而發生破壞，即鋼拱發生橫向彎扭屈服或整體失穩。這種情況的破壞的特點和軸心破壞的特點極為相似，其破壞特點就是隨著軸向力的施加的力度越大就會產生在剛度較小的方向發生橫向變形，產生附加彎矩，側向變形加劇，側向穩定是提高鋼拱整體穩定性的有效方法。

2 寇墩隧道工程概況

2.1 工程概況

寇墩隧道進口位于陜西省榆林市橫東縣張家洼煤炭實業有限公司東側，起訖里程為 DK169+726～DK171+740，全長 2014m，均為Ⅴ級圍巖，最大埋深約85m。進口設置10m 明洞。進口無既有道路可達洞口，需修建臨時便道，出口有既有道路可達洞口附近，需建少量便道。隧道位于黃土梁峁區，地形起伏較大，隧址區表層為新黃土，下伏砂巖夾泥巖，隧道洞身位于巖土分界線或砂巖夾泥巖中，砂巖夾泥巖為含水層，巖體風化嚴重、巖質疏松，巖體破碎，中等強涌水。本隧道共設置一座輔助坑道，斜井與正洞相交里程為 DK170+600，平面交角90度，斜井平面投影長325m，綜合坡度為 10.8%，斜井采用無軌運輸。斜井井口處設置45m明洞。

2.2 工程特點

隧道地質條件復雜，均為Ⅴ級圍巖，圍巖差，施工難度大，安全風險高。本隧道圍巖差，均為Ⅴ級圍巖或Ⅴ級圍巖加強，占隧道全長的100%，滑坡，危巖，順層，順層偏壓點多，坍塌、突泥涌水風險高，施工難度大，安全風險高。

3 工程重難點分析

3. 1 濕陷性黃土地基不穩

隧道進、出口段濕陷性黃土地基處理是本工程的重點。隧道進、出口段洞身局部位于下更新統風積黏質新黃土，本段黃土為輕微濕陷性黃土，場地屬自重濕陷性黃場地，地基濕陷性等級為Ⅱ級，隧道基底采用水泥擠密樁和鉆（挖）孔樁加固處理[2]。

3.2 隧道施工過程中易造成塌方

隧道工程部分洞身位于巖土分界線或砂巖夾泥巖，開挖后極易產生塌方、掉塊現象，應減少對頂部層狀圍巖的擾動和破壞。由于以上問題可能造成很大的工程事故，故必要的采取牢固的支護技術進行預防，本研究對鋼拱架支護進行研究，解決黃土地區易塌的問題[3]。

4 鋼拱架施工存在的主要問題與難題

4.1 加工誤差

所謂失之毫厘謬以千里，在鋼拱架的加工上同樣如此，只有加工精細，才能保障鋼拱架的穩定。目前由于加工的粗糙主要出現的問題是鋼拱變形大，鋼的厚度不同，栓接不合格等問題。

4.2 架設誤差

在鋼拱加工符合要求的前提下，在安裝過程中的步驟中也對鋼拱架的安全有著極大的影響，例如，如果安裝時使鋼拱架不在對準線上就會使其受力產生變化，嚴重時會產生偏心破壞，在連接采用焊接時，對工人的要求也是極高的。

4.3 回填不合格

回填的質量直接影響著鋼拱的穩定，目前存在的問題主要有以下方面：由于人員的質量意識淡薄的問題，在進行回填時往往就會存在著差不多就行的心態，還有就是對鋼拱架的保護意識不強，使得在回填過程中破壞了鋼拱架的結構。所以在對人員進行質量意識的問題上和專業技能培訓上要不斷提高[4]。

5 隧道鋼拱架施工要點

5.1 隧道鋼拱架的加工工作

為了提高鋼拱的整體支護質量，必須重視鋼拱的加工。在加工過程中，首先要了解選用合適的鋼材。鋼材的選擇應根據隧道工程的總體施工要求和國家相應的施工標準。核對設計圖紙上鋼材的標記、品種、數量、外觀等。同時，在加工過程中，應選擇綜合素質較高的施工人員進行相應的施工工作，只有這樣才能提高鋼拱架的整體加工質量。同時，在加工過程中，應根據相關設計圖紙進行相應的施工工作，并增加鋼架的分段數量。只有這樣才能提高空間的整體承載力[5]。加工完成后，應對整個公共空間進行檢查，對存在問題的部位及時糾正，防止在使用過程中出現問題。

5.2 隧道鋼拱架的架設工作

為了提高鋼拱架的整體支護效果，在隧道工程施工過程中必須注意隧道鋼拱架的架設。施工前應進行隧道開挖面尺寸及相應的數據。只有這樣，才能在鋼拱架施工中根據隧道的具體情況進行架設工作，更好地發揮鋼拱架在隧道施工中的作用。在安裝過程中，應為整個安裝工作做好充分的準備，特別是鋼拱與錨桿、鋼網等構件的連接和組合。特殊情況下，噴射混凝土施工前也應考慮。在鋼拱架施工過程中，對鋼拱架本身進行固定（如加錨桿），可以取得較好的效果，提高鋼拱架的支護性能。因此，在隧道鋼拱架設過程中，需要對整體施工和安裝數據進行整理[6]。

5.3 拱部回填注漿施工方法

由于襯砌與圍巖之間存在空隙，采用回填灌漿水泥漿和粉煤灰進行填充加固。一般情況下，填充物在拱的120°范圍內，見圖1。

圖1 拱部回填注漿孔布置圖

（1）回填灌漿工藝隧洞回填灌漿工藝一般包括鉆孔、灌漿、封堵三道工序，施工布置在一個封閉部位。

（2）布孔鉆眼。首先，在隧道輪廓（縱向距離4m）上準確排列孔洞，并用紅漆標記。利用軌道車平板工作平臺，用風鉆手動鉆孔。鉆孔過程中，確保鉆孔方向和角度符合要求，并及時對中斜校正。

（3）封孔注漿。灌漿孔鉆完后，在孔口安裝灌漿塞，并安裝L=3m的25號中型灌漿鋼管。灌漿采用高壓灌漿機，注入摻有粉煤灰的水泥漿，嚴格控制灌漿壓力。在2MPa以下，水泥粉煤灰漿的配合比為C:S=1:0.6。灌漿時，先注入無水孔，再注入水孔，水孔從拱頂一直灌到拱腳。遇砂漿竄槽或跑漿時，采用間隔一孔或多孔灌漿的方法，嚴格控制灌漿壓力。發現問題停止灌漿。

5.4 隧道鋼拱架橫向隔板建設工作

隧道鋼拱施工時，應注意鋼拱橫隔板的施工。水平隔斷在整個空間中起著非常重要的作用。通過水平加寬鋼拱架的施工，可以提高整體施工的強度，提高整體鋼拱架的整體穩定性。提高空間的整體施工能力，可以在隧道施工過程中發揮更好的效果，提高隧道工程的整體施工質量和安全性[7]。

5.5 隧道鋼拱架翼緣寬度建設工作

在隧道鋼拱架施工中，應注意鋼拱架翼緣寬度的施工。在施工過程中，應保證原寬度在一定范圍內，并盡量減小翼緣的總寬度。只有這樣，才能提高空間的整體穩定性和承載力。同時，在施工過程中選擇合適的材料和模型，根據隧道工程的整體施工特點進行整體施工，可以降低隧道支護施工的難度。

6 結語

隧道鋼拱施工在項目管理中應引起足夠的重視。由于鋼拱施工質量差而發生不同程度的質量事故并不少見。隧道鋼拱施工要點體現在：加工必須規范，架設必須規范，拱背必須密實。在項目管理方面，隧道鋼拱施工應規范化，盡量由專業人員施工。