隧道上臺階無人化立拱縱向連接替代方案

雷嘯天 李德武 張國偉

蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070

我國現階段隧道施工高度依賴人工，特別是開挖、初期支護施工等關鍵環節，初期支護形成前是隧道施工安全風險最高期。對于隧道拱架的縱向連接研究成果較少，在大量的拱架定量分析中，縱向連接往往采用等效替代的方式或者基于安全出發不考慮縱向連接筋在拱架承受圍巖荷載時的貢獻［1-4］。葉萬軍等［5］以慶陽土質隧道為依托，提出了一種增加橫向工字鋼支撐的拱架縱向連接筋形式。趙偉等［6］利用SAP2000建立了空間桿單元模型，分析了實腹式鋼拱架與傳統鋼拱架的力學性能優劣。Gao等［7］以雙向八車道大斷面隧道工程為依托研究連拱效應，采用地層結構模型，建立三維拱架縱向連接模型，使拱架與連接筋共節點，并一起附著于圍巖表面，從而分析受力。

目前對于鋼拱架初期支護受力特性已有普遍共識，但針對拱架縱向連接機械化、無人化施工的定量分析尚不足。本文以新烏鞘嶺隧道上臺階無人化立拱專項研究為依托，在已有隧道無人化立拱鉆錨注一體化臺車和新型鋼拱架的基礎上，定性地分析擬選的幾種替代方案，并利用現場施工反饋與數值模擬對目標連接方式進行定量分析，最后經優化設計，提出一種適用于無人化立拱施工的鋼拱架連接形式。

1 縱向連接鋼筋與鋼筋網的作用

縱向連接鋼筋與兩端的鋼拱架焊接在一起，鋼筋網一般為綁扎搭接，兩者一起形成鋼拱架之間的縱向連接，并與鋼拱架組成空間鋼骨架，使其成為一個整體，受力條件好，能增強拱架間的縱向剛度，減少拱架平面外失穩問題。鋼骨架與混凝土一起組成具有一定柔性和韌性的初期支護。

2 擬選的鋼拱架縱向連接替代方案

傳統的鋼拱架連接方式依靠在兩榀鋼拱架間的鋼筋網及縱向連接筋為鋼拱架提供聯系，再噴射混凝土穩定圍巖。這種施工方式不僅耗費人力、施工強度大，而且施工危險性高，十幾名工人通過肩扛手推來拼接拱架［8］。雖然也有通過搭建工作臺架來輔助進行施工作業的方式，一定程度上降低了施工強度，提升了施工效率，但沒能從根本上解決問題，依舊存在很大的安全隱患。

基于隧道快速施工的要求，根據隧道斷面的尺寸及施工場地的大小合理設計拱架的形式、新型拱架的分節形式和連接方式，保證拱架能夠快速有效地安裝，為圍巖盡快提供較大的支護抗力，初步擬定了幾種縱向連接替代方案。

2.1 鉚釘式連接

采用鉚釘式連接在施作下一榀鋼拱架時是先固定頂部鋼架，再固定兩側鋼拱架，所以兩側的縱向連接鋼筋只能靠鋼架的旋轉移動來連接。在沒有固定拱部之前，鋼架可以自由移動。鉚釘式連接是靠拱架提供縱向推力連接縱向鋼筋，此方法只能用于拱部。

鉚釘式連接構件如圖1所示。其構造較為簡單，易于加工，造價低；對鉚釘頭有特殊的要求，且在拱部對接時需要一定的推力，故對縱向連接鋼筋的強度、剛度有一定要求，板件尺寸的設定、鉚頭尺寸（鉚頭可做成伸縮性的）、開口大小及坡度需要進行嚴格的驗算。連接成功后可約束板件處的所有自由度。施工時要求定位準確，并具有可施加推力的機械設備。

圖1 鉚釘式連接構件（單位：mm）

2.2 旋轉連接

旋轉連接過程與構造如圖2和圖3所示。

圖2 旋轉連接狀態示意

圖3 旋轉連接裝置（單位：mm）

旋轉連接采用鋼拱架旋轉鎖死裝置，并將旋轉裝置用于縱向連接鋼筋。一旦旋轉裝置旋轉到指定位置就會鎖死，此時縱向鋼筋連接處的豎向自由度被約束，靠機械手相繼旋轉帶孔洞的鋼筋片和帶有凸體的鋼筋片，孔洞與凸體連接后則縱向連接鋼筋所有的水平自由度都被約束。連接處的鋼筋片構造簡單，利于工廠制作，造價低且有一定的施工精度。

2.3 三角鋼筋連接

以上兩種連接替代方案的共同特點是對工廠的加工預制要求比較高，小構件的加工不能出現毫米級的誤差，而且對現場架立鋼拱架也要求十分苛刻。在施工過程中不可避免地會出現安裝精度不高的情況，而且由于圍巖變形的時間效應，拱架的位置會不可避免地出現誤差，一旦有了誤差，勢必會給小構件的精密對口連接帶來困難，從而增加無人化的校正工作量和毛洞臨空面暴露的時間，不能實現工期的縮短。因此綜合考慮比選后提出了一種三角鋼筋連接方案。

三角鋼筋連接的鋼拱架由工廠加工預制，形成可折疊的分節鋼拱架，一般由三或五節組成且對接后是與上臺階相匹配的圓弧。當隧道開挖至下一榀鋼架時進行隧道出渣并將鋼拱架運輸至安裝作業現場，多功能作業臺車進場，機械手抬送鋼拱架到指定位置，待上部與圍巖接觸且與上一榀鋼架完成連接后，機械手再將兩側還未固定的鋼架旋轉抬升，直至分節處的鎖扣閉合，縱向連接鋼筋完成搭接。鋼拱架兩端開始施作鎖腳錨管，至此，一榀上臺階鋼拱架安裝完成。可根據施工進度與圍巖情況來決定每次安裝上臺階鋼拱架的數量。安裝完上臺階鋼拱架再開始噴射混凝土，進行中臺階或下臺階的開挖施工與鋼架架立。

新型鋼拱架折疊組合如圖4所示，分節接頭處細部構造如圖5和圖6所示。新型拱架分節處的連接為卡接結構［9］，包括在相鄰拱架單元上設置的連接板、錐形端頭和彈性卡扣。彈性卡扣包括連接板上的空腔和連接板內側的彈性卡圈。利用開口式彈性卡圈被頂時的膨脹性，將折疊式鋼拱架用機械手展開后，錐形端頭將進入內徑略大的彈性卡扣中，在錐形端頭完全頂進后，彈性卡圈復原并卡緊在錐形端頭的底部。

圖4 新型鋼拱架折疊組合

圖5 錐型端頭和彈性卡扣的連接

圖6 彈性卡圈的結構

鋼拱架加工時，傳統的連接方式（圖7。）不能實現上臺階無人化施工，需要工人進行綁扎搭接與焊接。改用三角鋼筋（圖8），其非頂角端預先在工廠與拱架焊接，利用臺車架立鋼拱架，使兩榀拱架間的三角筋的頂角端分別與拱架頂壓接觸。這與掌子面土體出現向后擠出的施工狀態相協調，且符合鋼拱架安裝時對精度要求不高的實際情況。

圖7 傳統鋼拱架連接方式

圖8 三角鋼筋連接方式（單位：mm）

3 傳統連接方式與替代方案數值模擬對比

3.1 鋼拱架力學模型與荷載取值

由于研究對象是連接鋼筋對鋼拱架的連接作用，故建立鋼拱架與縱向連接的細節模型，上臺階鋼拱架施作完成后應在拱腳進行鎖腳錨管的施工并與鋼拱架進行焊接。因此上臺階鋼拱架的兩端約束可視為不發生位移的固定約束。分節處在旋轉后會自動鎖死，再將其分開需要很大的力。分節處滿足鋼拱架在圍壓下的強度與剛度要求［10］。整體上臺階鋼拱架視為超靜定的曲梁，采用荷載結構法進行受力分析。

依托工程為蘭州—張掖三四線中川機場—武威段烏鞘嶺隧道。該研究的目標隧道屬于Ⅴ級深埋軟弱圍巖隧道，須采用主動荷載模式［11］。

圍巖壓力采用TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［12］所推薦的破損階段法進行荷載計算［13］。

隧道結構垂直均布壓力q為

式中：s為圍巖級別；γ為圍巖容重，kN/m3；ω為寬度影響系數。

式中：B為坑道的寬度；i為以B=5 m為基準，B每增減1 m時圍巖的壓力增減率，當B＜5 m時，i=0.2 m，當B＞5 m時，i=0.1 m。

水平均布壓力e為

式中：k為比例系數，取0.3～0.5。

該隧道圍巖應力垂直均布壓力q取259.2 kPa，水平均布壓力e取103.7 kPa。

3.2 有限元模型的建立

傳統連接方式采用0.2 m×0.2 m間距?8鋼筋網及環相間距為1 m的?22縱筋連接，為保證上臺階無人化立拱方式連接鋼拱架的支護強度，每榀鋼拱架間連接筋的用鋼量與原連接方式保持一致，采用間距為0.3 m的?18連接筋。為更好地分析鋼架與鋼架之間的受力性能，借助MIDAS GTS NX有限元軟件，建立上臺階三榀鋼拱架連接模型，如圖9所示。

圖9 鋼拱架有限元模型

模型水平面內垂直隧道軸線方向（橫向）為x軸，平行隧道軸線方向（縱向）為y軸，豎向為z軸。計算范圍橫向取13.70 m，縱向取2.0 m，豎向取4.95 m。新型拱架分節間的接頭連接因其強度與剛度滿足要求，且重在研究縱向連接筋的力學特性，故將新型拱架用梁單元模擬，縱向連接采用1D梁單元，混凝土襯砌采用3D實體單元，傳統連接方式模型共3 003個節點和3 700個單元，無人化立拱連接方式共2 096個節點和2 908個單元。

3.3 邊界條件及計算參數

鋼拱架拱腳采用固定約束，混凝土襯砌前后邊界采用水平約束。對于傳統立拱連接方式，縱向連接筋與鋼筋網以及縱向連接鋼筋與鋼拱架之間均采用共節點的剛性連接。無人化立拱連接方式中的后一榀三角鋼筋與前一榀拱架連接處采用節點分離的建模方法。考慮到縱向連接鋼筋與混凝土可以有相對位移，故采用界面單元耦合模擬兩者的滑移與分離。

連接鋼筋均采用Q235鋼，襯砌采用C35混凝土。材料的物理力學參數見表1。

表1 材料物理力學參數

3.4 模擬結果及分析

對于傳統連接方式和無人化立拱連接方式，計算得到兩種連接方式下混凝土襯砌位移、鋼骨架位移、拱架支座反力、拱架支座反力偶、拱架軸力、拱架剪力、拱架彎矩、連接鋼筋最大主應力的分布。

3.4.1 襯砌位移分析

根據混凝土襯砌位移分布的模擬結果，傳統連接方式下混凝土拱頂沉降為10.64～10.72 mm，水平位移為4.70～5.06 mm，無人化立拱連接方式下混凝土拱頂沉降為10.68～10.78 mm，水平位移為4.90～5.10 mm；在拱頂75°范圍內發生以沉降為主的變形，拱腳范圍內發生向外為主的變形，兩種連接方式下的變形趨勢一致，對應量值及其分布相差不大。這表明拱架采用一端三角鋼筋提前焊接，一端在施工時頂在另一榀拱架上，待混凝土澆筑完成后仍可以保證一定的整體性。

根據鋼拱架位移分布的模擬結果，無人化立拱連接方式下三角鋼筋頂至前一榀拱架時，在相同位置鋼筋節點與鋼架節點將發生分離，第一榀拱頂處鋼拱架總位移為10.77 mm，三角鋼筋總位移為10.78 mm，第二榀拱頂處鋼拱架總位移為10.70 mm，三角鋼筋總位移為10.74 mm；差別的數量級均在0.01 mm級。骨架變形規律與混凝土襯砌變形規律具有一致性。

3.4.2 拱架支座約束分析

拱架拱腳處的穩定性是整個襯砌結構穩定的關鍵。根據三榀拱架支座約束的模擬結果，兩種連接方式下所需的支座反力與支座反力偶方向一樣。傳統連接方式下第一、第三榀拱架支座反力為1 514.38 kN，支座反力偶為68.76 kN·m，第二榀拱架的支座反力為2 408.17 kN，支座反力偶為69.90 kN·m。無人化立拱連接方式下第一、第三榀拱架支座反力為1 491.87 kN，支座反力偶為65.38 kN·m，第二榀拱架支座反力為2 459.98 kN，支座反力偶為65.78 kN·m。施作相鄰兩榀拱架時，下一榀拱腳需要較大的約束力，采用無人化立拱連接方式時第二榀所需支座反力比第一榀提高了64.9%，傳統連接方式第二榀所需支座反力比第一榀提高了59.0%，故采用無人化立拱連接時應更加注重拱腳處鎖腳錨桿的施作質量，以確保鋼架的穩定性。

3.4.3 拱架內力分析

根據拱架軸力分布的模擬結果，兩種連接方式下拱架均處于受壓狀態，壓力最大值集中在拱腳處。由于替代方案鋼筋分布均勻化，使得相鄰拱架的受力差異變小。傳統連接方式下拱腳壓力為930～1 190 kN，無人化立拱連接方式下拱腳壓力為730～880 kN；從拱腳沿軸線向中部靠攏，壓力大小發生驟變，兩種連接方式均在10°范圍內壓力分布差異較大，其余位置的壓力大小幾乎相同。兩種連接方式下的壓力均為140～200 kN。

根據拱架剪力分布的模擬結果，傳統連接方式下鋼架剪力在拱腳處集中，無人化立拱連接下這一集中現象減弱，且存在過渡區段。對于傳統連接方式，拱腳處剪力為180～215 kN，其余位置剪力為30～40 kN，中間沒有過渡段，屬于驟變。對于無人化立拱連接方式，拱腳處的剪力為160～170 kN，其余位置的剪力為5～25 kN，且具有過渡段，剪力不發生突變。

根據拱架彎矩分布的模擬結果，相鄰拱架所承受的彎矩大致相同，兩種連接方式下拱架彎曲變形特征一致，均在拱頂及拱腳處發生向隧道方向的彎曲，在拱肩及拱腰處發生向背離隧道方向的彎曲。兩種連接方式下所受彎矩的大小相差不大，拱腳處彎矩的為30～70 kN·m，拱腰處的彎矩為1～5 kN·m，拱頂處的彎矩為1.8～8.8 kN·m。

3.4.4 連接鋼筋應力分析

拱架之間連接鋼筋的應力狀態是反映替代方案可行性的直觀指標。傳統連接方式下，因為縱向連接鋼筋與鋼筋網直徑存在差異，應力相差較大，連接縱筋的拱腳處最大主應力在30～105 MPa，屬于最不利位置，除拱腳的其余位置應力在16.9～31.7 MPa；橫向鋼筋的應力小于10 MPa，縱向鋼筋的應力為40 MPa左右。無人化立拱連接方式下連接鋼筋的應力狀態比傳統連接方式更均勻，連接鋼筋拱腳處應力在14.3～21.3 MPa，其余位置應力在1.0～2.0 MPa，拱頂局部出現應力集中現象，最大應力達79.8 MPa。

4 后期設計優化

新烏鞘嶺隧道上臺階無人化立拱進行了三次試驗。第一次為洞外試驗，在中鐵十五局蘭張鐵路項目部鋼筋加工廠進行了多次鉸接式連接腳板和鎖腳錨管+套環的試驗，受加工水平和工人第一次接觸不夠熟悉影響，出現了錨栓彈條卡頓、無法自由伸縮的問題。

在洞外進行了上臺階1∶1長度鉸接式拱架立拱試驗，按照上臺階尺寸，拱架共分三節，中間8 m，兩邊約6 m，主要演練鉸接式拱架撐開動作、兩拱架臂空中換手動作、鉆鎖腳錨管動作。

第二、第三次為洞內試驗，主要解決的問題有拱架鉸接板連接不牢、鉸接后拱架自身重量使鉸接頭脫離、拱架抓取頭靈活度不夠、抓取拱架耗時較長、組合鉸接式拱架展開后空間受限在掌子面無法撐開。將上臺階拱架形式設計為五節，拱頂拱架長7.3 m，拱腰5.7 m，拱腳1.6 m。立拱由兩名操作手遠離掌子面遙控操作。

該設計方案目前已投入隧道建設中。在施工實踐中，拱部易出現掛灰困難，混凝土在三角鋼筋中部的回彈量較大，造成了一定的施工困難，故在該設計的基礎上再次進行優化設計，在每一側的三角鋼筋三分之一處設置一道橫筋（即呈A形），增加中部的混凝土鋼筋量，且噴射混凝土時可起到一定的掛灰效果。優化后的三角鋼筋如圖10所示。

圖10 優化后的三角連接筋

優化設計后現場施工，立拱人員由原來的9人減少為3人，通過以機代人使工人勞動強度得以降低。與正常人工施工相比，一榀拱架安裝用時由原來的每榀1.5～2.0 h降低至每榀1.0 h。按照平均每循環進尺兩榀1.6 m考慮，則每循環節約時間1.5 h。對于長度為8 000 m的隧道則共計節約時間7 500 h，7個作業面中平均每個作業面節約45 d，考慮機械設備折舊、人員、電費等的投入，共節約近930萬元。

5 結論

1）通過定性分析，認為鉚釘式連接與旋轉式連接立拱控制精度高，難以滿足隧道施工現場實際情況，考慮到開挖掌子面后由時間效應引起的掌子面向后方擠出的特點，認為采用三角鋼筋連接具有可行性。

2）傳統連接方式和無人化立拱連接方式下襯砌變形及拱架彎曲變形特征幾乎一致。施作相鄰兩榀拱架時，下一榀需要較大的約束力，無人化立拱連接方式下第二榀所需的支座反力比第一榀提高了64.9%，傳統連接方式下第二榀所需的支座反力比第一榀提高了59.0%。

3）采用三角鋼筋連接時，拱頂局部會出現應力集中現象，應力達到79.8 MPa，但整體上三角鋼筋的應力狀態較傳統的連接筋更為均勻。

4）采用自主研發的新型鋼拱架分節間卡扣連接的構造形式，根據新烏鞘嶺隧道進口段斷面尺寸最終將上臺階拱架形式設計為五節，拱頂拱架長7.3 m，拱腰5.7 m，拱腳1.6 m，將三角鋼筋優化為A形鋼筋。

5）縱向連接鋼筋優化設計后，現場施工效率明顯提高，且在經濟效益上具有一定優勢。